Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка и экспериментальное исследование интегральной схемы фазовращателя СВЧ диапазона частот с уменьшенной погрешностью установки фазы на основе кремниевой КМОП-технологии для приемо-передающих трактов телекоммуникационных систем

Докладчик: Балашов Евгений Владимирович

Должность: доцент, к.т.н.

Цель проекта:
Разработка и экспериментальное исследование интегральной схемы фазовращателя СВЧ диапазона частот с уменьшенной погрешностью установки фазы на основе кремниевой КМОП-технологии для приемо-передающих трактов телекоммуникационных систем.

Основные планируемые результаты проекта:
Основные практические и экспериментальные результаты:
- принципы построения фазовращателей СВЧ диапазона частот;
- принципиальная схема фазовращателя СВЧ диапазона частот;
- результаты моделирования принципиальной схемы фазовращателя СВЧ диапазона частот;
- топология интегральной схемы фазовращателя СВЧ диапазона частот.
- Экспериментальный образец (ЭО) интегральной схемы фазовращателя СВЧ диапазона частот.
- Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики.
- Проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка КМОП фазовращателей диапазона СВЧ для приемо-передающих трактов телекоммуникационных систем».

На рынке информационно-коммуникационных технологий в РФ требуется электронная компонентная база (ЭКБ) собственной разработки. Прежде всего, речь идет о реализации идеологии FabLess (без фабрики) для изготовления ЭКБ на основе разработок дизайн-центров. Нишей, где данная тематика востребована, является рынок так называемых заказных микросхем, в том числе для радиолокационной аппаратуры. Почти на 90% российская электроника состоит из импортных компонентов, что делает актуальным решение проблемы импортозамещения. Важно отметить, что специальная электроника не подразумевает изготовления больших партий. Таким образом, разработка заказных микросхем под конкретные задачи и выпуск малых серий микросхем – являются востребованными. Отсюда, актуальна задача разработки ЭКБ для малосерийного изготовления и прототипирования изделий микроэлектроники.
Фазовращатель является одним из основных блоков, который обеспечивает управление положением диаграммы направленности антенн, в частности фазированных антенных решеток в спутниковых телекоммуникационных системах. Структурно фазовращатель входит в состав приемного и передающего модулей. Как правило, приемо-передающие модули системы в гигагерцовом диапазоне строятся на компонентной базе на основе арсенида галлия. Интегрирование в едином модуле фазовращателей и других блоков на арсениде галлия приводит к увеличению удельных токов потребления, повышению температуры модулей и влечет проблему обеспечения теплоотвода. В проекте предлагается разработка и экспериментальное исследование интегральной схемы фазовращателя СВЧ диапазона частот с уменьшенной погрешностью установки фазы на основе кремниевой КМОП-технологии для приемо-передающих трактов телекоммуникационных систем. Использование КМОП-технологии для разработки фазовращателей позволит снизить стоимость устройств и увеличить степень интеграции за счет реализации приемного и передающего модулей на одном кристалле. К основным параметрам фазовращателей относят: диапазон и шаг перестройки фазы, полоса рабочих частот, коэффициент передачи и неравномерность в рабочей полосе частот, уровень шума, потребляемая мощность, площадь, занимаемая на кристалле.
В настоящее время используются следующие классы фазовращателей: фазововращатель с векторной модуляцией, проходной фазовращатель на основе искусственной длинной линии, отражательные фазовращатели и переключаемые фазовращатели.

