Экспериментальные исследования электрических характеристик арсенид-галлиевых МИС малошумящего усилителя и двухпозиционного коммутатора собственного производства для аппаратуры автономной радионавигации космических аппаратов

Школьный В.Н.; Сунцов С.Б.; Кондратенко А.В.; Шишкин Д.А.; Дмитриев В.Д.; Карабан В.М.

Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 3 (2015 8) 304-312

УДК 621.396.4

The Experimental Researches of Electrical Characteristics of the Gaas MIC Low-Noise Amplifier and the Switch-Off of Own Production for Equipment of Autonomous Spacecraft Radionavigation

Vadim N. Shkolniya*, Sergey B. Suntsova, Aleksey V. Kondratenkob, Dmitriy A. Shishkinb, Vladimir D. Dmitrievb and Vadim M. Karabanb

aAcademician M.F. Reshetnev Information Satellite Systems 52 Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russia

bTUSUR

40 Lenina Str, Tomsk, 634050, Russia

Received 20.02.2015, received in revised form 04.03.2015, accepted 27.03.2015

The presents of electrical characteristics experimental researches results of the radiation-hardened on-off switch and low-noise amplifier (LNA) monolithic integrated circuits (MIC) of the designed and manufactured based on arsenide-gallium technology of own production for use in the multi-channel on-board navigation receivers of global navigation satellite systems (GNSS) signals for autonomous coordinate and time support of all types orbits spacecraft.

Keywords: semiconductors, nanoheterostructures, arsenide-gallium technology, monolithic integrated circuits, spacecraft, autonomous navigation, on-off switch, low noise amplifier, experimental researches, electrical characteristics.

*

Экспериментальные исследования

электрических характеристик арсенид-галлиевых МИС малошумящего усилителя и двухпозиционного коммутатора собственного производства для аппаратуры автономной радионавигации космических аппаратов

В.Н. Школьный1, С.Б. Сунцова, А.В. Кондратенко6, Д.А. Шишкин6, В.Д. Дмитриев6, В.М. Карабан6

аАО «Информационные спутниковые системы» имени академикаМ.Ф. Решетнёва» Россия, 662972, Красноярский край, Железногорск, ул. Ленина, 52

бТомский государственный университет систем управления и радиоэлектроники Россия, 634050, Томск, пр. Ленина, 40

Представлены результаты экспериментальных исследований электрических характеристик радиационностойких монолитно-интегральных схем двухпозиционного коммутатора и малошумящего усилителя, разработанного и изготовленного на основе арсенид-галлиевой технологии собственного производства для применения в составе бортовых многоканальных навигационных приёмников сигналов глобальных навигационных спутниковых систем космических аппаратов всех типов орбит для их автономного координатно-временного обеспечения.

Ключевые слова: полупроводники, наногетероструктуры, арсенид-галлиевая технология, монолитные интегральные схемы, космический аппарат, автономная навигация, двухпозиционный коммутатор, малошумящий усилитель, экспериментальные исследования, электрические характеристики.

Введение

Координатно-временное обеспечение является одним из важнейших условий успешного функционирования космических аппаратов различного назначения, в особенности тех, полезная нагрузка которых представляет собой измерительные системы: активные и пассивные радиолокаторы, средства наблюдения и дистанционного зондирования, навигационные устройства и др. Особое значение координатно-временное обеспечение имеет в случаях совместного функционирования нескольких космических аппаратов, которые решают общую задачу.

Для функционирования на разных типах орбит (низких, геостационарных, высокоэллиптических) необходимо использовать несколько антенн (антенно-фидерных систем), которые посредством коммутатора подключаются к приёмнику сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). К тому же коммутатор выполняет ещё и функцию защиты входных цепей приёмника от электростатических разрядов.

Малошумящий усилитель (МШУ) в приёмном тракте выполняет первый этап усиления слабого принятого сигнала. От его линейности, шумовых и усилительных свойств зависят итоговые характеристики всего приёмника [1].

