Определение параметров моделей свч транзисторов по результатам измерений
На правах рукописи
Белова Юлия Васильевна ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛЕЙ СВЧ ТРАНЗИСТОРОВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИЗМЕРЕНИЙ 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Нижний Новгород – 2010
Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева Научный руководитель доктор технических наук, профессор, Никулин Сергей Михайлович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, старший научный сотрудник Щитов Аркадий Максимович кандидат технических наук, доцент Щербаков Владимир Викторович Ведущая организация ФГУП НПП «Пульсар», г. Москва
Защита состоится 17 ноября 2010 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.01 при Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина,
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева Автореферат разослан «13» октября 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Назаров А.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Успех разработки микроэлектронных СВЧ устройств, в частности микрополосковых интегральных схем, определяется результатами предварительного машинного проектирования и моделирования, а также совершенством моделей пассивных и активных (диодов, транзисторов) интегральных структур и электронных компонентов. Все известные системы автоматизированного проектирования, такие как Microwave Harmonica, Microwave Explorer, Success, Serenada фирмы Compact Software (Ansoft Inc), Libra (в составе HP Advanced Design System) фирмы HP EEsof, Microwave Office фирмы Applied Wave Research имеют обширную библиотеку моделей зарубежных транзисторов. Однако в настоящее время не существует, как таковой, библиотеки моделей транзисторов российского производства, предназначенных для работы в режиме малого и большого сигналов, что необходимо для проектирования автоматизированными средствами СВЧ устройств на их основе.
Параметры моделей транзисторов определяют по результатам измерений их волновых параметров рассеяния в контактных устройствах с внешними коаксиальными соединителями. Для исключения влияния контактного устройства на определяемые параметры проводят измерения с тестовыми полосковыми структурами с известными или частично известными параметрами и используют специальную математическую обработку данных для трансформации S-параметров в коаксиальном тракте к физическим границам транзистора. Известны различные способы решения этой задачи матричное вынесение, фильтрация окнами в сочетании с преобразованиями Фурье. Однако, несмотря на достигнутый прогресс в определении параметров транзисторов по результатам измерений остаются нерешенными следующие задачи:
Снижение стоимости оборудования. (Контактное устройство является весьма дорогими оборудованием, сопоставимым по стоимости с измерительной аппаратурой – векторным анализатором цепей);
Повышение точности. (Процедуры исключения влияния контактного устройства недостаточно эффективны из-за несовершенства конструкции в области контакта между коаксиальной и полосковой линиями передачи);
Расширение сферы использования. (Измерения S-параметров транзистора в полосковом тракте не соответствуют условиям работы транзисторов в усилителях мощности, умножителях и преобразователях частоты).
Решению этих актуальных задач и посвящена настоящая диссертационная работа.
Целью диссертации является разработка эффективных способов определения параметров моделей СВЧ транзисторов по результатам их измерений в составе усилительных модулей на постоянном токе и на СВЧ в режимах малого и большого сигналов, с применением пакетов прикладных программ математического моделирования и автоматизированного проектирования СВЧ устройств.
Методы исследования При выполнении работы использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Результаты теоретических исследований базируются на теории СВЧ цепей, теории функции комплексного переменного, методах аппроксимации числовых рядов, методах компьютерного моделирования. Эксперименты выполнены с использованием современного оборудования и методов обработки результатов косвенных измерений.
Научная новизна Научная новизна работы состоит в применении принципиально нового способа определения параметров транзисторов, основанного на идентификации параметров его схемной модели, по результатам измерений.
Существенно, что измеряют не транзистор в контактном устройстве, а усилительный модуль, помещенный в корпус с внешними коаксиальными соединителями. Задача исключения влияния внешних окружающих транзистор СВЧ-цепей решается методом удаленной нагрузки на основе идентификации параметров аналитической модели коаксиально-полосковых переходов и моделирования интегральных согласующих цепей и полосковых линий с помощью средств автоматизированного проектирования.
Предложен способ определения параметров модели транзистора по результатам измерений с фиксированными контактами между полосковыми и коаксиальными линиями и подтверждена его эффективность на основании сопоставления с альтернативными решениями.
Разработаны и исследованы методы определения параметров аналитических моделей коаксиальных переходов – с дюймовой и метрической резьбой, а так же коаксиально-полосковых переходов, не требующие использования аттестованных калибровочных мер.
Предложен новый метод определения волновых и идентификации схемных параметров модели СВЧ транзистора в СВЧ усилителе мощности в режиме большого сигнала по схеме с удаленной нагрузкой. Проведен анализ точности измерений в данном режиме с использованием математического аппарата по обработке массива экспериментальных данных.
