Размещено на http://www.allbest.ru/

28

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ СВЧ МОДУЛЕЙ СИСТЕМ КОСМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

Ефимов Андрей Геннадьевич

Специальность 05.12.07

Антенны, СВЧ-устройства и их технологии

Москва - 2009

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии «Научно-производственный центр «СПУРТ» (г. Москва).

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Егоров Е. Н.;

доктор технических наук, профессор Петров А.С.;

доктор технических наук, профессор Тишин Ю. И.;

Ведущая организация: ОАО «Радиотехнический институт им. А.Л. Минца (г. Москва)

Защита диссертации состоится «___ » __________2009 г. в ___ часов на заседании диссертационного совета Д 850.012.01 ГУП НПЦ «СПУРТ» по адресу: 124460, г. Москва, Зеленоград, 1-ый Западный проезд, д.4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП НПЦ «СПУРТ».

Автореферат разослан «___ » __________ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., c.н.с Петров В.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Повышение интеграции узлов радиоэлектронной аппаратуры особенно важно для бортовой аппаратуры космических систем связи и наземной аппаратуры переносного и передвижного исполнения.

Федеральная целевая Программа «Национальная технологическая база на 2007 - 2011 г.г.» предусматривает разработку базовых технологий и базовых конструкций электронных компонентов и приборов для сверхвысокочастотной электроники на основе последних достижений микроэлектроники.

При помощи сложных радиоэлектронных систем решаются вопросы обеспечения жизнедеятельности и безопасности современных высокоразвитых государств, поэтому "Основы политики Российской Федерации в области развития электронной компонентной базы на период до 2010 года и дальнейшую перспективу», утвержденные Президентом Российской Федерации 11 апреля 2002 года, предусматривают концентрацию усилий и ресурсов на критических направлениях развития электронной компонентной базы, к числу которых отнесено и создание сложных функциональных блоков, в том числе СВЧ диапазона.

Вопросам актуальности микроминиатюризации аппаратуры связи и радиолокации посвящены многочисленные работы Гуськова Г.Я., Блинова Г.А., Коледова Д.А., Панасенко П.В., Реброва С.И., Сестрорецкого Б.В., Чистякова Н.И. и других.

Развитие технологии изготовления арсенид-галлиевых транзисторов с затвором Шотки (ПТШ) позволило перейти к проектированию СВЧ интегральных схем. До начала исследований в данной области существовали единичные разработки однофункциональных арсенид-галлиевых ИС низкой степени интеграции. Стояла задача выбора и обоснования базовой технологии арсенид-галлиевых ИС различного функционального назначения для использования в СВЧ модулях конкретных изделий космической связи, что накладывало дополнительные ограничения на сроки разработки, обеспечение надежности, определение оптимальной сложности в сочетании с приемлемым выходом годных при изготовлении серийных образцов ИС на основе промышленных структур арсенида галлия.

На момент начала выполнения данной работы отсутствовал промышленный выпуск арсенид-галлиевых интегральных схем СВЧ диапазона, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к бортовой аппаратуре связи. Не существовало комплексного подхода к проектированию арсенид-галлиевых интегральных схем, позволяющего реализовать всю номенклатуру функциональных схем, требуемых для построения АФАР, на основе полупроводниковых структур арсенида галлия промышленного изготовления. Отсутствовала информация о надежностных характеристиках и радиационной стойкости таких устройств.

С появлением новых тенденций развития систем спутниковой связи возникла необходимость построения многоканальных модулей многолучевых АФАР. Существовавшие схемотехнические решения построения СВЧ модулей не позволяли реализовать разводку диаграммообразующей системы в интегральном виде. Возникла необходимость создания многофункциональных космических аппаратов, что требует решения проблемы электромагнитной совместимости за счет оптимального использования микрополосковых полосно-пропускающих фильтров и объемных фильтров на диэлектрических резонаторах.

Отмечается существенное повышение интеграции СВЧ узлов при использовании технологии поверхностного монтажа элементов, что позволяет выполнять разработки в сжатые сроки. Решены вопросы интеграции микрополосковых фильтров в платы из композитных материалов или за счет использования навесных микрополосковых фильтров, что при низкой добротности является решением для высокой промежуточной частоты. Для использования высокодобротных элементов, таких как диэлектрические резонаторы, необходимо решить ряд схемотехнических, конструктивных и технологических задач.

Развитие технологий микроэлектромеханических систем (МЭМС) позволяет получать элементы с уникальными возможностями. Одним из элементов МЭМС для использования в СВЧ диапазоне является переключатель. Однако, отсутствовал общий подход к МЭМС переключателям как к СВЧ элементам, так как до последнего времени не существовало отечественной технологии получения таких элементов. Не рассматривался вопрос реализации МЭМС элементов СВЧ диапазона на основе алмазоподобных пленок (АПП).

Таким образом, научно-техническая проблема, которая решается в данной работе заключается в разработке комплексного подхода к схемотехническим, технологическим и конструкторским решениям при создании элементов и модулей СВЧ диапазона для космических систем связи.

Объектом исследования являются арсенид-галлиевые интегральные схемы, микросборки на их основе, гибридные интегральные схемы, сложные одно- и многофункциональные модули СВЧ диапазона.

Предметом исследования являются модели, методы и алгоритмы проектирования, технология и конструкция указанных выше компонентов.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является решение научно-технической проблемы создания СВЧ модулей высокой степени интеграции для систем космической связи. Совокупность теоретических, научно обоснованных технических решений, конструкторско-технологических основ проектирования и реализация устройств вносит значительный вклад в развитие экономики страны и повышение ее обороноспособности.

Цель достигается путем решения следующих задач:

Исследование принципов проектирования арсенид-галлиевых ИС различного функционального назначения с высокой радиационной стойкостью и длительной наработкой на отказ.

Определение конструктивно-технологический требований к активным элементам арсенид-галлиевых ИС.

Построение многоканальных приемных модулей многолучевых АФАР с высокой повторяемостью параметров для серийного производства.

