Повышение уровня выходной мощности приемо-передающих модулей активных фазированных антенных решеток

Размещено на http://allbest.ru

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Повышение уровня выходной мощности приемо-передающих модулей активных фазированных антенных решеток

Специальность: 05.12.07 - Антенны, СВЧ-устройства и их технологии

Езопов Андрей Владимирович

Саратов 2011

Диссертация выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель - заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Коломейцев Вячеслав Александрович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Кошелев Василий Сергеевич

кандидат физико-математических наук, профессор, лауреат Государственнойпремии СССР Посадский Виктор Николаевич

Ведущая организация - ОАО НПП «Контакт», г. Саратов

Защита состоится «20» декабря 2011 г. в 13 ⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, корпус 2, ауд. 212.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» (410054, Саратов, ул. Политехническая, 77).

Автореферат разослан «___» ноября 2011 г.

Автореферат размещен на сайте Минобрнауки России «___»ноября 2011 г. и на сайте ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.» www.sstu.ru «___»ноября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета А.А. Димитрюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время наиболее актуальной и практически важной задачей в радиолокации является повышение уровня излучаемой СВЧ мощности активной фазированной антенной решетки (АФАР). Увеличение излучаемой мощности позволит увеличить дальность обнаружения цели. Для формирования требуемых диаграмм направленности в АФАР существует ограничение: шаг решетки не должен превышать половины длины волны излучаемого СВЧ сигнала. Данное ограничение переходит в требование, предъявляемое к габаритным размерам приемо-передающих модулей (ППМ) - основных элементов АФАР. Начиная с некоторых частот СВЧ диапазона, ограничение максимально возможного поперечного сечения приемо-передающего канала приводит к невозможности использования миниатюрных электровакуумных и корпусированных твердотельных приборов. Доступной для применения в ППМ элементной базой остаются бескорпусные твердотельные элементы, выполненные в виде монолитных интегральных схем на диэлектрических подложках с высокой диэлектрической проницаемостью. Более низкий КПД твердотельных элементов (в два раза и более) по сравнению c магнетронами и лампами бегущей волны выдвигает на первый план задачу обеспечения теплового режима. КПД лучших твердотельных усилителей СВЧ мощности составляет ~ 25 %, это означает, что 75 % подводимой мощности преобразуется в тепло. Поэтому задача увеличения излучаемой СВЧ мощности сводится к задаче отвода тепловой мощности от активного элемента приемо-передающего модуля.

Особую актуальность данная задача приобретает с появлением монолитных интегральных схем усилителей СВЧ мощности с высоким уровнем мощности 10-15 Вт, когда уровень доступной элементной базы обеспечивает более высокий уровень излучаемой СВЧ мощности, а конструктивная реализация системы отвода тепла от активного элемента не обеспечивает необходимый режим охлаждения.

Значительный вклад в исследование вопросов проектирования активных фазированных антенных решеток внесли зарубежные ученые Brookner E., Horton D.A., Reudink D.O. и др., а также российские ученые Воскресенский Д.И., Гостюхин А.В., Гуськов Ю.Н., Бахрах Л.Д., Белый Ю.И., Глушицкий И.В. и др.

Однако несмотря на проведенные исследования вопросов проектирования и построения активных фазированных антенных решеток, актуальными и практически важными остаются следующие задачи: интенсификация процесса отвода тепла от активного элемента (монолитной интегральной схемы выходного усилителя мощности); измерение температуры активного элемента без нарушения электромагнитной совмести; минимизации паразитного взаимодействия бескорпусных СВЧ элементов приемо-передающего модуля, расположенных в замкнутых радиогерметичных отсеках. Решению вышеперечисленных вопросов и посвящена данная диссертационная работа.

Цель диссертационной работы: повышение уровня выходной мощности приемо-передающего модуля посредством интенсификации процесса теплопередачи и теплоотдачи рассеиваемой в активном элементе приемо-передающего модуля тепловой мощности в окружающую воздушную среду или охлаждающую жидкость и оптимизация импульсного режима работы ППМ.

Методы исследования. Для решения поставленной задачи были использованы: метод вариации произвольной постоянной (метод Лагранжа); метод разделения переменных; принцип суперпозиции; представление искомого теплового поля в ряд Фурье; численные методы решения краевых задач математической физики (метод конечных элементов с использованием принципа Галеркина и взвешенных невязок; метод конечных разностей с применением быстрого преобразования Фурье).

Научная новизна:

1. Предложена математическая модель внутренней краевой задачи теплопроводности для приемо-передающего модуля АФАР, позволяющая провести аналитическое исследование теплового поля ППМ, процессов теплопередачи и теплоотвода тепловой мощности от активных элементов монолитной интегральной схемы (МИС) в окружающую среду и охлаждающую жидкость и определить пути повышения уровня выходной мощности ППМ.