Практическая ценность работы заключается:
В сокращении затрат при определении параметров СВЧ транзисторов по результатам измерений за счет исключения дорогостоящего контактного устройства и проведения испытаний в корпусе с фиксированными коаксиально-полосковыми переходами;
В повышении достоверности получаемой информации и расширении сферы использования моделей за счет проведения измерений в условиях реальной работы транзистора в качестве усилительного или преобразующего элемента;
В повышении точности результатов за счет исключения наиболее существенного источника погрешности, обусловленного нестабильностью параметров соединителей коаксиальных и полосковых линий в контактных устройствах;
В разработке программы для решения задачи идентификации аналитических моделей коаксиально-полосковых переходов в рамках одного проекта и использовании этих моделей при автоматизированном проектировании и моделировании интегральных СВЧ модулей.
В разработке нового метода определения волновых и идентификации схемных параметров моделей СВЧ транзисторов в режиме большого сигнала.
Практическое использование Работа выполнялась в соответствии с планом научной работы кафедры «Компьютерные технологии в проектировании и производстве». Результаты работы внедрены в ЗАО НПП «Салют-25» для разработки, проектирования и испытаний СВЧ приборов специального назначения, а также при выполнении ОКР «Овация», «Облегчение».
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается:
– использованием теоретически обоснованных методов описания СВЧ устройств;
– сравнением полученных результатов с зарубежными аналогами и результатами, полученными другими авторами;
– контролем результатов машинной оптимизации, путем проверки выполнения условий минимального значения целевых функций.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
XI Нижегородской сессии молодых ученых «Технические науки», г.Н.Новгород, 2006г.
XII Нижегородской сессии молодых ученых «Технические науки», г.Н.Новгород, 2007г.
V Международной молодежной НТК «Будущее технической науки», г.Н.Новгород, 2006г.
VI Международной молодежной НТК «Будущее технической науки», г.Н.Новгород, 2007г.
Международной НТК «Информационные системы и технологии» ИСТ 2006, г.Н.Новгород, 2006.
IV Международной молодежной НТК «Будущее технической науки», г.Н.Новгород, 2005г.
Международной НТК «Информационные системы и технологии» ИСТ 2005, г.Н.Новгород, 2005г.
Международной НТК «Интеллектуальные системы (AIS05 и интеллектуальные САПР (CAD2005)», г.Дивноморск, 2005г.
XVI Координационном научно-техническом семинаре по СВЧ технике, Н.Новгород, 2009г.
XV Нижегородской сессии молодых ученых «Технические науки», г.Н.Новгород, 2010г.
Публикации По теме диссертации опубликовано 12 работ.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 101 наименований. Общий объем работы страниц.
Положения, выносимые на защиту:
1. Методы определения параметров транзисторов по результатам измерений на постоянном токе и на СВЧ.
2. Способы идентификация моделей коаксиально-полосковых переходов, полосковых и резистивных структур.
3. Методы определения электромагнитных характеристик объектов по результатам измерений в согласованном тракте.
4. Сопоставительный анализ методов определения параметров транзисторов и экспериментальных результатов.
5. Идентификация параметров моделей СВЧ транзисторов в режиме большого сигнала.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении формулируется цель диссертационной работы, обосновывается ее актуальность, на основании обзора литературы ставятся задачи исследования, определяется новизна полученных результатов и их практическая ценность, кратко излагается содержание диссертации.
В первой главе диссертации проанализировано состояние проблемы на сегодняшний день, приведены работы, посвященные идентификации параметров транзисторов. Приведен обзор и дан критический анализ существующих методов автоматизированного измерения параметров СВЧ транзисторов. Наиболее существенные результаты получены во ФГУП «ЦНИРТИ», в Новгородском Государственном Университете, Пчелиным В.А.
– ФГУП «Исток» г.Фрязино. Проведен сравнительный анализ различных способов измерения и определения волновых и схемных параметров транзисторов. Намечены пути решения задач, поставленных в диссертационной работе.
Вторая глава посвящена определению параметров транзисторов по результатам измерений на постоянном токе и на СВЧ. Развиты известные методы определения параметров СВЧ транзисторов: по измеренным вольт амперным характеристикам, по результатам измерений транзистора в полосковых линиях передачи с учетом влияния коаксиально-полосковых переходов.
Наиболее известен способ нахождения параметров транзисторов или параметров их эквивалентных электрических схем – через вольт-амперные характеристики. В диссертации предложено инженерное решение данной задачи аппаратными и программными средствами компании National Instruments.
Транзисторы СВЧ диапазона предназначены для поверхностного монтажа в полосковые конструкции, поэтому их параметры и частотные характеристики следует определять в полосковых направляющих структурах, сформированных на изоляционных подложках. Для определения S-параметров структур относительно их физических границ используют различные способы исключения неидеальных характеристик контактного устройства на результаты измерений, основанные на матричных методах вынесения, преобразованиях Фурье и фильтрации типа «временное» или «спектральное» окно. Во второй главе оценена эффективность нахождения параметров внешних цепей погрешностей и волновых параметров СВЧ транзистора TRL методом. Особенность метода состоит в определении волновых параметров рассеяния микроэлектронных ВЧ и СВЧ компонентов относительно их физических границ (исключения неидеальных характеристик контактного устройства) с использованием набора не аттестованных полосковых мер. Однако, в данном случае, проблема нестабильности характеристик (свойств или параметров) контакта коаксиально-полоскового перехода не решается, поскольку в процессе калибровки контактного устройства, погрешность, вносимая трехкратным подключением отрезков микрополосковых линий, сказывается на последующих измерениях исследуемых объектов в данном контактном устройстве.