Фазовращатели с векторной модуляцией реализуются на основе сложения ортогональных сигналов с весовыми коэффициентами [1-4]. Величина весовых коэффициентов определяет изменение фазы относительно исходного сигнала. Фазоворащатель такого типа, как правило, состоит из следующих блоков: симметрирующего устройства, преобразующего небалансный сигнал в балансный, полифазного фильтра, преобразующего сигнал в квадратурный, усилителей с переменным коэффициентом усиления или аттенюаторов для изменения весового коэффициента соответствующей квадратуры при суммировании, сумматора квадратурных сигналов. Данный фазовращатель обладает широким диапазоном перестройки фазы, позволяет получить усиленный сигнал и снизить уровень шумов. Однако обладает относительно узкой полосой, ограниченной полосами симметрирующего устройства, полифазного фильтра и усилителя. Использование усилителей с переменным коэффициентом усиления приводит к потреблению мощности.
Так, например фазовращатели, представленные в [2], выполнены по КМОП-технологии с минимальным разрешением 180 нм. Первый фазовращатель имеет следующие характеристики: полоса частот 6-18 ГГц, диапазон изменения фазы 360 градусов, максимальная погрешность установки фазы – 10 градусов, среднеквадратичная погрешность установки фазы – 6,5 градусов, коэффициент передачи минус 2,1 дБ с неравномерностью в полосе минус 0,2 дБ, потребляемая мощность 8,7 мВт и площадь занимаемая на кристалле 0,5 кв. мм. Второй фазовращатель имеет следующие характеристики: полоса частот 15-26 ГГц, диапазон изменения фазы 360 градусов, максимальная погрешность установки фазы – 13 градусов, среднеквадратичная погрешность установки фазы – 10 градусов, коэффициент передачи минус 4,6 дБ с неравномерностью в полосе минус 3 дБ, потребляемая мощность 11,7 мВт и площадь занимаемая на кристалле 0,5 кв. мм. В работе [3] фазовращатель выполнен также по КМОП-технологии с минимальным разрешением 180 нм и обладает следующими характеристиками: полоса частот 2-3 ГГц, диапазон изменения фазы 360 градусов, среднеквадратичная погрешность установки фазы – 5 градусов, коэффициент передачи 1,5 дБ, потребляемая мощность 24 мВт и площадь занимаемая на кристалле 0,38 кв. мм.
Проходной фазовращатель [5-7] работает за счет изменения эквивалентной длины искусственной длинной линии, элементы которой в гигагерцовом диапазоне представляют сосредоточенные индуктивные и емкостные элементы. Изменение номиналов емкостей или индуктивностей позволяет изменять фазу сигнала. Фазовращатели, в которых управление осуществляется при помощи изменения номиналов емкостей варакторов, имеют небольшой диапазон перестройки фазы. Использование активных индуктивностей, управляемых напряжением, позволяет расширить диапазон перестройки, однако это приводит к потреблению мощности источника питания. Схема проходного фазовращателя имеет широкий диапазон перестройки по фазе и является относительно широкополосной по частоте, поскольку длинная линия имеет широкую полосу пропускания. Однако фазовращатели этого типа занимают на кристалле большую площадь и обладают коэффициентом шума прямо пропорциональным коэффициенту ослабления. В схеме с активными индуктивностями коэффициент шума повышается из-за шумов транзисторов. В работе [7] фазовращатель выполнен также по КМОП-технологии с минимальным разрешением 180 нм и обладает следующими характеристиками: полоса частот 11,6-12,6 ГГц, диапазон изменения фазы 360 градусов, среднеквадратичная погрешность установки фазы – 2,6 градуса, коэффициент передачи 3,5 дБ при неравномерности коэффициента передачи в рабочей полосе 0,5 дБ, потребляемая мощность 26,6 мВт и площадь занимаемая на кристалле 1,8 кв. мм. В работе [5] фазовращатель выполнен также по КМОП-технологии с минимальным разрешением 180 нм и обладает следующими характеристиками: полоса частот 3,5-4,5 ГГц, диапазон изменения фазы 360 градусов, коэффициент передачи минус 0,3 дБ при неравномерности коэффициента передачи в рабочей полосе 0,8 дБ, потребляемая мощность 20 мВт и площадь, занимаемая на кристалле, 0,24 кв. мм.
Отражательный фазовращатель [8] работает за счет изменения коэффициента отражения от нагрузки с реактивным импедансом. Для развязки входа, выхода фазовращателя и нагрузки с реактивным импедансом используется ответвитель или циркулятор, который направляет всю отраженную от реактивной нагрузки мощность на выход фазовращателя. Изменения реактивного импеданса нагрузки приводят к изменению коэффициента отражения, и как следствие, к изменению фазы отраженного сигнала. Нагрузка может быть реализована на пассивных элементах или с использованием активных индуктивностей. Применение активных индуктивностей позволяет увеличить диапазон перестройки по фазе, однако приводит к повышению потребляемой мощности. Фазовращатели данного типа обладают относительно узкой полосой частот, поскольку она ограничена полосой частот нагрузки и полосой частот направленного ответвителя. В работе [8] фазовращатель выполнен также по КМОП-технологии с минимальным разрешением 180 нм и обладает следующими характеристиками: центральная частота 2,4 ГГц, диапазон изменения фазы 120 градусов, коэффициент передачи 3,5 дБ при неравномерности коэффициента передачи в рабочей полосе 0,5 дБ, потребляемая мощность 18 мВт и площадь, занимаемая на кристалле, 1,8 кв. мм.
Переключаемые фазовращатели строятся на отрезках искусственных длинных линий и ключах, переключение которых позволяет выбрать, по какой линии будет проходить сигнал, а, следовательно, каким фазовым сдвигом он будет обладать. Полоса частот, площадь кристалла и вносимые потери определяются количеством элементов, формирующих искусственную длинную линию. В работе [9] фазовращатель выполнен по КМОП-технологии с минимальным разрешением 180 нм и обладает следующими характеристиками: полоса частот 2,2-3,2 ГГц, диапазон изменения фазы 360 градусов, среднеквадратичная погрешность установки фазы – 2 градуса, коэффициент передачи минус 2,5 дБ при неравномерности коэффициента передачи в рабочей полосе 1,5 дБ и площадь, занимаемая на кристалле, 2,2 кв. мм.
Таким образом, в настоящее время реализация фазовращателей с использованием КМОП-технологии с минимальным разрешением не более 180 нм возможна в диапазоне частот до 20 ГГц. Выбор типа фазовращателя определяется требованиями к его параметрам, что делает задачу исследования схемотехники фазовращателей с ориентацией на КМОП-технологию актуальной. Следует отметить, что с уменьшением минимального разрешения КМОП-технологии ниже 90 нм возникает возможность реализации фазовращателей в диапазоне до 100 ГГц. Так, в работе [10] фазовращатель выполнен по КМОП-технологии с минимальным разрешением 90 нм с частотным диапазоном 57-64 ГГц, диапазон изменения фазы 360 гдаусов, среднеквадратичная погрешность установки фазы – 3,8 градуса, коэффициент передачи минус 5 дБ при неравномерности коэффициента передачи в рабочей полосе 0,8 дБ, потребляемая мощность 31 мВт и площадь, занимаемая на кристалле, 0,58 кв. мм.
Представленный обзор демонстрирует, что фазовращатель может быть реализован на основе кремниевых КМОП-технологий. Перспективным классом фазовращателей является фазововращатель с векторной модуляцией. Поскольку характеристики фазовращателей остальных классов ограничены неидеальностью ключей и низкой добротностью пассивных КМОП-элементов, за счет которых осуществляется перестройка фазы. В фазовращателях с векторной модуляцией изменение фазы достигается путем изменения коэффициента передачи усилителя, что не требует элементов с высокой добротностью. Однако погрешность установки фазы в данных фазовращателях определяется коэффициентами передачи полифазного фильтра в каналах квадратурных составляющих, паразитной входной емкостью и согласованием коэффициентов передачи усилителей с переменным коэффициентом усиления и составляет около 5 градусов. Уменьшение погрешности установки фазы является актуальной задачей. Разработка схемотехнических решений полифазных фильтров и усилителей с переменным коэффициентом усиления, в частности, применением корректирующих цепей и методики увеличения частоты единичного усиления по току, позволит снизить погрешность установки фазы до 1-2 градусов.
Для разработки схемы фазовращателя СВЧ диапазона частот с уменьшенной погрешностью установки фазы предполагается использовать параметрическую оптимизацию в системах автоматизированного проектирования компании Cadence Design System. Следует отметить, что в среднем микросхема на основе кремния при массовом производстве в 10 раз дешевле [11] микросхемы на основе арсенида галлия (GaAs) при сравнимой площади кристалла.

