eng
Выпуск #6/2006
А.Пономарев, В.Юрченко, Э.Яук.
Перспективы развития СВЧ-систем двойного назначения
Перспективы развития СВЧ-систем двойного назначения
Просмотры: 3711
В ближайшее десятилетие элементы электронной компонентной базы СВЧ будут использоваться не только для военных, но и для гражданских применений, таких как системы радиолокации, системы сотовой связи и телекоммуникаций. Роль этих систем и используемых в них СВЧ-устройств в практике гражданских применений трудно переоценить. Потенциал развития отечественной науки и техники в области создания аппаратуры для телекоммуникаций в миллиметровом диапазоне длин волн достаточно высок, для того чтобы создавать системы и средства только на отечественной твердотельной компонентной базе СВЧ. В статье рассмотрены конструктивно-технологические подходы и представлены результаты создания дискретных приборов и систем СВЧ-диапазона двойного назначения, пригодных для гражданских применений.
Введение
Для предприятия, специализирующегося в области СВЧ-микроэлектроники, важно участвовать в создании электронной компонентной базы (ЭКБ) на основе арсенида галлия, элементы которой используются для новых радиотехнических систем. В НИИПП разрабатываются и выпускаются такие базовые элементы, как генераторные диоды Ганна, диоды с барьерами Шотки, полевые и биполярные транзисторы – основа для развития большинства интегральных схем (ИС).
Новым на данном этапе (одновременно с разработкой требуемой номенклатуры элементов и ИС) является необходимость создания радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) двойного назначения на основе этой номенклатуры. Эта практика характерна для всех ведущих компаний мира. Такая постановка задачи потребовала от нас владения в равной степени не только проектированием твердотельных СВЧ ИС, но и проектированием РЭА в целом. Использование наработок в области технологии GaAs-схем и дискретных СВЧ-приборов и новая организационная структура позволили НИИПП осуществить в 90-е годы прорыв в области создания цифровой РЭА.
Ниже представлен краткий обзор методов организации проектирования, конструктивно-технологических подходов и результатов, достигнутых в создании дискретных приборов и РЭА для СВЧ-диапазона.
Методы организации проектирования современной цифровой РЭА
Наше поступательное развитие исторически шло от дискретных приборов СВЧ-микроэлектроники к созданию РЭА и систем на ее основе. Сначала, а по ряду устройств и сегодня работу по созданию РЭА разделяли на самостоятельные этапы, поручая их выполнение отдельным группам специалистов разного профиля. Аппаратура в целом проектировалась специалистами радиотехнического профиля, а ИС – разработчиками полупроводниковых приборов.
При таком подходе работа над каждой ИС выливалась в отдельную тему, выполняемую группой соответствующих специалистов. Если таких ИС несколько, то работа по созданию РЭА превращается в сложную организационную задачу, в решении которой задействованы одновременно главный конструктор РЭА и разработчики отдельных ИС (не считая стоящих за ними коллективов с разными целями и сроками их выполнения). Это неизбежно приводило к противоречиям целей и интересов и, как результат, к затягиванию выполнения работ в целом, не говоря об ошибках, неизбежно возникающих на всех стадиях проектирования.
Этот этап развития СВЧ-микроэлектроники, который предполагалось встроить в процесс проектирования РЭА, завершился большим количеством макетных и опытных образцов арсенид-галлиевых ИС и модулей на их основе, которые редко удавалось объединить в единую, эффективно функционирующую аппаратуру.
Главный конструктор ведет процесс сквозного проектирования, включая схемотехническое проектирование аппаратуры, топологическое проектирование всех ИС и ГИС, и определяет фронт работ по созданию вспомогательных функциональных узлов, сборке и настройке РЭА в целом. Метод сквозного проектирования дает возможность не только создавать РЭА, обладающую высокими техническими характеристиками, но и делать десятки вариантов ИС без изменения проектируемой системы в целом. Нужно иметь в виду, что предприятия электронной отрасли проводят такую работу более глубоко в технологическом плане, чем это делают предприятия радиотехнической отрасли.
Именно предварительные наработки по созданию ЭКБ СВЧ-диапазона и сквозное проектирование ГИС, МИС и РЭА в целом позволяют выйти на рынок систем двойного назначения.