В работе проведена оценка адекватности моделей коаксиально полосковых переходов, полосковых и резистивных структур. Модель резистивной структуры представлялась матрицей рассеяния, элементы которой записаны в виде частотно зависимых полиномиальных функций.
Оценка адекватности моделей будет проводиться идентификацией. Под «идентификацией» следует понимать установление тождества в «частотных окнах» между результатами измерений реального транзистора в коаксиальном тракте и их моделей в виде эквивалентных электрических схем или аналитических моделей волновых параметров рассеяния.
Для идентификации параметров математических моделей использовалась многопараметрическая оптимизация целевых функций:
p S p S p p S p S p i i Re S11 Re S11 12 p21 R 0, Im S11 Im S11 12 p21 R 0, 1 S 22 R 1 S 22 R r r S12 S r R S11 r 1 S Решение этой задачи можно рассматривать как ступень к решению следующей, более сложной задачи, связанной с определением параметров моделей транзисторов в режиме согласования. В разделе 2.3.2 данной главы было предложено альтернативное, более точное и корректное решение задачи по определению коаксиально полосковых переходов и параметров микрополосковых конструкций с Рис.1. Топологический рисунок близкорасположенными элементами.
калибровочной платы С помощью ресурсов программы Microwave Office оценена эффективность связей, которая учтена при использовании контактной платы вида (рис.1) в качестве платы для монтажа и последующего измерения транзистора.
Третья глава диссертации посвящена идентификации параметров внешних цепей.
Входные и выходные импедансы ряда объектов СВЧ, таких как резистор, транзистор, диод, существенно отличаются от стандартного волнового сопротивления коаксиального тракта. Поэтому измерения и определение их параметров в полосковых линиях с волновым сопротивлением, близким к волновому сопротивлению коаксиального тракта, будут не оптимальны с точки зрения достижения минимальных погрешностей. Лучшего результата можно ожидать при определении параметров СВЧ объектов при малых амплитудах отраженных волн, т.е. для транзистора – с согласующими цепями на входе и выходе. В связи с этим возникает задача (экстракции согласующих цепей) исключения влияния окружающих цепей при определении параметров исследуемого объекта. Эта проблема может быть решена различными способами, среди которых наиболее известным является метод вынесения. В диссертации предложены новые альтернативные способы определения и исключения параметров согласующих цепей, ориентированные на применение средств автоматизированного моделирования и оптимизации.
Вопрос согласования входной и выходной цепей с транзистором необходимо учесть при корректной идентификации его параметров. Модели согласующих цепей в этом параграфе диссертации предлагается идентифицировать по результатам измерений S-параметров при замещении транзистора перемычкой (проходной) и в режиме на отражение (при отсутствии транзистора). Идентификация согласующих цепей при поиске оптимальных линейных моделей СВЧ транзистора в согласованном тракте является актуальной задачей и дает возможность для дальнейших экстракций внешних цепей погрешностей в виде переходов с дюймовой и с метрической резьбой (для векторных анализаторов цепей), а так же в виде коаксиально полосковых переходов – при работе с корпусными СВЧ структурами.
Задача идентификации согласующих цепей в главе 3 решена с помощью схемных моделей средствами пакета прикладных программ Microwave Office, на основе зависимостей вида (1) параметров при каскадном включении объектов (a,b,c):
ab c S 21 S 21S S 21, 1 S 22 S11 S11 S 22 S 22 S11 det S b a b cb a c S12 S 21 S11 S11 det S b aa b c (1) a S11 S11, 1 S 22 S11 S11 S 22 S 22 S11 det S b a b cb a c c ba S12 S12 S S12, 1 S 22 S11 S11 S 22 S 22 S11 det S b a b cb a c S12 S 21 S 22 S 22 det S b c c b a c S 22 S.
1 S 22 S11 S11 S 22 S 22 S11 det S b a b cb a c В процессе оптимизации целевых функций был решен вопрос о критерии выбора размера «частотного окна» (выбранного частотного диапазона анализа), в котором проводилась оптимизация целевых функций.
Наряду с проблемой исключения окружающих транзистор согласующих цепей, при его измерении, существует вопрос корректности непосредственно самого процесса измерения СВЧ структур векторными анализаторами цепей таких производителей как Agilent Technologies, Rohde & Schwartz и т.п. При проведении измерений необходимо исключать влияние на результаты так называемых внешних цепей погрешностей в виде переходов с дюймовой и метрической резьбой (неаттестованные переходы) в стандартных коаксиальных каналах. Такие переходы для импортной измерительной аппаратуры предлагает ряд российских предприятий (ЦНИИИА Саратов, «Микран» Томск, «Эталон» Омск). Отсутствие аттестованной согласованной нагрузки с метрической резьбой не позволяет рассчитывать на высокое качество калибровочной процедуры.