2. Установлено, что использование в качестве основания МИС металлической пластины с высокой теплопроводностью и заполнение воздушного промежутка между МИС и корпусом ППМ порошком бериллиевой керамики позволяет увеличить отвод тепловой мощности от активных элементов в окружающую среду, уменьшить максимальную и среднюю температуру нагрева МИС, то есть увеличить Р_вых модуля без нарушения рабочего режима работы ППМ.

3. Показано, что с уменьшением времени длительности теплового импульса снижается величина максимальной температуры нагрева активного элемента МИС при постоянстве средней температуры - t_ср на периоде импульсного режима, что позволяет увеличить выходную СВЧ мощность на сверхкоротких импульсах (ф_им?5·10^-4с) без нарушения порога тепловой безопасности работы ППМ.

4. Разработан бесконтактный метод измерения температуры активного элемента приемо-передающего модуля АФАР, позволяющий контролировать температуру монолитной интегральной схемы без нарушения электромагнитного и теплового полей вблизи активного элемента, в основе которого лежит зависимость подвижности основных носителей заряда в канале полевого транзистора от температуры.

5. Предложен способ электромагнитной совместимости приемного и передающего каналов в замкнутом радиогерметичном отсеке приемо-передающего модуля АФАР, основанный на временном разделении работы приемника и передатчика, позволяющий устранить паразитную обратную связь между активными элементами.

Практическая значимость.

1. Предложенные однослойная и двухслойная модели внутренней краевой задачи теплопроводности с произвольными источниками тепла могут быть использованы для оптимизации теплового режима приемо-передающих модулей в современных радиолокационных системах, а также в СВЧ-энергетике при расчете тепловых полей в объеме нагреваемого материала в СВЧ установках волноводного и резонаторного типов.

2. Предложенный бесконтактный способ контроля температуры выходного усилителя мощности может быть использован для контроля температуры бескорпусных СВЧ элементов, выполненных на GaAs, в схеме которых присутствует транзисторный элемент, работающий в режиме насыщения.

3. Полученные в работе результаты могут быть использованы в учебном процессе по специальности «Радиотехника» в курсах «Электродинамика и распространение радиоволн» и «Теплообмен в радиоэлектронных аппаратах».

Апробация работы. Диссертационная работа выполнена на кафедре «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета и научно-производственном центре ЗАО «Алмаз-Фазотрон». Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на всероссийских и международных научно-технических конференциях: «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, СГТУ, 2010), «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА» (Звенигород, ФГУП «НПП «Пульсар», 2010), «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-ХХIV» (Саратов, СГТУ, 2011).

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов обусловлена корректностью математической модели процесса теплопередачи и нагрева активного элемента ППМ АФАР; использованием высокоточных численно-аналитических методов решения краевых задач математической физики; экспериментальной проверкой предложенных в работе бесконтактного метода контроля температуры активного элемента и режима работы приемо-передающего модуля, при котором работа приемного и передающего каналов разнесена во времени.

Реализация результатов. Результаты исследований внедрены на предприятии ЗАО НПЦ «Алмаз - Фазотрон» и могут быть использованы в учебном процессе и научно-исследовательских работах, проводимых кафедрой «Радиотехника» СГТУ и на предприятиях радиоэлектронного профиля: ОАО НПП «Контакт», ОАО «КБ Электроприбор», ОКБ «Тантал-Наука».

Публикации. По результатам научных исследований, проведенных в рамках данной диссертационной работы, опубликовано 9 печатных работ, из них три работы - в рекомендуемых ВАК РФ изданиях.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа, состоит из введения, трех глав, заключения, содержит 184 страницы и включает 57 рисунков, а также список используемой литературы, содержащий 101 наименование.

Личный вклад автора. Представленные в диссертационной работе результаты расчета тепловых свойств приемо-передающих модулей АФАР получены автором самостоятельно, кроме того, в совместно опубликованных работах автор принимал непосредственное участие в анализе полученных результатов, разработке методики и проведении экспериментальных исследований группового четырехканального приемо-передающего модуля.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель процесса нагрева, теплопередачи и теплообмена приемо-передающего модуля АФАР, позволяющая исследовать тепловые процессы в твердотельных монолитных интегральных схемах с точечными поверхностными источниками тепловой мощности и позволяющая определить пути оптимизации теплового режима данного СВЧ-устройства.

2. Результаты исследований теплового поля монолитной интегральной схемы приемо-передающего модуля, процессов теплопередачи и теплообмена направленные на повышение выходной мощности ППМ посредством увеличения теплового потока от активных элементов МИС в окружающую среду или охлаждающую жидкость и снижения максимальной температуры нагрева усилителя СВЧ мощности.

3. Доработка конструкции ППМ, которая при заданном режиме охлаждения обеспечивает максимальную передачу тепловой мощности от МИС в охлаждающую среду посредством использования медной пластины в качестве основания МИС и заполнением внутренней полости ППМ порошком бериллиевой керамики, обладающего высокой теплопроводностью, что позволяет увеличить теплоотдачу с верхней поверхности ППМ без нарушения электродинамических процессов МИС.

