автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Влияние дестабилизирующих факторов на характеристики СВЧ-усилителей входных устройств систем спутниковой связи

КИЕВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

И Г г, ! > 1 • ! -1 • „

На правах рукописи

ФАН ХОНГ ФЫОНГ

(Вьетнам)

УДК 621.372

ВЛИЯНИЕ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ СВЧ —УСИЛИТЕЛЕЙ ВХОДНЫХ УСТРОЙСТВ СИСТЕМ СПУТНИКОВОЙ связи

Специальность: 05.27.01 —твердотельная электроника и микроэлектроника.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Киев — 1995

Работа представляет собой рукопись.

Работа выполнена на кафедре электронных приборов и устройств Киевского политехнического института.

Научный руководитель:

— доктор технических наук, профессор, член-корр. АН Украины, Гассанов Л. Г.

Научный консультант:

— кандидат технических наук, доцент, Тимофеев В. И. Официальные оппоненты:

— доктор технических наук, генеральный директор фирмы «Банком Связь», Безбородов Ю. М.

— кандидат технических наук, начальник- отдела НИИ «Сатурн», Босый В. И.

Ведущая организация: ГНИЦ — «Суз1р'я».

Защита состоится 20 февраля 1995 г. в /у_;

на заседании Специализированного Совета К068.14.17. в

Киевском политехническом институте .но адресу: 252056, г. Киев, пр. Победы, 37.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КПИ.

Автореферат разослан _1995 г.

Отзывы на автореферат в одном экземпляре, заверенные печатью организации, просим отослать по адресу института Ученому секретарю Специализированного Совета.

Ученый секретарь Специализированного Совета кандидат т

10. Д. КОБЦЕВ.

Актуальность теш.

В настоящее время, практическая работа входных усилительных устройств средств спутниковой связи и телевидения ССТВ ( в частности СВЧ конверторов ) происходит в условиях одновременного приема в преобразования многих сигналов, т.е. в сложных условиях электромагнитной обстановки. Кроме этого в реальных условиях работы данных систем приходится сталкиваться с особенностями, связанными с влиянием, большого числа дестабилизирующих факторов (ДО), связанных как с воздействием помех, так и радиационных излучений (а,7) - видов и влиянием температуры, на характеристики этих устройств.

Проведение исследований, по предложенной проблематике, сдерживается отсутствием пакетов прикладных программ, как отечественных так и зарубежных, позволяющих в полной мере производить анализ нелинейных режимов СВЧ - усилительных устройств о отмеченными особенностями.

Качество получаемых результатов исследования во многом определяется степенью совершенства моделей активных элементов разного уровня ( физических, математических ) и устройств на их основе. Учет большого числа факторов, необходимых при построении моделей полупроводниковых субмикронных СВЧ приборов и устройств на их основе, неизбежно приводит к увеличение размерности задачи, феномену сверхжесткости их систем алгебро-дифференциальных уравнений, увеличению вычислительной погрешности и требуемого объема оперативной памяти.

В связи с. изложенным, тематика. исследований в диссертационной работе, направленная на исследование нелинейных режимов усилительных СВЧ - устройств на СаАз ПТШ при воздействии дестабилизирующих факторов различной физической природы, представляется актуальной и практически значимой при проектировании входных СВЧ - устройств ССТВ.

Цель работ.

Целью работы является: разработка и исследование методов, моделей и алгоритмов для численного анализа нелинейных многочастотных режимов усилительных устройств на ЮТ, с учетом влияния дестабилизирующих факторов различной физической природа, таких, как радиационные излучения (а, 7)-видов, температура.

В соответствии с поставленной целью в . диссертации решаются следующие задачи:

1. вйзино - топологическое моделирование ПТШ с учетом динамики нестационарного дрейфа носителей и короткоканалышх

-

эффектов: влияния подложки, "всплеска" дрейфовой скорости, диффузии горячих электронов.

2. Моделирования полевого транзистора с барьером Шоттки с каналом и подложкой из Саде в виде статических и малосигнальных схемных параметров по квазидвумерной модели.

3. Создания методики анализа нелинейных режимов СВЧ -усилителей на полевом транзисторе с НО.

4. ИдентиВикации паразитных параметров схемное модели ЮТ при помощи процедуры параметрической оптимизации.

