10 реферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук Київ
Работа добавлена на сайт samzan.net:
12
ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ІНФОРМАЦІЙНО-КОМУНІКАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ
Сундучков Ігор Костянтинович
УДК 621.375.4:621.397.62:621.396.628
РОЗРОБКА МалошумлИВИХ підсилювачІВ міліметрового діапазону з використанням МОДИФікованої МОДЕЛі ТРАНЗИСТОРІВ З ВИСОКОЮ РУХЛИВІСТЮ ЕЛЕКТРОНІВ
05.12.13 –Радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ-2007
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Відкритому акціонерному товаристві „Науково-виробниче підприємство „Сатурн”
Науковий керівник доктор технічних наук, професор,
Семенко Анатолій Іларіонович
Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій, професор кафедри телекомунікаційних
систем, лауреат Державної премії СРСР
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Почерняєв Віталій Миколайович
ВАТ „Олімп”, головний науковий співробітник
кандидат технічних наук
Отрох Сергій Іванович
ВАТ „Укртелеком”, провідний спеціаліст
науково-технічного центру апарату управління електрозв’язку
Провідна установа: Харківський національний університет
радіоелектроніки (м. Харків)
Захист відбудеться ”_21__” березня 2007 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.861.01 при Державному університеті інформаційно-комунікаційних технологій за адресою: 03110, м.Київ-110, вул. Солом’янська, 7.
З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій за адресою: 03110, м.Київ-110, вул. Солом’янська, 7.
Автореферат розісланий ”19” лютого 2007 р.
Учений секретар спеціалізованої вченої ради,
к. т. н., доцент ________________ Кунах Н.І.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Для вирішення проблем розвитку та в досконалення єдиної національної системи зв’язку необхідною умовою є сучасна телекомунікаційна мережа. Оцінка нинішнього стану зв’язку та телекомунікаційних мереж України вимагають постійного просування у високочастотну область спектру сигналів, забезпечення високої вибірковості трактів і лінійності групового часу запізнювання, вирішення задач, пов’язаних з енергетикою систем, включаючи потужність передавачів, чутливість приймачів, поєднання аналогових і цифрових пристроїв. Крім того, завдання дешевого виробництва і тестування є далеко не останнім. Тому дослідження з створення апаратури в міліметровому діапазоні довжин хвиль є актуальними і своєчасними.
Малошумливі приймальні пристрої, будучи ключовим елементом систем радіозв'язку і телебачення, багато в чому відповідальні за досягнення перерахованих параметрів.
Не дивлячись на чималу кількість публікацій з результатами досягнутих параметрів в малошумливих приймальних пристроях міліметрового діапазону, в науково-технічній літературі відсутні методики моделювання і проектування як малошумливих підсилювачів, так і малошумливих приймальних пристроїв в цілому.
Немає рекомендацій щодо застосування математичних моделей транзисторів у діапазоні 40 ГГц і вище, враховуючи конструктивно-технологічні параметри топології малошумливих підсилювачів.
Не знайшли віддзеркалення в літературі також дослідження технологічних особливостей створення в міліметровому діапазоні як малошумливих підсилювачів, так і малошумливих приймальних пристроїв в цілому, а саме конструкція робочого об'єму і конструкція елементів монтажу з врахуванням з технології паяння, зварки і приклеювання елементів при монтажі.
Відсутні в публікаціях методики вимірювань параметрів малошумливих підсилювачів і малошумливих приймальних пристроїв в міліметровому діапазоні , схеми вимірювальних стендів, методики розрахунку погрішностей і неідентичності параметрів в зразках з партії.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи безпосередньо пов'язана з виконанням тематичного плану робіт ВАТ НПП “Сатурн”. Матеріали роботи були використані при виконанні ряду НДДКР, а саме: у 1987-1990 рр. в ДКР “Розробка багатоканального приймача в діапазоні 27-33 ГГц”(шифр “Відповідь”), в 1991- 1992 рр. в ДКР “Розробка приймального пристрою для радіорелейної станції в діапазоні 18-20 ГГц”(шифр “Евридіка”), в 1990-1991 рр. в НДР з постачанням 20-ти зразків “Розробка малошумливого підсилювача в діапазоні 37-37,5 ГГц”(шифр “Відповідь-20”), в 1992-1993 рр. в НДР “Розробка приймального пристрою для радіорелейної станції в діапазоні 36-37 ГГц”, в 1995-1997 рр. в НДР “Розробка приймального модуля для прийому телепередач в діапазоні 40 ГГц”, в 1995-1996 рр. в НДР “Бортовий багатоканальний радіометричний комплекс “Кий”для дистанційного зондування Землі з космосу”(шифр “Кий”), в 1998-2001 рр. в ДКР “Розробка малошумливого підсилювача в діапазоні 34,5-35,5 ГГц”(шифр “Китай-98”), в 2003-2005 рр. в ДКР “Розробка малошумливого підсилювача в діапазоні 20-21 ГГц”(шифр “Супутник”).