4. Бесконтактный метод контроля температуры активного элемента приемо-передающего модуля АФАР, позволяющий контролировать температуру монолитной интегральной схемы без нарушения электромагнитного и теплового полей вблизи активного элемента, в основе которого лежит зависимость подвижности основных носителей заряда в канале полевого транзистора.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи исследования.

В первой главе отражены конструктивные особенности приемо-передающего модуля АФАР, предложен способ обеспечения электромагнитной совместимости элементов приемного и передающего каналов, исследована проблема устойчивости выходного усилителя мощности в бескорпусном исполнении.

Приемо-передающий модуль (ППМ) - основа пространственного канала АФАР. Функциональные возможности ППМ позволяют достичь описанных преимуществ АФАР. ППМ должен обеспечивать: заданный уровень СВЧ-мощности в излучателе; требуемую чувствительность приемного канала и защиту малошумящего усилителя; раздельное управление амплитудно-фазовым распределением в режимах приема и передачи; компенсацию температурной и частотной зависимостей данного распределения в заданном частотном и динамическом диапазонах; управление переключателями СВЧ тракта внешним импульсом синхронизации; компенсацию температурной зависимости коэффициентов передачи ППМ в режимах передачи и приема; принимать и хранить кодовые команды центрального блока управления; по запросу центрального блока управления формировать коды состояния основных параметров и общего сигнала исправности.

Основной элементной базой приемо-передающих модулей АФАР являются монолитные интегральные схемы на кристаллах GaAs. Достигнутый уровень мощности усилителей на GaAs составляет порядка 10 Вт. Дальнейшее увеличение мощности на данном материале практически невозможно.

Перспективным направлением развития твердотельной элементной базы является переход на полупроводниковый материал, обладающий существенно лучшими характеристиками, - GaN.

Максимальная выходная мощность усилителей на GaN в настоящий момент составляет порядка 15-20 Вт.

Существенно более высокая стоимость GaN не позволяет полностью заменить GaAs.

При производстве опытных образцов ППМ, когда необходимо в короткие сроки создать рабочие образцы с высокими выходными характеристиками, интерес представляет КМИС технология. КМИС - квазимонолитная интегральная схема. Позволяет сочетать возможности GaN и простоту GaAs. Маленький (не более 10% от общей площади усилителя) активный элемент изготавливается на GaN, а пассивные элементы (индуктивности, емкости, микрополосковые линии, занимающие остальные 90% площади) изготавливаются на полуизолирующем GaAs.

В первой главе также сформулированы основные проблемы, возникающие при разработке приемо-передающих модулей: отвод тепла из активной области выходного усилителя мощности к внешней поверхности модуля; бесконтактный контроль температуры в области наибольшей тепловой нагрузки; стабилизации температуры модуля при настройке, калибровке и испытаниях; электромагнитная совместимость бескорпусных твердотельных СВЧ элементов в ограниченном объеме.

Суммарный коэффициент усиления приемного и передающего каналов составляет порядка 80 дБ, а суммарные развязки ферритных вентилей и транзисторных переключателей составляют не более 60-70 дБ, что дает возможность появлению паразитной обратной связи.

Каскадирование ключей и ферритных вентилей для увеличения уровня развязки нецелесообразно, т.к. обратная связь может возникать и по объему радиогерметичного отсека канала.

Устранение связей по объему возможно только в случае создания конструкции, удовлетворяющей решению ВКЗЭ для замкнутых областей с неоднородным заполнением диэлектрическими (GaAs) и проводящими (Al) материалами. интегральный схема импульсный контроль температура

Принимая во внимание то, что не всегда можно изготовить конструкцию, удовлетворяющую полученному решению, в рамках данной конструкции был предложен режим импульсного питания не только передающего, но и приемного каналов.

Отключение приемного канала на время работы передающего позволяет разорвать цепь возникновения обратной связи, то есть минимизировать паразитное взаимодействие бескорпусных СВЧ элементов приемного и передающего каналов.

Исследован вопрос устойчивости выходного усилителя мощности в монолитном интегральном исполнении, и определены пути устранения электромагнитного самовозбуждения.

Показано, что паразитная электромагнитная самогенерация в рабочем диапазоне частот вызвана усилением гармоник сигнала более низкой частот. Электромагнитное моделирование цепей питания усилителя мощности позволило определить источник этих колебаний - недостаточную фильтрацию по цепям питания первого и второго каскадов усилителя. Показано, что добиться устойчивой работы микросхемы позволяют: несимметричная подача питания на второй каскад; установка дополнительного конденсатора в разрыв золотых перемычек.

Тепловой режим ППМ определяет в основном одним элементом - выходным усилителем мощности (рис. 1), так как рассеиваемая тепловая мощность остальных элементов много меньше.

Рис. 1 Приемо-передающий модуль АФАР

Площадь поверхности модуля составляет 9000-10000 мм². Площадь кристалла выходного усилителя мощности не превышает 25 мм². Исходя из соотношения площадей, кристалл усилителя можно считать точечным источником тепла.