5. Моделирования радиационных эффектов в СаАз ПГШ, проводимое в рамках разработанных квазидвумерной, радиационной, высокочастотной сигнальной в шумовой моделей ПШ.

6. Проведения температурного анализа сигнальных ж шумовых СВЧ характеристик ЮТ.

7. Разработки алгоритмов анализа сложных динамических режимов, в их числе разработка алгоритмов спектрального оценивания, адаптированных к многочастотным нелинейным режимам.

8. Анализа типовых характеристик электромагнитной совместимости ОМС) приемных систем СВЧ ССТВ.

Методы исследования.

Использовались методы вычислительной математики, теории дифференциальных уравнений, функционального анализа, специальных функций, матричной алгебра, теории линейного предсказания. Проводились машинные в натурные эксперимента.

Ваикяая новизна.

Основные научные результаты диссертационной работа могут быть кратко сформулированы следующим образом:

1. Разработана физико-топологическая модель субмикронного ГГГШ в квазидвумарном приближении, содержащая уравнения для описания процессов в канале и подложке, и возводящая провести анализ характеристик ПШ с учетом суСмюфонных эффектов при приемлемой точности и вычислительных затратах.

2. Разработана методика анализа нелинейных режимов (334 -усилителей на БаАв ПТШ, с учетом специфичных на СВЧ паразитных параметров схемной модели, требуицая меньшего объема измерений высокочастотных параметров за счет построения корректных вычислительных процедур аппроксимаций схемных параметров и статических характеристик.

3. Предложены алгоритмы физико - топологического моделирования радиационных эффектов при воздействии (а, 7)-ионизирутщих излучений на СаАз транзисторную структуру, позволяющие при совместном использовании радиационной и

квазидвумерной моделей получать оценки влияния данных эффектов на выходные высокочастотные характеристики устройств ССТВ.

4. Разработаны вычислительные схемы алгоритма спектрального оценивания по минимуму, дисперсии (МД- оценивания) в техническом приложении к системам связи (многочастотность информационного потока и т.д.), позволяющие устранить потерю точности аффектов, связанных с прохождением через усилительное устройство слабых сигналов на фоне интенсивных помех.

5. Разработана математическая модель усилителя СВЧ во временной области в режиме большого сигнала, позволяющая исследовать выходные характеристики мощных каскадов ССТВ.

6. Исследовано влияние внутренних и внешних ДФ на характеристики СВЧ - усилителей входных устройств ССТВ. На этой основе даны рекомендации по снижению нежелательных эффектов, возвикапцкх прок воздействии ДФ различной физической природа.

На асити выносятся слеОипщш основные положения:

1. Результаты квазидвумерного физико - топологического моделирования субмикронного СаДз ПТШ, включая малосигнальные схемные параметры, результаты температурного анализа статических и схемных параметров ПТШ, усилительных и шумовых характеристик однокаскадаого СВЧ - усилителя на его основе.

2. Методика и результаты моделирования нелинейных режимов СВЧ - усилителей мощности на ПТШ, работающих в существенно нелинейных многочастотных режимах, позволяющая свести к минимуму несоответствие между параметрами реальных приборов и их моделей.

3. Способ и результаты совместного анализа физико топологической и радиационной моделей с учетом влияния (а, ?)-видов ионизирующего излучения на характеристики СаАз ПТШ.

4. Модифицированный алгоритм спектрального оценивания, позволяющий добиться высокого частотного 'разрешения и достоверных оценок спектральной плотности мощности (СПМ), и в результате повысить точность анализа сложных динамических режимов нелинейной системы (НС), основанный на идентификации спектральных составляющих по их СПМ.

5. Алгоритм использования функций спектральных окон для управления нежелательными эффектами, приводящих к потере точности результатов при - численном переходе в частотную область, адаптированный к анализу нелинейных процессов в приемных устройствах ССТВ.

6. Результаты теоретических и экспериментальных

исследований нелинейны! эффектов, а также влияния да на характеристики входных устройств СВЧ средств спутниковой связи.

7. Алгоритмы и результаты анализа характеристик электромагнитной совместимости приемных систем ССТВ СВЧ и КВЧ диапазонов.