В ходе выполнения работ предполагается решить следующие задачи:
– Выбрать и обосновать направления исследований.
– Разработать на транзисторном уровне схему фазовращателя на основе кремниевой КМОП-технологии с разрешением не более 180 нм.
–Промоделировать на транзисторном уровне схему фазовращателя на основе кремниевой КМОП-технологии с разрешением не более 180 нм.
– Разработать топологию кристалла интегральной схемы фазовращателя на основе кремниевой КМОП-технологии с разрешением не более 180 нм.
– Изготовить прототипы микросхем фазовращателя на полупроводниковой фабрике ОАО «НИИМЭ и Микрон».
– Провести экспериментальные исследования микросхем фазовращателей, обобщение и оценку полученных результатов.

Для решения поставленных задач предполагается использовать структуру фазовращателя на основе усилителя с переменным коэффициентом усиления для обработки квадратурных составляющих входного сигнала. Фазовый сдвиг определяется отношением коэффициентов усиления в квадратурных плечах фазовращателя. Предполагается моделирование разрабатываемых схем в среде Virtuoso программной платформы Cadence Design Systems, для которой в ФГАОУ ВО «СПбПУ» имеется соответствующая лицензия. Изготовление прототипов интегральных схем предполагается на предприятии ОАО «НИИМЭ и Микрон».