Но и в самом кристалле тепло выделяется не по всей поверхности, а лишь в активной области - транзисторных ячейках. Площадь активной области составляет порядка 1,4 мм², то есть и в кристалле источник тепла тоже точечный

Во второй главе предложена математическая модель процесса теплопередачи и нагрева активного элемента ППМ АФАР. При формулировке математической модели в данной диссертационной работе использован принцип ортогональности и суперпозиции, согласно которому искомое тепловое поле при действии нескольких тепловых источников в объеме твердого тела может быть представлено как суперпозиция тепловых полей каждого теплового источника в отдельности.

Основные источники тепла в приемо-передающем модуле, выходные усилители СВЧ мощности (рис. 2, поз. 1, 2, 3, 4), расположены на верхней поверхности медной прямоугольной пластины на одинаковом расстоянии друг от друга, при этом они одинаковы по форме, и в каждом из них выделяется одинаковая тепловая мощность.

Рис. 2. Блочная тепловая модель приемо- передающего модуля АФАР: 1, 2, 3, 4 - монолитные интегральные схемы усилителей СВЧ мощности



Рис. 3. Блочная тепловая однослойная модель кристалла усилителя СВЧ мощности:1, 2 - первый; 3, 4, 5, 6 - второй;7 - третий каскады усилителя

Это означает, что тепловые потоки от первого модуля ко второму, от второго к третьему и от третьего к четвертому, и наоборот, равны между собой. То есть прямые линии z=b₁; b₂; b₃ являются осями симметрии теплового поля, на которых справедливо условие экстремума - , а это условие является условием идеальной теплоизоляцией нагреваемого материала (граничное условие II рода).

Аналогичное условие наблюдается и на торцевых поверхностях при z=0 и z=b в силу малой толщины пластины и незначительной теплоотдачи конвекцией и излучением с данных поверхностей по сравнению с верхней и нижней поверхностями.

Это означает, что расчет теплового поля приемо-передающего модуля можно провести для четвертой части прямоугольной пластины (0 ? z ? b₁ или b₁ ? z ? b₂ и т.д.) с одиночным поверхностным источником тепловой мощности, что упрощает исследование тепловых процессов в ППМ.

Данное положение позволяет для расчета теплового поля такой сложной системы, какой является монолитная интегральная схема ППМ, использовать более простую математическую модель, представляющую собой двухслойную прямоугольную пластину с поверхностным источником тепла при различных положениях данного источника в объеме пластины (рис.4).

Число возможных расположений теплового источника на внешней поверхности пластины равно числу тепловых источников в МИС, а положение теплового источника (поз. 3 рис. 4) соответствует расположению рассматриваемого теплового источника на поверхности МИС. Математическая модель процесса теплопередачи и нагрева МИС и ППМ может быть представлена следующим образом:

Рис.4. Двухслойная математическая модель:1 - медная и 2 - алюминиевая пластины; 3 - поверхностный источник (1)

где a_Ti - коэффициент температуропроводности; л_Ti - коэффициент теплопроводности; б_Ti - коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением; t_i - температура; i - индекс среды: i=1 - верхняя, i=2 - нижняя пластины. Удельная плотность тепловых источников - определяется следующим образом:

(2)

Как следует из соотношения (2), тепловой источник действует только в медной пластине и носит поверхностный характер, постоянен во времени и имеет равномерную поверхностную плотность. Представленная математическая модель позволяет определить тепловое поле в МИС, тепловой поток, отводимый от источника тепла в окружающее пространство, скорость распространения изотермы тепла в двухслойной прямоугольной пластине, представляющей собой медное основание МИС и алюминиевый корпус ППМ, то есть основные теплотехнические характеристики исследуемого объекта.

При л_Т1=л_Т2; t₁=t₂; a_T1=a_T2; h₁=h₂=h математическая модель (1) переходит в однослойную модель, позволяющую провести исследование влияние металлического основания (ковар, медь, алюминий) на тепловое поле МИС и величину t_max в зоне расположения активного элемента. Применение медных пластин позволяет достичь эффекта сглаживания теплового поля МИС за счет более высокой теплопроводности меди (л_T=390 Вт/м К) по сравнению с арсенидом галлия (л_T=55 Вт/м К). Вследствие этого ускоряется процесс теплопереноса от МИС в окружающую воздушную среду через прямоугольную медную пластину.

В разделе 2.3 данной диссертационной работы приведено аналитическое решение ВКЗТ для однослойной и двухслойной модели (1) с поверхностным источником тепловой мощности, которое позволяет исследовать тепловое поле в МИС ППМ, а также оценить теплоотдачу тепловой энергии от МИС в прямоугольную пластину, что приводит к снижению максимальной температуры нагрева активного элемента (транзисторной ячейки СВЧ мощности на полевом транзисторе), а также процесс теплопередачи от нагретого тела в окружающую среду через металлическую пластину и определить пути оптимизации теплового режима ППМ АФАР.