Практическая ценность

Практическая ценность работа состоит:

1. В получении результатов моделирования субмикронного полевого транзистора с барьером Шоттки с каналом и подложкой из GaAs в виде статических в малосигнальных схемных параметров, что позволяет сократить количество высокочастотных измерений при проектировании.

2. В создании моделей, учитывавших влияние дестабилизирующих факторов, которые в ряде случаев необходимо учитывать в реальных условиях работы усилительных устройств СВЧ систем СТВ, результаты анализа которых позволяют, установить допуски в области работоспособности отдельных узлов и устройств в целом.

3. В создании методики анализа нелинейных режимов СВЧ -усилителей на ПТШ, позволяющей сократить время проектирования устройств на их'основе.

4. В разработке алгоритмов получения оценок спектральной плотности мощности, адаптированного к анализу сложных динамических режимов.

5. В программной реализации алгоритмов расчета и моделирования работы усилительных устройств СВЧ, позволяпцей за счет автоматизации этапа проектирования, повысить достоверность оценивания и учесть влияния реальных электромагнитных излучений и дестабилизируют факторов на работу ССТВ.

Реализация результатов тйот

Результаты работы использованы в НИР проводимых по заказу различных организаций Украины, а также в НИР по созданию ССТВ Вьетнама.

Апробаиия работы

Основные результаты проведенных иследований и разработок докладывались и обсуждались на конференциях: International Simposium "Physics and Engineering oi Millimeter and Submlllimeter Waves", Kharkovv Ukraine, 1994г.; "Проблемы автоматизированного проектирования в электронике", Киев, 1994г.; "Актуальные проблемы электронного приборостроения АГОП-94". Новосибирск, 1994г.

-Т.

Пцбмшшуи

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 5 печатных работах.

Оярияша и объел уаСош

Диссертационная работа состоит из введения, четырех специальных глав и содержит 145 стр. основного содержания, 49 рисунков, список литературы из 117 наименований на 14 страницах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится постановка задачи исследования, обсуждается ее актуальность, формулируются цели работы. Приводятся положения, выносимые на защиту, анализируется новизна работы.

В первой главе дана краткая характеристика методов анализа нелинейна режимов усилительных устройств, проведен анализ возможности их, применения для решения задачи расчета прохождения сложных сигналов как через существенно нелинейные цепи, так и цепи с малой'нелинейностью. Проведен сравнительный анализ различных видов моделей полевых транзисторов с барьером Шоттки, в частности моделей учитывающих влияние радиационных эффектов в структурах активных элементов и влияние температуры. Сформулированы основные требования к методам и моделям соотносительно к основным задачам диссертационной работы. На основании анализа современного состояния проблемы расчета нелинейных многочастотных режимов усилительных устройств сформулированы основные научные задачи, которые необходимо решить для построения эффективных методов расчета и моделирования.

Во второй главе проведан выбор и уточнение моделей субмикронных ваАз ПТШ СВЧ и КВЧ диапазонов. Приведена физическая модель, позволяющая учесть влияние- ионизирующего излучения на характеристики полевого транзистора. На основании выбранной физика-топологической модели ПТШ проведено моделирование малосигнальных схемных параметров. Приводится температурный анализ сигнальных и шумовых СВЧ характеристик ПТШ.

Предложена методика моделирования нелинейных режимов СВЧ - усилителей, учитывающая вклад паразитных элементов субмикронных ПТШ и требующая меньшего объема измерений высокочастотных параметров. Эта методика включает следу киле основные этапы:

1. Моделирование малосигнальных параметров активной области ПТШ по квазидвумерной физико-топологической модели.

2. Сравнение результатов моделирования параметров схемной модели (как крутизны Бо, выходной проводимости Са, емкостей переходов Сд>, Сд<1,...) с экспериментальными низкочастотными зависимостями как функциями рабочих напряжений на электродах.

3. Идентификация паразитных параметров схемной модели при помощи процедуры параметрической оптимизации (по известным параметрам активной области) на основе экспериментальных малосигнальных частотных зависимостей коэффициента усиления по мощности К,(Г) и минимального коэффициента шума ТшШ.

4. Определение параметров аппроксимационной нелинейной модели активной области ПТШ (аналитической модели, сплайн-аппроксимации и т.д.).