Мета і завдання дослідження. Метою роботи є дослідження і розробка малошумливих підсилювальних приймальних систем зв'язку міліметрового діапазону.
Для досягнення поставленої мети вирішені наступні основні задачі:
а) проведено дослідження і розроблено модифіковану математичну модель high-electron mobility transistor (НЕМТ) і виконано її ідентифікацію в діапазоні частот до 100 ГГц;
б) розроблено методику моделювання і проектування погоджуючих ланцюгів малошумливих підсилювачів міліметрового діапазону на базі модифікованої математичної моделі НЕМТ;
в) досліджено конструктивно-технологічні особливості малошумливих підсилювачів і малошумливих приймальних пристроїв міліметрового діапазону та розроблено рекомендації щодо конструкції робочих об'ємів каскадів підсилювачів, елементів монтажу, з врахуванням технології паяння, зварки і приклеювання при монтажі;
г) досліджено і розроблено методики вимірювань та обчислення параметрів малошумливих підсилювачів і малошумливих приймальних пристроїв міліметрового діапазону, схеми вимірювальних стендів, методики розрахунку погрішностей і неідентичності параметрів в зразках з партії;
д) розроблено і впроваджено ряд малошумливих підсилювачів та малошумливих приймальних пристроїв міліметрового діапазону і НВЧ елементів для них: НВЧ гермоввід, міжстрічково-хвилеводний перехід, що погоджують шлейфи, фільтри, “розв'язка”по постійному струму.
Об'єктом дослідження є малошумливі підсилювачі і малошумливі приймальні пристрої міліметрового діапазону.
Предметом дослідження є вирішення задач створення малошумливих підсилювачів і малошумливих приймальних пристроїв міліметрового діапазону.
Методи дослідження. Основним методом дослідження є аналітичний метод моделювання в міліметровому діапазоні транзистора з високою рухливістю електронів, топології погоджуючих ланцюгів транзистора, електричних і конструктивно-технологічних параметрів малошумливих підсилювачів і малошумливих приймальних пристроїв. Аналітичні методи моделювання базувалися на математичному аналізі, теорії лінійних ланцюгів, матричному численні, електродинаміці, теорії вірогідності. Ідентифікація моделей проводилася на основі експериментальних досліджень. Розрахунки виконано на персональному комп'ютері за допомогою програми “MicroWave Office”, “Serenade”, MathCad і ін.
Наукова новизна одержаних результатів. При виконанні дисертаційної роботи одержані нові наукові результати:
- вперше розроблено методику створення малошумливих підсилювачів приймальних систем зв'язку міліметрового діапазону, розроблено модифіковану математичну модель НЕМТ, яка ідентифікована в діапазоні частот до 100 ГГц на основі експериментально одержаних вольт-амперних характеристик (ВАХ), шумових і S-параметрів транзистора;
- розроблено для міліметрового діапазону новий багатофункціональний вимірювальний стенд і методики вимірювань, що дозволяє без повторних багаторазових стиків вимірювати основні параметри малошумливих підсилювачів, таких як коефіцієнт підсилення, еквівалентну ефективну шумову температуру малошумливого підсилювача, коефіцієнт стоячої хвилі по напрузі (КСХН) входу, КСХН виходу, приведено до входу, а також запропоновані рекомендації щодо розрахунку конструктивних параметрів топології схеми, “робочих об'ємів”каскадів малошумливих підсилювачів міліметрового діапазону, елементів монтажу з врахуванням технології паяння, зварки і приклеювання елементів при монтажі.
- розроблено нова методика визначення (вимірювання і обчислення) неідентичності параметрів серед зразків з партії малошумливих підсилювачів міліметрового діапазону за допомогою багатофункціонального вимірювального стенду.
Результати досліджень дозволили розробити і впровадити ряд малошумливих приймальних пристроїв і малошумливих підсилювачів в міліметровому діапазоні.
Практичне значення одержаних результатів. Розроблено і впроваджено ряд малошумливих підсилювачів і малошумливих приймальних пристроїв міліметрового діапазону з параметрами на рівні кращих зарубіжних зразків.
Розроблена методика створення малошумливих підсилювачів приймальних систем зв'язку міліметрового діапазону довжин хвиль, забезпечивши розробників інструментом створення малошумливих підсилювачів і малошумливих приймальних пристроїв систем зв'язку в діапазоні до 100 ГГц.
