CC BY
16УДК 621.382
Маршрут исследований ИС многоразрядных фазовращателей и аттенюаторов для АФАР СВЧ-диапазона
В.В.Елесин, Г.Н.Назарова, Г.В. Чуков
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Разработан технологический маршрут исследований справочных параметров полупроводниковых интегральных схем многоразрядных фазовращателей и аттенюаторов СВЧ-диапазона. В основу маршрута положена методика автоматизированных измерений первичных параметров и расчета вторичных (точностных) параметров, реализованная на базе автоматизированного аппаратно-программного измерительного комплекса, интегрированного с САПР. Апробация маршрута проведена на образцах серийных зарубежных и опытных отечественных многоразрядных монолитных фазовращателей и аттенюаторов.
Ключевые слова: фазовращатель, аттенюатор, АФАР, измерительный комплекс СВЧ-диапазона, САПР.
Многоразрядные фазовращатели (ФВ) и аттенюаторы (АТ) являются базовыми функциональными блоками (ФБ) при построении приемопередающих модулей (ППМ) современных локаторов на основе активных фазированных антенных решеток (АФАР) и предназначены для управления с высокой точностью фазой и амплитудой сигнала в апертуре решетки [1, 2].
АФАР представляет собой многоэлементную сканирующую антенну (до 10 000 элементов), в тракте каждого излучателя которой располагается ППМ, обеспечивающий управление амплитудой и фазой распределения сигнала в апертуре решетки. Блок-схема ППМ АФАР (рис.1,а) состоит из нескольких функциональных блоков: предварительного (ПрУМ) и оконечного (ОкУМ) усилителей мощности, ограничителя (Огр), мало-шумящего усилителя (МШУ), ФВ, АТ, переключателя 1 в 2 (К 1-2) и циркулятора (Ц).
Рис.1. Блок-схема приемопередающего модуля АФАР (а), типовая ФЧХ многоразрядного
фазовращателя (б)
© В.В.Елесин, Г.Н.Назарова, Г.В.Чуков, 2011
До последнего времени все серийно выпускаемые в России полупроводниковые ППМ АФАР сантиметрового и миллиметрового диапазонов представляли собой гибридные модули на основе арсенида галлия (GaAs), объединяющие в своем составе перечисленные функциональные блоки. В свою очередь, ФВ и АТ также были выполнены в виде гибридных сборок ФВ- и АТ-секций, схем преобразования уровней и управления. Большие токи потребления, свойственные схемам на GaAs, приводят к высокой удельной мощности на один модуль АФАР и к «тяжелому» температурному режиму всей антенной решетки, требующему принудительного охлаждения, что в сочетании с высокой стоимостью GaAs ППМ приводит к крайне высокой стоимости самой радиолокационной станции (РЛС), ее развертывания и обслуживания.
Новым подходом к построению АФАР с более низкими стоимостными показателями является разработка масштабируемых панелей с малой удельной мощностью (технология SPEAR - Scalable Panels for Efficient Affordable Radar) [3], с построением ППМ на одном кристалле с малой удельной мощностью путем использования кремний-германиевой БиКМОП-технологии. Одним из первых шагов в этом направлении является разработка монолитной аналогово-цифровой СВЧ БИС, включающей на одном кристалле многоразрядные ФВ и АТ с параллельным или последовательным управлением.
С другой стороны, процесс исследований параметров подобных СВЧ БИС, включающий синхронное с изменением входного управляющего кода измерение значений элементов от 64 до 2048 матриц ^-параметров в СВЧ-диапазоне, их математическую обработку для расчета точностных параметров практически не реализуем без автоматизации процессов измерений и математической обработки в реальном времени. Отдельным вопросом при исследовании СВЧ БИС кристаллов ФВ-АТ с количеством контактных площадок от 20 и выше является разработка СВЧ-измерительной оснастки [4].
Все вышеперечисленное делает актуальной разработку технологического маршрута расчетно-экспериментального исследования БИС многоразрядных ФВ и АТ СВЧ-диапазона для определения их справочных параметров в процессе выходного контроля, испытаний на воздействие спецфакторов, а также на этапах их проектирования.
Система параметров многоразрядных фазовращателей и аттенюаторов. Применяемые в приемопередающих модулях АФАР ФВ должны обеспечивать в диапазоне частот необходимое переключение фазы сигнала с фиксированным дискретом. При этом модуляция амплитуды сигнала в зависимости от состояния должна быть минимальной и, как правило, не превышать значения половины младшего значащего разряда АТ. Аналогичные требования предъявляются к АТ, которые должны обеспечивать изменение амплитуды с минимальным изменением фазы в разных состояниях [1].