В данной главе диссертации предлагаются способы определения параметров рассеяния коаксиальных переходов с дюймовой и метрической резьбой по результатам измерений фиксированных короткозамыкателей и подвижной нагрузки, с последующей обработкой данных средствами автоматизированного проектирования.
В третьей главе так же рассматривается идентификация параметров окружающих транзистор цепей методом удаленной нагрузки. На основании полученных результатов восстановления параметров неаттестованных переходов с помощью предложенных ранее в данной главе методов, делалось предположение о возможности идентификации коаксиально-полоскового перехода аналогичным образом, в рамках решения общей задачи диссертации по нахождению параметров моделей СВЧ транзисторов. Решение задачи идентификации параметров коаксиально-полоскового перехода становится актуальной для транзисторных корпусных СВЧ структур. Отличие от задачи, решенной для перехода, состоит в необходимости восстановления не только самого коаксиально-полоскового перехода (КПП), но и неизвестного затухания, и эффективной диэлектрической проницаемости микрополосковых линий.
Актуальность задачи исключения влияния КПП на результаты измерений СВЧ транзисторов и транзисторных структур в тракте, решенная в данном разделе работы, определяется отсутствием на настоящее время алгоритмов для расчета КПП, составленных на основе строгих математических моделей, адекватно отражающих физические процессы в этих устройствах. Оговоренные задачи решались несколькими методами по измерению СВЧ транзисторов и транзисторных модулей, основанных на результатах измерений S-параметров векторными анализаторами цепей с последующей обработкой и «привязкой» к программной модели всей измерительной установки.
В ходе выполнения данной части диссертации возникла потребность в автоматизации процесса идентификации параметров модели КПП в связи с громоздкостью и сложностью исходного проекта обработки данных. Для автоматизации процесса идентификации параметров КПП, разработан удобный пользовательский интерфейс, что повысило быстродействие решения всей задачи в целом.
Окружающие транзисторный каскад цепи состоят из коаксиально полосковых переходов и интегральных согласующих цепей, сформированных методом тонкопленочной технологии или в виде печатной платы на изоляционной подложке из высококачественного диэлектрика. Пакет прикладных программ MWO способен с высокой точностью воспроизвести частотные характеристики полосковых линий, и их взаимное влияние вследствие электродинамической близости проводников. Таким образом, предложено восстанавливать окружающие транзистор цепи методом удаленной нагрузки.
В решении задачи идентификации параметров моделей СВЧ транзисторов методом удаленной нагрузки необходимо так же исключить влияние нестабильности контакта между коаксиальной и микрополосковой линией. В связи с этим, был разработан корпус макета с зафиксированными однократно КПП и, тем самым, существенно повышена точность идентифицируемых схемных параметров моделей транзисторов уже на этапе предварительной калибровки.
В четвертой главе приведены методы определения волновых и схемных параметров транзисторов.
Метод идентификации согласующих цепей.
Под определением параметров согласующих цепей в задаче идентификации транзистора в данной главе предполагалось, что окружающие транзистор четырехполюсники погрешностей включают в себя и коаксиально полосковый переход, и согласующую цепь – рис.2.
По аналогии с методом идентификации согласующих цепей, подробно рассмотренных в главе 3, в применении к идентификации параметров схемных моделей транзисторов, проводились три измерения в «частотных окнах».
Методика проведения идентификации параметров СВЧ транзистора, Рис.2. Блок-схема метода определения используемая в данном разделе главы параметров согласующих цепей повторяет методику, описанную в разделе 3.1 главы 3.
В качестве исследуемой схемной модели СВЧ транзистора была выбрана модель TOM1 в среде автоматизированного проектирования.
Эквивалентная схема кристалла транзистора приведена на рис.3.
В разделе 4.1. приведены сравниваемые частотные зависимости волновых параметров рассеяния модели транзистора и восстановленные идентификацией.
Кроме того, приведена таблица значений параметров элементов эквивалентной схемы (рис.3).
Рис.3. Эквивалентная схема модели транзистора Сопоставительный анализ результатов идентификации схемных и волновых параметров моделей СВЧ транзисторов.
В разделе 4.2 диссертации исследованы результаты сравнения идентифицированных тремя методами волновых и схемных параметров модели СВЧ транзистора в диапазоне (2-4) ГГц. Первый метод – TRL – использован в главе 2 настоящей работы и как таковой новизны не вносит, но т.к. он является общепризнанным, то необходимо сопоставить его с новыми методами, предлагаемыми в рамках данной диссертации.
Второй метод – идентификация согласующих транзистор цепей, рассмотренный в разделе 4.1, подразумевает объединение коаксиально полоскового перехода и входной (выходной) согласующей цепи во внешний четырехполюсник погрешностей, с последующим его исключением.