Решение неоднородной внутренней краевой задачи теплопроводности для двухслойной модели ППМ определяется в виде разложения Фурье по собственным ортонормированным функциям - ш_mnp(x,y,z) имеет следующий вид:

, (3)

где: , (4)

, (5)

, (6)

(7)

где собственные тепловые числа о₁=K_z1d₁; о₂=K_z2d₂ определяются из дисперсионного уравнения

; (8)

при этом взаимосвязь между собственными значениями о₁ и о₂ определяется соотношением

. (9)

Соотношения (3) - (7) в совокупности с дисперсионным уравнением (8) и соотношением (9) представляют собой решение неоднородной ВКЗТ для двухслойной модели с произвольным тепловым источником, позволяющее исследовать тепловое поле в монолитной интегральной схеме ППМ АФАР с учетом влияния охлаждающих пластин (медная и алюминиевая пластины) на температуру усилителя СВЧ мощности на полевых транзисторах, определяющее тепловой поток МИС. Отличительной чертой полученного аналитического решения является сложность вычислений для трехмерного теплового поля, особенно для нестационарного режима нагрева теплообмена и теплопередачи. В связи с этим в данной диссертационной работе составлена программа решения трансцендентного дисперсионного уравнения и расчета теплового поля МИС, которая позволяет упростить анализ теплового поля в сложных СВЧ-устройствах как в стационарном, так и в нестационарном режиме. Применяя разработанную математическую модель и принимая во внимание то, что основным источником тепла в модуле является МИС выходного усилителя мощности, а в нем основным источником тепла являются транзисторные ячейки, в которых и происходит последовательное (от первого каскада к третьему) усиление СВЧ сигнала, для исследования процессов нагрева, теплопередачи и теплоотдачи рассеиваемой тепловой мощности исследуемые устройства можно представить блочными тепловыми моделями (рис. 2 и 3).

В третьей главе проводится исследование теплового поля приемо-передающего модуля. На рис. 5 приведены структуры теплового поля симметричной четверти ППМ (рис. 2) для трех типов металлических оснований - ковар, медь и алюминий при удельной плотности тепловых источников q_V=P_пот/4 и естественной конвекции в свободное пространство (воздушная среда). Коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением при расчетах брался - б_T=10 Вт/м² град. (без принудительного воздушного охлаждения) как для верхней, так и для нижней поверхностей. Как следует из рис. 5, максимальная температура нагрева в ППМ наблюдается в области расположения источника тепловой мощности (усилителя СВЧ мощности), а минимальная температура нагрева наблюдается в наиболее удаленной от источника тепла области ППМ, при этом максимальный градиент температуры Дt_max=t_Вmax-t_Нmin (t_В - температура нагрева верхней поверхности, а t_Н - нижней поверхности приемо-передающего модуля) составляет Дt_max= 75 єC (для ковара); Дt_max= 8 єC (для алюминия) и Дt_max= 4 єC (для меди). То есть с увеличением коэффициента теплопроводности металлического основания максимальная температура нагрева усилителя СВЧ мощности снижается. Наибольший эффект наблюдается при использовании медной пластины. На рис. 6 приведена структура теплового поля ППМ полученная для основания из ковара на основе двухслойной тепловой модели с использованием принципа суперпозиции тепловых полей от различных тепловых источников. Сравнение структур теплового поля, приведенного на рис. 5а и 6, показывает их полную идентичность, что подтверждает вывод о симметричности теплового поля при действии одинаковых по конфигурации, выделяемой тепловой мощности и расположению в ППМ тепловых источников.

а - ковар; б - алюминий; в - медь

Рис. 5. Тепловое поле симметричной четверти ППМ для трех типов оснований

Рис. 6. Тепловое поле приемо-передающего модуля (основание из ковара л_T=17 Вт/м К)

Из рис. 6 следует, что наибольший отток тепловой мощности наблюдается в местах расположения активных элементов, что однозначно определяется граничным условием третьего рода, согласно которому тепловой поток от нагретого тела в окружающую среду при постоянстве коэффициента б_T максимален в зоне расположения усилителя СВЧ мощности (максимальной температуры нагрева). При удалении от источника тепловой мощности тепловой поток в воздушную среду уменьшается, достигая минимального значения в области x = a. Это означает, что для снижения средней температуры нагрева ППМ необходимо принудительное охлаждение в основном осуществлять в области 0?x?50 мм. При этом необходимо учитывать, что усилители СВЧ мощности МИС находятся в замкнутом корпусе, что приводит к резкому снижению коэффициента теплоотдачи конвекцией и излучением б_T1, вследствие неподвижности воздуха внутри корпуса, которое приводит к увеличению теплового сопротивления воздушного промежутка между основанием и верхней крышкой корпуса ППМ. Это приводит к резкому снижению теплопередачи тепловой мощности с верхней поверхности в окружающую среду и увеличению максимальной температуры нагрева усилителя СВЧ мощности. Исправить данное положение можно путем интенсификации теплоотдачи с нижней поверхности ППМ в окружающую среду посредством принудительного воздушного охлаждения и путем увеличения теплопроводности воздушного промежутка в корпусе усилительного модуля. Это можно осуществить посредством заполнения данного промежутка мелкофракционным порошком бериллиевой керамики, обладающей высокой теплопроводностью (л_T=269 Вт/м град), как у алюминия, при этом данный порошок является диэлектриком, что не приводит к изменению электродинамических свойств данного модуля.

