Исследование и разработка методов построения пассивного локатора миллиметрового диапазона на основе СВЧ элементной базы

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-19-00771

НазваниеИсследование и разработка методов построения пассивного локатора миллиметрового диапазона на основе СВЧ элементной базы

Руководитель Лосев Владимир Вячеславович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" , г Москва

Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-701 - Электронная элементная база информационных систем

Ключевые слова Пассивный локатор, Антенна, СВЧ усилитель, МШУ, СВЧ смеситель, ГУН, квадратурный демодулятор, ФАПЧ, Фазовращатель, АЦП, Операционный усилитель.

Код ГРНТИ47.33.31

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Освоение миллиметрового диапазона длин волн является одной из тенденций развития микроэлектроники. Данный диапазон занимает промежуточное значение между микроволновым диапазоном и оптическим диапазоном. Миллиметровый диапазон позволяет реализовать широкие информационные скорости при отсутствии промышленных помех. Актуальность решения проблемы обусловлена использованием свойства миллиметровых волн. Пассивная локация в этом диапазоне волн обладает значительными преимуществами по сравнению с аналогичными оптическими и инфракрасными системами. При снижении условий видимости, обусловленных погодными явлениями, такими как туман, снег, дождь, облака, дым и пыль, и т.д.– миллиметровое излучение ослабляется на несколько порядков меньше, чем видимое или инфракрасное излучение. Пассивный локатор (радиометр) позволяет решать ряд экологических задач, например локализовать загрязнения на водной поверхности. В данном проекте будут исследованы элементы пассивного локатора, реализованные в микроэлектронном исполнении.Основным параметром любой конструкции радиометра является радиометрический чувствительность архитектуры пассивного приемника, которая соотносится с эквивалентной температурой. Основой системы пассивного локатора является радиометр, предназначенный для проведения радиометрии. Он состоит из пассивных и активных СВЧ-элементов и монтируется интегрально с оптическими и механическими системами. Оптические элементы фокусируют энергию, представляя единую пиксель миллиметрового диапазона на рупор приемника радиометра. Микроволновые элементы разделяют этот сигнал на компоненты поляризации и преобразуют их в набор аналоговых напряжений, которые оцифровываются и записываются электронные и программные подсистемы. Целевые характеристики радиометра следующие: - Диапазон частот: 117–122 ГГц - Центральная частота: 120 ГГц - Полоса пропускания: 5 ГГц - Частота гетеродина: 87 ГГц - Нижняя боковая полоса (отклонение): 79–83 ГГц. - Частота ПЧ: 4–8 ГГц Основные компоненты радиометра подлежащие разработке: Малошумящие усилители (МШУ), Изоляторы, Фильтры верхних частот, Смесители, Фазовращатели. Основное внимание будет уделено узлам, реализуемых по кремниевой и кремний-германиевой технологии. В ходе выполнения работы будут исследованы методы усиления, генерации и преобразования сигналов. На основе детального схемотехнического анализа будут сформулированы критерии применяемости элементной базы для реализации заданных характеристик. Будут представлены результаты экспериментального исследования отдельных узлов и макета локатора в целом. Выполненные исследования позволят сделать следующий шаг в проектировании аппаратуры миллиметрового диапазона. В частности, пассивных локаторов, позволяющих обследовать объекты через непрозрачные преграды и без воздействия ионизирующего излучения. Научная новизна исследований заключается в разработке методов генерации, детектирования и усиления высокочастотных сигналов миллиметрового диапазона (до 300 ГГц), а также способов передачи этих сигналов с минимальными потерями в материалах и приборах твердотельной электроники, включая устройства преобразования электрического сигнала в электромагнитное излучение (планарная или объемная антенна).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Е.Ю. Котляров, М.Г. Путря, В.Ю. Михайлов Разработка микросхемы 6-разрядного фазовращателя Х-диапазона частот на основе 90нм КМОП технологии Электронная техника. Серия 3: Микроэлектроника, Электронная техника. Серия 3: Микроэлектроника. – 2023. – № 1(189). – С. 9-22. (год публикации - 2023)
10.7868/S2410993223010025

2. А.Д. Калёнов, В.В. Лосев, Л.В. Недашковский, Ю.А. Чаплыгин Сравнение высокочастотных возможностей отечественных КМОП технологий с проектными нормами 90 нм и 180 нм на примере проектирования смесительного блока квадратурного демодулятора ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНИКА. СЕРИЯ 3. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНИКА. СЕРИЯ 3. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА №2 (190), С.52-56 (год публикации - 2023)
10.7868/S2410993223010050

