Разработка компонентной базы для создания радиационно-стойких модулей СВЧ в гибридно-монолитном интегральном исполнении.

Разработка компонентной базы для
создания радиационно-стойких модулей
СВЧ в гибридно-монолитном
интегральном исполнении.
Дюков Дмитрий Игоревич,
начальник отдела проектирования МИС и ГИС
НПО твердотельных приборов и модулей
ФГУП «НПП «Салют»
г.Нижний Новгород
Работы, проводимые в ФГУП «НПП «Салют» в 2003 -2010 гг.
по договорам с ФГУП “ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова ”
Сроки выполнения
Наименование НИОКР
Начало
Окончание
НИР “Исследования по разработке монолитных
интегральных схем СВЧ диапазона для радиоприемного
устройства бортовой аппаратуры спутниковой навигации”,
шифр “Монолит – 1С”
01.08.2003 г.
30.09.2007 г.
СЧ ОКР “Разработка комплекта модулей СВЧ диапазона
для радиоприемного устройства бортовой аппаратуры
спутниковой навигации”, шифр “Монолит – 1С”.
10.01.2008 г.
30.10.2010 г.
НИР “Исследования по разработке монолитной
интегральной схемы малошумящего усилителя с
электронной регулировкой усиления СВЧ диапазона”,
шифр “Монолит – УРУ”.
10.01.2004 г.
30.09.2006 г.
НИР “Исследования по разработке монолитной
интегральной схемы преобразователя частоты КВЧ
диапазона”, шифр “Монолит – ПЧ”
10.01.2004 г.
31.10.2007 г.
НИР “Исследования по разработке монолитной
интегральной схемы генератора управляемого
напряжением СВЧ диапазона”, шифр “Монолит – ГУН”
10.01.2008 г.
30.09.2009 г.
Основные направления исследований по созданию СВЧ
МИС с повышенной радиационной стойкостью
•
Анализ конструктивно-технологических требований к радиационно-стойким
полупроводниковым элементам;
•
Разработка технологического процесса создания МИС;
•
Выбор и исследование полупроводниковых структур;
•
Разработка математических моделей элементов СВЧ МИС, создание библиотеки
моделей для САПР;
•
Разработка схемотехнических проектов комплекта МИС для приемного модуля
мм диапазона длин волн и комплекта МИС для входной части РПУ приемника
спутниковой навигации;
•
Исследование технических характеристик разработанных МИС и модулей СВЧ на
их основе;
•
Проведение экспериментальных исследований на стойкость к воздействию
спецфакторов.
8
Структурная схема приемного модуля
8 мм диапазона длин волн, включающего:
- МИС МШУ;
- субгармонический смеситель с фазовым подавлением зеркального канала;
- МИС генератора, управляемого напряжением
на диапазон частот 16…18 ГГц;
- МИС усилителя ПЧ с электронной регулировкой коэффициента усиления
на диапазон частот 1…2 ГГц;
МИС пассивного транзисторного и диодного
субгармонических смесителей с фазовым подавлением
зеркального канала 8-мм диапазона длин волн.