Определение критериев проектирования входных приемных трактов АФАР для работы в сложной электромагнитной обстановке.

Определение требований к микроэлектромеханическим элементам, изготовленных на основе аморфных алмазоподобных пленок, для использования в СВЧ диапазоне частот.

Методы исследований.

При проведении исследований в диссертационной работе использовался математический аппарат, основанный на классических методах линейной алгебры и теории цепей, методы компьютерного моделирования и проектирования и натурного эксперимента. Использовались элементы теории надежности и метод экспертных оценок.

Научная новизна.

Исследованы и реализованы принципы проектирования арсенид-галлиевых ИС различного функционального назначения в СВЧ диапазоне.

Определены и сформулированы общие и частные конструктивно-технологические ограничения на проектирование активных элементов арсенид-галлиевых ИС.

Предложена методика оценки времени потери работоспособности СВЧ арсенид-галлиевых ИС во время импульсного воздействия факторов ядерного взрыва.

Разработана концепция построения многоканальных приемных модулей многолучевых АФАР для работы в сложной электромагнитной обстановке.

Теоретически обосновано и практически подтверждена возможность использования полосно-пропускающих фильтров на диэлектрических резонаторах в конструкции СВЧ модулей с технологией поверхностного монтажа.

Определены требования к микроэлектромеханическим переключателям, изготовленным на основе алмазоподобных пленок, для применения в устройствах СВЧ диапазона.

Основные научные результаты и положения, выносимые на защиту.

Результаты разработки ряда модулей СВЧ диапазона на основе арсенид-галлиевых интегральных схем с длительной наработкой на отказ и высокой радиационной стойкостью для бортовой и наземной аппаратуры систем космической связи.

Схема унифицированного переключательного кристалла, позволяющая реализовать на его основе многоразрядный фазовращатель, фазовый модулятор, согласованный ключ и плавный аттенюатор в диапазоне частот до 5 ГГц.

Принцип реализации устройств СВЧ диапазона различного функционального назначения на основе однокаскадных усилителей в монолитном исполнении.

Концепция построения многоканальных приемных модулей многолучевых АФАР на основе синфазной двухуровневой разводки, позволяющая получать в полосе частот минимальный фазовый разброс каналов с минимальным взаимным влиянием каналов.

Принцип построения приемных трактов АФАР с распределенной фильтрацией с целью обеспечения помехозащищенности и реализации минимальных шумовых характеристик с основным критерием сохранения линейного режима работы входных каскадов.

Обоснование возможности применения фильтров на высокодобротных диэлектрических резонаторах в конструкции модулей с поверхностным монтажом элементов на текстолитовую подложку.

Оценка конструктивно-технологических параметров микроэлектромеханического переключателя на основе алмазоподобных пленок для работы в СВЧ диапазоне.

Практическая значимость научных положений и выводов диссертационной работы.

Практическая значимость научных положений и выводов диссертационной работы заключается в разработке ряда арсенид-галлиевых ИС различного функционального назначения, использованных в приемных и передающих модулях систем космической связи 17Р53, 17Р78, В-200, В-400.

Разработана концепция построения многоканальных приемных модулей многолучевых АФАР, адаптированная к серийному производству. Построение модулей с использованием данной концепции позволило реализовать бортовую приемную АФАР изделия 14Р512 с высокими техническими и массогабаритными характеристиками.

Использование распределенной фильтрации в приемных трактах АФАР обеспечивает высокую помехозащищенность и способность функционирования в сложной электромагнитной обстановке.

Использование полосно-пропускающих фильтров на диэлектрических резонаторах в сочетании с технологией поверхностного монтажа элементов позволило спроектировать ряд блоков для малогабаритных станций космической связи ППС2Г1 и ППС2Г1.01. Блоки имеют высокую технологичность, малую трудоемкость сборки и регулировки. Использование технологии поверхностного монтажа позволило в короткие сроки спроектировать, изготовить и испытать приемные конверторы Ku- и Х- диапазонов для станций приема информации с КА дистанционного зондирования Земли 11Ф664 №2 и «Метеор-3М», соответственно.

Получены высокочастотные характеристики первых отечественных микромеханических переключателей на основе аморфных алмазоподобных пленок, что позволяет использовать их в качестве управляющих элементов интегральных схем фазовращателей и переключателей СВЧ диапазона.

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается

-комплексностью проведенных исследований с использованием современных средств компьютерного моделирования;

-многократной экспериментальной проверкой теоретических результатов;

-обсуждениями на научно-технических конференциях, ссылками в технической литературе, а также экспертизами заявок на изобретения;

-положительными результатами использования результатов в промышленных образцах, изготовленных по типовым технологическим процессам микроэлектроники.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы в виде конструкторских и технологических документов внедрены на предприятиях НПО «Элас» г. Зеленоград, ПО «Радий» г. Москва, ПО «Тантал» г. Саратов, ГУП НПЦ «Спурт» г. Зеленоград, ОАО «ИРЗ» г. Ижевск, ОАО «Завод «Компонент» г. Зеленоград, ФГУП НИИ Физических проблем им. Ф.В. Лукина г. Зеленоград.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных и всероссийских научно-технических конференциях и семинарах:

- Семинар «Проблемы и перспективы производства МЭА» Зеленоград. 1983

- Семинар «Проблемы и перспективы производства МЭА» Зеленоград. 1985

- Научно-технический семинар МЭП Фрязино. 1985

- Семинар «Современная технология производства СВЧ схем».

Минск. 1989

- Семинар «Проблемы и перспективы построения широкополосных усилителей мощности в системах передачи информации»

Севастополь. 1990

-Всесоюзная конференция "Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды". Ереван. 1990

- 2-я Крымская конференция «СВЧ -техника и спутниковый прием». Севастополь. 1992

- 3-я Международная конференция «Спутниковая связь». Москва. 1998.

-13-я Международная Крымская конференция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо 2003)

-15-я Международная Крымская конференция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо 2005)

-16-я Международная Крымская конференция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо 2006)

Публикации.