5. Расчет нелинейных характеристик усилителя при многочастотном воздействии на основании схемной модели, известными методами (гармонического баланса, нелинейных токов, численное интегрирование системы нелинейных дифференциальных уравнений во временной или частотной области, описание системы с помощью рядов Вольтерра л частотной области).

Система уравнений квазидвумерной модели содержит уравнение Пуассона, уравнение непрерывности тока в канале, а также уравнения для расчета области обеднения в канала и потенциала, и не содержит уравнения баланса энергии и импульса. Система включает уравнения для. канала:

КЕ^) = (е/еео)ЬкГпк(х)- Ид]йх ;

й(епктсА*> * «"кп - «Япк :

Ь^х) = а - •/2еео(Ув - 7ЗИ + У(х))/еИд ;

<Л7К = ^ах

и аналогичные уравнения для подложки: ¿(Е^) = (е/бео)Ьп(пп(х)-11ср](1х ;

й^ппуспйп*> = ^пк " ^кп

^(х) = а + 1эц- у /С2£еа[7. - Узи+7(х)-7р]/еНда1г ;

ГГ/Л =

а также уравнения, характеризующие токообмен между каналом и подложкой и связывающие две предыдущие системы в единую систему уравнений:

«ш - /геВ^Гп^х)- пср]ехрСГе(78о^- Ук)/2И])аг/1дП;

(Ц^ц = ИСеТ^/кЛехрГеУдУШеВяСпСх)- 1ГД]с1х/1э.

Здесь индексы "к" и "п" обозначают величины, относящиеся к каналу или подложке, а индекс "с" связан с приближением стационарности зависимости дрейфовой скорости от напряженности электрического поля; Ек, Ед- текущее значение напряженности электрического поля, г^, Пд- концентрация носителей; ?ск, уС11-дрейфовые значения скорости; Ьд - толщины проводящего слоя; а - толщина эпитаксиального слоя; 1э, 1ап- длины экранирования заряда канала и подложки; Бк, Бп - коэффициенты диффузии электронов; УК,УП,У - потенциалы канала, подложки и усредненное по току значение потенциала; - поверхностное равновесное значение потенциала на границе эпитаксиальный слой - подложка; Ид, Лдд - концентрация донорной примеси канала и подложки; пс_

- усредненная по подложке равновесная концентрация носителей; Й

- ширина транзистора; е - заряд электрона; к - постоянная Больцмана; 7д - барьер Шоттки; Ч^ - потенциал отсечки; Ук -контактная разность потенциалов; Дщ- ответвляемые части тока из подложки в канал и из канала в подложку соответственно.

В рамках квазидвумерной модели, учитывающей эффекты разогрева электронов сильным электрическим полем, а также позволяющей получать распределенные вдоль канала величины, характеризующие этот разогрев, реализован способ учета диффузионного шума, связанный с флуктуациями скорости носителей в канале.

Осуществлена идентификация паразитных параметров схемной модели при помощи процедуры параметрической оптимизации на основе экспериментальных малосигнальных частотных зависимостей коэффициента усиления по мощности {^(Г) и минимального коэффициента шума ТИ(Г). ' Для реализации процедуры параметрической оптимизации использовался . метод Дзвидона-Флетчера-Пауэлла, не требующий вычисления вторых производных целевой функции. Коэффициент, нормирующий выбор шага при выработке приращения оптимизируемого параметра- выбирался в соответствии с критерием, известным как " золотое сечение Несмотря на то, что этот алгоритм требует дополнительного

. ти _

вычисления целевой функции, его применение позволяет более эффективно определять направление поиска минимума функции и вектора приращений оптимизируемых параметров.

Получены температурные зависимости параметров ГЕЛИ на основе квазидвумершй физико-топологической модели, которая позволяет рассчитывать параметры схемной модели для сигнала и шумовой модели с различного рода локальными источниками. В малосигвальном приближении ( Э - параметры ) получены усилительные, шумовые характеристики (КД1_1Г) ПТШ с каналам я подложкой из Ба&з ш их температурные зависимости.

