Разработка компонентной базы для создания радиационно-стойких модулей СВЧ в гибридно-монолитном интегральном исполнении. Дюков Дмитрий Игоревич, начальник отдела проектирования МИС и ГИС НПО твердотельных приборов и модулей ФГУП «НПП «Салют» г.Нижний Новгород Работы, проводимые в ФГУП «НПП «Салют» в 2003 -2010 гг. по договорам с ФГУП “ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова ” Сроки выполнения Наименование НИОКР Начало Окончание НИР “Исследования по разработке монолитных интегральных схем СВЧ диапазона для радиоприемного устройства бортовой аппаратуры спутниковой навигации”, шифр “Монолит – 1С” 01.08.2003 г. 30.09.2007 г. СЧ ОКР “Разработка комплекта модулей СВЧ диапазона для радиоприемного устройства бортовой аппаратуры спутниковой навигации”, шифр “Монолит – 1С”. 10.01.2008 г. 30.10.2010 г. НИР “Исследования по разработке монолитной интегральной схемы малошумящего усилителя с электронной регулировкой усиления СВЧ диапазона”, шифр “Монолит – УРУ”. 10.01.2004 г. 30.09.2006 г. НИР “Исследования по разработке монолитной интегральной схемы преобразователя частоты КВЧ диапазона”, шифр “Монолит – ПЧ” 10.01.2004 г. 31.10.2007 г. НИР “Исследования по разработке монолитной интегральной схемы генератора управляемого напряжением СВЧ диапазона”, шифр “Монолит – ГУН” 10.01.2008 г. 30.09.2009 г. Основные направления исследований по созданию СВЧ МИС с повышенной радиационной стойкостью • Анализ конструктивно-технологических требований к радиационно-стойким полупроводниковым элементам; • Разработка технологического процесса создания МИС; • Выбор и исследование полупроводниковых структур; • Разработка математических моделей элементов СВЧ МИС, создание библиотеки моделей для САПР; • Разработка схемотехнических проектов комплекта МИС для приемного модуля мм диапазона длин волн и комплекта МИС для входной части РПУ приемника спутниковой навигации; • Исследование технических характеристик разработанных МИС и модулей СВЧ на их основе; • Проведение экспериментальных исследований на стойкость к воздействию спецфакторов. 8 Структурная схема приемного модуля 8 мм диапазона длин волн, включающего: - МИС МШУ; - субгармонический смеситель с фазовым подавлением зеркального канала; - МИС генератора, управляемого напряжением на диапазон частот 16…18 ГГц; - МИС усилителя ПЧ с электронной регулировкой коэффициента усиления на диапазон частот 1…2 ГГц; МИС пассивного транзисторного и диодного субгармонических смесителей с фазовым подавлением зеркального канала 8-мм диапазона длин волн. НИР «Монолит-ПЧ» Экспериментальные характеристики МИС Диапазон рабочих частот, ГГц Полоса пропускания по сигналу Полоса частот гетеродина, ГГц 33…37,5 > 5% 16,8…18,0 Диапазон ПЧ, ГГц 0,8…2,2 Мощность сигнала гетеродина , дБм 10…13 Потери преобразования, дБ 10,6…12,6 Габаритные размеры, мм 3,0х1,7х0,08 1,4х1,2х0,1 Кристалл МИС генератора управляемого напряжением НИР «Монолит-ГУН» Экспериментальные характеристики МИС генератора Рабочий диапазон частот, ГГц 15,0…18,0 Диапазон электрической перестройки частоты, % > 5,0 Крутизна перестройки частоты, МГц/В 25…100 Мощность выходного сигнала на