Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0179

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0179
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники"
Название доклада
Разработка широкополосных функциональных узлов для универсальных однокристальных приемников L- и S-диапазонов на основе SiGe BiCMOS технологии
Докладчик
Бабак Леонид Иванович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель: Создание научно-технических решений в области проектирования универсальных широкополосных узлов для однокристальных многоканальных приемников L- и S-диапазонов с цифровой обработкой сигналов.
Задачи:
1) Исследование концепции универсального РЧ-тракта для приемников с ЦОС различного назначения и различных частотных поддиапазонов.
2) Разработка методик проектирования СВЧ интегральных схем основных функциональных узлов приемников: малошумящих и буферных усилителей, цифровых аттенюаторов и смесителей.
3) Проектирования ряда универсальных широкополосных узлов на основе 0,25 мкм SiGe BiCMOS-технологии для однокристальных многоканальных приемников L- и S-диапазонов.
4) Разработка методик измерений, специализированного стенда и измерительной оснастки для проведения лабораторных испытаний.
5) Экспериментальные исследования разработанных макетов СВЧ интегральных схем.
Актуальность и новизна исследования
Важнейшей задачей при создании радиоэлектронных систем (РЭС) для различных сфер промышленности и вооружений является разработка СВЧ приемо-передающих модулей (ППМ) с цифровой обработкой сигнала (ЦОС). Помимо традиционных применений (связь, радиолокация, и т.д.), в последнее время большой интерес проявляется к созданию малогабаритных РЭС, в том числе с цифровыми фазированными антенными решетками (ЦФАР), таких как мобильные системы связи, системы малых летательных аппаратов, сверхминиатюрные ППМ, встраиваемые в подвижные объекты и одежду.
Перспективным направлением, позволяющим создавать специализированные компоненты для таких РЭС, является использование СВЧ интегральных схем (ИС) и систем на кристалле (СнК) на основе кремниевых технологий (Si, SiGe). Это позволяет увеличить степень интеграции, снизить массу, габариты и потребляемую мощность узлов РЭС, повысить надежность и технологичность.
Информация по разрабатываемым за рубежом технологиям проектирования СВЧ ППМ является конфиденциальной. Выполняемые в настоящем проекте исследования и разработки во многом будут основаны на оригинальных методах и алгоритмах, этим определяется их новизна:
1) Использование процедур автоматического синтеза пассивных и активных СВЧ цепей на основе генетических алгоритмов (ГА) для повышения эффективности проектирования СВЧ ИС и СнК.
2) Разработка специализированных стендов и методик для измерения параметров ИС и СнК.
3) Разработка широкополосных ИС, охватывающих одновременно частоты L- и S-диапазонов.
Описание исследования