Для моделирования радиационных аффектов предложено совместное использование радиационной в квазидвумершй моделей. Последняя позволяет учесть влияние ионизирующих излучений посредством целого ряда факторов. Н таким факторам относятся изменение высоты потенциального барьера в подложке, изменение пикового значения дрейфовой скорости при ее аппроксимации в зависимости от напряженности электрического поля, изменение параметров канала а связи с изменением эффективной толщины за счет изменения концентрации поверхностных состояний (на свободной границе) и других.

Для оценок влияния радиационных эффектов в рамках разработанных моделей взята структура транзистора с параметрами: размврами затвора 0.5 • 300 мкм, толщиной эшт аксиального сдоя 0.12 мкм я уровнем донораой примеси 2 10" см"*, ыежэлектродныы расстоянием 0.8 мкм. Рассматривался случай совмещенного облучения Ш® гайка и нейтронными частицами с уровнями соответственно 3 1С?0 рад. ж 2 10" п/сы*.

Третья глава досвящена анализу и изложению численного метода исследования нелинейных многочастотных режимов усилительных устройств. Представлена математическая модель усилителя мощности на ЛГШ в виде системы нелинейных дифференциальных уравнений большой размерности. Обсуждаются алгоритмы расчета и моделирования, а также особенности их программной реализации. Разработан ряд алгоритмов, возводящих устранить потерю точности эффектов, связанных с прохождением через нелинейную систему слабых сигналов на фоне интенсивных помех.

Обобщенная эквивалентная схема однокаскадвого усилителя составлена на основавши модифицированной нелинейной модели СаДв ПТШ. В приведенной схеме учтены основные нелинейно ста, существенно влияхцие на процесс образования интермодуляционных искажений при гголигармоничесяом воздействии на входе усилителя,

а также вклад паразитных элементов.

Модель включает 7 нелинейных элементов. Важнейшим нелинейным элементом является генератор тока который описывается нелинейными функциями напряжений Уда и и обычно получается путем идентификации характеристик транзистора по постоянному току и аналитических выражений. Входная емкость С^ зависит от напряжения на затворе, и, следовательно она действует подобно варактору, внося заметный вклад в общую нелинейность транзистора. Нелинейный характер зависимости оказывает менее выраженное влияние на

процесс образования искажений, однако точность расчета уменьшается по уровню на 2 дБ, если не принимается к рассмотрению проходная цепь. В более полной модели можно учитывать сопротивления и емкость домена сильного поля.

Следует отметить, что если модель каскада не содержит цепи внешней обратной связи между затвором и истоком, то эффективность анализа нелинейной схемы увеличивается.

Для эквивалентной схемы усилителя уравнения Кирхгофа сведены к обобщенной системе, включапцей 21, в общем случав, нелинейное дифференциальное уравнение ( 8 уравнений система являются линейными алгебраическими уравнениями ).

Посла проведения преобразований и проверки на полноту исходную систему удалось свести к системе 13 нелинейных дифференциальных уравнений первого порядка. Для решения данной системы использованы адаптивные алгоритмы,. процедурно основанные на выборе метода интегрирования исходной системы -явные для нежесткой задачи (используются обычно для "разгонки"), неявные методы для задач с большим коэффтотентом жесткости 0 - ( 10*... 10е).

В качестве алгоритма численного моделирования динамических систем был принят комбинированный алгоритм с автоматической сменой метода интегрирования. В качестве "разгонки" для исследуемой системы уравнений и проверки его работоспособности на модельной задаче (нежесткая задача) использовался явный метод Рунге - Кутты 4-го порядка с автоматическим управлением длиной шага по формулам Дормана и Принса. Программная реализация данного метода модифицирована для случая уравнений с запаздывапцим аргументом. Использование данного метода ограничивает точность расчета по порядку 1СГ7, что вполне согласуется с необходимой точностью оценивания параметров ( токов и напряжений на элементах эквивалентной схемы усилителя на ПТШ

Устойчивость исследуемой модели НС принималась по факту устойчивости реального аналога данной системы ( в случае ее адекватного описания ). В связи с этим можно предположить, что спектр собственных колебаний более или менее распределен по всей комплексной полуплоскости, что вызывало больше сложности при применении численных методов решения жестких задач.

Переход в частотную область осуществлен на основании авторегрессионного спектрального оценивания. Вычисление СПМ при этом становится трехэтапной процедурой.