Рис. 1. Схема подключения объекта испытаний: А1 - зондовая станция Suss Micro Tec 2200m; А2, A3 - СВЧ зонды! Z040-KKN-GSG-150; А4 - объект испытаний; А5 - источник питания Agilent E 3646A

В данной статье приводятся результаты экспериментальных исследований электрических характеристик радиационностойких монолитно-интегральных схем (МИС) компонентов, а именно двухпозиционного коммутатора и МШУ, для применения в составе многоканальных ГНСС приёмников L-диапазона частот, разработанных и изготовленных на основе арсенид-галлиевой технологии собственного производства.

Ближайший зарубежный аналог GaAs МИС двухпозиционного коммутатора -HMC190AMS8 производства компании Hittite Microwave (США) [2]. Ближайший отечественный аналог GaAs МИС двухпозиционного коммутатора - MP202 производства ЗАО «НПФ «Микран» (г. Томск) [3].

Ближайший зарубежный аналог GaAs МИС МШУ - HMC618LP3 производства компании Hittite Microwave (США) [4]. Ближайший отечественный аналог GaAs МИС МШУ - MP502 производства ЗАО «НПФ «Микран» (г. Томск) [5].

В дальнейшем на основании полученных результатов экспериментальных исследований планируется интеграция МШУ и двухпозиционного коммутатора на общий кристалл (Итерация 2).

Общим условием при проведении экспериментальных исследований являлось то, что измерение электрических характеристик кристаллов МИС проводили непосредственно на полупроводниковой пластине с помощью зондовой станции Suss Micro Tec 200m.

Схема измерения на основе зондовой станции приведена на рис. 1.

Двухканальный источник питания Agilent E 3646A служит для установки режима по постоянному току объектов испытаний.

Исследования МИС МШУ

Основными техническими характеристиками МИС МШУ TSR057 (ТУСУР) являются: коэффициент шума, коэффициент передачи, частотный диапазон, выходная мощность по сжатию коэффициента передачи на 1 дБ и ток потребления.

Измерение коэффициента шума МИС МШУ TSR057 (ТУСУР) проводили с помощью панорамного измерителя коэффициента шума Agilent N 8975A, позволяющего производить из- 306 -

Рис. 2. Схема измерения коэффициента шума: А1 - измеритель коэффициента шума Agilent N 8975A; А2 - генератор шума Agilent N4002A; A3 - МИС МШУ

мерения в частотном диапазоне от 10,0 МГц до 26,5 ГГц. Погрешность измерения в диапазоне частот < 3 ГГц не превышает 0,05 дБ.

Схема измерения коэффициента шума с помощью Agilent N 8975A изображена на рис. 2.

Прибор Agilent N 8975A основан на методе Y-фактора с коррекцией, являющемся основным методом для СВЧ-измерителей шума. Полное измерение коэффициента шума в данном случае состоит из двух шагов. Первый шаг называется калибровкой, которая производится без измеряемого устройства. На вход измерителя коэффициента шума подключают генератор шума (ГШ) с калиброванным значением избыточного коэффициента шума (ENR). В нашем случае использован ГШ фирмы Agilent N 4001A, основанный на эффекте возникновения шумового сигнала при лавинном пробое р-^перехода диода, имеющий ENR от 4,5 до 6,0 дБ. При калибровке в прибор вводят таблицу ENR в точках частотного диапазона согласно маркировке ГШ. Для прибора Agilent N 8975A эта операция осуществляется автоматически, без участия оператора.

При проведении калибровки измеряют Y-фактор, который определяется как отношение выходной мощности шума при включенном («On») и выключенном («Off») состоянии ГШ, а также шумовых температур, соответствующих данным режимам. Используя соотношение

Fm=ENR / (Y-1) (1)

и

ENR=10lg[(T,-T2)/To], (2)

где Ti - шумовая температура при включенном ГШ; Т2 - шумовая температура при выключенном ГШ; Т0=290 К - опорная шумовая температура, определяют коэффициент шума прибора. В конце калибровки прибор сохраняет измеренные значения и приводит кривые изменения коэффициента шума к номинальному значению 0 дБ. После этого прибор готов к измерению электрических характеристик МИС МШУ TSR057 (ТУСУР).