На рис. 7 приведены кривые максимальной температуры нагрева t_max источника тепловой мощности (усилителя СВЧ мощности) при вариации коэффициента теплоотдачи конвекцией и излучением в зоне расположения активного элемента для различных материалов в основании МИС (кривая 1 - для ковара; кривая 2 - для алюминия; кривая 3 - для меди). Из рис. 7 легко видеть, что начиная с некоторого значения коэффициента теплоотдачи конвекцией и излучением (б_T>30) существенно больший вклад в снижение максимальной температуры вносит применение оснований с высоким значением коэффициента теплопроводности.

Рис. 7. Зависимость t_нmax от б_Т при различных материалах основания

1 -ковар (17 Вт/м град); 2 -алюминий (210 Вт/м град); 3 -медь (390 Вт/м град)

Рассмотрим тепловое поле выходного усилителя мощности выполненного в виде кристалла монолитной интегральной схемы на подложке из GaAs.

В данном устройстве происходит последовательное усиление СВЧ мощности от 1 каскада к 3 каскаду в каждом кристалле МИС. Наибольшая тепловая мощность выделяется на последовательности транзисторных ячеек в третьем каскаде, соответственно и максимальная температура в МИС будет достигаться в этой зоне, что и подтверждает структура теплового поля, приведенная на рис. 8 и 9, рассчитанная с помощью соотношений (3) - (9).

Характерной особенностью структуры теплового поля является наличие экстремальных температур (экстремум функции) в зоне расположения усилительных каскадов, при этом минимальная температура соответствует входным каскадам, а максимальная температура нагрева достигается в области расположения выходных усилителей. Соответственно в данных зонах экстремальны и значения тепловых потоков, определяющих теплообмен нагреваемой монолитной интегральной схемы с окружающей средой. Максимальный теплообмен между нагреваемой МИС с окружающей средой наблюдается в выходной части.

Использование медного основания в МИС приводит к значительному уменьшению экстремальных значений температуры нагрева в областях расположения активных элементов рис. 8 вследствие большого оттока тепла из МИС в медную пластину, обладающую высокой теплопроводностью (л_T = 390 Вт/м град).

Рис. 8. Материал основания - ковар

Рис. 9. Материал основания - медь



Рис. 10. Структура теплового поля МИС с учетом влияния ограниченного воздушного промежутка

На рис. 10 приведена структура теплового поля МИС при естественной конвекции в окружающую среду с учетом влияния ограниченного воздушного промежутка (б_T2=10 Вт/м² град и б_T1=2 Вт/м² град). Максимальная температура нагрева в МИС увеличилась по сравнению с t_maxМИС, приведенной на рис. 9: Дt_maxМИС = 10 єC (9,8 %), но не столь значительно.

Это связано с тем, что активный элемент МИС (полупроводниковый усилитель мощности на подложке из арсенида галлия (л_T=55 Вт/м град) обладает достаточно низким тепловым сопротивлением R_T=д/л_T (д=0,1 мм), что увеличивает эффективность теплоотдачи в нижнюю металлическую основу МИС, которое приводит к снижению максимальной температуры нагрева в выходной области МИС).

В разделе 3.2 рассмотрен нестационарный и импульсный режим работы монолитной интегральной схемы приемо-передающего модуля АФАР. Работа в импульсном режиме, приводит к увеличению t_MAX в установившемся режиме при неизменной средней на периоде импульса температуры нагрева - t_ср, что может привести к выходу из строя усилителя СВЧ мощности в выходной части монолитной интегральной схемы.

В импульсном режиме работы монолитной интегральной схемы значение максимальной температуры нагрева активного элемента во многом определяется скважностью и длительностью импульса и средней излучаемой тепловой мощностью.

Указанные параметры в основном определяют рабочий режим ППМ, а также выходные характеристики АФАР.

Особый интерес представляет тепловое поле в монолитной интегральной схеме выходного усилителя мощности приемо-передающего модуля в импульсном режиме в области установившейся температуры (ф>?), поскольку при разработке систем АФАР представляет интерес максимальная температура в МИС, которая и определяет необходимые условия рабочего режима работы ППМ и режима охлаждения.

Импульсный режим работы характеризуется периодичностью изменения температуры нагрева в образце, которая определяется следующими соотношениями:

, (10)

где n - номер импульса (n>>1). Первое соотношение определяет периодическую последовательность минимальной температуры нагрева, а второе соотношение соответственно последовательность максимальной температуры нагрева образца в импульсе.