Литература:
[1] Frank Ellinger, Urs Lott, Werner Bächtold, An Antenna Diversity MMIC Vector Modulator for HIPERLAN with Low Power Consumption and Calibration Capability IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 49, no. 5, May 2001, pp. 964- 969.
[2] Kwang-Jin Koh ; California Univ., San Diego ; Rebeiz, G.M., A 0.13-μm CMOS Phase Shifters for X-, Ku-, and K-Band Phased Arrays IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 42, no. 11, November 2007,2535 – 2546
[3] Y. Zheng and C. E. Saavedra, “Full 360 vector- sum phase shifter for microwave system applications,” IEEE Trans. Circuits Systems I—Reg. Papers, vol. 57, no. 4, pp. 1–7, Apr. 2009.
[4] Yan-Yu Huang et al. An Ultra-Compact, Linearly-Controlled Variable Phase Shifter Designed With a Novel RC Poly-Phase Filter IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 60, NO. 2, FEBRUARY 2012 301- 310
[5] L.-H. Lu and Y.-T. Liao, “A 4-GHz phase shifter MMIC in 0.18-μm CMOS,” IEEE Microwave Wireless Compon. Lett., vol. 15, no. 10, pp. 694–696, Oct. 2005.
[6] M. A. Y. Abdalla, K. Phang, and G. V. Eleftheriades, “Printed and integrated CMOS positive/negative refractive-index phase shifters using tunable active inductors,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 55, no. 8, pp. 1611–1623, Aug. 2007.
[7] D.-W. Kang and S. Hong, “A 4-bit CMOS phase shifter using distributed active switches,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 55, no. 7, pp. 1476–1483, July 2007.
[8] Y. Zeng and C. E. Saavedra, “An ultra-compact CMOS variable phase shifter for 2-4-GHz ISM applications,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 56, no. 6, pp. 1349–1354, June 2008.
[9] Masoud Meghdadi, Mehrdad Azizi, Mehdi Kiani, Ali Medi, and Mojtaba Atarodi, A 6-Bit CMOS Phase Shifter for S-Band. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 58, no. 12, December 2010, 3519-3526.
[10] Wei-Tsung Li et al., 60-GHz 5-bit Phase Shifter with Integrated VGA Phase-Error Compensation, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 61, no. 3, March 2013
[11] Frank Ellinger. Radio Frequency Integrated Circuits and Technologies. 2nd ed., 2008, pp.1223.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Применение результатов проекта при создании нового поколения радиотехнических систем, в том числе спутниковых телекоммуникационных систем. После успешного выполнения проекта целесообразно проведение ОКР с передачей технологии на отечественной радиоэлектронной промышленности.
Для эффективного использования частотного ресурса в системах подвижной спутниковой связи необходимо построение спутниковой телекоммуникационной системы с зональным обслуживанием, которая позволяет повторно использовать частоты при пространственном разнесении совмещенных каналов, что требует применения многолучевых антенн с узкими диаграммами направленности. Многолучевые антенны с узкими диаграммами направленности представляют фазированную антенную решетку, каждый излучатель которой управляется фазовращателем. Учитывая, что количество элементарных излучателей в фазированной антенной решетке исчисляется сотнями, то разработка КМОП-фазовращателя существенно повысит технические и экономические характеристики аппаратуры, так как в среднем микросхема на основе кремния при массовом производстве в 10 раз дешевле микросхемы на основе арсенида галлия (GaAs) при сравнимой площади кристалла.

Результаты работы будут использованы разработчиками радиотехнических устройств и систем. В том числе, следующими предприятиями:

ОАО ОКБ Планета, Великий Новгород. Основными видами деятельности предприятия являются научно-исследовательские, опытно-конструкторские разработки и производство изделий электронной техники (полупроводниковых приборов), гибридных интегральных структур (терморезисторов, датчиков давления, гибридных микросхем), СВЧ радиотехнических изделий (модулей, узлов, блоков), электротехнических изделий (систем электронного зажигания), контрактная сборка кристаллов в различные корпуса. Предприятие прошло сертификацию и имеет соответствующие заключения, в том числе согласно ГОСТ Р ИСО 9001-2001.

ОАО НИИ Вектор, СПб. Предприятие ведет разработки и осуществляет производство автоматизированных комплексов радиомониторинга в мобильном, стационарном, морском, аэрокосмическом и портативном исполнениях, а также средств контроля безопасности связи. В задачи предприятия входят проведение исследований по направлениям: расчеты антенно-фидерных устройств; построение радиоприемных и пеленгационных трактов; построение антенно-фидерных устройств; моделирование аппаратных и программных средств обработки радиосигналов; моделирование и разработка аппаратных и программных средств цифровой обработки радиосигналов. При выполнении производственной программы осуществляется: изготовление разработанной аппаратуры; выпуск микроминиатюрных электронных компонентов телекоммуникационных и радиоприемных трактов общего применения.

ОАО ВНИИРА, СПб. Предприятие специализируется на разработке, производстве, вводе в эксплуатацию и обслуживании: обзорных, посадочных, вторичных и метеорологических радиолокаторов; наземного и бортового оборудования радиотехнических систем ближней навигации и систем инструментальной посадки; бортового дальномерного оборудования, радиолокационных ответчиков и систем предупреждения столкновений летательных аппаратов, систем предупреждения о близости земли; бортовых интегрированных комплексов навигации и посадки.

Текущие результаты проекта:
Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИЭР.
Патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.
Выбор и обоснование направления исследований.