НИР «Монолит-ПЧ»
Экспериментальные характеристики МИС
Диапазон рабочих частот,
ГГц
Полоса пропускания по
сигналу
Полоса частот гетеродина, ГГц
33…37,5
> 5%
16,8…18,0
Диапазон ПЧ, ГГц
0,8…2,2
Мощность сигнала гетеродина ,
дБм
10…13
Потери преобразования, дБ
10,6…12,6
Габаритные размеры, мм
3,0х1,7х0,08
1,4х1,2х0,1
Кристалл МИС генератора управляемого напряжением
НИР «Монолит-ГУН»
Экспериментальные характеристики
МИС генератора
Рабочий диапазон частот,
ГГц
15,0…18,0
Диапазон электрической
перестройки частоты, %
> 5,0
Крутизна перестройки частоты,
МГц/В
25…100
Мощность выходного сигнала на
каждом из двух выходов, мВт
5,0…10,0
Подавление 2-й и 3-й гармоник, дБ
>35
Напряжение питания, В
Напряжение управления, В
6,0
+(7,0…20,0)
Изменение частоты при
изменении Uп на ±5%, МГц/В
< 60
Ток потребления, мА
< 140
Габаритные размеры, мм
1,7х1,6х0,1
Преобразователь частоты 8-мм диапазона длин волн
с фазовым подавлением зеркального канала, включающий МИС
пассивного субгармонического смесителя, МИС генератора,
стабилизированного ДР и МИС усилителя ПЧ с квадратурным
сумматором
Технические характеристики
экспериментальных образцов модулей
Диапазон рабочих частот,
ГГц
36,6…37,8
Частота сигнала гетеродина,
ГГц
17,8
Промежуточная частота, ГГц
0,8…2,2
Коэффициент преобразования,
дБ
не менее
+ 5,0
Коэффициент шума (без МШУ),
дБ
не более
14,5
Подавление сигнала зеркального
канала, дБс
не менее
20,0
Ток потребления, мА
не более
120
Габаритные размеры, мм
8,0 х 8,0 х
1,0
МИС трехкаскадного усилителя
с регулируемым коэффициентом усиления и схемой термостабилизации
НИР «Монолит-УРУ»
Экспериментальные характеристики МИС
Рабочий диапазон частот, ГГц
1,0…2,0
Коэффициент усиления, дБ
20…22
Неравномерность Ку в полосе
частот, дБ
Неравномерность Ку в
диапазоне температур от – 60 до
+ 100 ºС, дБ
Диапазон регулирования
коэффициента усиления, дБ
Линейность характеристики
регулирования
в диапазоне регулирования 20
дБ
не более 1,5
не более 1,5
32…35
не хуже ± 1,0
дБ
Напряжение регулирования, В
+ 1,5…+ 3,5
Коэффициент шума, дБ
не более 3,5
Выходная мощность по
снижению усиления на 1дБ,
КСВн входа и выхода (в
диапазоне регулирования)
Ток потребления, мА
40…60 мВт,
Напряжение питания, В
Габаритные размеры МИС, мм
не более 2,5
80…110
5,0
3,4х1,2х0,2
Структурная схема входной СВЧ части РПУ
двух диапазонного приемника спутниковой навигации
ГЛОНАСС/GPS
НИОКР «Монолит-1С»
1222-1255 МГц
ГЛОНАСС (F2)
P≥минус
167дБВт
ППФ1-1
1222…1255
МГц
ППФ1-2
1222…1255
МГц
Ограни
читель
1Вт
СМ1
МШУ
+5В,
+5В,
-3В
УПЧ1-1
ППФ3
158-174,4
СМ2
Модуль А2-1
Модуль А1-1
+5 В,
-3 В
Uупр.
УПЧ1-2
Модуль А3
ДЧ8
176,5 МГц
ГУН
1412 МГц
ПЧ2 F2
(ГЛОНАСС)
2,1…18,4
МГц
Активный
делитель
мощности
ППФ5
180,8-198,7
УПЧ1-2
СМ2
к
синтезатор
у
ПЧ2 F1
(ГЛОНАСС)
3,5…22,5 МГц
Модуль А2-2
Модуль А1-2
1570-1612 МГц
ГЛОНАСС (F1)
1598-1605 МГц
Δf=0.5625 МГц
P≥минус 161дБВт
GPS L11575,42±4,092
МГц
P≥минус 160дБВт
Ограни
читель
1Вт
МШУ
СМ1
УПЧ1-1
ППФ4
159,1-167,7
УПЧ1-2
СМ2
ПЧ2 L1 (GPS)
8,8…17,4 МГц
Модуль А2-3
ППФ2-1
ФМ(2)-1591/42
1570…1612
МГц
ППФ2-2
ФМ(3)-1591/42
1570…1612 МГц
+5В,
-3В
+5В,
МИС двухкаскадного МШУ
на диапазон частот 1,0 – 2,0 ГГц
Экспериментальные характеристики
МИС МШУ
Диапазон рабочих
частот, ГГц
Коэффициент
усиления, дБ
Неравномерность
коэффициента усиления, дБ
1,0…2,0
23,0…30,0
не более 3,0
Коэффициент шума, дБ
1,5…1,8
КСВН входа/выхода, ед.
