Введение
СВЧ интегральные схемы (ИС) на основе A3B5-материалов (GaAs, GaN, InP) широко применяются для построения радиочастотных трактов приёмопередающих модулей (ППМ) активных фазированных антенных решёток (АФАР). Процесс разработки СВЧ ИС для ППМ АФАР является итерационным, включает множество этапов и требует колоссальных трудозатрат команды высококвалифицированных разработчиков. По экспертным оценкам, среднее время проектирования однофункциональной СВЧ ИС составляет 2–4 месяца и распределяется примерно поровну на разработку схемного и топологического решения.
Многообещающей стратегией для повышения производительности труда и сокращения сроков разработки СВЧ ИС является применение методов искусственного интеллекта (ИИ) [1]. К середине 2020-х годов появились первые программные продукты [2–5], позволяющие по комплексу требований к электрическим характеристикам осуществить генерацию (синтез) схемного и/или топологического решения СВЧ ИС на заданном технологическом процессе.
В настоящей статье представлен пошаговый пример разработки СВЧ ИС одноразрядного ступенчатого аттенюатора (СА) с фазовой коррекцией на отечественном технологическом процессе 0,25 мкм GaAs pHEMT (АО «Светлана-Рост», г. Санкт-Петербург). Синтез схемного решения по комплексу требований к электрическим характеристикам реализуется в интеллектуальной программе 50ohm Tech Circuit Studio [5] и позволяет сократить длительность данного этапа проектирования с нескольких дней до нескольких часов/минут. В результате синтеза программа предлагает множество подходящих под заданные требования схемных решений, отличных по структуре и параметрам, которые инженер-разработчик может проанализировать и выбрать наиболее перспективные для дальнейшей реализации в топологии.
Постановка задачи
Разработка СВЧ ИС одноразрядного СА с фазовой коррекцией представляет собой многокритериальную задачу, в рамках которой требуется одновременно обеспечить комплекс требований к электрическим характеристикам (уровни вносимого ослабления и коэффициента передачи в опорном состоянии (|S21|опорн), коэффициенты отражения по входу (|S11|) и выходу (|S22|), допустимые ошибки по ослаблению и фазе) в широком диапазоне частот на заданном технологическом процессе. Дополнительную сложность представляет многообразие возможных схемных решений данного класса устройств, отличающихся структурой, количеством коммутационных элементов (КЭ) и способами компенсации фазовой ошибки между опорным состоянием и состоянием ослабления.
В качестве примера рассмотрим разработку СВЧ ИС одноразрядного СА с фазовой коррекцией и вносимым ослаблением 16 дБ на основе 0,25 мкм GaAs pHEMT (АО «Светлана-Рост»).
Синтез схемного решения: требования и ограничения
В табл. 1 приведены требования к основным характеристикам СВЧ ИС СА, при этом высокие значения для коэффициентов отражения обусловлены возможностью последующей интеграции разряда 16 дБ в состав многоразрядного СА.
Это позволит уменьшить взаимные переотражения при каскадировании разрядов, которые приводят к ухудшению амплитудно-фазовых характеристик аттенюатора в целом. В отличие от традиционного ручного проектирования, в котором инженер-разработчик последовательно анализирует ограниченное количество заранее известных схемных решений, используемый подход обеспечивает автоматическое исследование существенно более обширного пространства возможных структур за минимальное время.
Синтез схемного решения: анализ и обсуждение результатов
После задания исходных требований было выполнено несколько запусков процедуры синтеза. В результате работы программы 50ohm Tech Circuit Studio получено множество решений, которые отличаются электрическими характеристиками, количеством КЭ и сложностью структур для последующей топологической реализации. На рис. 1а–г приведены некоторые из синтезированных схем, а в табл. 1 представлены их основные характеристики.
Решение 1 содержит 3 КЭ, отличается наименьшими вносимыми потерями, наиболее просто в последующей доработке и имеет минимальные габариты, но не удовлетворяет требованиям по фазовой ошибке и уровню входной мощности при компрессии коэффициента передачи на 1 дБ (PВх1дБ). Остальные решения обеспечивают выполнение всех требований, однако предполагают более сложные структуры и большее количество КЭ. Таким образом, результаты синтеза показали, что увеличение количества КЭ позволяет уменьшить фазовую ошибку, но приводит к усложнению схемы и потенциально к росту площади кристалла.
В некоторых случаях программа синтеза генерировала структуры с элементами, незначительно влияющими на характеристики устройства, например, короткими отрезками линий передачи. Такие элементы считались избыточными: они либо служили основанием для дополнительных ограничений на структуру схемы, либо исключались на этапе подготовки топологии.
При выборе схемного решения учитывались не только электрические характеристики, но и факторы, влияющие на топологическую реализацию устройства: сложность трассировки и доработки топологии, а также ожидаемую устойчивость параметров после электромагнитного анализа (ЭМ-анализа). Некоторые решения, несмотря на удовлетворительные электрические характеристики, содержали структуры, неудобные для трассировки. Это могло привести к увеличению площади кристалла и росту паразитных связей. Из-за этого итоговые характеристики после разработки топологии и ЭМ-анализа могли существенно отличаться от результатов синтеза.
Таким образом, окончательный выбор схемного решения базировался не только на формальном соответствии установленным требованиям к электрическим характеристикам, но и на комплексной оценке практических факторов, влияющих на последующую реализацию устройства.