каждом из двух выходов, мВт 5,0…10,0 Подавление 2-й и 3-й гармоник, дБ >35 Напряжение питания, В Напряжение управления, В 6,0 +(7,0…20,0) Изменение частоты при изменении Uп на ±5%, МГц/В < 60 Ток потребления, мА < 140 Габаритные размеры, мм 1,7х1,6х0,1 Преобразователь частоты 8-мм диапазона длин волн с фазовым подавлением зеркального канала, включающий МИС пассивного субгармонического смесителя, МИС генератора, стабилизированного ДР и МИС усилителя ПЧ с квадратурным сумматором Технические характеристики экспериментальных образцов модулей Диапазон рабочих частот, ГГц 36,6…37,8 Частота сигнала гетеродина, ГГц 17,8 Промежуточная частота, ГГц 0,8…2,2 Коэффициент преобразования, дБ не менее + 5,0 Коэффициент шума (без МШУ), дБ не более 14,5 Подавление сигнала зеркального канала, дБс не менее 20,0 Ток потребления, мА не более 120 Габаритные размеры, мм 8,0 х 8,0 х 1,0 МИС трехкаскадного усилителя с регулируемым коэффициентом усиления и схемой термостабилизации НИР «Монолит-УРУ» Экспериментальные характеристики МИС Рабочий диапазон частот, ГГц 1,0…2,0 Коэффициент усиления, дБ 20…22 Неравномерность Ку в полосе частот, дБ Неравномерность Ку в диапазоне температур от – 60 до + 100 ºС, дБ Диапазон регулирования коэффициента усиления, дБ Линейность характеристики регулирования в диапазоне регулирования 20 дБ не более 1,5 не более 1,5 32…35 не хуже ± 1,0 дБ Напряжение регулирования, В + 1,5…+ 3,5 Коэффициент шума, дБ не более 3,5 Выходная мощность по снижению усиления на 1дБ, КСВн входа и выхода (в диапазоне регулирования) Ток потребления, мА 40…60 мВт, Напряжение питания, В Габаритные размеры МИС, мм не более 2,5 80…110 5,0 3,4х1,2х0,2 Структурная схема входной СВЧ части РПУ двух диапазонного приемника спутниковой навигации ГЛОНАСС/GPS НИОКР «Монолит-1С» 1222-1255 МГц ГЛОНАСС (F2) P≥минус 167дБВт ППФ1-1 1222…1255 МГц ППФ1-2 1222…1255 МГц Ограни читель 1Вт СМ1 МШУ +5В, +5В, -3В УПЧ1-1 ППФ3 158-174,4 СМ2 Модуль А2-1 Модуль А1-1 +5 В, -3 В Uупр. УПЧ1-2 Модуль А3 ДЧ8 176,5 МГц ГУН 1412 МГц ПЧ2 F2 (ГЛОНАСС) 2,1…18,4 МГц Активный делитель мощности ППФ5 180,8-198,7 УПЧ1-2 СМ2 к синтезатор у ПЧ2 F1 (ГЛОНАСС) 3,5…22,5 МГц Модуль А2-2 Модуль А1-2 1570-1612 МГц ГЛОНАСС (F1) 1598-1605 МГц Δf=0.5625 МГц P≥минус 161дБВт GPS L11575,42±4,092 МГц P≥минус 160дБВт Ограни читель 1Вт МШУ СМ1 УПЧ1-1 ППФ4 159,1-167,7 УПЧ1-2 СМ2 ПЧ2 L1 (GPS) 8,8…17,4 МГц Модуль А2-3 ППФ2-1 ФМ(2)-1591/42 1570…1612 МГц ППФ2-2 ФМ(3)-1591/42 1570…1612 МГц +5В, -3В +5В, МИС двухкаскадного МШУ на диапазон частот 1,0 – 2,0 ГГц Экспериментальные характеристики МИС МШУ Диапазон рабочих частот, ГГц Коэффициент усиления, дБ Неравномерность коэффициента усиления, дБ 1,0…2,0 23,0…30,0 не более 3,0 Коэффициент шума, дБ 1,5…1,8 КСВН входа/выхода, ед. не более 2 Напряжение питания, В 3,0…5,0 Ток потребления, мА 30…50 Выходная мощность, мВт 5…10 Габаритные размеры, мм 1,6х1,6х0,2 МИС ограничителя мощности на диапазон частот 1,0 - 2,0 ГГц Ограничитель мощности DB(|S(2,1)|) (L) limiter DB(|S(1,1)|) (R) limiter -5 -0.2 -10 -0.4 -15 -0.6 -20 -0.8 -25 -1 -30 0.7 0.9 TFCM ID=TL1 W=500 um L=252 um C=15.12 pF W1=500 um W2=500 um