В данном разделе диссертационной работы приведены соотношения, определяющие минимальную и максимальную температуру нагрева монолитной интегральной схемы выходного усилителя мощности ППМ. Минимальная температура нагрева достигается в момент окончания паузы между импульсами и определяется соотношением

, (11)

где (t_mnp)_ср - средняя на периоде - Т температура нагрева образца. Максимальная температура нагрева МИС достигается в момент окончания действия импульса, то есть при ф = nT+ ф_имп и определяется соотношением:

. (12)

На рис. 11 и 12 приведены кривые импульсного режима работы ППМ в области установившейся температуры (ф > nT, n >> 1) для скважности Q = 10 и длительности импульса ф_им = 1·10^-4 с; 1·10^-3 с, рассчитанные с помощью соотношений (11) - (12).

Легко видеть, что с увеличением длительности импульса максимальная температура нагрева ППМ возрастает, что может привести к перегреву активного элемента. Наиболее удобным для ППМ является импульсный режим с субкоротким импульсом тепловой мощности.

Рис. 11. Материал основания - ковар

1 - длительность импульса 10^-3с; 2 - длительность импульса 10^-4с; 3 - непрерывный режим с учетом скважности Q = 10



Рис. 12. Материал основания - медь

В табл. 1 приведены значения t_max, t_min и t_cp для МИС ППМ в выходной области монолитной интегральной схемы для субкоротких импульсов длительностью от 1·10^-4 с до 5·10^-3 с при скважности Q = 10. Средняя мощность на периоде импульсного режима низменна Р_пог=2,52 Вт. Данные табл. 1 позволяют сделать следующее заключение: для ППМ наиболее приемлемым является импульсный режим с субкоротким импульсом до 10^-4 с, при этом отклонение от средней температуры нагрева не превышает 2 єС для МИС на основании из ковара и 0,5 єС на медном основании.

Таблица 1

Материал основания	Длительность импульса фим ,с	Максимальная температура tmax,єС	Минимальная температура tmin,єС	Средняя температура tcp,єС	Градиент температуры Дtmax,єС
ковар	1·10-4	178,90	176,86	177,03	2,04
	5·10-4	180,70	175,92	177,03	4,78
	1·10-3	182,35	175,35	177,03	6,96
	5·10-3	189,17	172,73	177,03	16,44
медь	1·10-4	124,90	124,46	124,57	0,43
	5·10-4	125,73	124,19	124,57	1,54
	1·10-3	126,22	123,99	124,57	2,23
	5·10-3	128,31	123,02	124,57	5,30

Таким образом, применение металлических пластин с высокой теплопроводностью позволяет существенно снизить разницу между максимальной и минимальной температурой на периоде излучаемого импульса при T = const, что делает работу приемо-передающего модуля возможной и на более длинных импульсах и более высоком уровне средней тепловой мощности, без перегрева активного элемента, что позволяет увеличить выходную мощность ППМ.

В данной диссертационной работе разработан бесконтактный метод контроля температуры выходного усилителя мощности, основанный на температурной зависимости подвижности основных носителей заряда в активной области полевого транзистора.

Усилитель мощности, используемый в исследуемом приемо-передающем модуле, содержит встроенную схему (рис. 13) формирования напряжения смещения транзисторных ячеек. В данной схеме используется точно такая же транзисторная ячейка, что и в основных усилительных каскадах, но работающая в режиме насыщения. В диссертационной работе показано, что температурную зависимость тока насыщения можно представить в виде

, (13)

где А₁ - множитель, не зависящий или слабо зависящий от температуры; р - постоянная, определяемая механизмом рассеивания. Температурная зависимость напряжения Vg, соответственно, имеет вид

(14)

Постоянную A₁ находим из начальных условий:

, (15)

В ходе проведенного исследования из экспериментальных зависимостей I_dss(T) определено значение постоянной p по формуле

, (16)

Для используемых транзисторных структур в диапазоне рабочих температур (20-120 ?С) .

Рис. 14. Схема формирования напряжения смещения затвора

Рис. 15. Экспериментальная и теоретическая зависимость V_g(T)

Предложенный метод позволяет контролировать температуру кристалла посредством измерения напряжения V_g без введения каких либо дополнительных элементов, что позволяет проводить корректировку коэффициента усиления, а при достижении критической температуры отключать питание усилителя до того, как он выйдет из строя из-за перегрева.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Показано, что дальнейшее улучшение выходных характеристик БРЛС лежит в области увеличения мощности передатчика ППМ, возможной лишь в случае интенсификации процесса отвода тепла от активного элемента в окружающую среду или охлаждающую жидкость.

2. Для минимизации взаимного паразитного электромагнитного влияния бескорпусных СВЧ элементов приемного и передающего каналов в замкнутом радиогерметичном отсеке необходимо обеспечить разделение работы приемника и передатчика во времени, то есть использовать импульсный режим работы не только передатчика, но и приемника.

