авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Методы создания свч модулей систем космической связи

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Ефимов Андрей Геннадьевич

МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ СВЧ МОДУЛЕЙ

СИСТЕМ КОСМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

Специальность 05.12.07

Антенны, СВЧ-устройства и их технологии

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

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:

  1. Исследование принципов проектирования арсенид-галлиевых ИС различного функционального назначения с высокой радиационной стойкостью и длительной наработкой на отказ.
  2. Определение конструктивно-технологический требований к активным элементам арсенид-галлиевых ИС.
  3. Построение многоканальных приемных модулей многолучевых АФАР с высокой повторяемостью параметров для серийного производства.
  4. Определение критериев проектирования входных приемных трактов АФАР для работы в сложной электромагнитной обстановке.
  5. 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.

  1. 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.
  2. 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.
  3. Использование распределенной фильтрации в приемных трактах АФАР обеспечивает высокую помехозащищенность и способность функционирования в сложной электромагнитной обстановке.
  4. 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.
  5. 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

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-0

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).

 лектрическая схема ИС-1

Рис. 2 Электрическая схема ИС универсального кристалла на

ПТШ в последовательном включении

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.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.