Βελτιστοποίηση σχεδίασης ενισχυτών υψηλών μικροκυματικών συχνοτήτων με τεχνολογίες MMIC και MIC

Abstract

Το κύριο αντικείμενο της παρούσας Διατριβής είναι η βελτιστοποίηση της Σχεδίασης Μικροκυματικών Μονολιθικών Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων και ειδικότερα γίνεται μελέτη στη Σχεδίαση Ενισχυτικών Διατάξεων με χρήση CAD εργαλείων, κατασκευή αυτών σε διακεκριμένα χυτήρια παραγωγής MMICs και μετρήσεις προς εξαγωγή συμπερασμάτων για τη σχεδίαση. Επίσης, γίνεται μια μαθηματική ανάλυση των κατανεμημένων ενισχυτών με χρήση ανακλώμενων και προσπιπτόντων κυμάτων στα επιμέρους κατανεμημένα τετράθυρα που αποτελούν τις βαθμίδες του κατανεμημένου ενισχυτή ώστε να εξαχθούν κάποια συμπεράσματα όσον αφορά στο βέλτιστο αριθμό βαθμίδων του κατανεμημένου ενισχυτή. Το Κεφάλαιο 2 περιγράφει αναλυτικά τη μεθοδολογία Σχεδίασης Ενισχυτών Χαμηλού Θορύβου σε τεχνολογία GaAs MMIC που χρησιμοποιούνται ως προενισχυτές σε συστήματα μετάδοσης πληροφορίας δίνοντας έμφαση στη σχεδίαση κυκλωμάτων προσαρμογής εισόδου και εξόδου, στην αντιμετώπιση του προβλήματος της ευστάθειας των ενισχυτών καθώς και στη μελέτη της θεωρίας του θορύβου. Έγινε σχεδίαση, προσομοίωση και κατασκευή δύο ενισχυτών Χαμηλού Θορύβου συντονισμένων στη συχνότητα των 15 GHz με κέρδος 25 dB με Συντελεστή Θορύβου 4 dB, με χρήση της ίδιας τεχνολογίας (GaAs MMIC) αλλά με διαφορετικές δομές. Ο ένας Ενισχυτής αποτελείται από 5 βαθμίδες κάνοντας χρήση της Βιβλιοθήκης της GEC Marconi, αφού η κατασκευή έγινε στην Αγγλία, στο χυτήριο παραγωγής MMICs της εταιρίας GEC-Marconi. Τα Ολοκληρωμένα Κυκλώματα των ενισχυτών χαμηλού θορύβου μετρήθηκαν στο Εργαστήριο Μικροκυμάτων και Οπτικών Ινών και τα αποτελέσματά τους παρουσιάζονται στο τέλος του Κεφαλαίου. Ο Δεύτερος ενισχυτής που σχεδιάστηκε, προσομοιάστηκε και κατασκευάστηκε αποτελείται από δύο βαθμίδες, κάνοντας χρήση της βιβλιοθήκης των ψευδομορφικών FET του Ινστιτούτου Ηλεκτρονικών Δομών και Λέιζερ της ομάδας Μικροηλεκτρονικής στο Ίδρυμα Τεχνολογίας και Έρευνας στο Ηράκλειο της Κρήτης καθώς επίσης και της βιβλιοθήκης των παθητικών στοιχείων της GEC – Marconi, που προαναφέρθηκε. Το Κεφάλαιο 3 μέσω της σχεδίασης, προσομοίωσης και κατασκευής ενός ενισχυτή ισχύος, δίνει έμφαση περισσότερο στη σύγκριση μεταξύ δύο διαφορετικών τεχνολογιών: MMIC και MIC. Εδώ, γίνεται μία αναλυτική περιγραφή στη μεθοδολογία σχεδίασης ενισχυτών Ισχύος με έμφαση στην επιλογή των κυκλωμάτων πόλωσης καθώς και στη θεωρία του Κέρδους στους ενισχυτές. Κατασκευάστηκαν και μετρήθηκαν δύο κυκλώματα ενισχυτών Ισχύος. Το πρώτο σε τεχνολογία GaAs MMIC με χρήση της Βιβλιοθήκης της GEC – Marconi και το δεύτερο σε τεχνολογία MIC Teflon (υλικό R04003) με χρήση διακριτών Τ 2 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Μικροταινιακών Γραμμών. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων, των κατασκευών και των Μετρήσεων παρουσιάζονται και συγκρίνονται. Στο Κεφάλαιο 4 είναι αφιερωμένο σε ένα μεγάλο κεφάλαιο των ενισχυτών σε μικροκυματικές και χιλιοστομετρικές συχνότητες, στους κατανεμημένους ενισχυτές. Γίνεται μια αναλυτική περιγραφή της Θεωρίας της Κατανεμημένης Σχεδίασης και ειδικότερα των Κατανεμημένων ενισχυτών των οποίων η βασική ιδιότητα είναι η ενίσχυση σε πολύ μεγάλο εύρος συχνοτήτων. Περιγράφεται η βασική θεωρία της βέλτιστης επιλογής του αριθμού των βαθμίδων στη σχεδίαση ενός κατανεμημένου ενισχυτή ώστε να προκύψει το μεγαλύτερο εύρος ζώνης με τους ελάχιστους συμβιβασμούς στο Κέρδος. Τέλος, γίνεται μία μαθηματική μοντελοποίηση των τετράθυρων υποδικτύων (βαθμίδων) ενός κατανεμημένου ενισχυτή με χρήση των προσπιπτόντων και ανακλώμενων κυμάτων μέσω της μοντελοποιημένης μήτρας Τ για τετράθυρα, και η αναγωγή της σε δίθυρο με τη βοήθεια κατάλληλων τερματισμών εισόδου και εξόδου. Τα αποτελέσματα της μαθηματικής προσέγγισης με πραγματικές μεταβλητές που απορρέουν από τα ισοδύναμα μοντέλα συγκρίθηκαν με τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων από Υπολογιστή και προέκυψαν ίδια, όσον αφορά στο βέλτιστο αριθμό βαθμίδων, στο κέρδος και στο εύρος ζώνης των ενισχυτών.

This thesis is devoted to the design of MMICs amplifiers in microwave and millimeter wave band. Several amplifiers, operating from 10 – 15 GHz frequency range, have been designed, fabricated and tested. A Monolithic Low Noise Amplifier (LNA) employing source series feedback has demonstrated 3.6 dB Noise Figure with 25 dB gain and an input VSWR less than 1.15:1 at 15 GHz. The chip has been fabricated in the premises of GEC-Marconi in UK and the chip area is approximately 3.7 mm2. A simultaneous attempt has been made in the premises of FoRTH – IESL, Heraclion Crete, where almost the same circuit has been fabricated, using only two stages, providing a 12 dB Gain and 4 dB Noise Figure, based on a pseudomorphic FET. The chip area is approximately 7 mm2. In order to compare Μicrowave Μonolithic Ιntegrated Circuit and Μonolithic Ιntegrated Circuit technologies, we developed a one-stage amplifier with an associated gain of 10 dB and a threestages amplifier with an associated gain of 27 dB respectively, at 10 GHz. The chip area of the final MMIC is 1.4 mm2 and the one of the MIC is 4300 mm2. Finally, the analysis and modeling of Distributed Amplifiers operating up to 40 GHz, in MMIC technology has been examined. With a small– signal distributed model and travelling full–wave analysis based on T-parameters, an equivalent matrix which is consistent with linear scaling rules, was formed. Based on electromagnetic simulation and harmonic balance analysis, the proposed approach could be extended to nonlinear MMICs.