3. Т. Ю. Крупкина, В. В. Лосев, С. Б. Беневоленский, А. И. Хлыбов, Д. В. Родионов Влияние потерь в соединениях при измерении коэффициента усиления и коэффициента шума на анализаторе спектра Известия вузов. Электроника / Proceedings of Universities. Electronics, Известия вузов. Электроника / Proceedings of Universities. 794 Electronics 2023 28(6) (год публикации - 2023)
10.24151/1561-5405-2023-28-6-794-801

4. А.М. Кулиш, В.В. Лосев ПРОЕКТИРОВАНИЕ МИКРОСХЕМЫ 6-ТИ РАЗРЯДНОГО ФАЗОВРАЩАТЕЛЯ X-ДИАПАЗОНА НА ОСНОВЕ GAAS ТЕХНОЛОИГЧЕСКОГО ПРОЦЕССА PHEMT С ТОПОЛОГИЧЕСКОЙ НОРМОЙ 0,5 МКМ ЖУРНАЛЕ «ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНИКА. СЕРИЯ 3. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА», Москва (год публикации - 2024)

5. Чаплыгин Ю.А. В.В. Лосев, Путря М.Г., Е.Ю. Котляров, А.И. Хлыбов, Д.В. Родионов Разработка микросхемы 6ти разрядного фазовращателя Ка диапазона частот на основе pHEMT GaAs 250 нм библиотеки ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНИКА. СЕРИЯ 3. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА (год публикации - 2024)
10.7868/S2410993224020015

6. А. И. Хлыбов, Д. В. Родионов, В. И. Егоркин, Е. Ю. Котляров, В. В. Лосев, Ю. А. Чаплыгин Исследование зависимостей входных параметров нормально закрытого GaN НЕМТ транзистора от режимов работы в гигагерцовом диапазоне Известия ВУЗов. Электроника. №6, 2024. (год публикации - 2024)

7. Е.Ю. Котляров., А.И. Хлыбов, Д.В. Родионов, Ю.А. Чаплыгин, В.В. Лосев Микросхема SPDT коммутатора X-диапазона на основе технологии КМОП 90 нм Нано- и микросистемная техника. Т.26, №6, 2024. Москва (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проведены теоретические исследований в области оценки преимуществ использования различных технологических решений для реализации радиометра миллиметрового диапазона. Выполнен анализ конструкций и технологических решений радиометра, представляющего собой электронный модуль СВЧ, содержащий аналоговую и цифровую части. Зафиксированы требования, предъявляемые к современным модулям СВЧ. Для построения прототипа радиометра предложено использовать модульный принцип конструирования, который широко используется при создании современной радиоэлектронной аппаратуры и обеспечивает высокую технологичность на основе унификации и многофункциональности модулей СВЧ. Развитие современной электронной базы требует от промышленности создания сложнопрофильных многофункциональных СВЧ-модулей с высокой герметичностью. Для решения такой задачи при конструировании модулей с отсеками внутри, кроме герметичности, необходима высокая радиогерметичность и длительный срок службы. Для решения данной проблемы предложено использование технологии внутреннего монтажа с применением интерпозеров, приведен анализ технологии с указанием достоинств и недостатков. Проведены исследования возможного материала интерпозера. Установлено, что использование в качестве материала интерпозера кремниевых подложек существенно ограничено большими потерями СВЧ сигнала в микрополосковых соединениях, сформированных на кремниевой подложке. Проведено исследование методов построения усилителя миллиметрового диапазона, как составной части радиометра. Обоснован выбор базовой технологии для реализации малошумящего усилителя субтерагерцового диапазона частот. Выбраны структуры транзисторов для каждого каскада для построения многокаскадного малошумящего усилителя. Проведена оценка достижимых характеристик многокаскадного малошумящего усилителя. Рассмотрены режимы работы усилителя мощности и схемы включения транзистора. Приведены 2 варианта схемотехнической реализации малошумящего усилителя: оптимизированного на достижение минимально возможного коэффициента шума в полосе 20 ГГц, и усилителя, рассчитанного на работу со спектром шириной 50 ГГц в диапазоне субтеррагерцоввых частот. В рамках базовой SiGe технологии проведено схемотехническое моделирование 2х конструкций усилителя мощностидля диапазонов субтерагерцового излучения. Выбраны структуры транзисторов каждого каскада для построения многокаскадного усилителя мощности. Продемонстрированы варианты реализации схемы усилителей мощности на 17 дБм и при параллельном суммировании каскадов на 20 дБм. Исследованы активные схемы преобразования частоты, работающие в миллиметровом диапазоне. Проведено исследование методов построения демодулятора с преобразованием частоты миллиметрового диапазона. Сформулированы требования к смесителю субтерагерцового диапазона с понижением частоты. Проведен анализ схем смесителей на биполярных транзисторах. На основе анализа выбрана схема двойного балансного смесителя на основе ячейки Гильберта. Рассмотрена схема реализации двойного балансного смесителя на основе ячейки Гильберта на диапазон частот 110-170 ГГц, приведены основные результаты моделирования характеристик смесителя. Исследованы методы построения гетеродинов миллиметрового диапазона, как составной части радиометра . Установлены требования к функциональным и электрическим характеристикам гетеродина. Выполнено моделирование характеристик электрических схем усилителя, демодулятора с преобразованием частоты и гетеродина, работающих на частотах миллиметрового диапазона. Результаты предварительного моделирования подтвердили целевой выбор структурной схемы радиометра для реализации радиометра миллиметрового диапазона. Для радиометра миллиметрового диапазона в частотной области 70,0 – 100.0 ГГц наиболее эффектным видится вариант реализации радиометра на одном кристалле с интегрированной антенной (система на кристалле), например, на основе технологий А3B5 и SiGe. Установлено, что для увеличения чувствительности радиометра целесообразно дополнительно использование рупорной антенны, в фокус которой помещается плата таким образом, чтобы микрополосковая антенна располагалась по центру узкой части рупора. Выполнены работы по разработке конструктивного исполнения макета радиометра. Разработана концепция конструкции макета радиометра. Проведена оценка возможности реализации макета радиометра из отдельных узлов на основе доступной комплектации. Разработаны электрические схемы печатных плат для составных частей макета радиометра, включающих СВЧ приемник, малошумящий усилитель МШУ ПЧ, и амплитудный детектор (АД). Разработана конструкция рупорной антенны и изготовлены опытные образцы. Все запланированные работы выполнены в полном объеме. Результаты работ опубликованы в высокорейтинговых журналах RSCI и РИНЦ. Получено свидетельство о регистрации топологии. Проведены работы по актуализации плана-графика и календарного плана следующего этапа.

