Разработка GaAs mHEMT МИС МШУ Ku-диапазона частот на основе технологического процесса компании OMMIC

Введение

Создание монолитных интегральных схем (МИС) СВЧ, способных функционировать в условиях воздействия специальных факторов, а также их последующее массовое воспроизводство являются актуальными задачами в связи с развитием спутниковых систем на базе активных фазированных решёток (АФАР). Однако для России по-прежнему следует констатировать факт отсутствия перехода к сертификации технологических процессов изготовления МИС СВЧ в целом, что является более целесообразным и экономически выгодным в сравнении с проведением полных испытаний отдельных типов МИС. Европейские фабрики (такие как OMMIC и UMS) уже давно следуют данным курсом и обладают технологическими процессами, сертифицированными Европейским космическим агентством [1, 2].

В статье представлены результаты разработки двух МИС Ku-диапазона. Обе МИС разработаны на основе GaAs mHEMT процесса D007IH компании OMMIC (Франция), выступившей в качестве технологического партнёра.

Особенности проектирования МИС

Первым приоритетным требованием к МИС МШУ являлось обеспечение основных параметров СВЧ (коэффициент усиления не менее 20 дБ, коэффициент шума не более 1,5 дБ, выходная мощность при сжатии коэффициента усиления на 1 дБ не менее 0 дБм) при общем токе потребления усилителя, не превышающем 25 мА. Исходя из этого был осуществлён выбор суммарной ширины затвора транзистора, а также рабочей точки каждого каскада.

Согласно [3] оптимальным усилителем для использования в сканирующих АФАР (либо в условиях изменения сопротивления генератора сигнала в широком интервале) является усилитель, у которого условия согласования по максимуму коэффициента передачи по мощности и минимуму коэффициента шума совпадают. Таким образом, вторым приоритетным требованием к разрабатываемым усилителям ставилось обеспечение коэффициента шума не более требуемого при низком коэффициенте отражения от входа. Требование достигалось путём установки необходимой глубины обратной связи и ощущаемого сопротивления нагрузки первого каскада усилителя.

Реализованные схемотехнические и топологические решения

Топология кристалла МИС МШУ с интегрированным ППФ (проект AM501) представлена на рисунке 1. Габаритные размеры кристалла – 2,5×1,8×0,1 мм.

МИС содержит два каскада на метаморфных транзисторах с высокой подвижностью электронов с интегрированными цепями согласования, коррекции амплитудно-частотной характеристики, а также ввода и блокировки питания. В обоих каскадах применено классическое для МШУ решение – последовательная обратная связь в виде высокоомного отрезка линии передачи в истоке транзистора.

Ввиду высокой крутизны передаточной характеристики транзистора процесса OMMIC D007IH и гарантии обеспечения работоспособности усилителя в условиях технологического разброса параметров базовых элементов для организации требуемого режима работы по постоянному току в каждом каскаде не использовалась схема автосмещения, а была организована подача внешнего отрицательного напряжения смещения через высокоомный резистор.

Для формирования определённой на системном уровне частотной маски между каскадами усиления сигнала включён ППФ 3-го порядка на основе резонаторов типа «шпилька». Выбор данного типа резонаторов в составе фильтра позволяет обеспечить меньшие габариты кристалла МШУ в сравнении с реализацией ППФ на основе полуволновых резонаторов с боковой или торцевой связью. Использование четвертьволновых резонаторов не рассматривалось для исключения влияния переходных отверстий на АЧХ фильтра.

Расчётные частотные зависимости коэффициента усиления, коэффициента шума, модулей коэффициентов отражения от входа и выхода, а также инвариантного коэффициента устойчивости для МИС AM501 приведены на рисунке 2.

Для реализации МИС МШУ широкого применения (проект AM502) использованы те же основные принципы и схемотехнические решения, что и для проекта AM501, за исключением того, что объединение каскадов проведено посредством согласующей цепи, на которую частотно-селективные функции не возлагаются.

Топология кристалла МИС AM502 представлена на рисунке 3. Габаритные размеры кристалла составляют 1,25×1,8×0,1 мм.

Расчётные частотные зависимости коэффициента усиления, коэффициента шума, модулей коэффициентов отражения от входа и выхода, а также инвариантного коэффициента устойчивости для МИС AM502 приведены на рисунке 4.

Основные параметры обеих МИС МШУ приведены в таблице.

Заключение

Проектирование МИС малошумящих усилителей выполнено в системе автоматизированного проектирования NI AWR Design Environment. Качество библиотек модельных элементов процессов фабрики OMMIC, проверенные в процессе предыдущих проектов подходы к проектированию, а также стабильность выбранного технологического процесса позволяют рассчитывать на удовлетворительный результат после первой итерации изготовления МИС.

Литература

1. www.ommic.com
2. www.ums-gaas.com
3. Текшев В.Б. Минимизация изменения коэффициента шума усилителя сканирующей приёмной активной фазированной антенной решётки. Электронная техника. Сер. СВЧ-техника. 1994.
4. Вып. 2(462). С. 19–22.