Розроблені для міліметрового діапазону новий багатофункціональний вимірювальний стенд, методики вимірювання параметрів малошумливих підсилювачів і нова методика визначення (вимірювання і обчислення) неідентичності параметрів серед зразків з партії малошумливих підсилювачів дозволяє проводити експериментальні дослідження (випробування) нової техніки зв'язку в міліметровому діапазоні.
З розробкою алгоритму коригування малосигнальної математичної моделі і модифікованої моделі НЕМТ з'явилася можливість прогнозувати параметри транзистора і коригувати їх, забезпечуючи його працездатність в більш високочастотному діапазоні шляхом використання запропонованих погоджуючих вхідних і вихідних ланцюгів.
Особистий внесок здобувача. Наукові положення, висновки, рекомендації, що викладені в дисертації та виносяться на захист, розроблені особисто здобувачем. У працях, виконаних у співавторстві, особистий внесок автора становить: розробка малошумливого підсилювача в робочому діапазоні 35-37 ГГц [17]; огляд опто-волоконних і бездротових розподільних систем [2]; розробка малошумливого підсилювача в Ка діапазоні [19]; одержання S матриці і експериментальні дані [10]; розробка вихідного двохкаскадного підсилювача з вихідною потужністю 10 мВт [18]; огляд літератури 3 мм діапазону [5]; дослідження процедури моделювання малосигнальної моделі НЕМТ [9]; огляд літератури підсилювачів 8 мм і 3 мм діапазону [1]; огляд безгетеродинного прийому сигналів в розподільній мережі [3]; розробка структурної схеми приймача [15]; огляд SoС і SiP технологій [4]; розробка еквівалентної схеми з високою рухливістю електронів [13]; дослідження і експериментальні дані для побудови нелінійної моделі транзистора [12]; вимірювання електричних параметрів і знаходження нелінійних характеристик транзистора з високою рухливістю електронів [11].
Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні і практичні результати доповідались автором на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького і інженерно-технічного складу на 12-й ч 16-й Міжнародних Кримських конференціях “НВЧ-техніка і телекомунікаційні технології”, м. Севастополь, Крим, Україна; на 4-й ч 6-й Міжнародних науково-практичних конференціях “Сучасні інформаційні і електронні технології”, м.Одеса, Україна; на Міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні інформаційно-комунікаційні технології (COMINFO-2005)”, 10-15 жовтня 2005 р., Кацивелі, Крим, Україна.
Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 22 наукові праці (статті), з них 6 одноосібно в журналах, затверджених ВАК України, як фахові видання з технічних наук.
Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних джерел із 120 найменувань і додатків, що містять 2 акти впровадження по дисертаційній роботі, первинні дані транзисторів. Містить 67 рисунків, 30 таблиць. Загальний обсяг дисертації складає 154 сторінки, в тому числі 135 сторінок основного тексту.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі розкрито сутність і стан наукової проблеми, обґрунтовано важливість і актуальність теми досліджень, сформульовані мета та завдання роботи, визначено об’єкт та предмет дослідження, методологічна основа досліджень. Наведено основні наукові результати, новизна та практична цінність, зв’язок роботи з науковими програмами і темами, а також відомості про публікації, апробацію та структуру роботи.
У першому розділі розглянуто принципи і тенденції розвитку телекомунікаційних мереж та приймальних систем міліметрового діапазону.
Рівень розвитку окремих компонентів приймальних систем і технологій, їх виробництв, багато в чому визначає як технічні параметри, так і цінові характеристики.
У міліметровому діапазоні крім прямокутних хвилеводів широко застосовуються мікросмугові лінії, щілинні і компланарні хвилеводи. Проаналізовано результати зниження втрат в компланарному хвилеводі з поглибленням в діелектрику: приведені питомі втрати в дБ/мм в діапазоні частот від 10 ГГц до 100 ГГц для різних величин поглиблення в діелектрику. З матеріалів видно, що на частоті 75 ГГц питомі втрати в компланарному хвилеводі без поглиблення в діелектрику дорівнюють 1.6 дБ/мм, а з поглибленням менше 0.2 дБ/мм, тобто менше 8 разів.
У роботі проаналізовано оригінальні рішення організації з'єднання елементів замість дротяного з'єднання.
Прогрес кремнієвих пристроїв, типу швидкодіючого SiGe HBT's, підштовхнули розвиток кремнієво-металевої полімідної багатошарової структури "SIMPOL".
Критична частота біполярного кремнієвого транзистора була рівна близько 40 ГГц, але після введення SiGe технології збільшилася до 100 ГГц.
Рекордні значення критичних частот в активних елементах вище 200 ГГц були одержані з гетероструктурами, вирощеними на GaAs підкладках. Можна зробити висновок, що у вхідних приймальних пристроях всіх діапазонів міліметрових хвиль ключовим елементом є малошумливий підсилювач (МШП).