3. Показано, что для обеспечения электромагнитной устойчивости выходного усилителя мощности, выполненного в виде бескорпусной монолитной интегральной схемы на GaAs, проектирование цепей питания необходимо проводить с применением расчета их электромагнитных свойств, с целью устранения причин возникновения паразитной обратной связи.

4. Предложенная математическая модель ВКЗТ для монолитных интегральных схем ППМ АФАР наиболее достоверно и полно описывает процессы нагрева, теплопроводности и теплообмена нагреваемых МИС и ППМ с окружающей средой или охлаждающей жидкостью и позволяет провести аналитическое исследование обозначенных процессов, а также определить пути повышения выходной мощности ППМ.

5. Установлено, что уменьшение времени длительности теплового импульса (ф_им?5·10^-4с) позволяет увеличить выходную СВЧ мощность за счет снижения максимальной температуры нагрева активного элемента МИС на периоде импульсного режима при постоянстве средней температуры t_ср.

6. Использование в качестве основания ППМ пластин с высокой теплопроводностью позволяет существенно снизить неравномерность теплового поля активного элемента, за счет более быстрого растекания тепла по всей пластине, что позволяет существенно снизить максимальную и среднюю температуру активного элемента.

7. Использование мелкофракционного порошка бериллиевой керамики для заполнения пустот над активным элементом позволяет существенно увеличить тепловой поток, отводимый от активного элемента в окружающую среду с верхней поверхности ППМ без нарушения электромагнитной совместимости бескорпусных элементов.

8. Предложенный бесконтактный метод контроля температуры выходного усилителя мощности приемо-передающего модуля АФАР позволяет контролировать температуру в точке расположения активного элемента без нарушения электромагнитной совместимости, что позволяет проводить более точную корректировку выходных параметром ППМ от температуры.

9. Доработка конструкции приемо-передающего модуля в соответствии с предложенными в диссертационной работе рекомендациями, позволяет увеличить максимальный уровень излучаемой СВЧ мощности приемо-передающего модуля с 5-7 Вт до 8-10 Вт.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Езопов А.В. Корректировка параметров эквивалентной схемы СВЧ полевого транзистора с затвором Шоттки для разработки усилителя мощности в Х-диапазоне / А.В. Езопов, В.А. Коломейцев // Вестник Саратовского технического университета. 2010. № 3 (48). С. 112-116.

2. Езопов А.В. Разработка метода контроля температуры выходного усилителя мощности приемо-передающего модуля активной фазированной антенной решетки / А.В. Езопов, В.А. Коломейцев // Вестник Саратовского технического университета. 2011. № 1 (52). Вып.1. С. 149-153.

3. Езопов А.В. Электромагнитное взаимодействие компонентов приемного и передающего каналов в приемо-передающих модулях АФАР Х-диапазона / А.В. Езопов, В.А. Коломейцев //. Вестник Саратовского технического университета. 2011. № 2 (55). Вып. 1. С. 17-21.

В других изданиях

4. Езопов А.В. Разработка метода контроля температуры выходного усилителя мощности приемо-передающего модуля АФАР / В.А. Коломейцев, А.В. Езопов // Инновации и актуальные проблемы техники и технологий: материалы Всерос. науч.-прак. конф. молодых ученых: в 2 т. Т. 1. Саратов, 2010. С. 291-294.

5. Езопов А.В. Адаптивный алгоритм стабилизации температуры при измерении многофункциональных модулей / В.А. Коломейцев, А.В. Езопов // Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА: материалы IX науч.-техн. конф. /ФГУП «НПП «Пульсар». М., 2010. С. 165-167.

6. Езопов А.В. Групповой приемопередающий модуль АФАР Х-диапазона для бортовых РЛС / Э.А. Семенов, А.В. Бутерин, А.В. Иванов, А.В. Езопов // Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА: материалы IX науч.-техн. конф. /ФГУП «НПП «Пульсар». М., 2010. С. 56-58.

7. Езопов А.В. Особенности питания мощных усилителей Х-диапазона в монолитном исполнении / В.А. Коломейцев, А.В. Езопов // Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА: материалы IX науч.-техн. конф. /ФГУП «НПП «Пульсар». М., 2010. С. 90-92.

8. Езопов А.В. Результаты разработки группового приемопередающего модуля АФАР Х-диапазона / Э.А. Семенов, А.В. Бутерин, А.В. Иванов, А.В. Езопов // Радиолокационные системы специального и гражданского назначения. 2010 - 2012 / под ред. Ю.И. Белого. М.: Радиотехника, 2011. С 554-560.

9. Езопов А.В. Метод стабилизации температуры многофункциональных модулей / В.А. Коломейцев, А.В. Езопов // материалы XXIV международной научной конференции ММТТ - 24. Секция 10. Т. 10. Саратов, 2011. С. 105-107.

Размещено на Allbest.ru

...