Структурная схема разрабатываемого широкополосного РЧ-тракта приемников L- и S-диапазонов с ЦОС (в том числе с ЦФАР) включает в себя такие функциональные узлы, как малошумящий усилитель (МШУ), цифровой аттенюатор (ЦАТТ), буферный усилитель (БУ) для компенсации потерь в ЦАТТ, смеситель (СМ) и усилитель промежуточной частоты (УПЧ). При этом предполагается, что фазовая обработка сигнала осуществляется в цифровом блоке. Для снижения требований к гетеродину и обеспечения развязки между каналами целесообразно использовать усилители сигнала гетеродина (УСГ).
Важнейшим достоинством универсального приемного тракта является то, что при создании комплекса различных приемников L-, S-диапазонов используется небольшое число одних и тех же универсальных широкополосных МИС и (или) СнК. Различные рабочие полосы приемников по сигналам радио- и промежуточной частоты реализуются только за счет использования соответствующих фильтров РЧ и ПЧ. Предлагаемый принцип значительно облегчит, ускорит и удешевит разработку и производство комплекта приемников L- и S-диапазонов, а также ПЧ-трактов приемников X-, Ku- и Ka-диапазонов для различных применений. При заранее произведенных для этой цели МИС и СнК проектирование и производство приемников по существу сводится к их сборке из готовых «кубиков».
Применение широкополосных МИС в универсальном приемном тракте не очень существенно ухудшит его характеристики по сравнению с вариантом более узкополосного приемника конкретного частотного поддиапазона. Дело в том, что на рассматриваемых частотах (диапазон радиочастот 1..4,5 ГГц, диапазон ПЧ 50..500 МГц) при использовании современных SiGe/GaAs технологий характеристики устройств не сильно различаются между собой. К тому же коэффициент шума всего приемника будет в основном определяться преселектором. При жестких требованиях к КШ приемника МШУ целесообразно выполнить не в составе СнК, реализуемой по SiGe технологии, а в виде отдельной GaAs МИС, обеспечивающей лучшие шумовые характеристики. При необходимости увеличения мощности ПЧ сигнала на согласованном выходе до 18..20 дБм также имеет смысл дополнительное использование отдельной МИС УПЧ на базе GaAs технологии.
Проектирование широкополосных СВЧ устройств на основе SiGe BiCMOS технологии с высокими динамическими характеристиками является нетривиальной задачей, которая требует знания современных систем автоматизированного проектирования и моделирования. На первом этапе ПНИЭР были разработаны следующие методики проектирования широкополосных СВЧ устройств: 1) МШУ; 2) ЦАТТ; 3) СМ с преобразованием частоты вверх и вниз.
Разработана методика автоматизированного проектирования многокаскадных СВЧ усилителей на основе ГА и использовании идеальных трансформаторов импеданса. При помощи ГА синтезируется структурная схема и номиналы элементов усилителя. Благодаря этому методика позволяет улучшить характеристики и сократить время синтеза многокаскадных СВЧ усилителей. Новая методика реализована в программе структурно-параметрического синтеза СВЧ усилителей Geneamp.
Разработанная методика проектирования ЦАТТ включает 4 основных этапа: а) формулировка требований к ЦАТТ; б) проектирование отдельных секций ослабления ЦАТТ; в) генерация полного множества вариантов включения секций ЦАТТ; г) анализ СВЧ характеристик и выбор оптимального варианта очередности включения секций ЦАТТ. Таким образом, методика позволяет получить схемотехническое решение ЦАТТ каскадного типа по комплексу требований к СВЧ характеристикам.  
Методика проектирования СМ с преобразованием вверх и вниз состоит из 4 этапов: а) разработка трансформатора на требуемый частотный диапазон (разработка топологии трансформатора, ЭМ моделирование); б) моделирование СМ на идеальных элементах (выбор схемотехнического решения, расчет значений элементов); в) моделирование СМ на реальных элементах (учет паразитных элементов сосредоточенных элементов, оптимизация значений элементов) г) разработка топологии СМ (учет соединительных линий между элементами).