Основные результаты диссертации изложены в 52 работах, в том числе 37 научно-технических публикациях. Из них 10 статей опубликовано в научно-технических журналах РФ из перечня ВАК Минобразования, 1 авторском свидетельстве СССР, 1 положительном решении на выдачу патента РФ, 1 заявке на изобретение и 12 научно-технических отчетах НИОКР.

Личный вклад. Все выносимые на защиту результаты и положения, составляющие основное содержание диссертационной работы разработаны и получены лично автором или при его непосредственном участии.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 190 наименований и приложений. Общий объем работы без учета приложений составляет 210 страниц, Диссертация содержит 68 рисунков и 10 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

космический связь микроволновый

Во введении обосновывается актуальность темы исследований, сформулированы цель и задача диссертационной работы, научная новизна и практическая значимость, положения, выносимые на защиту, определяется структура и объем диссертационной работы.

В первой главе рассмотрены основные принципы построения СВЧ модулей систем космической связи. Дана классификация модулей по выполняемым функциям и проведена оценка состояния СВЧ элементной базы. На основе анализа отечественных и зарубежных работ определены тенденции путей повышения степени интеграции СВЧ модулей бортовой и наземной аппаратуры систем космической связи. Рассмотрены основные технологии изготовления СВЧ модулей систем космической связи.

Во второй главе приведены результаты проектирования и использования в СВЧ модулях арсенид-галлиевых интегральных схем оригинальной разработки.

Наибольшее освещение в литературе получили вопросы проектирование интегральных схем малошумящих усилителей, поэтому внимание акцентировалось на эффективности применения в СВЧ модулях интегральных схем фазовращателей и усилителей мощности.

В разделе 2.1 проведен анализ работы арсенид-галлиевого ПТШ в ключевом режиме.

На основе малосигнальной модели транзистора оптимизирована ширина ПТШ в пассивном включении в зависимости от схемы включения в СВЧ тракт. Обосновано использование ПТШ в пассивном включении в качестве переключающего элемента ИС фазовращателя с последовательным включением на частотах до 4-5 ГГц и параллельным - на частотах свыше 4-5 ГГц.

Обоснована необходимость использования технологии «воздушных мостов» для формирования многосекционных полевых транзисторов с шириной затвора более 1 мм с минимальной паразитной емкостью межпересечений.

Исследована зависимость параметров СВЧ ключа от электрофизических параметров исходных структур арсенида галлия. Показано, что с повышением концентрации легирующей примеси снижаются прямые потери при заданном уровне запирания. Ограничением на увеличение концентрации является напряжение пробоя цепи затвор-исток ПТШ. На основе полученных моделей ПТШ показано наибольшее влияние сопротивления омических контактов на характеристики ИС фазовращателей.

Проведена оценка эффективности введения короткозамкнутых индуктивных шлейфов в цепь исток-сток ПТШ с целью снижения прямых потерь без существенного сужения рабочей полосы частот (Рис.1).

Рис. 1Решение задачи оптимизации при наличии индуктивных шлейфов

1, 3, 5 - N0 = 2·10 17 см -3; 2, 4, 6 - N0 = 4·10 17 см -3

1, 2 - шлейфы отсутствуют; 3, 4 - шлейф в цепи затвора;

5, 6 - шлейф в цепи стока. Раздел 2.2 посвящен вопросам реализации СВЧ фазовращателей на основе аврсенид-галлиевых интегральных схем.

Спроектированы и исследованы три типа первых отечественных фазовращателей на основе арсенид-галиевых ИС. На кристалле размером 3х3х0,4 мм3 реализован аналоговый фазовращатель трехсантиметрового диапазона с максимальным фазовым сдвигом 120 градусов. На таком же кристалле реализован 180 градусный разряд фазовращателя на переключаемых отрезках линии и на кристалле 3х2х0,4 мм3 получены разряды фазовращателя отражательного типа на дискреты 45 и 90 градусов.

Проведена оценка максимальной управляемой мощности. При номинальном значении управляющего напряжения СВЧ ключ или фазовращатель не изменяют своих характеристик до уровня мощности 150…200 мВт, При увеличении управляющего напряжения мощность может быть увеличена до уровня 1,2 Вт, ограничением на увеличения управляющего напряжения является напряжения пробоя ПТШ.

Разработан универсальный управляющий кристалл, на основе которого возможно построение согласованного СВЧ ключа, фазового модулятора, многоразрядного фазовращателя, переключателя, плавного аттенюатора в диапазоне частот до 5 ГГц (Рис.2).

Проведенные автором исследования послужили толчком к широкому использованию в отечественных разработках управляющих устройств арсенид-галлиевых ПТШ в пассивном включении. Дальнейшее развитие начатых исследований получили в работах Мартыновой В.П. и Орлова О.С.

В разделе 2.3 рассмотрены особенности проектирования интегральных схем усилителей средней мощности (УСМ) с выходной мощностью до 1,0 Вт и усилителей мощности (УМ) в гибридном исполнении с выходной мощностью до 5,0 Вт. При проектировании ИС УСМ использование эквивалентной схемы транзистора дает значительную погрешность в режиме большого сигнала, поэтому был выбран метод описания ПТШ на основе его внешних характеристик как четырехполюсника, основанный на непосредственном измерении параметров в реальном режиме возбуждения, нагрузки и питания.



Рис. 2 Электрическая схема ИС универсального кристалла на ПТШ в последовательном включении

Проектирование усилителей мощности разбивается на три крупных этапа:

-измерение входных и выходных импедансов транзисторов в заданном частотном диапазоне при требуемых входной мощности, напряжении питания и смещения ;

-синтез структур согласующих цепей и оптимизация номиналов их элементов;

-определение геометрических размеров согласующих цепей и реализация всего усилителя на кристалле.

Автором был использован метод тестовых плат для непосредственного измерения параметров ПТШ на большом сигнале. Ранее данный метод успешно применялся только для определения входных и выходных импедансов мощных корпусированных транзисторов.