не более 2
Напряжение питания, В
3,0…5,0
Ток потребления, мА
30…50
Выходная мощность, мВт
5…10
Габаритные размеры, мм
1,6х1,6х0,2
МИС ограничителя мощности
на диапазон частот 1,0 - 2,0 ГГц
Ограничитель мощности
DB(|S(2,1)|) (L)
limiter
DB(|S(1,1)|) (R)
limiter
-5
-0.2
-10
-0.4
-15
-0.6
-20
-0.8
-25
-1
-30
0.7
0.9
TFCM
ID=TL1
W=500 um
L=252 um
C=15.12 pF
W1=500 um
W2=500 um
D1=2 um
D2=2 um
CA=0.00012
RS=0.1 Ohm
MRINDSBR
ID=MSP2
NS=13
L1=440 um
L2=380 um
L3=850 um
LN=350 um
AB=90
W=40 um
S=12 um
WB=30 um
HB=2 um
LB=100 um
EPSB=1
TDB=0
TB=0.2 um
RhoB=2
12
Выходная мощность, дБмВт
Коэфф. отражения, дБ
Потери, дБ
0
10
1.1
TFCM
ID=TL2
W=500 um
L=250 um
C=15 pF
W1=500 um
W2=500 um
D1=2 um
D2=2 um
CA=0.00012
RS=0.1 Ohm
1.3
1.5
Частота, ГГц
1.7
1.9
2.1 2.2
p1: Freq = 1.5 GHz
DB(|Pcomp(PORT_2,1)|)[1,X] (dBm)
limiter
Ограничитель мощности
SDIODE
ID=SD5
p1
SDIODE
ID=SD6
8
SDIODE
ID=SD1
SDIODE
ID=SD4
6
SDIODE
ID=SD7
SDIODE
ID=SD9
4
SDIODE
ID=SD8
SDIODE
ID=SD2
PORT
P=2
Z=50 Ohm
2
0
SDIODE
ID=SD17
-2
SDIODE
ID=SD19
PORT
P=1
Z=50 Ohm
SDIODE
ID=SD12
SDIODE
ID=SD3
SDIODE
ID=SD11
0
5
SDIODE
ID=SD20
SDIODE
ID=SD10 SDIODE
ID=SD13
10
15
20
Входная мощность, дБмВт
SDIODE
ID=SD14
SDIODE
ID=SD18
SDIODE
ID=SD15
25
30
33
МИС генератора, управляемого напряжением с выходным
буфером с двумя противофазными выходами
Экспериментальные характеристики
МИС ГУН
Диапазон перестройки
частоты при изменении
напряжения управления от 0
В до плюс 5 В, МГц
Уровень выходной мощности
на нагрузке 50 Ом каждого из
двух противофазных выходов
в рабочем диапазоне частот,
мВт.
1280 – 1550
1,5…3,0
Подавление второй гармоники в
спектре выходного сигнала, дБс
не менее 30
Уровень фазовых шумов
относительно несущей в
полосе 1 Гц при отстройке 100
кГц, дБс/Гц
не более
минус 90
Напряжение питания, В
Ток потребления, мА
Размер кристалла, мм3
5,0
25...45
1,4 х 1,1 х 0,2
МИС балансного смесителя на ПТШ с драйвером
сигнала гетеродина на диапазон частот 1,0 – 2,0 ГГц
Основные экспериментальные
характеристики
Диапазон рабочих частот, ГГц
Частота сигнала гетеродина,
ГГц
Диапазон сигнала
промежуточной частоты, ГГц
Коэффициент преобразования,
дБ
Коэффициент шума, дБ
Мощность сигнала гетеродина,
мВт
КСВН входа/выхода
1,0 – 2,0
1,4
0,1 – 0,5
-1,0…3,0
Не более 8,0
1,0- 3,0
Не более 2
Напряжения питания, В
+5/-3 В
Ток потребления, мА
60...90
Размер кристалла, мм3
1,4 х 1,1 х 0,2
Миниатюрные пассивные элементы для СВЧ модулей в
гибридно-монолитном интегральном исполнении
Планарные катушки индуктивности с
балочными выводами
Кристалл ФНЧ с частотой среза 500 МГц
Диодные смесительные сборки с
балочными выводами
Емкостной MEMS-элемент
Модули СВЧ в гибридно-монолитном исполнении для входной
части РПУ приемника спутниковой навигации ГЛОНАСС/GPS.
Модуль первого преобразования частоты канала F1/GPS L1
Основные экспериментальные
характеристики модуля А1-2
Модуль А1-2
+5В
-3В
+5В
Основные параметры МШУ с ограничителем
Диапазон входных частот,
МГц
-3В
+5В
1570…1612
Коэффициент усиления, дБ
22…25
Коэффициент шума, дБ
1,5…1,9
КСВН входа, ед.
