Особенности разработки широкополосных смесителей частоты с подавлением зеркального канала в диапазоне частот 9-27 ГГц

Смесители являются неотъемлемой частью различных радиоприемных устройств. Благодаря широкому рабочему частотному диапазону их использование становится возможным не только в военной технике, но и в гражданских сферах жизни, например в оборудовании мобильной связи или сети Интернет. Отвечая вызовам времени, современные радиоэлектронные компоненты отечественного производства должны удовлетворять требованиям надежности, быть экономически привлекательными и конкурентоспособными по отношению к зарубежным аналогам. Удовлетворить данные требования к разрабатываемым изделиям возможно за счет применения интегральных технологий с целью уменьшения габаритных размеров, количества операций настройки и упрощения монтажа.

1.    Проектирование функциональных узлов

Проведенные исследования характеристик существующих зарубежных аналогов разрабатываемых смесителей определили следующие их схемные решения:

• •    тип 1: смеситель частоты (преобразование вверх) с выходным усилителем мощности;

• •    тип 2: усилитель мощности гетеродина, смеситель частоты (преобразование вниз), малошумящий усилитель.

При задаче по унификации для расширения области применения и обеспечения конструктивной прочности габаритные размеры топологий узлов рассчитываются с учетом последующего монтажа изделия в герметичный керамический корпус типа SMD.

Проектирование всех узлов схемы на одном кристалле времязатратно, поэтому каждый узел разрабатывается отдельно с последующим применением результатов расчетов в едином проекте.

Для функционального узла смесителя предпочтительно использовать двойную балансную схему. Применение такой схемы позволит добиться следующих результатов:

• •    низкого уровня коэффициента шума благодаря фазовому подавлению шумов гетеродина;

• •    высокого подавления четных гармоник гетеродина, что ведет к снижению уровня побочных составляющих преобразования и, следовательно, к повышению помехоустойчивости и расширению динамического диапазона;

• •    незначительных потерь сигнала в цепи гетеродина благодаря высокой развязке мостовых схем.

Использование двойного балансного смесителя в схемной реализации также позволяет осуществить фазовое подавление приема по зеркальному каналу на частоте f_ЗК и восстановление энергии колебаний зеркальной частоты f_З на промежуточной частоте f_ПЧ без применения входного фильтра, что, в свою очередь, исключает вносимые

LM^^e © Углов Г.А., Белова Ю.В., 2020

а                                                    б

Рис. 1. Потери преобразования функционального узла смесителя 21-27 ГГц (f_n4= 100 МГц, Р _гет = 17 дБм)

Fig. 1. Conversion loss of the functional unit of the mixer 21-27 GHz (f_n4= 100 mHz, Р _гет = 17 dBm)

а                                                    б

Рис. 2. Потери преобразования функционального узла смесителя 9-12 ГГц ( / пч = 100 МГц, Р гет = 3 дБм)

Fig. 2. Conversion losses of the functional unit of the mixer 9-12 GHz / пч = 100 MHz, Р гет = 3 dBm)

им потери и обеспечивает более широкую полосу рабочих частот [1].

В качестве нелинейных элементов в схеме смесителей используются полевые транзисторы с барьером Шоттки с шириной затвора 60 мкм в диодном включении, изготовленные по базовой pHEMT-технологии АО «НПП “Салют”» [2]. Транзисторы применяются в качестве переключаемых сопротивлений, управление состояниями которых осуществляется посредством подачи сигнала гетеродина на их затворы. Выбранное схемное решение при разработке смесителя позволяет добиться высокого значения величины точки пересечения интермодуляции третьего порядка (IIP3), определить коэффициент шума только потерями пре- образования и исключить потребление тока [3]. К недостаткам такого решения стоит отнести повышенные потери преобразования и требование к высокому уровню сигнала гетеродина, которые частично можно скомпенсировать за счет использования усилителя мощности.

Расчетные характеристики моделей смесителей в сравнении с параметрами изготовленных макетов по результатам электромагнитного моделирования, проводимого на GaAs-подложке с толщиной 80 мкм, приведены на рис. 1, 2.

По особенностям построения усилители мощности, используемые в разработанных смесителях, можно разделить на три основных типа: балансные усилители, многокаскадные усилители с

а

Рис. 3. Характеристики усилителя мощности

Fig. 3. Power amplifier characteristics

б

в

Рис. 4. Характеристики малошумящего усилителя

Fig. 4. Characteristics of a low noise amplifier

непосредственными связями и усилители с распределенным усилением. В качестве приемлемого схемного решения выбрана многокаскадная схема усилителя, обладающая следующими преимуществами: широкая полоса рабочих частот, согласование входа и выхода, малая неравномерность амплитудно-частотной характеристики. Однако недостатком такой схемы является низкий КПД. Усилители с реактивным согласованием, в том числе многокаскадные, являются самыми распространенными представителями ГИС- и МИС-усилителей мощности, в том числе с шириной полосы более одной октавы [4]. Электрические характеристики такой схемы достигаются совершенствованием выходной согласующей цепи, трансформирующей стандартное волновое сопротивление тракта 50 Ом к оптимальному нагружающему импедансу транзистора (или линейки син-фазно возбуждаемых транзисторных структур), обеспечивающему на всех частотах диапазона максимальную выходную мощность, или максимальный КПД, или компромисс между этими параметрами. Сравнение результатов моделирования и макетирования усилителя, используемого в составе смесителя частот, приведено на рис. 3–5.