Третий метод – удаленной нагрузки, его идея рассмотрена еще в главе 3. Основан на компоновке аналитической схемы коаксиально-полоскового перехода и топологическом представлении согласующих транзистор цепей, которое максимально приближено к реально существующим, благодаря широким возможностям программного продукта Microwave Office, так же, задается точной математической зависимостью модель микрополосковой линии.
Для идентификации параметров модели СВЧ транзистора ставились в соответствие схемной модели соединения КПП, СВЧ адаптер питания, корпус макета с усилительным модулем аналитическая модель. Аналитически описан КПП с адаптером питания, а согласующие цепи максимально точно возможно реализовать средствами автоматизированного проектирования.
Анализируя полученные результаты идентификации волновых параметров модели СВЧ транзистора, отмечалось, что достоинством метода TRL является его работоспособность с достаточно высокой степенью точности (относительное отклонение составило около 0,4 дБ для |S21|) во всем диапазоне анализа одновременно. Хотя относительное отклонение значений для остальных волновых параметров 0,4 дБ. Неточность метода TRL объяснялась тем, что на этапе калибровки на модельном уровне, также учитывалась неповторяемость контактов КПП–микрополосковая линия (нестабильность параметров контактов), которая, в свою очередь, дала вклад в сами измерения транзистора. Так же, погрешность метода TRL объясняется тем, что волновые параметры неизвестного объекта восстанавливались при неточно известном волновом сопротивлении микрополосковой линии, в то время как в методе удаленной нагрузки, например, частотная зависимость волнового сопротивления микрополосковой линии определяется с помощью математического выражения, коэффициенты которого так же участвуют в общей идентификации.
Восстановление волновых параметров рассеяния транзистора через идентификацию согласующих цепей по своей точности не отличилось существенно от предыдущего метода, поскольку схема измерений не подразумевала наличия отрезков микрополосковых линий между КПП и согласующими цепями, что сделало нечувствительными к определению некоторые параметры СВЧ транзистора.
Определение параметров транзистора по результатам измерений в полосковых линиях передачи.
Предварительная калибровка контактного устройства проводилась методом TRL. Теоретические исследования метода в главе 2, дают основание для проведения эксперимента.
На рис.4 приведены фотографии измерительного стенда и отдельно – контактного устройства.
После калибровки в контактное устройство устанавливалось основание с СВЧ транзистором в пятидесятиомном микрополосковом СВЧ тракте. В MWO моделировался стенд измерений. Задача определения параметров неизвестного транзистора сводилась к исключению влияния на результаты измерений окружающих его электрических цепей: переходов с дюймовой резьбы на метрическую, СВЧ адаптеров питания по постоянному току и коаксиально-полосковых переходов с микрополосковыми линиями передачи, в которые установлен исследуемый СВЧ транзистор.
а б Рис.4. Измерительный стенд – а, контактное устройство – б На точности нахождения модели транзистора сказалось несовершенство методики калибровки, а так же нестабильность контактов коаксиальный переход – микрополосковая линия. Экспериментальные результаты подробно проанализированы в диссертации.
Метод удаленной нагрузки в задаче определения параметров транзистора по результатам измерений.
Основываясь на положительных результатах, сделанных в разделе 4.2, в рамках диссертационной работы были разработаны макеты усилительного модуля и самого корпуса для исследования метода удаленной нагрузки на практике. Стенд измерений включал в себя два источника питания (для подачи напряжения в затвор и сток транзистора), векторный анализатор цепей ENA E5071C, два СВЧ адаптера, макет корпуса со съемными основаниями, на которых монтируются калибровочные меры и измеряемый объект (рис.5). Для идентификации КПП методом удаленной нагрузки, съемное основание с усилительным модулем помещалось в корпус с КПП, между отрезками микрополосковых линий передачи равной длины. Тип СВЧ транзистора, исследуемого в данной части диссертации – NE3210S01, его эквивалентная электрическая схема, в том числе и параметры, моделирующие корпус, рассмотрены в главе 2.
б в а Рис.5. Измерительный стенд – а, топология транзисторного СВЧ усилителя с обратной связью – б, макет для измерения по методу удаленной нагрузки Измеренные волновые параметры рассеяния всего соединения импортировались далее в MWO. Проводились математические оптимизационные процедуры по переносу плоскости измерения непосредственно к самому транзистору. Как уже отмечалось ранее, несомненным достоинством данного способа измерения является то, что исключается нестабильность параметров контактов коаксиальный переход – микрополосковая линия, за счет того, что данные переходы фиксируются в макете однократно и после калибровок не меняют своего положения.
Следовательно, по такому же принципу, однократно зафиксировав практически любые переходы, можно говорить об эффективном восстановлении их волновых параметров в виде аналитических функций.
Более подробно экспериментальные результаты проанализированы в диссертации.
В пятой главе рассмотрена идентификация параметров моделей СВЧ транзистора в режиме большого сигнала.