В работе разработан модифицированный алгоритм спектрального ВД-оценивания, который позволяет получать более достоверные оценен СПМ при максимальном разрешении присущем этому методу по сравнению со стандартным методом максимального правдоподобия.

Модифицированный алгоритм спектрального ЦЦ-оценивания (МАСМДО)

1. СБОР ДАННЫХ

N отсчетов;

Т отсчет

2. УСТРАНЕНИЕ ТОНА

(с помощью режекторного симметричного КИХ - фильтра длиной (М + I) с линейной фазовой характеристикой)

3. ВЫБОР ПОРЯДКА МОДЕЛИ автокорреляционная матрица размером

(№ + 1)*(Р + 1))

4. ОЦЕНИВАНИЕ ИЩ СШ:

а. оценка СПМ по минимуму дисперсии;

б. оценка СШ настроенная на . максимальное спектральное разрешение.

5. ИЗМЕНЕНИЕ ПОРЯДКА

изменение порядка модели для достижения требуемо г< компромиса между величинами дисперсии и разрешения.

6. НАСТРОЙКА КИХ-СИЛЬТРОВ.

7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСТИННОЙ ОЦЕНКИ ВД СПМ.

Предложена процедура предварительной обработки исходног дискретно-временного представления сигнала перед спектральны оцениванием. На основании анализа, проведенного при помощ процедуры удаления тонов, деется ряд рекомендаций. Проведв синтез рекекторного КИХ - фильтра, -предназначенного дл резекции сильных синусоидальных тонов на входе мода; временного ряда и "полезных" частотных составляющих на выхо: спектрального оценивания.

В рамках алгоритма Берга получаемая оценка коэффициента отражения представляет собой гармоническое среднее коэффициентов частотной корреляции ошибок предсказания вперед и назад и приводит к возникновению смещения оценок частоты гармонических сигналов. Предложена программная'модификация этой процедуры, позволявдая снизить данный эффект за счет взвешивания квадрата ошибки предсказания при помощи подобраной и процедурно оформленной, спадающей к краям весовой функции. Оценка коэффициента отражения с применением операции взвешивания получит следующий вид:

N

-2 2 и^Щ] е^Сп-П

А п«р*1

2 uP-«CnJ 1 le^m-ni1

n=pt* nspH

где w^InJ определяет предложенную весовую функцию.

Четвертая глава посвящена анализу результатов численных экспериментов по исследованию влияния внутренних и внешних дестабилизирующих факторов на высокочастотные характеристики усилителей входных устройств систем спутниковой связи и телевидения. К началу наших исследований вопросы электромагнитной совместимости приемных систем СТВ, построенных на GaAs ЮТ, были изучены недостаточно, хотя полевые транзисторы на барьере Шогтки с каналом и подложкой из GaAs считаются наиболее перспективными в этом направлении, уступая лишь транзисторам с высокой подвижностью электронов (НЕМТ). Данных о влиянии радиационных и температурного факторов на характеристики исследуемых устройств к настоящему времени не было.

Исследования включали анализ типовых характеристик электромагнитной совместимости, типа блокирования и интермодуляции при многосигнальном входном воздействии по методике и моделям, описанным в работе; анализ характеристик усилителей на субмикронных GaAs ПТШ при воздействии радиационных rama- и нейтронных излучений, как при совмещенном облучении, так при раздельном; температурный анализ основных характеристик СВЧ - усилителя на ПТШ.

Приведенные в работе результаты расчета основных характеристик ЭМС по блокирования и интермодуляциям

усиливаемого сигнала получены при одно-. и двухчастотном тестовом воздействии с близко разнесенными частотами. Установлено, что при многосигнальном воздействии, более соответствующем реальной электромагнитной обстановке для приемных систем спутниковой связи, наблвдается резкое уменьшение динамического диапазона, и на основании этого даны рекомендации по его расширению как на схемотехническом, так и на апаратном уровне.

Используя материалы по определению стационарного режима работы СВЧ усилителя на Ga&s ПТШ при двухчастотном воздействии, рассчитана амплитудная характеристика блокирования (АХБ) при различном соотношении частот полезного сигнала и помехи для двух GaAs полевых транзисторов с размерами затвора 0.5 • 300 и 0.25 » 100 мкм.