D1=2 um D2=2 um CA=0.00012 RS=0.1 Ohm MRINDSBR ID=MSP2 NS=13 L1=440 um L2=380 um L3=850 um LN=350 um AB=90 W=40 um S=12 um WB=30 um HB=2 um LB=100 um EPSB=1 TDB=0 TB=0.2 um RhoB=2 12 Выходная мощность, дБмВт Коэфф. отражения, дБ Потери, дБ 0 10 1.1 TFCM ID=TL2 W=500 um L=250 um C=15 pF W1=500 um W2=500 um D1=2 um D2=2 um CA=0.00012 RS=0.1 Ohm 1.3 1.5 Частота, ГГц 1.7 1.9 2.1 2.2 p1: Freq = 1.5 GHz DB(|Pcomp(PORT_2,1)|)[1,X] (dBm) limiter Ограничитель мощности SDIODE ID=SD5 p1 SDIODE ID=SD6 8 SDIODE ID=SD1 SDIODE ID=SD4 6 SDIODE ID=SD7 SDIODE ID=SD9 4 SDIODE ID=SD8 SDIODE ID=SD2 PORT P=2 Z=50 Ohm 2 0 SDIODE ID=SD17 -2 SDIODE ID=SD19 PORT P=1 Z=50 Ohm SDIODE ID=SD12 SDIODE ID=SD3 SDIODE ID=SD11 0 5 SDIODE ID=SD20 SDIODE ID=SD10 SDIODE ID=SD13 10 15 20 Входная мощность, дБмВт SDIODE ID=SD14 SDIODE ID=SD18 SDIODE ID=SD15 25 30 33 МИС генератора, управляемого напряжением с выходным буфером с двумя противофазными выходами Экспериментальные характеристики МИС ГУН Диапазон перестройки частоты при изменении напряжения управления от 0 В до плюс 5 В, МГц Уровень выходной мощности на нагрузке 50 Ом каждого из двух противофазных выходов в рабочем диапазоне частот, мВт. 1280 – 1550 1,5…3,0 Подавление второй гармоники в спектре выходного сигнала, дБс не менее 30 Уровень фазовых шумов относительно несущей в полосе 1 Гц при отстройке 100 кГц, дБс/Гц не более минус 90 Напряжение питания, В Ток потребления, мА Размер кристалла, мм3 5,0 25...45 1,4 х 1,1 х 0,2 МИС балансного смесителя на ПТШ с драйвером сигнала гетеродина на диапазон частот 1,0 – 2,0 ГГц Основные экспериментальные характеристики Диапазон рабочих частот, ГГц Частота сигнала гетеродина, ГГц Диапазон сигнала промежуточной частоты, ГГц Коэффициент преобразования, дБ Коэффициент шума, дБ Мощность сигнала гетеродина, мВт КСВН входа/выхода 1,0 – 2,0 1,4 0,1 – 0,5 -1,0…3,0 Не более 8,0 1,0- 3,0 Не более 2 Напряжения питания, В +5/-3 В Ток потребления, мА 60...90 Размер кристалла, мм3 1,4 х 1,1 х 0,2 Миниатюрные пассивные элементы для СВЧ модулей в гибридно-монолитном интегральном исполнении Планарные катушки индуктивности с балочными выводами Кристалл ФНЧ с частотой среза 500 МГц Диодные смесительные сборки с балочными выводами Емкостной MEMS-элемент Модули СВЧ в гибридно-монолитном исполнении для входной части РПУ приемника спутниковой навигации ГЛОНАСС/GPS. Модуль первого преобразования частоты канала F1/GPS L1 Основные экспериментальные характеристики модуля А1-2 Модуль А1-2 +5В -3В +5В Основные параметры МШУ с ограничителем Диапазон входных частот, МГц -3В +5В 1570…1612 Коэффициент усиления, дБ 22…25 Коэффициент шума, дБ 1,5…1,9 КСВН входа, ед. Не более 2 Основные параметры активного смесителя Диапазон входных частот, MГц Диапазон выходных частот, МГц Коэффициент преобразования, дБ 1570…1612 185…225 17…23 Коэффициент шума, дБ 8,5…9,5 Напряжение питания, В +5 / -3 Ток потребления, мА 80…90 Габаритные размеры, мм 21х27х6 Модули СВЧ в гибридно-монолитном исполнении для входной части РПУ приемника спутниковой навигации ГЛОНАСС/GPS. Модуль второго преобразования частоты канала ГЛОНАСС F1 Модуль А2-2 Основные