В режиме большого сигнала S-параметры нелинейной структуры, окруженной входными и выходными фильтрующими, питающими и трансформирующими цепями, являются функцией амплитуд и разности фаз a, a, arga / a S S падающих волн, т.е. ij ij 1 2 1 2. Любой способ измерений S-параметров предполагает изменение режима возбуждения анализируемого объекта, поскольку анализу поддаются не более двух величин. Но при каждом новом режиме возбуждения появляются четыре новые неизвестные. По этой причине задача восстановления искомых величин традиционными методами анализа является некорректной, так как число неизвестных величин будет всегда больше числа уравнений, из которых они определяются. Более того, возбуждение нелинейной структуры с выхода, например, при согласованном входе, вообще не целесообразно, так как невозможно предвидеть ее реакцию на такое воздействие. Не случайно пакет прикладных программ автоматизированного проектирования СВЧ устройств Microwave Office вычисляет с помощью нелинейных моделей элементов только входной коэффициент отражения S11 и коэффициент прямой передачи S21.
Задачу удается решить методом удаленной нагрузки. Если подключить к нелинейной цепи внешнюю нагрузку Zн Zв через достаточно длинный отрезок линии передачи заданного волнового сопротивления Zв.
Суть метода состоит в том, что при удаленной нагрузке режим согласования нелинейной цепи сохраняется, при этом все ее волновые параметры рассеяния, как медленные функции частоты, становятся доступными к восстановлению из анализа частотных зависимостей коэффициента передачи или преобразования частоты и коэффициента отражения.
Измерения, производимые векторным анализатором цепей, основаны на прямом анализе волн, взаимодействующих с измеряемым объектом в условиях идеального согласования.
S-параметры в векторных анализаторах цепей получают косвенными методами, поскольку комплексные амплитуды волн, действующие непосредственно на входе и выходе анализируемой цепи недоступны для непосредственного измерения. Для исключения влияния так называемых окружающих цепей, образованных соединительными коаксиальными кабелями, направленными ответвителями опорными и измерительными приемниками, проводят специальные калибровочные измерительные процедуры с помощью отражающих и проходных мер волнового сопротивления.
Векторный анализатор цепей реализован в виде модели в Microwave Office. В окне «Output Equation» формируется программа обработки информационных сигналов для восстановления параметров виртуальных цепей погрешности.
После выполнения калибровки векторного анализатора цепей в среде MWO, проведено моделирование процесса измерения искомого неизвестного СВЧ транзисторного модуля с удаленной нагрузкой, сделав тем самым чувствительными к восстановлению все его волновые параметры. Для проверки работоспособности предлагаемого метода удаленной нагрузки достаточно провести только три измерения векторным анализатором цепей:
длинного кабеля с нагрузкой, одного транзисторного модуля и длинного кабеля с удаленной нагрузкой и транзисторным модулем рис.6.
Измерения кабеля с нагрузкой следует провести по стандартной методике для определения его полной матрицы рассеяния, а измерения транзисторного модуля и транзисторного модуля с кабелем и нагрузкой ограничиваются только входным коэффициентом отражения и передачи. Волновые параметры исследуемого СВЧ Рис.6. Измерения векторным транзистора связаны с коэффициентами анализатором цепей в методе удаленной нагрузки отражения и передачи измерений векторным анализатором цепей, следующим образом:
A VT S 22, B VT VTR VTR VT A K 21 S 21 K 21 (1 S 22 r 2 ), B K 21 ( S22 S11r 2 S11 S12 S 21r 2 ) S 21 S 21r 2, Ar VT VT S 21 K 21 1, B CD(VTR VT ) VT S12, VT VT ( P CDr 2 K 21 S 21 S11 В ) VT VT VT C 1 S 22 S11, D C (1 S 22 r 2 ) S12 S 21 S 22 r 2, P S12 S 21 S 21r 2, S11 VT S12 r 2 K 21, VT VT VT VT VTR где K 21 и K 21 - измеренные векторным анализатором цепей и пересчитанные к границе объекта коэффициенты передачи схем только с транзистором и транзистора с удаленной нагрузкой соответственно;
Г VT и Г VTR - измеренные векторным анализатором цепей и пересчитанные к границе объекта коэффициенты отражения схем только с транзистором и транзистора с удаленной нагрузкой соответственно;
S11, S12, S21, S22 -волновые параметры матрицы рассеяния, трансформирующие измерения векторного анализатора цепей к границе объекта, получены по результатам измерения кабеля с удаленной нагрузкой – рис.6 (1).
Таким образом, имея 2 измерения векторным анализатором цепей, возможно восстановить аналитически волновые параметры неизвестного СВЧ транзистора, а следовательно, предположить, что данный метод справедлив и для режима большого сигнала и для восстановления параметров эквивалентной схемы.
Оценена точность восстановления параметров модели транзистора в условиях шумовой погрешности векторного анализатора цепей с помощью специального программного алгоритма. Производилось 10 измерений в соответствии с рис.6, с учетом шумовой характеристики векторного анализатора. Каждое из 10-ти измерений зашумлено с погрешностью 0,01 – по модулю, и 1° – по фазе, но с отличающимися друг от друга реализациями.