Конструктивно-технологические принципы создания МИС
Основные особенности конструкций и технологии монолитных схем миллиметрового диапазона, предназначенных для монтажа в Е-плоскости волновода, наиболее полно описаны в работе [1]. Принципиальная особенность технологии и конструкции малых интегральных схем (МИС) такого типа состоит в том, что при разделении пластины на отдельные чипы-схемы удаляется большая часть подложки вместе с n+-n-слоями. Несущей конструкцией МИС является не подложка, как в обычных МИС, а слой металлизации. Толщина слоя металлизации порядка 10 мкм позволяет осуществить монтаж схем в волноводе. Размеры схем таковы, что они ложатся на края волноводного канала с перекрытием в 100–200 мкм. Малая толщина металлизации исключает необходимость создания специальной выемки в корпусе под схему. Она закрепляется сжатием двух половинок волноводного корпуса. На рис. 1 приведены смесители и генераторы Ганна (см. их параметры в табл.1–3), выполненные согласно описанным принципам.
МИС изготавливается с выводами для подачи питания и других сигналов, которые при монтаже легко отгибаются благодаря специальной форме. В конструкции корпуса предусмотрены выемки для размещения кристаллов-фильтров, выходящих за пределы волноводного канала, для исключения возможности короткого замыкания между выводами и корпусом.
Для модулей и устройств, предназначенных для работы в жестких условиях, предусмотрено заполнение волноводного канала диэлектриком – специальным пенопластом с низкой (<1,5) диэлектрической проницаемостью и малыми потерями. При этом механическая прочность модулей увеличивается настолько, что они выдерживают ударные нагрузки более 20000 g. Более того, КВЧ-модули с заполнением выдерживают длительные испытания на влагостойкость.
Использование этих решений позволило разработать в 2002 году миниатюрный (<7 cм3) ударопрочный 2-канальный приемопередатчик 3-мм диапазона. Планируется осуществить еще две опытно-конструкторские разработки в развитие этого направления, которые позволят повысить дальность и уменьшить размеры модулей.
На рис.1–3, а также на Web-сайте НИИПП [2] приводятся результаты отдельных разработок различных МИС, выполненных в последние годы и предназначенных для создания модулей и устройств СВЧ-диапазона.
Системы и модули
Используя новые элементы, можно получить высокие технические характеристики там, где требуется обеспечивать очень быструю перестройку частоты в широком диапазоне рабочих частот. Из всех областей радиотехники можно выделить три направления, на которых важнейшей проблемой является сверхточная сверхскоростная цифровая широкополосная перестройка частоты. Это – радиолокация, радиопротиводействие и телекоммуникации.
В радиолокации широко используются линейно-частотно-модулированные (ЛЧМ) сигналы с очень большим диапазоном перестройки по частоте. Поэтому в составе средств, используемых в радиолокационной технике, необходимо иметь широкополосные высокочастотные тракты, позволяющие синтезировать, преобразовывать, принимать и анализировать широкополосные сигналы.
Другой областью, в которой ЭКБ СВЧ определяет основные тактико-технические характеристики, является аппаратура радиоэлектронного противодействия (РЭП). Ее задача – быстрое обнаружение, распознавание, анализ и синтез радиочастотных сигналов активной помехи, их усиление, излучение и подавление источника сигналов противника.
С технической точки зрения для этих целей нужно разработать возбудитель – быстродействующий цифровой синтезатор сигнала надлежащей амплитуды, частоты и фазы, обеспечивающий безынерционный синтез сложных сигналов по заданному алгоритму. Как правило, синтезаторы должны обеспечивать многоканальный режим работы с очень быстрым переключением каналов. Созданная в НИИПП БИС цифрового синтезатора частоты наилучшим образом подходит для разработки образца возбудителя ВГ-502М в составе станций Р-934У.
СВЧ ППМ активной фазированной антенной решетки (АФАР) на основе GaAs МИС востребованы в радиолокационной технике наземного и авиационного базирования. Начиная с 2007 года планируются поставки не менее 100 тысяч штук ППМ. В состав ППМ АФАР входят (наряду с другими) следующие МИС: малошумящий усилитель, скоростной переключатель/модулятор и усилитель мощности. Производство этих узлов имеет большое значение для отечественного рынка радиокомпонентов систем микросотовой связи и сотового цифрового телевидения.