Следующим после калибровки шагом является включение измеряемого устройства в разрыв между генератором шума и прибором и повторное измерение коэффициента шума методом У-фактора. При этом коэффициент шума измеряемого устройства определяется из условия

Fi= Fs-(F2-1)/ Kp, (3)

где F1 - коэффициент шума МИС МШУ; FS - коэффициент шума системы, состоящей из каскадного соединения МИС МШУ и прибора; F2 - коэффициент шума прибора; КР - коэффициент усиления МИС МШУ.

Представленный метод измерения позволяет с высокой точностью определять коэффициент шума в широком частотном диапазоне. Как уже отмечалось, в диапазоне до 3 ГГц погрешность измерения не превышает 0,05 дБ. При этом результаты измерения выводятся на экран прибора в виде численных значений и панорамных графиков.

В ходе проведения экспериментальных исследований были измерены опытные образцы МИС МШУ TSR057 (ТУСУР). Результаты измерения показали, что коэффициент шума МИС МШУ имеет значения в пределах от 2,0 до 2,5 дБ, что превосходит отечественный аналог (4,5 дБ), но уступает зарубежному (0,85-1,1 дБ). Это в первую очередь связано с технологией изготовления, в которую будут внесены соответствующие коррекции для достижения требуемого значения при следующей (второй) итерации.

Измерение коэффициента передачи и частотных характеристик МИС МШУ проводили с помощью векторного анализатора цепей Agilent N524 2AS, который относится к серии PNA-X. Отмеченный прибор позволяет измерять значительное число параметров (АЧХ, КСВ, ФЧХ, ГВЗ, интермодуляционные искажения и т.д.) в частотном диапазоне от 10,0 МГц до 26,5 ГГц. Схема измерения АЧХ коэффициента передачи МИС МШУ представлена на рис. 3.

Перед проведением измерений, как и для измерения коэффициента шума, осуществяется калибровка прибора с устранением влияния адаптера (зондовой станции). Кроме того, методы калибровки предполагают коррекцию ошибок рассогласования на входе и выходе при измере-

Рис. 3. Схема измерения АЧХ коэффициента передачи: А1 - векторный анализатор цепей Agilent N524 2AS; А2 - МИС МШУ

Рис. 4. Структурная схема измерения выходной мощности по критерию сжатия коэффициента передачи на 1 дБ: А1 - СВЧ-генератор; А2 - СВЧ-усилитель MAHW 020200; A3 - МИС МШУ; А4 - ваттметр Agilent N1911A

ниях параметров передачи, что значительно уменьшает неравномерность частотной характеристики и улучшает точность измерения, которая для коэффициента передачи <0,047 дБ.

Было проведено измерение зависимостей АЧХ коэффициента передачи опытных образцов МИС МШУ TSR057 (ТУСУР). При этом величина коэффициента передачи изменялась в пределах 23-25 дБ, что существенно превосходит как отечественные (18-20 дБ), так и зарубежные (19 дБ) показатели. Частотный диапазон составил от 1,0 (нижняя граничная частота) до 2,5 ГГц (верхняя граничная частота) при значениях рассматриваемых аналогов: MP502 - от 1 до 4 ГГц, HMC618LP3 - от 1,2 до 1,7 ГГц.

Измерение выходной мощности по критерию сжатия коэффициента передачи на 1 дБ проводили в соответствии со структурной схемой измерения, изображенной на рис. 4.

В качестве СВЧ-генератора был использован СВЧ-выход анализатора цепей Agilent N524 2AS, который имеет при выходной мощности 0 дБмВт очень низкий уровень гармонических составляющих (минус 60 дБ). СВЧ-усилитель MAHW-020200 фирмы «Микран» служит для развязки и раскачки выходного сигнала генератора.

Выходную мощность измеряют СВЧ-ваттметром Agilent N1911A, работающим в частотном диапазоне от 50 МГц до 18 ГГц. Пределы измерения выходной мощности от 0,3*10-7 Вт до 0,1 Вт при относительной погрешности ± 5 %.

В начале измерения устанавливают относительно малый уровень входного воздействия (минус 40 дБмВт) и определяют малосигнальный коэффициент передачи по мощности:

Кр(ДБ)=10^(РВЫХ/РВХ). (4)

По мере увеличения водной мощности за счёт нелинейных эффектов происходит уменьшение (сжатие) коэффициента передачи. Линейным считается режим, при котором сжатие коэффициента передачи не превышает 1 дБ. Для МИС МШУ TSR057 (ТУСУР) по отмеченной методике были определены уровни выходной мощности, соответствующие снижению КР на 1дБ, которые составили 14,0-14,8 дБм во всём частотном диапазоне. Данная величина соответствует показателю для отечественного (13,5 дБм) и зарубежного (14,5-10,0 дБм) аналогов.