Синтез схемного решения: ужесточение требований
Одной из особенностей рассматриваемого подхода является возможность итеративного уточнения требований к устройству. По результатам анализа схемных решений, полученных при первых запусках программы синтеза, было принято решение ужесточить ряд требований для создания дополнительного запаса характеристик, в том числе: |S21|опорн – не менее –2 дБ, ошибка ослабления – не более 0,1 дБ, фазовая ошибка – не более 2,5 град. Необходимость этого обусловлена возможным ухудшением параметров устройства после разработки топологии, ЭМ-анализа и изготовления.
Для получения более компактных решений были наложены дополнительные ограничения на диапазоны варьирования геометрических параметров элементов, участвующих в синтезе: ширина транзисторов от 25 мкм до 65 мкм, количество затворов от 2 до 6, ширина тонкоплёночных резисторов от 40 мкм до 80 мкм.
Следует отметить, что итеративное изменение требований и повторный запуск процедуры синтеза позволяют быстро получать новые схемные решения. По результатам нескольких запусков была выбрана схема (рис. 2), обеспечивающая наилучший компромисс между электрическими характеристиками (табл. 1, решение 5) и сложностью последующей топологической реализации.
В данной задаче один запуск программы синтеза в автоматическом режиме для 5000 итераций занимал менее 2 минут. Полный цикл анализа линейных и нелинейных характеристик инженером-разработчиком всего множества решений, а также выбор итоговой схемы для дальнейшей реализации в топологии потребовали около 4 часов. На рис. 3б–е синей линией показаны частотные характеристики данного синтезированного решения.
Разработка топологии
На рис. 3а представлена разработанная топология СВЧ ИС СА 16 дБ. Для уменьшения габаритов кристалла были выполнены следующие действия: отрезки входной и выходной линии передачи свёрнуты в виде меандров; все заземляющие отверстия на стоках транзисторов объединены в одно. Наличие отрезков линий передачи упрощает интеграцию разряда 16 дБ в состав многоразрядного СА и обеспечивает большую гибкость компоновки, что дополнительно способствует уменьшению общих габаритов аттенюатора. На входе и выходе СА были добавлены контактные площадки и дополнительные отрезки линий передачи для выполнения процедуры L2L-деэмбеддинга.
Резисторы в цепях управления были расположены максимально близко к затворам транзисторов для снижения взаимовлияния СВЧ-тракта и тракта управления. Их размеры выбраны в соответствии с рекомендациями фабрики-изготовителя. Ввиду малых токов, протекающих по данным цепям, трассировка была выполнена в одном слое металлизации.
После завершения разработки топологии был выполнен 2,5D ЭМ-анализ, результаты которого показали необходимость дополнительной коррекции длин отрезков линий передачи для сохранения соответствия с характеристиками схемного решения, полученного в программе 50ohm Tech Circuit Studio. Наибольшее влияние на изменение характеристик (увеличение фазовой ошибки) оказало объединение сквозных отверстий и возникновение паразитных связей в линиях передачи. Общее время разработки топологии, включая её коррекцию и проведение двухкратного ЭМ-анализа, составило менее 24 часов. На рис. 3б–е оранжевой линией показаны частотные характеристики ЭМ-анализа финальной топологии.
Изготовление и измерения
Топология СВЧ ИС одноразрядного СА с фазовой коррекцией была изготовлена по технологическому процессу 0,25 мкм GaAs pHEMT (АО «Светлана-Рост») и измерена на зондовой станции. На рис. 3б–е зелёной линией показаны измеренные частотные характеристики типового кристалла из выборки после L2L-деэмбеддинга.
Заключение
В статье представлен пошаговый пример разработки СВЧ ИС одноразрядного ступенчатого аттенюатора с фазовой коррекцией. Рассмотрены основные этапы: постановка задачи и уточнение требований, синтез и анализ схемных решений, разработка топологии, изготовление и измерения. Показано, что применение интеллектуальной программы 50ohm Tech Circuit Studio позволяет выполнить синтез схемного решения одноразрядного ступенчатого аттенюатора за считаные минуты по комплексу требований к электрическим характеристикам на реальном технологическом процессе (0,25 мкм GaAs pHEMT, АО «Светлана-Рост»). Кроме того, программа предлагает множество схемных решений, отвечающих заданным требованиям и различающихся по структуре и параметрам, из которых инженер-разработчик может выбрать наиболее перспективные для реализации в топологии с обеспечением запаса по основным характеристикам.
Литература
- Горяинов А.Е., Добуш И.М., Калентьев А.А. и др. 50ohm Tech Circuit Studio – платформа для автоматизированного проектирования схемных решений СВЧ интегральных схем с применением методов ИИ // Электроника СВЧ. 2025. № 2.
- RapidRF [Электронный ресурс]. URL: https://rapidrf.ai/ (дата обращения: 22.06.2026).
- ZapRF [Электронный ресурс]. URL: https://zaprf.com/ (дата обращения: 22.06.2026).
- Gandalph.ai [Электронный ресурс]. URL: https://gandalph.ai/ (дата обращения: 22.06.2026).
- 50ohm Tech Circuit Studio [Электронный ресурс]. URL: https://50ohm.tech/ru/circuitstudio (дата обращения: 22.06.2026).
© СТА-ПРЕСС, 2026
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