Российский рынок в настоящее время потребляет значительное количество современных средств связи (включая радиорелейные линии, компьютерные линии связи, сотовые системы связи, спутниковые системы связи, линии передачи телевизионных сигналов и др.). В настоящее время в Сибирском регионе развивается производство средств связи СВЧ в диапазоне частот от 2 до 96 ГГц. На рис.2 представлена разработанная НИИПП система цифровой передачи данных, технические характеристики которой сведены в табл.4
Это производство вызывает у производителей потребность в формировании отечественной ЭКБ в виде связных ППМ и частотно-задающих цепей к ним. Оценка требуемого объема поставок ППМ различных типов может вырасти до уровня 80 миллионов долларов США в год. СВЧ-модули, соответствующие по характеристикам зарубежным изделиям, разработаны НИИПП [2] и НПФ "Микран" в рамках программы совместной деятельности двух предприятий.
На рис.3 представлена система контроля параметров тормозной системы, выполненная на базе автодинных модулей типа "Тигель". Ее характеристики приведены в табл.5. Развитие этих модулей идет в рамках опытно-конструкторских работ. Такой, в частности, является разработка "КВЧ-датчика для обнаружения низколетящих воздушных целей".
Используемая технология GaAs ИС обеспечивает достижение плотности элементов на уровне 200 000 элементов/см2. Оптимальные размеры транзистора в ИС находятся в диапазоне от 5х5 до 5х2000 мкм2. Длина затвора ПТШ в цифровых многоэлементных ИС составляет 0,8–1,2 мкм, а в усилителях лежит в пределах от 0,2 до 0,4 мкм. Ширина токоведущих дорожек доведена до 3,0 мкм, минимальный диаметр переходных отверстий в межслойной изоляции также равен 3,0 мкм. Постоянная и целенаправленная работа по уменьшению размеров кристалла ИС дает возможность изготавливать кристаллы GaAs ИС размером не более 1,5х1,5 мм2. Сейчас развертываются работы по созданию GaAs ИС на базе эпитаксиального материала, выращенного в ИФП СО РАН методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), и проводится запуск МОС и МЛЭ установок в НИИПП.
Выводы и предложения
Институт НИИПП представляет собой коллектив, способный в короткие сроки реализовать конструкторские и технологические идеи, разработать и выпустить современную РЭА двойного назначения с использованием собственной ЭКБ.
Непрерывность инновационного цикла РЭА СВЧ-диапазона осуществляется при сквозном проектировании от разработки экспериментальных технологий до разработки промышленных технологий, предназначенных для выпуска продукции двойного назначения.
Литература
1. Божков В.Г. и др. Монолитные и квазимонолитные модули и устройства миллиметрового диапазона длин волн // Электронная промышленность. 2001. №5, с.77–97.
2. www.niipp.ru
3. Воторопин С.Д., Юрченко В.И. Некоторые применения гибридно-интегральных автодинов
КВЧ-диапазона в радиолокационных устройствах.
Сб. докладов конференции "RLNC 2004". С.1691.
Для предприятия, специализирующегося в области СВЧ-микроэлектроники, важно участвовать в создании электронной компонентной базы (ЭКБ) на основе арсенида галлия, элементы которой используются для новых радиотехнических систем. В НИИПП разрабатываются и выпускаются такие базовые элементы, как генераторные диоды Ганна, диоды с барьерами Шотки, полевые и биполярные транзисторы – основа для развития большинства интегральных схем (ИС).
Новым на данном этапе (одновременно с разработкой требуемой номенклатуры элементов и ИС) является необходимость создания радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) двойного назначения на основе этой номенклатуры. Эта практика характерна для всех ведущих компаний мира. Такая постановка задачи потребовала от нас владения в равной степени не только проектированием твердотельных СВЧ ИС, но и проектированием РЭА в целом. Использование наработок в области технологии GaAs-схем и дискретных СВЧ-приборов и новая организационная структура позволили НИИПП осуществить в 90-е годы прорыв в области создания цифровой РЭА.
Ниже представлен краткий обзор методов организации проектирования, конструктивно-технологических подходов и результатов, достигнутых в создании дискретных приборов и РЭА для СВЧ-диапазона.
Методы организации проектирования современной цифровой РЭА
Наше поступательное развитие исторически шло от дискретных приборов СВЧ-микроэлектроники к созданию РЭА и систем на ее основе. Сначала, а по ряду устройств и сегодня работу по созданию РЭА разделяли на самостоятельные этапы, поручая их выполнение отдельным группам специалистов разного профиля. Аппаратура в целом проектировалась специалистами радиотехнического профиля, а ИС – разработчиками полупроводниковых приборов.