Экспериментально показано, что построение УСМ по схеме с автосмещением повышает эксплутационные качества усилителя в части устойчивости к перегрузке входной мощностью, изменению фазы нагрузки и аварийному снятию нагрузки.

Указанный подход был реализован при проектировании интегральных усилителей мощности в диапазоне частот 3 - 5 ГГц ХА7.344.275, ХА7.344.278 и 10-13 ГГц ХА7.344.232, которые успешно применялись в составе герметичных модулей бортового радиотехнического комплекса 17Р78 и изделий СНА-21, СНА-28 наземного приемного комплекса 14Ц20. Кристалл усилителя мощности ХА7.344.278 использовался в четырехканальном передающем блоке ХА2.030.219 переносной станции спутниковой связи В-400М.

В разделе 2.4 дана оценка эффективности использования арсенид-галлиевых интегральных схем в СВЧ аппаратуре.

Показано, что разработанные ИС усилителей могут служить основой для реализации устройств различного функционального назначения. Так на основе серийной микросборки МШУ ХА3.469.401 был реализован регулятор комплексных амплитуд (РКА) с рабочим диапазоном частот 3,4…3,5 ГГц. В состав РКА входят два регулируемых канала с глубиной регулировки амплитуды не менее 25 дБ, диапазоном модуляции по амплитуде 10 дБ и диапазоном изменения фазы от 0 до 360є. Реализованный на основе серийных микросборок МШУ РКА использовался в опытной системе адаптации к сигнально-помеховой обстановке.

На основе интегральной схемы усилителя может быть получен генератор, включив в обратную связь избирательной устройство соответствующего диапазона. При использовании высокодобротного диэлектрического резонатора реализуется высокостабильный генератор, причем генерация реализуется во всем частотном диапазоне положительного усиления системы усилитель - резонатор, что позволяет получить целое семейство генераторов, где рабочая частота определяется резонансной частотой резонатора. При включении в цепь обратной связи микрополоскового резонатора с варактором, реализуется генератор, управляемый напряжением (ГУН), полоса перестройки зависит от глубины обратной связи и без дополнительных согласований достигает 10% от рабочей частоты, Выходная мощность генератора соответствует выходной мощности интегрального усилителя.

Рис. 3 Обобщенный алгоритм проектирования СВЧ ИС

Проведенные исследования показали эффективность построения на основе ИС малошумящих усилителей повышающих и понижающих смесителей с положительным коэффициентом передачи.

Проведено сравнение эффективности использования однокаскадных ИС с сортировкой кристаллов по основным параметрам и многокаскадных усилителей. На основе разработанных моделей была спроектирована схема четырехкаскадного усилителя средней мощности трехсантиметрового диапазона с выходной мощностью 200 мВт на кристалле размером 2х3х0,15 мм.

На период выполнения работ в данном направлении отсутствовали типовые технические решения для проектирования кристаллов и библиотеки активных элементов. Обобщенный алгоритм проектирования ИС представлен на рис.3. Включение в топологию кристалла тестовых элементов позволяет контролировать промежуточные статические параметры и оценивать разброс характеристик.

По главе 2 сделаны следующие выводы:

1. Проведен анализ работы арсенид-галлиевого ПТШ в ключевом

режиме. Получены зависимости характеристик переключателя на основе арсенид-галлиевого ПТШ в пассивном включении от ширины транзистора, способа включения в СВЧ тракт и рабочей частоты для получения требуемых прямых потерь и запирания. Показана возможность достижения требуемых характеристик при использовании промышленных эпитаксиальных структур арсенида галлия.

2. Получены первые отечественные СВЧ фазовращатели на основе арсенид-галлиевых ИС трех типов.

3. Предложена схема унифицированного переключательного кристалла, позволяющая реализовать на его основе многоразрядный фазовращатель, фазовый модулятор, согласованный ключ и плавный аттенюатор в диапазоне частот до 5 ГГц.

4. Показана возможность построения функциональных узлов СВЧ диапазона и сложных многофункциональных устройств, таких как регулятор комплексных амплитуд, на основе однокаскадных усилителей в монолитном исполнении для повышения унификации аппаратуры.

5. Обосновано проектирование топологии кристаллов усилителей мощности на основе непосредственного измерения параметров ПТШ на большом уровне сигнале методом тестовых плат. Данный подход сокращает число итераций при проектировании и обеспечивает высокое совпадение параметров, заданных и полученных экспериментально.

6. Технико-экономический эффект от проведенных автором работ достигается за счет:

-сокращения, по сравнению с существующими, площади кристаллов ИС;

-повышения коэффициента выхода годных кристаллов за счет оптимизации структуры транзистора;

-сокращения числа итераций при проектировании топологии кристаллов;

-повышения унификации кристаллов арсенид-галлиевых ИС в СВЧ модулях.

В третьей главе рассмотрено влияние технологических аспектов на параметры арсенид-галлиевых интегральных схем и СВЧ модулей на их основе.

В разделе 3.1 рассмотрена базовая технология изготовления СВЧ арсенид галлиевых ИС.

Разработка всех типов интегральных схем проводилась применительно к базовой технологии НИИ Микроприборов НПО «Элас». Основными ключевыми этапами технологического маршрута являются:

-формирование активной области транзистора на основе эпитаксиальных структур арсенида галлия;

-формирование омических контактов транзистора на основе металлической системы Au-Ge-Au;

-многостадийне формирование затвора на основе металлической структуры V-Au-V;

-формирование защитного слоя и диэлектрика конденсаторов на основе пленки SiO2;

-формирование второго слоя металлизации с использованием гальванического наращивания золота;

-утонение пластин и напыление металлизации обратной стороны микросхемы нихром-никель-золото.

Для объединения секций транзисторов с минимальной паразитной индуктивностью и для улучшения теплоотвода от активной зоны транзистора используется технология «воздушных мостов», где на технологические островки фоторезиста толщиной 2,2-3,5 мкм наращивается гальваническое золото.