МШП, що випускаються промисловістю з середньою смугою робочих частот в діапазоні частот 40 ГГц мають наступні параметри:
- фірма “Miteq”: Ку = 23 - 27 дБ; Кш = 4,5 дБ (550 К);
- фірма “СТТ Inc”: Ку = 25 - 30 дБ; Кш = 5,0 дБ (650 К).
Двухкаскадний МШП, наведений в літературі [7], в діапазоні частот 60 ГГц має коефіцієнт шуму Кш = 6 дБ (900 К) при посиленні 14 дБ.
Не дивлячись на чималу кількість публікацій з результатами досягнутих параметрів в малошумливих приймальних пристроях міліметрового діапазону, в науково-технічній літературі відсутні методики моделювання і проектування як малошумливих підсилювачів, так і вхідних приймальних пристроїв в цілому.
Недостатньо розглянуті питання застосування математичних моделей транзисторів в діапазоні 40 ГГц, розрахунку погоджуючих ланцюгів, розрахунку конструктивно-технологічних параметрів топології малошумливих підсилювачів.
В зв'язку з цим у першому розділі сформульовано викладені вище завдання дослідження при виконанні дисертаційної роботи.
У другому розділі представлено розроблену модифіковану математичну модель НЕМТ для міліметрового діапазону хвиль, що дозволяє досліджувати вплив її окремих елементів на основні характеристики транзистора в діапазоні частот до 100 ГГц. За основу взята схема НЕМТ, представлена в роботах [9-12]. Для зручності аналізу і одержання математичних виразів для моделі НЕМТ в схемі малосигнальної моделі умовно виділено явно виражені елементи, що відображають реактивності металізації основи і корпусу. Схема умовно поділена на декілька частин. Еквівалентна схема для модифікованої моделі НЕМТ представлена на рис. 1.
Рис. 1. Еквівалентна схема для модифікованої моделі НЕМТ з врахуванням
характеристик металізованих під’єднувальних елементів та корпусу
Алгоритм обчислень і перетворень матриць для загальної схеми транзистора представлено наступною послідовністю дій. Крок 1-й –розбиття схеми на три складові частини. Крок 2, 3, 4- складання початкових матриць електронних чотириполюсників і отримання трьох А матриць для трьох складових частин еквівалентної схеми модифікованої моделі НЕМТ. Крок 5 –отримання сумарної А- матриці схеми в цілому шляхом перемноження А матриць для трьох складових частин еквівалентної схеми. Алгоритм отримання матриць і виведення S21 представлений на рис. 2.
Рис.2. Алгоритм отримання матриць і виведення S21
Результуюча А-матриця еквівалентної схеми модифікованої математичної моделі НЕМТ знаходиться як добуток від множення трьох послідовно сполучених А-матриць –вхідної, внутрішньої і вихідної частин схеми.
Стартові значення величин параметрів елементів схеми принциповою електричною транзистора знайдені шляхом вимірювань геометрії елементів транзистора для Lg1, Cg1, Lgm, Cgm,Ldm, Cdm, Ld1, Cd1, Ls; для решти елементів - шляхом порівняння обчислених і паспортних даних ВАХ і S-параметрів. При неспівпаданні розрахункових і паспортних даних проведено корегування номіналів елементів схеми транзистора методами оптимізації до повного збігу. Результати моделювання ATF-36077 зведено в таблицю 1.
Після відповідних скорочень і перетворень одержимо:
;
c011
(1)
;
c012
(2)
c021
2. ПО ТЕМЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА Что называется электрическим током.
3. 01 Политическая социология- Басенко 2 пары 17-15 а
4. Правові відносини та юридичні факти
5. напряжённой многопустотной плиты покрытия Принимаем плиту покрытия высотой 220 мм h с круглыми пустота
6. Введение
7. Концепции и принципы биологического естествознания
8. КрасавЧИКи приглашает на работу ПАРИКМАХЕРОВУНИВЕРСАЛОВ Специально оборудованный зал сделает комфорт
9. Экологические проблемы военной деятельности в мирное время
10. 28декабря2013г по 27декабря2014г
11. ся жидк различной ~1 и ~2 плотности
12. Ценовая политика предприятия Факторы ценообразования
13. Первый подход основан на исследовании содержательной стороны теории мотивации
14. Реферат- Основные методы психологических исследований
15. 01.2014 в Измайлово Дворняга
16. Методические рекомендации по выполнению курсового проекта по дисциплине Рабочие процессы конструкция и
17. логическая операция перехода от родового понятия к видовому например ldquo;поэтrdquo; ldquo;великий поэтrdquo; ldq
18. ВСТУП Кожний власник автомобіля рано або пізно зіштовхується із проблемою непрацюючого генератора
19. Транспорт и окружающая среда
20. Курсовая работа- Кредит как экономическая категория и его роль в различных моделях экономики