Параметры ФВ и АТ разделяются на первичные, получаемые путем непосредственных измерений, и вторичные, определяемые расчетным способом на основе первичных. Перечень параметров многоразрядных ФВ и АТ приведен в табл.1. К первичным параметрам относятся ^-параметры, показатели динамического диапазона: коэффициент шума и верхняя граница линейности амплитудной характеристики. Вторичными параметрами служат интегральные или так называемые точностные параметры - средние квадратичные отклонения (СКО) фазовой ошибки (СКОф) и амплитудной ошибки (СКОА), по которым оценивается погрешность задания фазы и амплитуды соответственно.
Таблица 1
Перечень параметров многоразрядных фазовращателей и аттенюаторов
Результаты исследований БИС ФВ-АТ
Наименование параметра, единица измерения Обозначение параметра
Минимальный дискрет изме- Л 1,1
нения ослабления, дБ
Максимальное вносимое ос- А -^тах -33,8
лабление, дБ
Коэффициент усиления в Ку 0,7
опорном состоянии, дБ
Минимальный дискрет фазо- фо 5
вого сдвига, град.
Максимальное значение фазо- фтах 354
вого сдвига, град.
Среднее квадратичное откло- СКОф 0,9
нение фазовой ошибки в ре-
жиме фазовращателя, град.
Среднее квадратичное откло- СКОа 0,8
нение амплитудной ошибки в
режиме аттенюатора, дБ
Коэффициент шума, дБ Кш -
Верхняя граница линейности Р1дБ -8
входной амплитудной харак-
теристики, дБм
КСВН
по входу КСВНвх 2,1
по выходу КСВНвых 3,3
Роль точностных параметров ФВ проиллюстрирована на рис. 1,6, где приведена фазочастотная характеристика (ФЧХ) серийного шестиразрядного ФВ компании М/А-Сот во всех 64 состояниях [5]. Хорошо видимое отличие дискрета изменения фазы от номинального значения («эффект клиньев») существенно зависит от состояния ФВ и частоты. При этом количественно оценить точность задания фазы в процессе исследования или проектирования БИС и определить уровень деградации фазовой характеристики при испытаниях по указанной ФЧХ не представляется возможным и требует расчета интегральных точностных параметров (СКОф, СКОА).
Маршрут исследований СВЧ БИС многоразрядных фазовращателей и аттенюаторов. Основу разработанного технологического маршрута исследований ФВ и АТ составляет методика автоматизированных измерений первичных параметров и последующего расчета точностных параметров, реализованная на базе СВЧ-автоматизированного аппаратно-программного измерительного комплекса (АПИК), интегрированного с САПР, а также универсальная СВЧ-измерительная оснастка, охарактеризованная в диапазоне частот 0,01-12,5 ГГц. Реализованный на кафедре электроники НИЯУ МИФИ СВЧ АПИК обеспечивает проведение исследований параметров
СВЧ-электрорадиоизделий (ЭРИ), входящих в состав приемопередающих трактов частотного диапазона до 18 ГГц, в том числе смешанных аналогово-цифровых схем [6].
Условно маршрут испытаний включает шесть основных этапов:
1) разработка частной программы и методики испытаний (исследований) БИС ФВ-АТ;
2) адаптация имеющейся или разработка новой СВ-измерительной оснастки;
3) сборка измерительной установки на базе СВЧ АПИК, включающей СВЧ-измерительные приборы, средства управления и автоматизации, пассивные устройства и измерительную оснастку;
4) настройка измерительных приборов (установка их режимов и параметров), программных средств автоматизации измерений и обработки;
5) автоматизированное измерение параметров, обработка результатов измерений, расчет точностных параметров;
6) оформление протокола испытаний.
СВЧ-измерительная оснастка. Внешний вид универсальной СВЧ-измерительной оснастки, обеспечивающей измерения параметров СВЧ-схем до Х-диапазона, показан на рис.2,а. При разварке на измерительную оснастку (печатную плату) кристалл устанавливается в углубление на печатной плате из материала Rogers, контактные площадки развариваются проволочками на печатные проводники (рис.2,6), а уменьшение ин-дуктивностей проволочек обеспечивается уменьшением их длины и использования параллельного соединения двух и более проволочек.