Ток потребления, который фиксировался источником питания Agilent E 3646A, не превышал порог в 50 мА при соответствующем показателе MP502 в 80 мА и HMC618LP3 в 11865 мА.

Исследования МИС двухпозиционного коммутатора

Основными техническими характеристиками МИС двухпозиционного коммутатора TSR028 (ТУСУР) являются: вносимые потери открытого и закрытого канала, частотный диа-

Рис. 5. Схема измерения вносимых потерь двухпозиционного коммутатора: А1 - СВЧ-генератор; А2 - двухпозиционный коммутатор; A3 - СВЧ-усилитель MAHW-020200; А4 - ваттметр Agilent IN 1911A; А5 - нагрузка 50 Ом

пазон, возвратные потери (коэффициент стоячей волны, КСВ), входная мощность по сжатию коэффициента передачи на 1 дБ, ток потребления.

Измерение основных характеристик МИС двухпозиционного коммутатора производится с помощью приборов, используемых и при измерении МИС МШУ. Отличительной особенно -стью признано то, что при проведении измерений передаточных характеристик открытого и закрытого канала необходимо подключение пятидесятиомной нагрузки в канал, не используемый для прохождения сигнала. Для её подключения применяют дополнительный СВЧ-зонд. Схема измерения вносимых потерь приведена на рис. 5.

Измерение вносимых потерь открытого канала производится при низком входном уровне СВЧ-генератора (минус 40 дБм). Чтобы не допустить дополнительных нелинейных искажений, СВЧ-усилитель из схемы измерения исключается. Потери определены в соответствии с выражением (4) и составили для всех образцов не более 0,5 дБ, что соответствует отечественному и зарубежному уровням.

Для закрытого канала вначале производится калибровка коэффициента передачи вместе с СВЧ-усилителем, а затем определяется суммарный коэффициент передачи, из которого исключается коэффициент усиления усилителя. В ходе проведенных измерений вносимые потери закрытого канала для всех образцов были более 40,5 дБ, что соответствует значению показателя для отечественного аналога (43-38 дБ) и существенно (в 1,8 раза) превышает для зарубежного (23 дБ).

Частотный диапазон составил от 0,1 (нижняя граничная частота) до 1,8 ГГц (верхняя граничная частота) при значениях рассматриваемых аналогов: MP202 - от 1 до 8 ГГц, HMC190AMS8 - от 0 до 3 ГГц.

Возвратные потери измеряли непосредственно с помощью векторного анализатора цепей Agilent N524 2AS по схеме, представленной на рис. 3. Как уже отмечалось, Agilent N524 2AS позволяет измерять значительное число параметров, в том числе возвратные потери (КСВ). Проведенные испытания показали, что возвратные потери для всех образцов изменялись в пределах минус 16 - минус 17 дБ, что на 8-3 дБ меньше, чем у зарубежной GaAs МИС (24-20 дБ), и на 6-7 дБ больше, чем у отечественной.

Входная мощность по сжатию коэффициента передачи на 1 дБ измерена для открытого канала по схеме, представленной на рис. 5, и составила не менее 16 дБм, что на 7-9 дБ ниже, чем у HMC190AMS8 (25-23 дБм) и MP202 (23 дБм).

Ток потребления, который фиксировался источником питания Agilent E 3646A, не превышал порога в 40 мкА при соответствующем показателе MP202 в 50 мкА.

Заключение

Таким образом, экспериментальные испытания показали, что разработаны схемотехнические и топологические решения экспериментальных образцов МИС двухпозиционного коммутатора и МШУ L-диапазона частот на основе собственной (НОЦ «Нанотехнологии» ТУСУР) GaAs pHEMT-технологии с параметрами, за исключением коэффициента шума, на уровне современных аналогов (табл. 1) для применения в составе многоканальных ГНСС приёмников.

