Радиотехника и электроника, 2022, T. 67, № 12, стр. 1216-1219

ВВЕДЕНИЕ

Нелинейные преобразователи частоты (ПЧ) радиосигналов являются ключевыми элементами радиотехнических систем, так как с их помощью осуществляются основные радиотехнические преобразования. Одним из путей улучшения электрических характеристик ПЧ-радиосигналов является использование наноэлектронных приборов, к которым относятся резонансно-туннельные диоды (РТД) на основе AlGaAs/GaAs многослойных гетероструктур с поперечным токопереносом [1] в качестве нелинейных элементов (НЭ). Применение РТД в данной роли позволяет расширить рабочий диапазон частот и повысить помехоустойчивость ПЧ-радиосигналов [2–11]. Производство РТД возможно с использованием отработанных технологий микроэлектроники.

При проектировании ПЧ радиосигналов помимо обеспечения заданного уровня электрических характеристик прибора одной из приоритетных является задача обеспечения надежности в заданных условиях эксплуатации. В [12] изложена методология проектирования микро и наноприборов и предложен вариант решения данной задачи, при котором в процесс проектирования прибора вводится этап конструкторско-технологической (КТ) оптимизации.

Цель данной работы – определить номинальные значения параметров конструкции прибора и его электрических характеристик, максимизирующих заданную целевую функцию, без изменения технологических допусков на параметры конструкции и определяемых конструктором допусков на электрические характеристики оптимизируемого прибора.

Приведены результаты КТ-оптимизации электрических характеристик субгармонического смесителя (СГС) на второй гармонике гетеродина на базе РТД в заданных условиях эксплуатации с целью обеспечения его надежности.

1. ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ И МЕТОДОВ ОПТИМИЗАЦИИ

Объектом исследования является однодиодный СГС диапазона 10…11 ГГц с РТД в качестве нелинейного элемента. Резонансно-туннельная структура (РТС) диода состоит из двух AlAs-барьеров и располагающейся между ними GaAs-квантовой ямы. Смеситель состоит из делителя мощности; диодной секции, в которой располагается нелинейный элемент (НЭ), и полосно-пропускающего фильтра. В качестве электрических характеристик оптимизируемого СГС РТД рассматривали коэффициент передачи (КП) промежуточной частоты и верхние границы динамического диапазона по 1 дБ-компрессии и интермодуляции. На основании представленных разработчиком требований на них установлены следующие допуски: коэффициент передачи не менее –16 дБ; верхняя граница динамического диапазона по 1 дБ-компрессии не менее 6 дБм; положение точки IP3, по которому определяется верхняя граница динамического диапазона по интермодуляции, – не ниже 20 дБм.

Методология КТ-оптимизации подробно описана в [12], а ее практическая реализация в виде программного комплекса – в [13]. В качестве целевой функции был выбран гамма-процентный ресурс при γ = 0.99 T_{γ = 0.99}.

Моделирование вольт-амперной характеристики (ВАХ) РТД и ее кинетики в заданных условиях эксплуатации выполнено с помощью специализированного модуля разработанного нами программного комплекса (рис. 1). Алгоритмы моделирования начального участка ВАХ РТД и воздействия эксплуатационных факторов на электрические характеристики диода описаны в [14]. Параметры AuGeNi-омических контактов РТД, отражающие восприимчивость РТД к воздействию эксплуатационных факторов, а также параметры деградационных процессов, протекающих в РТД в заданных условиях эксплуатации, определены в ходе экспериментальных исследований [15–21].

Рис. 1.

Начальный участок ВАХ РТД (1) и ДБШ (2).

2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Сравнение электрических характеристик СГС на основе РТД до оптимизации (параметры конструкции диода до и после оптимизации приведены ниже) с аналогом на основе диода с барьером Шоттки (ДБШ) показало, что КП промежуточной частоты СГС на основе РТД на 3 дБ ниже аналога на ДБШ. В то же время прибор на основе РТД обладает в 3.55 раз более широким динамическим диапазоном по 1 дБ-компрессии (верхняя граница динамического диапазона смесителя на основе РТД расположена на 7 дБм правее аналога на ДБШ) и в 2.26 раз более широким динамическим диапазоном по интермодуляции (точка IP3 СГС на основе РТД расположена на 16 дБм правее аналога на ДБШ).