VT VTR Таким образом, есть 10 измерений каждого параметра – K 21, K 21, Г VT, Г VTR, которые, кроме того, являются частотно зависимыми функциями, таким образом, возникает задача обработки массива данных.
Для оценки точности восстановления параметров транзистора в шумах, был применен математический аппарат, используемый для обработки ряда измерений. Коэффициент вариации для рассчитанных волновых параметров СВЧ транзистора в рабочем диапазоне частот показал, что отклонения расчетных значений при многократных измерениях находятся в пределах нормы (V[S]10%). Максимальное значение коэффициента вариации зафиксировано для S22 и составило 0,6%.
Анализ точности определения S-параметров.
Анализ точности восстановления волновых параметров СВЧ транзистора в линейном режиме, представленный ранее, позволяет сделать предположение о справедливости использования метода удаленной нагрузки и в режиме большого сигнала. В данном разделе предлагается работать не с самим транзистором, а с СВЧ усилителем мощности, т.к. одного транзистора не достаточно для оценки режима большого сигнала.
Эквивалентная электрическая схема модели СВЧ транзистора, работающего с высоким уровнем мощности, приведена на рис.7.
Рис.7. Нелинейная модель полевого транзистора (Curtice Cubic Nonlinear FET Model) Усилитель возбуждается однотоновым сигналом мощностью 20дБм (0,1 Вт) в диапазоне частот (33,5) ГГц с шагом 5 МГц. Выходной уровень мощности рассматриваемого усилителя составил 30,4 дБм (~1,1 Вт).
Используя метод, подробно рассмотренный ранее, проводятся измерения анализатором цепей на модельном уровне, непосредственно СВЧ усилителя мощности.
При анализе точности нахождения искомых волновых параметров усилителя мощности по ранее предложенной методике, возникает вопрос корректной оценки восстановления волновых параметров S12 и S22, поскольку программа MWO не позволяет в чистом виде измерить данные больше сигнальные параметры СВЧ усилителя мощности при простом возбуждении однотоновым сигналом одного усилителя мощности. Для решения данной проблемы, предлагается воспользоваться возбуждением каскадного включения усилителя мощности с удаленной нагрузкой (не в анализаторе цепей). Используются частотные зависимости волновых параметров для каскадного включения двух четырехполюсников (усилитель мощности и длинная линия с разъемами и удаленной нагрузкой).
Максимальное относительное отклонение от истинного значения по модулям из всех волновых параметров оказалось у |S21| и составило =0,32 на частоте f =3 ГГц по сравнению с истинным значением на этой же частоте |S21_истинн|=3,28. По фазе (S11) имеет максимальное относительное отклонение =14° от истинного значения, равного (S11_истинн)=76° на частоте f =3 ГГц.
Оценить корректность использования метода удаленной нагрузки для режима большого сигнала возможно, если уменьшать величину уровня входной мощности. В данном случае, величина уровня входного сигнала изменялась от 20дБм до -9дБм, с шагом 5дБм. С уменьшением уровня входной мощности, наблюдалось сближение расчетных характеристик с истинными значениями.
Идентификация схемных параметров эквивалентной модели транзистора.
В данном разделе, повторялись измерения, как и в предыдущем разделе, однако, в усилителе мощности СВЧ транзистору ставилась в соответствие его эквивалентная электрическая схема, значения параметров которой необходимо восстановить в условиях возбуждения усилителя сигналом мощностью 20дБм по схеме с удаленной нагрузкой. В отличие от измерений в предыдущем разделе, в данном случае, транзистор считается неизвестным объектом, модель которого нужно адекватно идентифицировать для среды автоматизированного проектирования, для дальнейшего расчета согласующих цепей к нему.
Моделировались измерения векторным анализатором коэффициента передачи и отражения в режиме большого сигнала схем с удаленной VT VT VTR VT VTR нагрузкой и без ( K 21, K 21, Г и Г VTR ), согласно рис.6 K 21, K 21, Г и Г VTR VT считаются известными. Для идентификации параметров модели СВЧ транзистора, необходимо на модельном уровне поставить в соответствие предыдущим измерениям измерения усилителя мощности, но транзистор рассматривать с позиции больше-сигнальной эквивалентной схемы. Таким VT * образом, будет еще один набор волновых параметров K 21 *, K 21 *, Г и Г VTR*.
VT VTR Оптимизация в задаче идентификации параметров модели СВЧ транзистора мощности проводилась минимизацией целевых функций в рабочем диапазоне частот, по параметрам выбранной эквивалентной схемы.
Анализ результатов, полученных методом идентификации параметров моделей СВЧ транзистора в режиме большого сигнала по схеме с удаленной нагрузкой, позволил судить об относительно высокой степени точности, предлагаемого метода. Относительное отклонение от истинного значения у каждого параметра эквивалентной схемы транзистора не превышает 20%.