Результаты исследования

В рамках I и II этапа ПНИЭР на основе 0,25 мкм SiGe BiCMOS технологии с использованием предложенных методик проектирования был разработан ряд универсальных широкополосных устройств, которые в дальнейшем будут интегрированы в виде СнК.
1. Для разных применений было спроектировано два типа аттенюаторов – ЦАТТ-1 с разрядностью 5 бит, являющийся фазостабильным, и ЦАТТ- 2 с разрядностью 6 бит. Аттенюаторы имеют недифференциальные вход и выход, т.е. не требуют применения внешних симметрирующих трансформаторов, и содержат схемы последовательного и параллельного управления.
МИС ЦАТТ-1 была изготовлена и испытана, ее экспериментальные характеристики следующие: частотный диапазон 0,1-4,5 ГГц; разрядность 5 бит; глубина регулировки ослабления 31 дБ с шагом 1 дБ; коэффициент передачи -3,9 дБ (2 ГГц), -5,4 дБ (4,5 ГГц); среднеквадратичная ошибка (СКО) по амплитуде 0,45 дБ (2 ГГц), 0,95 дБ (4,5 ГГц); СКО по фазе 2,70 (2 ГГц), 5,30 (4,5 ГГц); точка компрессии по входу 14 дБм. При некотором ухудшении характеристик МИС ЦАТТ может использоваться в диапазоне 0,01…5 ГГц, а при ослаблениях 0-15 дБ – до 6-8 ГГц.
ЦАТТ-2 (моделирование): частотный диапазон 0,1-5 ГГц; разрядность 6 бит; глубина регулировки ослабления 31,5 дБ с шагом 0,5 дБ; коэффициент передачи -3,8 дБ (2 ГГц), -5,4 дБ (4,5 ГГц), -5,7 дБ (5 ГГц); СКО по амплитуде 0,25 дБ (4,5 ГГц); СКО по фазе 70 (2 ГГц), 180 (4,5 ГГц); точка компрессии по входу 14 дБм.
2. БУ с недифференциальными входом и выходом (моделирование): частотный диапазон 1-5 ГГц; коэффициент усиления 17..18 дБ; коэффициенты отражения по входу и выходу -12,5/-15,0 дБ;  выходная мощность 15 дБм.
3. Разработаны две разновидности смесителей (СМ-1 и СМ-2) на CMOS-транзисторах по двойной балансной схеме с интегрированными на подложку симметрирующими трансформаторами, они отличаются шириной частотного диапазона. Более широкополосная МИС СМ-1 изготовлена и показала следующие основные параметры при испытании в измерительном макете: частотный диапазон РЧ 1-4,5 ГГц; частотный диапазон ПЧ 50..500 МГц;  коэффициент передачи -8…-10 дБ (1-2,5 ГГц), -10 дБ…-12,5 дБ (2,5-4,5 ГГц); точка компрессии по входу 12 дБм.
СМ-2 (моделирование): частотный диапазон РЧ 2-4,5 ГГц; частотный диапазон ПЧ 50..500 МГц;  коэффициент передачи -8..-9 дБ; мощность гетеродина 13..15 дБм; уровень входной мощности 11 дБм по Р1дБ и 19..22 дБм по IP3.
4. Для снижения мощности сигнала от внешнего гетеродина был разработан УСГ (моделирование): частотный диапазон 1,5-5 ГГц; коэффициент усиления 14,5.. 15,5 дБ; коэффициенты отражения по входу и выходу -8..10/-6..8 дБ;  выходная мощность 16..17 дБм.
5. УПЧ выполнен по дифференциальной схеме (моделирование): частотный диапазон 50-500 MГц; коэффициент усиления 32..33 дБ; коэффициенты отражения по входу и выходу -15,0/-15,0 дБ;  выходная мощность 11 дБм.
По комплексу характеристик разработанные СВЧ ИС не уступает мировым образцам, а по отдельным параметрам превосходит зарубежные аналоги.
Также разработан специализированный стенд для проведения лабораторных испытаний изготовленных СВЧ ИС и СнК.

Практическая значимость исследования
Результаты проекта в ближайшей перспективе будут внедрены в производство для удовлетворения текущих и будущих потребностей конечных потребителей продукции, а также разрабатывающих РЭС российских предприятий, включая ОАО «НПО «ЛЭМЗ» (РЛС на основе ЦФАР для систем противоракетной обороны, комплексов активной защиты бронетехники, прочие перспективные изделия), и отрасли в целом.
Другие применения многофункциональных малогабаритных радиотехнических систем, в том числе с ЦФАР: мобильные и индивидуальные системы связи, электронные системы малых летательных аппаратов и робототехники, миниатюрные и сверхминиатюрные приемопередающие модули, встраиваемые в подвижные объекты и одежду (устройства управления малыми подвижными объектами, «умная одежда», интеллектуальная экипировка воина и т.д.), а также имплантируемые в биологические объекты и др.