а б
Рис.2. Внешний вид универсальной СВЧ-измерительной оснастки (основание) (а) и вставки с разваренным образцом (б)
Аппаратно-программный измерительный комплекс. Упрощенная структурная схема СВЧ АПИК с частотными диапазонами измерений параметров СВЧ ЭРИ показана на рис.3. СВЧ АПИК состоит из векторного анализатора (ВА) цепей, анализатора спектра с функцией измерения амплитудного и фазового шума, векторного и аналогового генераторов, измерителя мощности, мультиметра и источников питания производства компании Agilent Technologies, объединенных в сеть стандарта GPIB под управлением персонального компьютера. АПИК интегрирован с САПР Advanced Design System (ADS) посредством программного обеспечения Agilent Connection Manager. СВЧ АПИК обеспечивает измерение всех параметров СВЧ ЭРИ, входящих в состав приемопередающих трактов в диапазоне частот до 18 ГГц, в том числе многоразрядных ФВ и АТ с цифровым управлением.
Рис.3. Упрощенная структурная схема СВЧ-аппаратно-программного измерительного комплекса (а) и частотные диапазоны измерений параметров СВЧ ЭРИ (б)
Программная часть измерительного комплекса. Управление процессом измерений, сбор, предварительная обработка результатов и последующий расчет вторичных параметров ФВ и АТ осуществляются из среды лицензионного САПР ADS [7] с контролем точностных параметров ФВ и АТ в реальном времени, что обеспечивает возможность испытаний на воздействие спецфакторов и оптимизацию схем и топологий ФВ и АТ в процессе их проектирования.
Автоматизированный расчет точностных параметров реализован в САПР ADS с применением встроенных инструментов Equations с реализацией математической обработки результатов измерений (матриц ^-параметров), импортированных в САПР из АПИК. Подобная организация связки АПИК с САПР обеспечивает оптимальное время расчета точностных параметров ФВ и АТ в процессе измерений (или расчетов) первичных параметров, оперативное сравнение результатов измерений с нормативными требованиями или результатами моделирования, а также используется при оптимизации ФВ и АТ на этапе схемотехнического и топологического проектирования.
Алгоритм расчета СКОф можно проиллюстрировать на примере шестиразрядного ФВ (n = 6 - разрядность ФВ, N = 2п = 64 - количество состояний ФВ), где исходными данными является расчетная (при проектировании) или измеренная (при испытаниях)
ФЧХ ФВ (см. рис.1,б). Обозначим значение фазового сдвига ФВ в г-м состоянии как фг, а значения фазового сдвига во всех 64 состояниях как ф0,фф63 . Опорным называется состояние ФВ, в котором выходной сигнал на центральной частоте рабочего диапазона имеет минимальный фазовый сдвиг ( фоп). В частном случае опорным состоянием
является нулевое состояние входного управляющего слова, при этом фоп = ф0. Для каждого состояния ФВ из относительного фазового сдвига ф вычитается его номинальное значение фн, т. е. определяется фазовая ошибка Афг-:
Аф0 = ф0-фн0 , Аф1 =ф1 -фн1, Афб3 = ф63-фн63
и рассчитывается среднее значение фазовой ошибки:
N
!Афг
Афср = . (1)
Затем из значений относительного фазовых сдвигов ф0,ф1,...,ф63 вычитается средняя фазовая ошибка Дфср и получается скорректированный относительный фазовый сдвиг ФВ ф0, ф1,.., фб3, из которого в свою очередь вычитаются номинальные значения фазового сдвига фн, т.е. определяется скорректированная фазовая ошибка Аф1:
аф0 =фо — фн0 , Аф1=ф1-фн1 Афб3 =фб3-фнб3. Далее вычисляется СКОф ФВ:
£ (Аф1)2
I=1
СКОАф=, N
Объекты исследований. Апробация маршрута исследований проведена на образцах зарубежных серийных и опытных отечественных монолитных многоразрядных ФВ и АТ. Наибольший интерес представляет первая в России СВЧ БИС, совмещающая функции векторного шестиразрядного ФВ и пятиразрядного АТ (БИС ФВ-АТ) с последовательным управлением 11-битным словом, разработанная ФГУП «НИИМА «Прогресс» и изготовленная по SiGe БиКМОП-технологии с нормами 0,42/0,25 мкм.
