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

Рис. 1. Схема подключения объекта испытаний: А1 – зондовая станция Suss Micro Tec 200m; А2, А3 – СВЧ зонды Z040-K3N-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 –

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-n-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

F Ш =ENR / (Y-1)                                                      (1)

и

ENR=10lg[(T 1 -T 2 )/T 0 ],                                                       (2)

где Т 1 – шумовая температура при включенном ГШ; Т 2 – 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

F 1 = F S -(F 2 -1)/ K P , (3)

где F 1 – коэффициент шума МИС МШУ; F S – коэффициент шума системы, состоящей из каскадного соединения МИС МШУ и прибора; F₂ – коэффициент шума прибора; К_P – 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; А3 – 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∙lg(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 КP 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- – 309 –

Рис. 5. Схема измерения вносимых потерь двухпозиционного коммутатора: А1 – СВЧ-генератор; А2 – двухпозиционный коммутатор; А3 – СВЧ-усилитель MAHW-020200; А4 – ваттметр Agilent N1911A; 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 особенностью 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

3 2 о к	Наименование параметра, единица измерения	Значение
		HMC618LP3		MP502		TSR057
		Мин.	Макс.	Мин.	Макс.	Мин.	Макс.
	Граница рабочей полосы частот, ГГц	1,2	1,7	1	4	1,0	2,5
	Коэффициент усиления, дБ	19	–	18	20	23	25
	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
сЗ & О 5 2 2 к 2		HMC190AMS8		MP202		TSR028
	Граница рабочей полосы частот, ГГц	0	3	1	8	0,1	1,8
	Вносимые потери открытого канала, дБ	–	0,6	0,3	0,6	–	0,5
	Вносимые потери закрытого канала, дБ	23	–	38	43	40,5	–
	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 Минобрнауки РФ от 12.02.2013 № 02.G 25.31.0042 [7].