Формирование сквозных металлизированных отверстий используется для улучшения теплоотвода от активной зоны ПТШ и безындуктивного заземления элементов СВЧ МИС. Экспериментальное сравнение мощных тестовых транзисторов, изготовленных со сквозными отверстиями и без них, показало снижение теплового сопротивления более чем в 3 раза (до 5,0-5,9 єС/Вт) и в 2 раза уменьшает его разброс. Уменьшение паразитной индуктивности в цепи истока повышает коэффициент передачи и устойчивость работы схемы, кроме того, появляется возможность заземлить элемент МИС в любом месте кристалла, а использование для заземления проволочных выводов позволяет заземлять элементы, расположенные только на краях кристалла. Проведена оценка эффективности использования сквозных металлизированных отверстий для заземления элементов кристалла арсенид-галлиевой ИС через расчет индуктивности в зависимости от толщины подложки и диаметра отверстия (Рис.4).

В разделе 3.2 рассмотрена технология изготовления бескорпусных и герметичных модулей на основе арсенид-галлиевых интегральных схем.

Проведен сравнительный анализ влияния на высокочастотные характеристики интегральных усилителей проволочных выводов диаметром 30 мкм и плоских проводников толщиной 20 мкм. Показана целесообразность использования плоских проводников в СВЧ тракте и заземления элементов кристалла на частотах выше 10 ГГц.

Раздел 3.3 посвящен оценке надежности и радиационной стойкости арсенид-галлиевых ИС, изготовленных по базовой технологии на основе промышленных эпитаксиальных структур арсенида галлия.



Рис. 4 - Зависимость индуктивности сквозного отверстия от толщины подложки и диаметра отверстия: 1 - 200 мкм; 2 - 100 мкм; 3 - 50 мкм; 4 - 20 мкм.

На основании разработанного 22ЦНИИ МО РФ руководящего материала «Подготовка и ведение ускоренных испытаний твердотельных СВЧ модулей на безотказность и долговечность» была проведена оценка минимальной наработки на отказ бескорпусных модулей на основе арсенид-галлиевых ИС. Проведенные испытания подтвердили время минимальной наработки на отказ интегральных усилителей средней мощности более 100 000 часов, что позволяет создавать на основе разработанных арсенид-галлиевых ИС аппаратуру для космических аппаратов со сроком активного существования более 10 лет.

Результаты расчетных значений наработок до отказа, полученных с помощью пакета программ "Prognoz" ВАЯП.00042-01, разработанного в ГУП НПЦ «СПУРТ» на основе алгоритма расчета нормированной автокорреляционной функции процесса деградации электрических параметров, показывают величину более 110 000 часов. На основании графо-аналитического анализа результатов измерений в качестве основной модели прогнозирования наработки до отказа выбрано уравнение линейной регрессии:

Y = a Ч x + b ,

,

xi- моменты времени измерений,

yi- значения измеренных электрических параметров в моменты xi.

При прогнозировании наработки до отказа опытных образцов ИС МШУ учитывались следующие параметры и их граничные значения:

Y1 - коэффициент передачи (8,0 - 12) дБ;

Y2 - коэффициент шума (2,0 - 3,5) дБ;

Y3 - постоянный рабочий ток (8 - 15) мА.

Экспериментально проведена оценка радиационной стойкости (РС) арсенид-галлиевых ИС в рабочих режимах эксплуатации по динамическим характеристикам. При оценке работоспособности ИС УСМ использовался быстродействующий СВЧ детектор мощности, расположенный вне активной зоны воздействия.

Арсенид-галлевые ИС МШУ и УСМ, изготовленные по базовой технологии на серийных полупроводниковых структурах, в составе герметичных корпусов показали стойкость к воздействию специальных факторов с характеристиками И1, И2, И3, С1, С3 со значениями характеристик, соответствующих группе 3У ГОСТ В 20.39.404-81, что позволяет использовать данные типы схем в составе герметичных корпусов из материала Д16Т на поверхности КА без дополнительной защиты.

По главе 3 сделаны следующие выводы:

1. Определена базовая технология изготовления арсенид-галлиевых

интегральных схем СВЧ диапазона для космических систем связи на основе промышленных эпитаксиальных структур.

2. Показана эффективность сквозных металлизированных отверстий

для заземления элементов СВЧ интегральной схемы в произвольном месте кристалла и обеспечении отвода тепла от активной зоны транзистора. Проведен сравнительный анализ влияния на параметры арсенид-галлиевых ИС проволочных выводов и плоских проводников. Показано, что на частотах выше 10 ГГц плоские проводники имеют меньшее влияние на параметры интегральных усилителей.

3. Базовая технология изготовления кристаллов СВЧ усилителей

средней мощности обеспечивает минимальную наработку на отказ более 100 000 часов. Ускоренные надежностные испытания ИС МШУ по методу Аррениуса при рабочих температурах 240є С, 200є С, 150є С, и 125є С демонстрируют значение минимальной наработки на отказ 1х106 часов при нормальных условиях эксплуатации.

4. Проведена оценка радиационной стойкости арсенид-галлиевых ИС

и их надежностные характеристики для построения на их основе аппаратуры для космических аппаратов со сроком активного существования более 10 лет. Предложена методика оценки времени потери работоспособности СВЧ арсенид-галлиевых ИС во время импульсного воздействия факторов ядерного взрыва.

Во четвертой главе рассмотрены вопросы построения СВЧ модулей повышенной интеграции на основе дискретных элементов для поверхностного монтажа. Эффект достигается применением новых схемотехнических решений и широким использованием компьютерного моделирования, что позволяет оценить взаимное влияние элементов при увеличении плотности монтажа.

В разделе 4.1 рассмотрены примеры реализации малошумящих приемных конверторов на дискретных элементах для поверхностного монтажа импортного производства.

Показано, что использование унифицированных дискретных элементов зарубежного производства и современных методов проектирования позволяет в короткие сроки создавать аппаратуру с высокими техническими характеристиками без организации серийного производства. Приведены результаты применения приемных конверторов Х- и Кu -диапазонов в станциях приема информации с космических аппаратов дистанционного зондирования Земли 11Ф664 и «Метеор-3М».