При изучении поведения параметров и характеристик Ga&s ПТШ и усилителей на их основе под воздействием гамма- и нейтронных радиационных излучений получены допуски и области работоспособности последних, а также даны рекомендации по оценке работоспособности отдельных узлов и устройств ССТВ в целом при воздействии отмеченных радиационных излучений.

Экспериментально исследованы характеристики электромагнитной совместимости конвертора СТВ в диапазоне 10.9ÍS.. .11 .Т ГГц с ' использованием метода широкополосной компенсации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

При выполнении диссертационной работы получены следующие результаты:

1. Разработана методика моделирования нелинейных режимов СВЧ усилителей на СаАа ПТШ, учитывающая вклад паразитных параметров субмикронных полевых транзисторов, требующая меньшего обьема измерений высокочастотных параметров и позволяющая сократить время проектирования устройств на их основе.

2. Предложена квазидвумерная $изико - топологическая модель субмикрошюго ЮТ, не содержащая уравнений баланса энергии и импульса и позволяющая адекватно учесть эффект "всплеска" дрейфовой скорости в многодолинных полупроводниках с использованием процедуры различных ( в силу различных условий рассеяния носителей ) аппроксимаций зависимостей дрейфовой

-У5-

скорости в канале я подложке от напряженности поля в стационарном приближении. На основании квазидвумерной модели проведено моделирование малосигнальных параметров .активной области ИГШ, что позволяет сократить количество высокочастотных измерений при проектировании.

Предложена шумовая модель ПТШ и проведено моделирование шумов в транзисторной структуре.

На основании результатов физико - топологического моделирования расчитаны усилительные и шумовые характеристики, знание которых . необходимо на последующих этапах отмеченной методики.

3. Разработана физическая модель ваАз ПТШ, учитывающая воздействие на транзисторную структуру (а, 7) видов радиационного воздействия. Анализ влияния радиационных излучений на характеристики ПТШ проведен в рамках разработаных квазидвумерной моделей, радиационной, высокочастотной сигнальной'-и шумовой моделей ПТШ. Результаты анализа позволяют установить допуски и области работоспособности отдельных узлов и устройств ССТВ в целом.

Показана взаимосвязь электрофизических параметров кристалла транзистора с его малосигнальными параметрами и приводится вывод об оптимальной конструкции субмикронного ПТШ, которая как предполагается, связана с транзисторами с дельта -легированным впитаксиальным слоем с концентрацией доноров до 10" см".

Установлено, что наиболее существенным фактором радиационного воздействия, влияюцим на работу нелинейных устройств является глубокая модуляция положения рабочей точки ПТШ, что существенным образом может изменять спектр усиливаемого сигнала.

I. Разработана вычислительная схема идентификации паразитных параметров схемной модели при помощи процедуры параметрической оптимизации ( известны параметры активной области и первое приближение для паразитных параметров ) на основе экспериментальных малосигнальных частотных зависимостей коэффициента усиления по мощности К^Ш. и минимального коэффициента шума Ти(1).

5. Температурный анализ расчетных зависимостей параметров ПТШ и основных характреристик усилителя на его основе, проведенный в рамках квазидвумеряой физика - топологической модели ПТШ, позволил определить оптимальный температурный режим СВЧ - усилеталей в составе входных устройств ССТВ.

6. Предложена программная реализация адаптивного комСинированнчго алгоритма нахождения стационарного режима жесткой АС, описанной в виде системы нелинейных дифференциальных уравнений первого порядка.

7. Предложен ряд алгоритмов спектрального оценивания на основе АР - моделей временных рядов ( представления последовательности входных данных ). В рамках разработанного алгоритма ЫАСМДО предложены: процедура устранения сильных тонов с помощью симметричного КЮС - фильтра с линейной фазовой характеристикой; процедура выбора порядка АР - модели на основе выражения Акаике; критерии изменения порядка модели; процедура вычисления параметров АР - модели на основании модифицированного алгоритма Берга.

3. На основании предложенных в диссертационной работе моделей, методов и алгоритмов расчитаны типовые харакеристюда электромагнитной совместимости входных устройств. ССТВ типа блокирования и интермодуляции. Проведены экспериментальные исследования нелинейных искажений конверторов СТВ с использованием метода широкополосной компенсации.