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках отчетного периода в соответствии с установленным паном выполнены работы по разработке методик измерений характеристик радиометра в миллиметровом диапазоне, разработке методик калибровки радиометра, разработке методик оцифровки принимаемого сигнала, разработке топологии элементов приемного тракта радиометра, разработке и изготовлению макетного образца радиометра, подготовке и проведению экспериментальных исследований характеристик макетного образца в миллиметровом диапазоне на основе прототипа платы радиометра. В результате выполненных работ получены методики измерений ключевых характеристик радиометра, адаптированные для миллиметрового диапазона. Оценка работы и разработка методик измерения платы прототипа радиометра на основе микросхемы TRA_120_001 в мм-диапазоне частот должна осуществляться исходя из базовых параметров его аналоговой части СВЧ-тракта. Основными критериями для оценки работы СВЧ-тракта устройства являются SNR приёмного канала и мощность или коэффициент усиления передающего тракта модуля. Отношение сигнал-шум (SNR - Signal-to-Noise Ratio) является ключевым параметром, характеризующим качество приемо-передающего тракта. Он показывает отношение мощности полезного сигнала к мощности шума на входе/выходе СВЧ-тракта. Уровень SNR легко поддается измерению и интерпретации в рамках базового функционала современных анализаторов сигналов (как зарубежного, так и отечественного производства). На базе данного измерительного комплекса предлагается реализовать измерительный стенд, в состав которого, помимо векторного анализатора сигналов войдут генератор СВЧ-сигналов для формирования тестовых высокочастотных воздействий через антенный элемент и многоканальный источник напряжения для питания и управления ГУН и другими функциональными узлами в составе платы-прототипа радиометра. Предложенный метод измерения SNR-параметров для приемного тракта радиометра позволяет получить качественную оценку, для увеличения точности измерения рекомендуется производить измерения в объеме безэховой измерительной камеры (БЭК) для проведения антенных измерений. В процессе выполнения работ предложена методика оценки ширины рабочего диапазона на промежуточной частоте, включающая выполнение следующих процедур: - подключение к выходу промежуточной частоты приемника, имеющего частоту после смесителя 0,1-2,0 ГГц, широкополосного малошумящего усилителя с полосой, перекрывающей с запасом указанный диапазон. Разработаны методики калибровки радиометра, заключающиеся в следующем. Определение уровня собственных шумов радиометра на основе метода «короткого замыкания» путем перекрытия рупора антенны металлической пластиной и измерения уровня напряжения на выходе амплитудного детектора. Полученное значение напряжения соответствовало величине собственных шумов всего устройства. В рабочем состоянии для определения полезного сигнала необходимо из измеренного значения вычесть величину напряжения, соответствующего напряжению собственных шумов. В реальных условиях для выделения сигнала от исследуемого объекта при значительной величине фонового излучения используется метод с формированием компенсирующего сигнала на основе диаграммной модуляции. Направляя рупорную антенну с небольшим отклонением в сторону от исследуемого объекта определяем уровень сигнала фонового излучения путем измерения соответствующего напряжения на выходе амплитудного детектора, в последующем вычитаем величину этого напряжения из значения напряжения, полученного от сигнала, когда антенна направлена на объект. Чтобы выделить объект на фоне окружающей среды можно использовать компаратор на выходе амплитудного детектора с уровнем опорного напряжения, соответствующего сигналу фонового излучения. Тогда при сканировании объекта будем иметь на выходе компаратора логическую единицу в пределах объекта и логический ноль при переходе его границы, т.