Заслуга автора состоит в организации альтернативного приемного тракта при сохранении работоспособности существующего тракта, действующего приемного комплекса 14Ц20.

Использование зарубежной элементной базы потребовало дополнительного объема испытаний в составе блоков для обеспечения надежности работы приемной аппаратуры. Особое внимание уделялось проверкам при пониженной температуре окружающей среды и длительной непрерывной работе.

В разделе 4.2 приведены результаты использования в приемных модулях полосно-пропускающих фильтров на высокодобротных диэлектрических резонаторах (ДР), изготовленных по современной технологии в ООО «Керамика» г. Санкт-Петербург. Проведенные работы показали возможность получения температурного коэффициента требуемого знака и величины от минус 6,0 МК-1 до + 15,0 МК-1 для резонаторов с диэлектрической проницаемостью 80 в интервале температур от минус 60? С до +80? С, была установлена зависимость резонансной частоты от условий возбуждения резонатора, что позволило определить точные геометрические размеры и, тем самым, сократить трудоемкость регулировки фильтров при изготовлении в условиях серийного производства.

Раздел 4.3 посвящен вопросу построения приемных трактов с распределенной фильтрацией. В современных космических системах связи необходимо решать проблему электромагнитной совместимости, т.е. одновременной работы передающей и приемной аппаратуры. В условиях бортовой системы, где ограничены возможности пространственного разноса, необходимо решить задачу помехозащищенности приемного тракта при условии выполнении требований минимизации коэффициента шума. Потери входных цепей напрямую увеличивают интегральный коэффициент шума приемного тракта.

Предложено использовать систему распределенной фильтрации, где после первого каскада усиления устанавливается дополнительный полосно-пропускающий фильтр. Значение коэффициента шума блока определяется соотношением:

Кш = Lф1+(1/Кф1)((Кш1-1)+(Lф2-1)/Кп1+(Кш2-1)/Кф2Кп1) , где (1)

Кш - коэффициент шума блока:

Кф1- коэффициент передачи первого фильтра;

Кш1 - коэффициент шума первого каскада МШУ:

Lф1 - потери первого фильтра;

Lф2 - потери второго фильтра;

Кф2 - коэффициент передачи второго фильтра;

Кп1 - коэффициент передачи первого каскада МШУ;

Кш2 - коэффициент шума второго каскада МШУ.

Основным критерием при решении этой противоречивой задачи является сохранение линейного режима работы каждого каскада усиления приемного тракта при наличии всех помеховых сигналов.

Кш - коэффициент шума блока - min;

Lф1 - потери первого фильтра - min;

L ЗФ1 - запирание первого фильтра - max;

Lф2 - потери второго фильтра - min;

L ЗФ2 - запирание второго фильтра - max;

РВЫХ i < РВЫХ ЛИНi , где

РВЫХ i - интегральная выходная мощность каждого каскада усилителя;

РВЫХ ЛИНi - линейная выходная мощность каждого каскада усилителя.

Рис. 5 Микросборка МШУ с распределенной фильтрацией и ее амплитудно-частотная характеристика

Моделирование структуры многокаскадного МШУ с распределенной фильтрацией проводилось с использованием программ AppCAD и Microvawe Office. В результате моделирования была спроектирована и испытана микросборка малошумящего усилителя, удовлетворяющая требованиям помехозащищенности (Рис.5). Использование компьютерного моделирования и отработка элементов схемы позволило спроектировать микросборку без технологических выходов для предварительной регулировки фильтров, кроме того, при освоении в серийном производстве данная микросборка имеет минимальную трудоемкость регулировки.

Раздел 4.4 посвящен вопросам построения многофукциональных многоканальных приемных модулей многолучевых АФАР.

Построение многолучевых приемных активных фазированных антенных решеток невозможно без решения проблемы построения многоканальных приемных модулей. Число лучей определяет число фазовращателей, задействованных в каждом приемном канале. Для устранения взаимного влияния каналов необходимо обеспечить высокую развязку делителей и сумматоров в рабочей полосе частот, которая складывается из суммы полос всех лучей.

Предложена конструкция многоканальных модулей многолучевой приемной АФАР на основе симметричной двухуровневой разводке, где потери и фазовая длина каждого канала имеют минимальный разброс. Данная концепция лежит в основе конструкции четырехканального приемного модуля АФАР, где каждый приемный канал участвует в формировании восьми лучей.

В разделе 4.5 рассмотрены вопросы оптимизации конструкции СВЧ модулей наземных станций спутниковой связи для организации серийного производства.

В условиях сложной электромагнитной обстановки предъявляются высокие требования к избирательным устройствам как приемного, так и передающего трактов. Чистота спектра выходного широкополосного сигнала системы с преобразованием частоты с низким значением промежуточной частоты, на которой осуществляется модуляция сигнала, может быть достигнута только при использовании полосно-пропускающих фильтров (ППФ) с высокой крутизной скатов. Использование традиционных ППФ в микрополосковом исполнении приводит к увеличению габаритов.

Проведенные исследования показали, что требуемые характеристики с минимальными габаритами выполнимы при использовании высокодобротных диэлектрических резонаторов. Наибольший эффект применения фильтров на ДР достигается при совмещении с технологией поверхностного монтажа элементов, для чего потребовалось определить условия оптимального размещения резонаторов на полосковой плате из стеклотекстолита или любого композитного СВЧ материала. Дан анализ снижения нагруженной добротности ДР при приближении стенок и крышки отсека фильтра.

По главе 4 сделаны следующие выводы:

1. На примере приемных конверторов Х- и Кu-диапазонов показано, что технология поверхностного монтажа компонентов эффективна для изготовления единичных образцов с высокими техническими и эксплутационными характеристиками.

2. Предложен и апробирован метод проектирования приемных трактов АФАР с распределенной фильтрацией. Использование распределенной фильтрации в приемных трактах АФАР обеспечивает помехозащищенность и способность функционирования в сложной электромагнитной обстановке при минимальных шумовых характеристиках.