Основное содержание диссертации отражено в следующих'работах;

1. Гассаяов Л.Г., Фан Хонг Фыонг Исследование усилителя мощности СВЧ при многочастотном воздействии // Тез. конф. "Проблемы автоматизированного моделирования в электронике". - Киев. - 1994 г. - с. Î89.

2. Gassanov L.C., Kobak K.K., Phan Hong Phuong Multifrequency regime simulation oi millimeter-wave power amplifier // International Simposium "Physics and Engineering or Mlllljneter and Submlllbneter Waves". - June 7 - 10, Kharkov, Ukraine. - 1994. - Vol. 2. - pp. 421 - 424.

3. Гассанов Л.Г., Кобак H.H., Фан Хонг Фыонг исследование многочастотного режима работы СВЧ конвертора спутникового телевидения // Вторая ■ международная научно -техническая конференция "Актуальные проблемы электронного приборостроения" - Новосибирск. - 18 - 21 ноября, 1994 г.

Гассанов Л.Г., Фан Хонг Фыонг Двухчастотный реим СВЧ усилителей на ПТШ // Вестник КПП. Радиоэлектроника. -1994:% - * 30. - с. 131 - 133.

- '

.if.

ABSTRACT Phan Hong Phuong INFLUENCE OF INSTABILIZED FACTORS ON THE CHARACTERISTICS OF INPUT DEVICES' S H F AMPLIFIERS OF THE SATELLITE COMMUNICATION SYSTEMS Summery of the Ph-D. Thesis on Solid State Electronics and Microelectronics (Speciality No 05.27.01) The work was performed in Kiev Polytechnic Institute on Electronic Devices Department.

The defend of Thesis will be provided in Kiev Polytechnic Institute on the Special Council К 06.14.17.

Main ideas and results: submicrometer KESFET's physic-topological model has been developed in quasi-two-dimension approach. The methods for analysis of KESFETs' SHF aipplifiers nonlinear regimes have been developed. The influence of gamma- and neutron radiations on SHF amplifiers' output HF characteristics is investigated, based on developed radiation model and algorithm for physic-topological modelization of MESFETs' radiation effects. The time-domain mathematical model of a SHF amplifier in large-signal regime has been developed. The recommendations for reduction of non-desired effects, which are brought about by different instabilized factors, are done.

A H О T А Ц I Я

Фан Хонг Ниоиг ВШМВ ДЕСТАБШЗУШИХ ФАКТОР IB НА ХАРАКТЕРИСТИКИ НВЧ -П1ДСИЛКВАЧ1В ВХ1ДНИХ ПРИСТР01В СИСТЕМ СУПУТНИКОЮГО ЗВ'ЯЗКУ Автореферат рукопису дисертацП на Сдержанна вченого ступени кандидата техн1чних наук Спец1альн1сть: 05.27.01

- твердот!льна електроШка та м1кроелектрон1ка Роботу виконаио на УкраШ у Швському пол1техн!чному 1нститут1 на кафедр1 електронних прилад!в та пристрснв.

Захист дисертацП в1дбудеться у Ки1вському пол1техн1чному 1нститут1 на зас1данн1 Спешал^зованно! Ради К 068.14.17.

Основн i 1де1 та результата ' розроблена фi зкко- тополог i чна модель субм1 кронного ПТШ у кваз1Двушрному приближений Розроблена методика анал!зу неленШних ретам1в НВЧ-тдсил..вач1Е на ПГШ. Уперте досл1джено вплив гамма- та нейтронних випром1нюваннь на вюиды високочастотн1 характеристики НВЧ-Шдсилювач^в, на 0CH0Bi розроблених рад1аЦ1йно1 модел! та алгоритм!в физике - тогашлччного моделювання рад1ац1йних ефект1в ПГШ. Розроблена математичяа модель шдсилювача НВЧ у часов1й облаетi в режим: великого сигналу. Дан! рекомендацп по эниженню небаданих ефекПв, яю виникають Шд впливом р^зних ДФ.

КЛШ0В1 СЛОВА: GaAs ПГШ, ф13ико-тополог!чне моделювання, нелетйний режим НВЧ - П1дсилювач1в, дестабШзуючи фактори, електромагн!тна cynicTHicTb, системи супутникового зв'язку.