При таком подходе работа над каждой ИС выливалась в отдельную тему, выполняемую группой соответствующих специалистов. Если таких ИС несколько, то работа по созданию РЭА превращается в сложную организационную задачу, в решении которой задействованы одновременно главный конструктор РЭА и разработчики отдельных ИС (не считая стоящих за ними коллективов с разными целями и сроками их выполнения). Это неизбежно приводило к противоречиям целей и интересов и, как результат, к затягиванию выполнения работ в целом, не говоря об ошибках, неизбежно возникающих на всех стадиях проектирования.
Этот этап развития СВЧ-микроэлектроники, который предполагалось встроить в процесс проектирования РЭА, завершился большим количеством макетных и опытных образцов арсенид-галлиевых ИС и модулей на их основе, которые редко удавалось объединить в единую, эффективно функционирующую аппаратуру.
Главный конструктор ведет процесс сквозного проектирования, включая схемотехническое проектирование аппаратуры, топологическое проектирование всех ИС и ГИС, и определяет фронт работ по созданию вспомогательных функциональных узлов, сборке и настройке РЭА в целом. Метод сквозного проектирования дает возможность не только создавать РЭА, обладающую высокими техническими характеристиками, но и делать десятки вариантов ИС без изменения проектируемой системы в целом. Нужно иметь в виду, что предприятия электронной отрасли проводят такую работу более глубоко в технологическом плане, чем это делают предприятия радиотехнической отрасли.
Именно предварительные наработки по созданию ЭКБ СВЧ-диапазона и сквозное проектирование ГИС, МИС и РЭА в целом позволяют выйти на рынок систем двойного назначения.
Конструктивно-технологические принципы создания МИС
Основные особенности конструкций и технологии монолитных схем миллиметрового диапазона, предназначенных для монтажа в Е-плоскости волновода, наиболее полно описаны в работе [1]. Принципиальная особенность технологии и конструкции малых интегральных схем (МИС) такого типа состоит в том, что при разделении пластины на отдельные чипы-схемы удаляется большая часть подложки вместе с n+-n-слоями. Несущей конструкцией МИС является не подложка, как в обычных МИС, а слой металлизации. Толщина слоя металлизации порядка 10 мкм позволяет осуществить монтаж схем в волноводе. Размеры схем таковы, что они ложатся на края волноводного канала с перекрытием в 100–200 мкм. Малая толщина металлизации исключает необходимость создания специальной выемки в корпусе под схему. Она закрепляется сжатием двух половинок волноводного корпуса. На рис. 1 приведены смесители и генераторы Ганна (см. их параметры в табл.1–3), выполненные согласно описанным принципам.
МИС изготавливается с выводами для подачи питания и других сигналов, которые при монтаже легко отгибаются благодаря специальной форме. В конструкции корпуса предусмотрены выемки для размещения кристаллов-фильтров, выходящих за пределы волноводного канала, для исключения возможности короткого замыкания между выводами и корпусом.
Для модулей и устройств, предназначенных для работы в жестких условиях, предусмотрено заполнение волноводного канала диэлектриком – специальным пенопластом с низкой (<1,5) диэлектрической проницаемостью и малыми потерями. При этом механическая прочность модулей увеличивается настолько, что они выдерживают ударные нагрузки более 20000 g. Более того, КВЧ-модули с заполнением выдерживают длительные испытания на влагостойкость.
Использование этих решений позволило разработать в 2002 году миниатюрный (<7 cм3) ударопрочный 2-канальный приемопередатчик 3-мм диапазона. Планируется осуществить еще две опытно-конструкторские разработки в развитие этого направления, которые позволят повысить дальность и уменьшить размеры модулей.
На рис.1–3, а также на Web-сайте НИИПП [2] приводятся результаты отдельных разработок различных МИС, выполненных в последние годы и предназначенных для создания модулей и устройств СВЧ-диапазона.
Системы и модули
Используя новые элементы, можно получить высокие технические характеристики там, где требуется обеспечивать очень быструю перестройку частоты в широком диапазоне рабочих частот. Из всех областей радиотехники можно выделить три направления, на которых важнейшей проблемой является сверхточная сверхскоростная цифровая широкополосная перестройка частоты. Это – радиолокация, радиопротиводействие и телекоммуникации.
В радиолокации широко используются линейно-частотно-модулированные (ЛЧМ) сигналы с очень большим диапазоном перестройки по частоте. Поэтому в составе средств, используемых в радиолокационной технике, необходимо иметь широкополосные высокочастотные тракты, позволяющие синтезировать, преобразовывать, принимать и анализировать широкополосные сигналы.