3. Разработана конструкция многоканальных приемных модулей многолучевых АФАР на основе синфазной двухуровневой разводки, позволяющая получать в полосе частот минимальный фазовый разброс каналов без взаимного влияния каналов. Построение модулей с использованием данной концепции позволило реализовать бортовую приемную АФАР изделия 14Р512 с высокими техническими и массогабаритными характеристиками.

4. Обосновано и практически подтверждено использование полосно-пропускающих фильтров на диэлектрических резонаторах в конструкции СВЧ модулей с технологией поверхностного монтажа элементов, что позволило спроектировать ряд блоков для носимых станций космической связи ИПС-АП, ППС2Г1 и ППС2Г1.01. Блоки имеют высокую технологичность, малую трудоемкость сборки и регулировки.

5.Технико-экономический эффект от проведенных автором работ достигается за счет:

- проектирования приемных конверторов с высокими техническими характеристиками без организации серийного производства;

-сокращения трудоемкости регулировки полосно-пропускающих фильтров на диэлектрических резонаторах при изготовлении в условиях серийного производства;

-реализации многоканальных модулей многолучевой АФАР с высокой повторяемостью параметров;

-оптимизации конструкции СВЧ модулей наземных станций спутниковой связи для организации серийного производства.

В пятой главе представлены результаты исследований возможности применения в качестве управляющего элемента СВЧ схем микроэлектромеханических (МЭМ) переключателей, изготовленных на основе алмазоподобных пленок. Интерес представляет возможность интеграции МЭМ элементов с активными элементами, реализованными на кремниевой подложке или на арсениде галлия, что позволит на одном кристалле формировать сложную функционально законченную схему с повышением функций до уровня системы.

В разделе 5.1 проведен анализ работы микромеханического переключателя в СВЧ диапазоне.

Для оценки СВЧ характеристик МЭМ переключателей различной топологии и двух типов включения был поведен оценочный расчет с тем допущением, что в открытом состоянии переключателя работает емкость области перекрытия мембраны, а в закрытом состоянии контактное сопротивление. На основе созданной модели определены требования к геометрическим размерам МЭМ переключателя и его элементов.

Показано, что алмазоподобные пленки, нанесенные на материал подложки, не приводят к увеличению потерь микрополосковой линии в СВЧ диапазоне. Исследования проводились на кремниевых и ситалловых подложках.

Сама возможность получения МЭМ переключателей определяется технологическими возможностями. Данные работы проводились на основе технологической базы НИИ Физических проблем им. Ф.В. Лукина.

При изготовлении микромеханических элементов схемы были использованы МЭМС технологии, в частности - балочная и мембранная технологии жидкостного травления и суперпозиции ICP и ECR анизотропного травления.

На основе проведенных исследований дана сравнительная оценка МЭМ переключателей и традиционных ключевых элементов управляющих схем - кремниевых p-i-n диодов и арсенид- галлиевых ПТШ в пассивном включении.

Сравнительная оценка МЭМ переключателей, кремниевых p-i-n диодов и арсенид-галлиевых ПТШ в пассивном включении

Наименование параметра	МЭМ переключатель	Si p-i-n диод	GaAs ПТШ
Время переключения, нсек	1000	1-10	0,1
Ток, мкА	10	1000	1,0
Напряжение, В	3-30	1-20	3-6
Сопротивление в открытом состоянии, Ом	1-5	1-2	3-6
Емкость в закрытом состоянии, пф	0,05-0,2	0,05-0,2	0,2-0,4
Потери на 3 ГГц, дБ	0,1	0,3	0,5
Развязка на 3 ГГц, дБ	20	40	30
Коммутируемая мощность, Вт	0,01-0,1	1-100	0,1
Граница линейности, дБм	70	40-50	30

Видно, что МЭМ переключатели имеют ряд преимуществ и могут служить основой проектирования нового класса управляющих схем.

Проведенные автором исследования выявили ряд проблем, без решения которых невозможно промышленное использование МЭМ переключателей в связной аппаратуре СВЧ диапазона. Основным направлением работ является обеспечение повторяемости параметров и снижение уровня напряжения срабатывания до величины напряжения традиционных логических схем. Необходимость герметизации узлов с МЭМ элементами не является проблемой, поскольку для улучшения массо-габаритных характеристик СВЧ аппаратуры космических систем связи используются герметичные блоки с бескорпусными элементами. Очевидным достоинством МЭМ переключателей является радиационная стойкость и возможность работы при экстремальных температурах в силу механического принципа работы. Понятие линейности или образования интермодуляционных составляющих просто отсутствует до уровня мощности в десятки ватт.

Для оценки эксплутационных свойств микроэлектромеханических переключателей была проведена оценка критического управляющего напряжения от величины зазора между мембраной и подложкой, определяемого толщиной жертвенного слоя. Напряжение срабатывания определяется по формуле :

VP = [2 · E · t3 · H3 / (27 ·е0)] 1/2 /L2

-где Е - модуль упругости;

t - толщина моста или балки;

H - величина зазора;

L - длина моста или балки.

Оценка уровня минимального управляющего напряжения при толщине жертвенного слоя 1…3 мкм в указывает диапазон в пределах от 3 до 10 В, что позволяет реализовать схему управления на основе типовой кремниевой технологии.

Скорость переключения накладывает ограничения на область применения МЭМ переключателей, однако, при тактовых частотах управления до десятков килогерц данные приборы реализуют свои ключевые свойства. Так первые отечественные образцы МЭМ переключателей прошли тестовые испытания в составе платы радиочастотной идентификации в качестве амплитудного модулятора.

Рабочая частота изготовленной платы составила 1,5 ГГц, а тактовая частота управления не менее 15 КГц. Напряжение управления МЭМ переключателем колебалось от 10 В до 25 В.

В разделе 5.2 рассмотрена возможность реализации интегрального фазовращателя СВЧ диапазона на основе микромеханических переключателей.