2.    Технология изготовления смесителя

Опытные образцы смесителей частоты, включающие в себя на одном кристалле все функциональные узлы, изготавливают на полупроводниковых структурах арсенида галлия типа pHEMT. Параметры эпитаксиальной структуры приведены в табл. 1.

Технологический процесс изготовления модулей включает в себя изготовление полевых транзисторов, резисторов и конденсаторов.

Стоки и истоки транзисторов, нижняя обкладка конденсатора и контактные площадки (первый

а

Рис. 5. Характеристики усилителя гетеродина

Fig. 5. Characteristics of the local oscillator amplifier

б

Табл. 1. Параметры слоев pHEMT структуры

Table 1. Parameters of the pHEMT structure layers

Наименование слоя эпитаксиальной структуры, назначение Материал Толщина слоя (точность ±2,5%), нм Тип и диапазон концентрации легирующей примеси (точность ±5%) Контактный 1 n+ – GaAs 60,0 6×1018 см-3 Etch-stop слой n+ – Al09Ga01As 3,0 2×1018 см-3 Барьерный слой 1 n – GaAs 7,0 5×1016 см-3 Барьерный слой 2 Al0,23Ga0,77As 12,0 5×1016 см-3 Дельта-легирование Si 3,2х1012 см-2 Спейсерный слой Al0,23Ga0,77As 3,0 Сглаживающий слой GaAs 1,5 – Канальный слой In0,18Ga0,82As 12,0 – Буферные слои i – GaAs 200 – Сверхрешетка 10 периодов i – Al0,23Ga0,77As/i-GaAs 2,0/2,0 – Подложка: нелегированный GaAs (100) толщиной 625±25 мкм уровень металлизации) формируются с помощью металлической системы золото-германий-ни-кель-золото, напыляемой термическим испарением в вакууме, с последующим вплавлением при температуре 400 °С.

Формирование Т-образных затворов транзисторов с проектными нормами 0,1–0,15 мкм и верхней частью затвора 0,5-0,6 мкм производится с помощью электронной литографии и электронно-лучевым распылением металлической системы ти-тан–алюминий–титан толщиной 0,05–0,5–0,1 мкм соответственно.

Защита активной области транзисторов осуществляется диэлектрической пленкой нитрида кремния (Si3N4) толщиной 0,25–0,3 мкм, которая одновременно является диэлектриком для конденсаторов.

Для изготовления резисторов используется пленка, получаемая распылением в вакууме сплава силицида вольфрама номиналом 100 Ом/кв или 50 Ом/кв.

Второй уровень металлизации формируется с помощью гальванического осаждения золота толщиной 3 мкм на подслой металлической системы ванадий–золото.

На обратную сторону утоненных до 80 мкм изделий после формирования с помощью локального химического травления полупроводника сквозных отверстий высаживаются химический никель и гальваническое золото толщиной 1 мкм. Далее производится плазмохимическое удаление фоторезиста с лицевой стороны, скрайбирование и разделение на отдельные кристаллы.

Рис 6. Общий вид изделия

Рис 6. General view of the product

Табл. 2. Электрические параметры разработанных изделий в сравнении с аналогами

Тable 2. Electrical parameters of the developed products in comparison with analogues

Наименование параметра, единица измерения	Тип изделия
	тип 1	HMC815LC5	тип 2	HMC568
Диапазон рабочих частот высокочастотного сигнала и сигнала гетеродина, ГГц	21–27	21–27	9–12	9–12
Диапазон рабочих частот сигнала промежуточной частоты, ГГц	0,01–3,75	0,01–3,75	0,01–3,5	0,01–3,5
Коэффициент преобразования, дБ, не менее	4	7	10	10
Развязка гетеродин-сигнал, дБ, не менее	10	10	40	40
Развязка гетеродин-ПЧ, дБ, не менее	15	15	20	20
Подавление зеркального канала, дБс, не менее	18	20	20	20
Точка пересечения интермодуляции 3-го порядка, дБм, не менее	по выходу		по входу
	19	27	–5	–1
Коэффициент шума, дБ, не более	-	-	3	2

3.    Результаты изготовления смесителя

Разработанные смесители (рис. 6) изготовлены по монолитно-интегральной технологии на основе GaAs. Конструктивно изделие представляет собой герметичный металлокерамический корпус типа SMD, способный выдержать нагрузки линейного ускорения до 3000 g, пониженное атмосферное давление до 10-6 мм рт. ст., воздействие специальных сред, имеющих в своем составе гелий и аргон, в течение 60 часов, а также устойчивый к воздействию специальных факторов 7.И и 7.К со значениями характеристик 4УС и 2К соответственно.

Сравнение электрических параметров разработанных изделий с ближайшими зарубежными аналогами приведено в табл. 2.

Заключение

Полученные в результате разработки СВЧ-смесители близки по своим характеристикам к зарубежным аналогам HMC815LC5 и HMC568 фирмы Analog Devices и могут быть использованы отечественными предприятиями, в том числе ВПК, работающим по программе импортозаме-щения.