Конструкторско-технологическую оптимизацию проводили с целью повышения надежности СГС в условиях воздействия температурного фактора. Критериями годности являются установленные разработчиком допуски на рассматриваемые электрические характеристики. Анализ надежности СГС показал, что основным механизмом отказа СГС является постепенный отказ, возникающий в результате падения коэффициента передачи промежуточной частоты ниже порогового значения из-за необратимых деградационных процессов, протекающих в РТД в заданных условиях эксплуатации. Кинетика других рассматриваемых электрических характеристик СГС имеет аналогичный характер, однако КП промежуточной частоты достигает порогового значения быстрее. В результате анализа надежности установлено, что наиболее опасной с точки зрения возникновения отказов является частота сигнала 10.90 ГГц, так как на ней КП промежуточной частоты наиболее близок к пороговому значению.

В результате проведенной КТ-оптимизации СГС определено сочетание параметров конструкции РТД, обеспечивающих оптимальную для данного прибора форму ВАХ (рис. 2), и параметров пассивных элементов СГС. Синтезированное сочетание параметров конструкции смесителя позволяет при воздействии температуры 125°С увеличить T_{γ =0.99} в 1.49 раза (рис. 3). Гамма-процентный ресурс СГС определен в результате анализа зависимости вероятности безотказной работы (ВБР) смоделированной выборки из 100 СГС от наработки в условиях воздействия температуры 125°С. Указанная вероятность выборки серии в момент времени t определяется как отношение числа отказавших приборов к размеру выборки. Отказ прибора фиксируется при выходе хотя бы одной из рассматриваемых электрических характеристик за пределы установленных допусков. Гамма-процентный ресурс при γ = 0.99 определяется как наработка, при которой ВБР составляет 0.99.

Рис. 2.

Номинальная (1) и оптимальная (2) формы начального участка ВАХ НЭ оптимизируемого смесителя на основе РТД и начальный участок ВАХ ДБШ (3).

Рис. 3.

Зависимость ВБР субгармонического смесителя на основе РТД от времени при температуре эксплуатации 125°С: 1 – ВБР до оптимизации; 2 – ВБР после оптимизации; 3 – T_{γ = 0.99} до оптимизации; 4 – T_{γ = 0.99} после оптимизации.

Оптимальная форма ВАХ РТД достигается посредством увеличения ширины симметричных барьеров двухбарьерной AlAs/GaAs РТС в шесть раз по сравнению с исходной (с 1.13 до 6.79 нм), увеличения ширины ямы на 71% (с 3.96 до 6.79 нм) и увеличения диаметра мезы на 13% (с 37 до 42 мкм) без изменения химического состава слоев РТС. Параметры пассивных элементов СГС были оптимизированы под новую форму ВАХ НЭ в процессе КТ-оптимизации. В результате оптимизации номинальные значения электрических характеристик СГС изменились следующим образом: КП промежуточной частоты на частоте сигнала 10.90 ГГц увеличен на 2.39 дБ (с –12.32 до –9.93 дБ), динамический диапазон по 1 дБ-компрессии расширен на 1 дБ (с 9.80 до 10.80 дБм), по интермодуляции – на 1.40 дБ (точка IP3 смещена с 28.75 на 30.15 дБм) СГСм. В результате КТ-оптимизации удалось приблизить значение КП промежуточной частоты СГСм на основе РТД к значению аналога на основе ДБШ (9.93 дБ у СГСм на основе РТД и 9.82 дБ у аналога на основе ДБШ).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате КТ-оптимизации широкополосного СГС посредством разработанного программного комплекса гамма-процентный ресурс T_{γ = 0.99} в заданных условиях эксплуатации увеличен в 1.49 раза. Полученный результат достигнут за счет определения оптимального сочетания параметров конструкции РТД и СГСм, обеспечивающих наилучшее с точки зрения надежности сочетание электрических характеристик смесителя. Достигнутый результат подтверждает возможность решения задачи обеспечения надежности ПЧ-радиосигналов на основе РТД в заданных условиях эксплуатации с помощью КТ-оптимизации электрических характеристик ПЧ без изменения технологии его изготовления.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.