экспериментальные характеристики модуля А2-2 Диапазон входных частот, МГц 185…194 Диапазон выходных частот, МГц 11…19 Коэффициент преобразования, дБ 10…15 Напряжение питания, В +5,0 Ток потребления, мА 60…80 Габаритные размеры, мм 21х27х6 Модули СВЧ в гибридно-монолитном исполнении для входной части РПУ приемника спутниковой навигации ГЛОНАСС/GPS. Гетеродинный модуль А3 Модуль А3 +5В Вых. гет. +5В Основные экспериментальные характеристики модуля А3 Основные параметры первого гетеродина Два противофазных выхода U упр. Вых. гет. Диапазон выходных частот, МГц 1350…1450 Выходная мощность, мВт 2…5 Основные параметры второго гетеродина Четыре пары противофазных выходов Диапазон выходных частот, MГц Выходная мощность каждого выхода, мВт Напряжение питания, В Ток потребления, мА 165…182 Не менее 7 на нагрузку 150 Ом +5/-3 100…120 Исследования на стойкость МИС и модулей СВЧ на их основе к воздействию спецфакторов • Исследования на стойкость к воздействию спецфакторов по группам от 2У до 6У проводились на активных и пассивных элементах МИС: на транзисторах различной конструкции и C, R – элементах, а также макетах и экспериментальных образцах МИС и модулях СВЧ на их основе. • Испытания проводились совместно ЭНПО СПЭЛС и ФГУП «НПП «Салют» на испытательной базе НИИП (г. Лыткарино) в 2005–2006 гг. и совместно с ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова» на испытательной базе ФГУП «РФЯЦВНИИТФ им. Забабахина Е.И» (г.Снежинск) в 2007-2009 гг. • Для определения стойкости МИС были выполнены измерения их основных электрических параметров до, во время и после воздействия. • Испытания проводились с целью определения характера изменения параметров компонентов СВЧ монолитных интегральных схем (МИС) при воздействии спецфакторов с характеристикой 7И1, 7И6 и 7И7 по ГОСТ РВ 20.39.414.2-98. • Результаты испытаний МИС и модулей СВЧ на их основе на воздействие спецфакторов показали, что все образцы МИС и выдержали воздействие факторов 7И1, 7И7 и 7И6 с уровнем 6Ус и при этом остались в работоспособном состоянии. Таким образом, конструкция и технология изготовления обеспечивают устойчивое функционирование экспериментальных образцов МИС при воздействии спецфакторов 7И1, 7И7, 7И6 с уровнями 6Ус по ГОСТ РВ 20.39.414.2-98. Схема измерения СВЧ параметров модуля при проведении специспытаний и реакция модуля на воздействие фактора 7.И6: Основные результаты выполнения НИОКР в ФГУП «НПП «Салют» за 2004 – 2009 гг. • Разработан базовый технологический процесс изготовления радиационно-стойких МИС на арсениде галлия; • Определены основные типы эпитаксиальных гетероструктур для изготовления МИС; • Разработана библиотека элементов МИС для САПР, а также правила проектирования МИС, учитывающие особенности технологии их изготовления и позволяющие Заказчику проектировать заказные МИС на основе разработанной библиотеки; • Разработаны, изготовлены и исследованы более 30 типов МИС; • Разработаны, изготовлены и исследованы 7 типов модулей СВЧ для РПУ приемника спутниковой навигации на базе разработанных МИС; • Успешно проведены испытания схем и модулей СВЧ на их основе на воздействие спецфакторов.