Результаты экспериментальных исследований. Значения ф0, фтах, Ку, Атах, СКОф, СКОА и КСВН (см. табл.1) БИС ФВ-АТ определялись расчетным путем на основе измеренных значений ^-параметров во всех 32 состояниях аттенюатора и 64 состояниях фазовращателя. В результате исследований установлено, что БИС ФВ-АТ функционально работоспособна, в исследованном диапазоне частот 3-7 ГГц наблюдается переключение фазового и амплитудного состояний с дискретом, близким к расчетным. На рис.4 представлены экспериментальные ФЧХ в режиме ФВ и АЧХ в режиме АТ вместе с расчетными значениями СКОф и СКОА. Согласно приведенным на рис. 4 зависимостям, значение СКОА в указанном частотном диапазоне не превышает 0,8 дБ, а значение СКОф слабо зависит от частоты, что является характерным для
Рис.4. Экспериментальные ФЧХ ФВ (а) и АЧХ АТ (в) с расчетными значениями
СКОФ (б) и СКОА (г)
ФВ векторного типа и составляет 1°. Значения параметров БИС ФВ-АТ в опорном состоянии на частоте 5 ГГц приведены в табл.1. На рис.5 представлена экспериментальная ампитудно-фазовая характеристика (АФХ) всех 2048 состояний исследованной БИС ФВ-АТ. В условиях применения разработанного маршрута характерное время измерения всех значений АФХ составляет один час.
Представленный в настоящей работе технологический маршрут исследований СВЧ ИС многоразрядных фазовращателей и аттенюаторов представляет собой изящное решение задачи оптимизации трудозатрат при измерении и обработке больших массивов (до нескольких тысяч) матриц рассеяния с оперативным контролем точностных параметров. Основу маршрута составляет методика автоматизированных измерений первичных параметров и последующего расчета вторичных (точностных) параметров ФВ и АТ, реализованная на базе СВЧ аппаратно-программного измерительного комплекса, интегрированного с лицензионным САПР, а также универсальная измерительная оснастка, охарактеризованная в диапазоне частот 0,01-12,5 ГГц.
Технологический маршрут прошел успешную апробацию при исследованиях параметров первых в РФ опытных образцов векторных монолитных ФВ и АТ, а также при проведении радиационных испытаний ряда серийных ФВ и АТ импортного производства. Время исследований ФВ и АТ по разработанному маршруту (с момента предоставления кристаллов до сдачи протокола исследований) сокращено до двух-трех недель.
0 100 200 300 400
Фаза, град
Рис.5. Результаты измерения амплитудно-фазовой характеристики БИС ФВ-АТ на частоте 5 ГГц
Авторы выражают признательность П.Л.Ионову, В.В.Репину и И.И.Мухину за предоставленные образцы первых в РФ монолитных БИС СВЧ-векторных фазовращателей и аттенюаторов, а также за проявленный интерес к работе и полезные обсуждения.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках реализации проекта ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (ГК № П66).
Литература
1. Вендик О.Г., Парнес М.Д. Антенны с электрическим сканированием (введение в теорию). - М.: Сов. радио, 2001. - 252 с.
2. Особенности проектирования монолитных фазовращателей С-диапазона для ППМ АФАР / Г.Н.Назарова, Д.В.Громов, В.В.Елесин, В.В.Репин // Научная сессия МИФИ-2008. Сб. науч. тр. - Т. 8. -М.: МИФИ, 2008. - С. 85, 86.
3. Kopp B.A. X-band transmit/receive module overview // IEEE MTT-S International Microwave Symposium Dig. - 2000. - P. 705-708.
4. Чуков Г.В. Способы подключения кристаллов СВЧ-блоков к измерительному тракту // Электроника, микро- и наноэлектроника: сб. науч. тр. - М.: МИФИ, 2010. - С. 155-159.
5. Техническое описание на фазовращатель MAPCGM0002// www.tycoelectronics.com.
6. Чуков Г.В., Дмитриев В.А. Разработка аппаратно-программного комплекса для проведения автоматизированных измерений параметров СВЧ электрорадиоизделий // Научная сессия МИФИ-2010. Аннотации докладов - Т.1. - М.: МИФИ, 2010. - С. 152.
7. Advanced Design Systems Help. - URL: http://www.home.agilent.com.
Статья поступила 8 февраля 2011 г.
Елесин Вадим Владимирович - кандидат технических наук, доцент кафедры электроники Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ». Область научных интересов: СВЧ-электроника, проектирование, измерения, радиационные эффекты в элементах СВЧ-электроники, радиочастотная идентификация. E-mail: vveles@spels.ru
Назарова Галина Николаевна - инженер кафедры электроники Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ». Область научных интересов: СВЧ-электроника, проектирование антенн и СВЧ ИС, моделирование радиационных эффектов.
Чуков Георгий Викторович - аспирант кафедры электроники Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ». Область научных интересов: СВЧ-электроника, коаксиальные и зондовые измерения, радиационные эффекты в элементах СВЧ-электроники.