Другой областью, в которой ЭКБ СВЧ определяет основные тактико-технические характеристики, является аппаратура радиоэлектронного противодействия (РЭП). Ее задача – быстрое обнаружение, распознавание, анализ и синтез радиочастотных сигналов активной помехи, их усиление, излучение и подавление источника сигналов противника.
С технической точки зрения для этих целей нужно разработать возбудитель – быстродействующий цифровой синтезатор сигнала надлежащей амплитуды, частоты и фазы, обеспечивающий безынерционный синтез сложных сигналов по заданному алгоритму. Как правило, синтезаторы должны обеспечивать многоканальный режим работы с очень быстрым переключением каналов. Созданная в НИИПП БИС цифрового синтезатора частоты наилучшим образом подходит для разработки образца возбудителя ВГ-502М в составе станций Р-934У.
СВЧ ППМ активной фазированной антенной решетки (АФАР) на основе GaAs МИС востребованы в радиолокационной технике наземного и авиационного базирования. Начиная с 2007 года планируются поставки не менее 100 тысяч штук ППМ. В состав ППМ АФАР входят (наряду с другими) следующие МИС: малошумящий усилитель, скоростной переключатель/модулятор и усилитель мощности. Производство этих узлов имеет большое значение для отечественного рынка радиокомпонентов систем микросотовой связи и сотового цифрового телевидения.
Российский рынок в настоящее время потребляет значительное количество современных средств связи (включая радиорелейные линии, компьютерные линии связи, сотовые системы связи, спутниковые системы связи, линии передачи телевизионных сигналов и др.). В настоящее время в Сибирском регионе развивается производство средств связи СВЧ в диапазоне частот от 2 до 96 ГГц. На рис.2 представлена разработанная НИИПП система цифровой передачи данных, технические характеристики которой сведены в табл.4
Это производство вызывает у производителей потребность в формировании отечественной ЭКБ в виде связных ППМ и частотно-задающих цепей к ним. Оценка требуемого объема поставок ППМ различных типов может вырасти до уровня 80 миллионов долларов США в год. СВЧ-модули, соответствующие по характеристикам зарубежным изделиям, разработаны НИИПП [2] и НПФ "Микран" в рамках программы совместной деятельности двух предприятий.
На рис.3 представлена система контроля параметров тормозной системы, выполненная на базе автодинных модулей типа "Тигель". Ее характеристики приведены в табл.5. Развитие этих модулей идет в рамках опытно-конструкторских работ. Такой, в частности, является разработка "КВЧ-датчика для обнаружения низколетящих воздушных целей".
Используемая технология GaAs ИС обеспечивает достижение плотности элементов на уровне 200 000 элементов/см2. Оптимальные размеры транзистора в ИС находятся в диапазоне от 5х5 до 5х2000 мкм2. Длина затвора ПТШ в цифровых многоэлементных ИС составляет 0,8–1,2 мкм, а в усилителях лежит в пределах от 0,2 до 0,4 мкм. Ширина токоведущих дорожек доведена до 3,0 мкм, минимальный диаметр переходных отверстий в межслойной изоляции также равен 3,0 мкм. Постоянная и целенаправленная работа по уменьшению размеров кристалла ИС дает возможность изготавливать кристаллы GaAs ИС размером не более 1,5х1,5 мм2. Сейчас развертываются работы по созданию GaAs ИС на базе эпитаксиального материала, выращенного в ИФП СО РАН методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), и проводится запуск МОС и МЛЭ установок в НИИПП.
Выводы и предложения
Институт НИИПП представляет собой коллектив, способный в короткие сроки реализовать конструкторские и технологические идеи, разработать и выпустить современную РЭА двойного назначения с использованием собственной ЭКБ.
Непрерывность инновационного цикла РЭА СВЧ-диапазона осуществляется при сквозном проектировании от разработки экспериментальных технологий до разработки промышленных технологий, предназначенных для выпуска продукции двойного назначения.
Литература
1. Божков В.Г. и др. Монолитные и квазимонолитные модули и устройства миллиметрового диапазона длин волн // Электронная промышленность. 2001. №5, с.77–97.
2. www.niipp.ru
3. Воторопин С.Д., Юрченко В.И. Некоторые применения гибридно-интегральных автодинов
КВЧ-диапазона в радиолокационных устройствах.
Сб. докладов конференции "RLNC 2004". С.1691.
Отзывы читателей