Погрешность обусловлена несовпадением уровней мощности на входе транзистора при измерении и моделировании.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ В результате выполнения диссертационной работы решены задачи, связанные с разработкой новых методов определения параметров СВЧ транзисторов:
Предложена методика определения волновых и схемных параметров транзисторов по результатам измерений на постоянном токе и на СВЧ.
Получены экспериментально вольт-амперные характеристики транзистора с применением виртуального прибора. Определен возможный способ нахождения параметров моделей транзисторов при импортировании измеренной вольт-амперной характеристики в программу Microwave Office.
Показана целесообразность измерения не одного транзистора, а транзистора в составе усилительного модуля, чтобы результаты измерений соответствовали реальным условиям применения данного транзистора.
Определены параметры моделей транзистора по результатам измерений в согласованном тракте и методом удаленной нагрузки. Предложен метод идентификации волновых параметров согласующих цепей.
Рассчитаны волновые параметры коаксиальных неаттестованных переходов, с целью исключения их как внешних цепей погрешностей.
Разработана программа автоматизации процесса идентификации параметров модели КПП.
Проведен подробный сопоставительный анализ методов определения параметров транзисторов и экспериментальных результатов, позволивший на конкретных численных примерах показать эффективность и преимущество предложенных решений по сравнению с известными методами.
Предложен новый метод корректного определения волновых параметров транзистора в режиме большого сигнала, основанный на результатах измерений входного коэффициента отражения и прямой передачи.
Предложен способ идентификации схемных параметров модели СВЧ транзистора по результатам двух измерений в частотном окне.
Проведенный анализ точности измерений в данном режиме с использованием математического аппарата по обработке массива экспериментальных данных показал эффективность предложенных решений.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Кузьмина Ю.В. Идентификация параметров моделей СВЧ транзисторов с помощью САПР «Microwave Office» / Ю.В. Кузьмина // Будущее технической науки: тез. док. Междунар. науч.-технич. конф., Н.Новгород, 2005г. – С.9.
Кузьмина Ю.В. Идентификация параметров моделей СВЧ транзисторов / Ю.В. Кузьмина, С.М. Никулин // Интеллектуальные системы (AIS05) и интеллектуальные САПР (CAD2005): тр. Междунар. науч. – техн.
конф. – М.: ФИЗМАТЛИТ. – 2005г. – Т2 – с.340.
Белова Ю.В. Идентификация параметров моделей СВЧ транзисторов методом удаленной нагрузки / Ю.В. Белова, С.М. Никулин // Методы и устройства передачи и обработки информации - 2007. - №9. – 220-231.
– ISBN 978-5-93530-202-3/ Белова Ю.В. Методики калибровки векторных анализаторов цепей в коаксиальных каналах с метрической резьбой // Ю.В. Белова, С.М.
Никулин // Материалы XVI координационного научно-технического семинара по СВЧ технике, Н.Новгород, 2009г. – С 153.
Белова Ю.В. Идентификация параметров моделей транзисторов методом удаленной нагрузки / Ю.В. Белова // Технические науки: тез.
докл. сессии молод. уч., Н.Новгород, 2005г.
Белова Ю.В. Идентификация параметров моделей СВЧ транзисторов средствами эксперимента и автоматизированного проектирования / Ю.В. Белова // Технические науки: тез. докл. сессии молод. уч., Н.Новгород, 2006г Белова Ю.В. Идентификация параметров контактных устройств и элементов интегральных структур/ Ю.В. Белова // Технические науки:
тез. докл. сессии молод. уч., Н.Новгород, 2006г.
Белова Ю.В. Нахождение параметров моделей СВЧ транзисторов по результатам эксперимента и компьютерного моделирования/ Ю.В.
Белова // Будущее технической науки: тез. докл. Междунар. науч. технич. конф., Н.Новгород, 2007г.
Белова Ю.В. Идентификация параметров моделей транзисторов методом удаленной нагрузки/ Ю.В. Белова // Будущее технической науки: тез. докл. Междунар. науч.-технич. конф., Н.Новгород, 2006г.
Белова Ю.В. Калибровка векторных анализаторов цепей в коаксиальных каналах с метрической резьбой / Ю.В. Белова, И.Н.
Малышев, С.М.Никулин // Измерительная техника. – 2009. - №11 – С.46-48. – ISSN 0132-4713.
Белова Ю.В. Идентификация параметров интегральных структур в полосковых линиях передачи по результатам эксперимента // Ю.В.
Белова, С.М. Никулин // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. – 2009. - №4 – С38- Белова, Ю.В. Сопоставительный анализ результатов идентификации схемных и волновых параметров моделей СВЧ транзисторов / Ю.В.
Белова // 15-я Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки: Материалы докладов, Н.Новгород – 2010. – С.26-27.
Подписано в печать 01.10.2010. Формат 60 84. Бумага офсетная.
Печать офсетная. Печ. Л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ Нижегородский государственный технический университет им.Р.Е.Алексеева.
Типография НГТУ.
603600, ГСП-41, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.