В процессе работы была проведена оценка возможности формирования на кристалле фазосдвигающих цепочек для построения интегрального фазовращателя на основе МЭМ переключателей. На основе компьютерного моделирования показана высокая воспроизводимость параметров и стабильность характеристик в широком диапазоне частот. Проведенные исследования создают предпосылки для созданий на кремниевом кристалле интегральной схемы фазовращателя и, при необходимости, совмещения на одном кристалле аналоговой и цифровой части управления фазовращателем.

В разделе 5.3 рассмотрены перспективы использования микроэлектромеханических элементов СВЧ диапазона в аппаратуре связи и радиолокации.

Показана возможность использования МЭМ элементов в составе герметичной аппаратуры. Определены основные направления исследований и совершенствования технологии изготовления.

По главе 5 сделаны следующие выводы:

1. Промоделированы и спроектированы микромеханические переключатели, что позволило получить СВЧ характеристики первых отечественных МЭМ переключателей на основе алмазоподобных пленок, как основы перспективных многофункциональных схем. По результатам испытаний определены основные направления схемотехнических и технологических работ для улучшения функциональных свойств МЭМ переключателей для использования в СВЧ диапазоне.

2. Показано, что на основе микроэлектромеханических переключателей могут быть спроектированы кремниевые интегральные схемы фазовращателей на частоты до 3 ГГц с фазосдвигающими цепями на сосредоточенных элементах и совмещенной цифровой схемой управления, а широкополосная цепь управления микроэлектромеханическим переключателем может быть реализована на основе резистивной схемы.

3. При обеспечении герметичности аппаратуры микроэлектромеханические элементы соответствуют требованиям по надежности к военной и космической аппаратуре.

В заключении освещены полученные в диссертации научные и практические результаты и указаны наиболее перспективные, на взгляд автора диссертации, направления продолжения работ в части совершенствования систем автоматизированного проектирования, новых схемотехнических подходов и использования элементов, полученных на основе новых технологий.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате диссертационных исследований изложены теоретические, научно обоснованные технические решения на основе промышленных технологий микроэлектроники, позволяющие повысить степень интеграции СВЧ аппаратуры. Внедрение результатов диссертационной работы вносит значительный вклад в развитие экономики страны и повышение ее обороноспособности. В процессе выполнения работы получены следующие результаты:

1. Реализован комплексный подход к проектированию арсенид-галлиевых ИС различного функционального назначения в СВЧ диапазоне для использования в приемных и передающих модулях космических систем связи 17Р53, В-200, 17Р78РП, В-400М.

2. Определены и сформулированы общие и частные конструктивно-технологические требования при проектировании активных элементов арсенид-галлиевых ИС. Получены зависимости характеристик переключателя на основе арсенид-галлиевого ПТШ в пассивном включении от ширины транзистора, способа включения в СВЧ тракт и рабочей частоты для получения требуемых прямых потерь и запирания. Показана возможность достижения требуемых характеристик при использовании промышленных эпитаксиальных структур арсенида галлия.

3. Проведена оценка радиационной стойкости арсенид-галлиевых ИС и их надежностные характеристики для построения на их основе аппаратуры для космических аппаратов со сроком активного существования более 10 лет. Предложена методика оценки времени потери работоспособности СВЧ арсенид-галлиевых ИС во время импульсного воздействия факторов ядерного взрыва по динамическим характеристикам.

4. Подтверждена целесообразность проектирования топологии кристаллов усилителей мощности на основе непосредственного измерения параметров ПТШ на большом уровне сигнале методом тестовых плат. Данный подход сокращает число итераций при проектировании и обеспечивает высокое совпадение параметров, заданных и полученных экспериментально.

6. Показана эффективность сквозных металлизированных отверстий для заземления элементов СВЧ интегральной схемы в произвольном месте кристалла и обеспечении отвода тепла от активной зоны транзистора. Проведен сравнительный анализ влияния на параметры арсенид-галлиевых ИС проволочных выводов и плоских проводников. Показано, что на частотах выше 10 ГГц плоские проводники имеют меньшее влияние на параметры интегральных усилителей.

7. Показана возможность построения функциональных узлов СВЧ диапазона и сложных многофункциональных устройств, таких как регулятор комплексных амплитуд, на основе однокаскадных усилителей в монолитном исполнении для повышения унификации аппаратуры.

8. Предложена схема унифицированного переключательного кристалла, позволяющая реализовать на его основе многоразрядный фазовращатель, фазовый модулятор, согласованный ключ и плавный аттенюатор в диапазоне частот до 5 ГГц.

9. Разработана конструкция многоканальных приемных модулей многолучевых АФАР на основе синфазной двухуровневой разводки, позволяющая получать в полосе частот минимальный фазовый разброс каналов без взаимного влияния каналов. Построение модулей с использованием данной концепции позволило реализовать бортовую приемную АФАР изделия 14Р512 с высокими техническими и массогабаритными характеристиками.

10. Предложен и апробирован метод проектирования приемных трактов АФАР с распределенной фильтрацией. Использование распределенной фильтрации в приемных трактах АФАР обеспечивает помехозащищенность и способность функционирования в сложной электромагнитной обстановке при минимальных шумовых характеристиках.

11. Технически обосновано использование полосно-пропускающих фильтров на диэлектрических резонаторах в конструкции СВЧ модулей с технологией поверхностного монтажа элементов, что позволило спроектировать ряд блоков для носимых станций космической связи ИПС-АП, ППС2Г1 и ППС2Г1.01. Блоки имеют высокую технологичность, малую трудоемкость сборки и регулировки. Использование технологии поверхностного монтажа позволило в короткие сроки спроектировать, изготовить и испытать приемные конверторы Ku- и X- диапазонов для станций приема информации с космических аппаратов дистанционного зондирования Земли 11Ф664 №2 и «Метеор-3М», соответственно.

12. Промоделированы и спроектированы микромеханические переключатели, что позволило получить СВЧ характеристики первых отечественных МЭМ переключателей на основе алмазоподобных пленок, как основы перспективных многофункциональных схем. По результатам испытаний определены основные направления схемотехнических и технологических работ для улучшения функциональных свойств МЭМ переключателей для использования в СВЧ диапазоне.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

...