Коэффициент шума разработанной GaAs МИС МШУ TSR057 (ТУСУР) уступает зарубежному аналогу. Возможные причины [6]:

- большая проводимость металлизации в сравнении со значением, принятым при проектировании. Как следствие, высокие потери во входной согласующей цепи, которые не могут быть компенсированы;

- несоответствие шумовой модели транзистора.

Таблица 1. Сводная таблица электрических характеристик разработанных МИС и их аналогов

Наименование параметра, единица измерения Значение

HMC618LP3 MP502 TSR057

Мин. Макс. Мин. Макс. Мин. Макс.

> а Граница рабочей полосы частот, ГГц 1,2 1,7 1 4 1,0 2,5

Коэффициент усиления, дБ 19 - 18 20 23 25

ё Коэффициент шума, дБ 0,85 1,1 - 4,5 2,0 2,5

Выходная мощность при сжатии КП на 1 дБ, дБм 10,0 14,5 13,5 - 14,0 14,8

Напряжение питания, В 3 5 - 5 - 5

Ток потребления, мА 65 118 - 80 45 50

HMC190AMS8 MP202 TSR028

Граница рабочей полосы частот, ГГц 0 3 1 8 0,1 1,8

а р о ота Вносимые потери открытого канала, дБ - 0,6 0,3 0,6 - 0,5

т ^ S Вносимые потери закрытого канала, дБ 23 - 38 43 40,5 -

м о и g 2 Входная мощность при сжатии КП на 1 дБ,дБм 23 25 23 - 16 -

Возвратные потери, дБ 20 24 10 - 16 17

Управляющее напряжение, В 0 3.8 0 3,3.5 0 5

Ток потребления, мкА - - - 50 - 40

Для устранения указанного недостатка в дальнейшем планируется:

- провести измерения тестовых пассивных элементов (отрезок микрополосковой линии, спиральная катушка индуктивности) и уточнить значение удельной проводимости металлизации. Результаты использовать в процессе интеграции малошумящего усилителя и двухпозиционного коммутатора на общий кристалл (Итерация 2);

- провести измерения параметров тестовых транзисторов в различных режимах по постоянному току. Определить режим работы, соответствующий минимальному коэффициенту шума. Уточнить шумовую модель транзистора. Результаты использовать в процессе интеграции малошумящего усилителя и двухпозиционного коммутатора на общий кристалл (Итерация 2).

Работа выполнена в «НОЦ «Нанотехнологии» ТУСУР в рамках реализации постановления Правительства РФ от 09.04.2010 № 218 и договора между ОАО « ИСС» и Минобрнау-ки РФ от 12.02.2013 № 02.G 25.31.0042 [7].

Список литературы

[1] Дмитриев В.Д., Терешков В.В., Саяпин В.Ю. // Доклады ТУСУР. 2014. № 3(33). С. 16-21.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

[2] HMC190AMS8/190AMS8E - GaAs MMIC SPDT Switch DC-3 Ghz [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.radiant.su/other/hittite/pdf/hmc190ams8.pdf, свободный (дата обращения: 10.06.2013).

[3] GaAs МИС двухпозиционного СВЧ-коммутатора MP202 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.micran.ru/productions/MIS/switches/MP202, свободный (дата обращения: 10.06.2013).

[4] HMC618LP3/618LP3E - GaAs SMT pHEMT Low Noise Amplifier, 1.2 - 2.2 GHz [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.radiant.su/other/hittite/pdf/hmc618lp3.pdf, свободный (дата обращения: 10.06.2013).

[5] GaAs МИС широкополосного усилителя 1-4 ГГц МР502 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.micran.ru/productions/MIS/amplifiers/MP502, свободный (дата обращения: 10.06.2013).

[6] Зыков Д.Д., Матвеев В.В., Нечаев К.А., Карабан В.М. // Доклады ТУСУР. 2013. № 4(30). С. 173-176.

[7] Куприц В.Ю, Шарыгин Г.С., Школьный В.Н. // Доклады ТУСУР. 2014. № 3(33). С. 22-26.

The Experimental Researches of Electrical Characteristics of the Gaas MIC Low-Noise Ampliﬁer and the Switch-Off of Own Production for Equipment of Autonomous Spacecraft Radionavigation