е. получим пространственное изображение объекта. В качестве комплекса работ по локализации и разработке аналога приемного тракта была разработана топология малошумящего усилителя (МШУ), обеспечивающая минимальный коэффициент шума и достаточное усиление в рабочем диапазоне частот. Микросхема выполнена без использования традиционных спиралевидных конструкций катушек индуктивности, согласование приборов реализовано за счет использования планарных микрополосковых резонаторов разного сопротивления, что налагает определённые требования на габариты микросхемы. С учетом контактных интерфейсов подачи СВЧ-сигнала и площадок питания, габариты ИМС МШУ составили 1913 ×1043 мкм2. Топология микросхемы, разработанной в рамках проекта, была зарегистрирована в патентном ведомстве РФ, номер патента: RU 2022630156. Для прототипирования устройства на системном уровне была разработана конструкция рупорной антенны. Были выполнены расчеты геометрических размеров рупора при помощи САПР. Изготовлен прототип антенны. Разработаны электрические схемы печатных плат для составных частей макета радиометра, включающих СВЧ приемник, малошумящий усилитель МШУ ПЧ, и амплитудный детектор (АД). Изготовлены макетный образец СВЧ платы радиометра с ИМС TRX_120, макетный образец платы с МШУ ПЧ на микросхеме HMC374SC70E и макетные образцы плат амплитудного детектора на основе микросхем LT5534 и AD8313. Изготовлен макетный образец радиометра на печатной плате, содержащей СВЧ плату радиометра, плату с МШУ ПЧ и плату амплитудного детектора. Разработаны и подготовлены стенды для проверки работоспособности и исследования характеристик отдельных блоков радиометра и радиометра в целом. Разработаны блок-схемы стендов с указанием состава оборудования и принципов его работы. Проведены экспериментальные исследования элементов макета радиометра, включающие определения коэффициента усиления малошумящих усилителей и получение калибровочной характеристики детектора мощности в диапазоне промежуточной частоты радиометра. Экспериментальные исследования макета радиометра подтвердили применимость разработанной методики для проверки работоспособности радиометра и определения коэффициента усиления в тракте вход радиометра – выход промежуточной частоты Измеренное значение коэффициента усиления радиометра по мощности в тракте вход МШУ-смеситель-выход промежуточной частоты составляет 10 дБ.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты, полученные при реализации проекта, будут использованы в дизайн- центре ЦКП ЭКБ и РЭА при МИЭТ при разработке мощных СВЧ ИМС по технологическому процессу 0,25 GaN HEMT на подложках кремния. Предполагается, что результаты настоящего проекта станут основой для модернизации, актуализации и разработки новых моделей библиотечных элементов. Это направлено на учет особенностей функционирования полупроводниковых приборов в экстремальных температурных условиях, что критически важно для современного отечественного производства микросхем. Полученные экспериментальные данные позволят создать усовершенствованные параметризованные модели транзисторов, которые будут интегрированы в средства проектирования. В дальнейшем эти модели будут использоваться дизайн-центрами и конструкторскими бюро (КБ) для разработки перспективной электронной компонентной базы (ЭКБ). Ожидается, что это улучшит соответствие между характеристиками изготовленных полупроводниковых устройств и их моделями, повысив тем самым прогнозируемость результатов разработки и снизив итоговую стоимость продукции. Решение задачи теплового проектирования отдельных элементов конкретной технологии также положительно повлияет на надежность конечных устройств. Кроме того, результаты проекта могут быть использованы при разработке модулей современных систем автоматизированного проектирования (САПР) и в учебно-методических материалах для профильных учебных заведений. Совершенствование технологии проектирования мощных СВЧ ИС с учетом тепловых эффектов повысит востребованность технологического процесса 0,25 GaN, в том числе в рамках сервиса MPW реализуемого в МИЭТ на ряду с другими технологическими процессами. Практические результаты реализации проекта найдут применение при производстве силовых модулей для транспортной инфраструктуры г.Москвы и региона, а также будут полезны для внедрения на электротранспортной инфраструктуре.