Не более 2
Основные параметры активного смесителя
Диапазон входных частот, MГц
Диапазон выходных частот, МГц
Коэффициент преобразования, дБ
1570…1612
185…225
17…23
Коэффициент шума, дБ
8,5…9,5
Напряжение питания, В
+5 / -3
Ток потребления, мА
80…90
Габаритные размеры, мм
21х27х6
Модули СВЧ в гибридно-монолитном исполнении для входной части
РПУ приемника спутниковой навигации ГЛОНАСС/GPS.
Модуль второго преобразования частоты канала ГЛОНАСС F1
Модуль А2-2
Основные экспериментальные
характеристики модуля А2-2
Диапазон входных
частот, МГц
185…194
Диапазон выходных частот,
МГц
11…19
Коэффициент
преобразования, дБ
10…15
Напряжение питания, В
+5,0
Ток потребления, мА
60…80
Габаритные размеры, мм
21х27х6
Модули СВЧ в гибридно-монолитном исполнении
для входной части РПУ
приемника спутниковой навигации ГЛОНАСС/GPS.
Гетеродинный модуль А3
Модуль А3
+5В
Вых. гет. +5В
Основные экспериментальные
характеристики модуля А3
Основные параметры первого гетеродина
Два противофазных
выхода
U упр. Вых. гет.
Диапазон выходных
частот, МГц
1350…1450
Выходная мощность,
мВт
2…5
Основные параметры второго гетеродина
Четыре пары противофазных
выходов
Диапазон выходных частот,
MГц
Выходная мощность
каждого выхода, мВт
Напряжение питания, В
Ток потребления, мА
165…182
Не менее 7
на нагрузку
150 Ом
+5/-3
100…120
Исследования на стойкость МИС и модулей СВЧ на их основе к
воздействию спецфакторов
•
Исследования на стойкость к воздействию спецфакторов по группам от 2У до 6У
проводились на активных и пассивных элементах МИС: на транзисторах
различной конструкции и C, R – элементах, а также макетах и
экспериментальных образцах МИС и модулях СВЧ на их основе.
•
Испытания проводились совместно ЭНПО СПЭЛС и ФГУП «НПП «Салют» на
испытательной базе НИИП (г. Лыткарино) в 2005–2006 гг. и совместно с ФГУП
«ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова» на испытательной базе ФГУП «РФЯЦВНИИТФ им. Забабахина Е.И» (г.Снежинск) в 2007-2009 гг.
•
Для определения стойкости МИС были выполнены измерения их основных
электрических параметров до, во время и после воздействия.
•
Испытания проводились с целью определения характера изменения
параметров компонентов СВЧ монолитных интегральных схем (МИС) при
воздействии спецфакторов с характеристикой 7И1, 7И6 и 7И7 по ГОСТ РВ
20.39.414.2-98.
•
Результаты испытаний МИС и модулей СВЧ на их основе на воздействие
спецфакторов показали, что все образцы МИС и выдержали воздействие
факторов 7И1, 7И7 и 7И6 с уровнем 6Ус и при этом остались в работоспособном
состоянии. Таким образом, конструкция и технология изготовления
обеспечивают устойчивое функционирование экспериментальных образцов
МИС при воздействии спецфакторов 7И1, 7И7, 7И6 с уровнями 6Ус по ГОСТ РВ
20.39.414.2-98.
Схема измерения СВЧ параметров модуля при проведении
специспытаний и реакция модуля на воздействие фактора 7.И6:
Основные результаты выполнения НИОКР
в ФГУП «НПП «Салют» за 2004 – 2009 гг.
•
Разработан базовый технологический процесс изготовления
радиационно-стойких МИС на арсениде галлия;
• Определены основные типы эпитаксиальных гетероструктур для
изготовления МИС;
• Разработана библиотека элементов МИС для САПР, а также правила
проектирования МИС, учитывающие особенности технологии их
изготовления и позволяющие Заказчику проектировать заказные МИС
на основе разработанной библиотеки;
• Разработаны, изготовлены и исследованы более 30 типов МИС;
• Разработаны, изготовлены и исследованы 7 типов модулей СВЧ для
РПУ приемника спутниковой навигации на базе разработанных МИС;
• Успешно проведены испытания схем и модулей СВЧ на их основе на
воздействие спецфакторов.