Работа. кубанский государственный университет
![]()
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ФГБОУ ВО «КубГУ») Физико-технический факультет Кафедра Радиофизики и нанотехнологий Допустить к защите в ГЭК _____ . ____ . 2017 г. Заведующий кафедрой д-р физ.-мат. наук, профессор _______________Г. Ф. Копытов ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА БАКАЛАВРА РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-УПРАВЛЯЕМОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАССЕЯНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ Работу выполнил____________________________ Бабенко Аким Алексеевич Направление 11.03.04 Электроника и наноэлектроника Научный руководитель канд. хим. наук, преподаватель____________________________ И. Н. Репина Нормоконтролер канд. хим. наук, доцент _________________________________ М. Е. Соколов Краснодар 2017 РЕФЕРАТ Курсовая работа 25 с., 7 рис., 5 источников ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СТРУКТУРЫ, ФАЗОВЫЕ ИСКАЖЕНИЯ, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ, ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЧАСТОТЫ Объектом исследования данной выпускной работы бакалавра является автоматизированная измерительная система, разработанная для определения параметров рассеяния электромагнитных полей диапазона сверхвысоких частот при прохождении через линейные и нелинейные среды. Целью работы являлось теоретическое и экспериментальное исследование, моделирование рассеяния электромагнитных колебаний СВЧ на контакте металл-полупроводник, а также разработка автоматизированной системы для проведения управляемых измерений параметров рассеяния нелинейных сред. В результате выполнения курсовой работы разработана структурная схема измерительной установки для исследования рассеяния электромагнитных полей, разработан программный алгоритм совместной синхронизированной работы двух синтезаторов частоты, векторного анализатора цепей, блоков переключателей и векторного вольтметра промежуточной частоты, проведена отладка работы установки и определены комплексные параметры рассеяния испытуемых преобразователей частоты. Содержание
Обозначения и сокращения
ВВЕДЕНИЕ На сегодняшний день исследование рассеяния электромагнитных колебаний на нелинейных средах остается задачей, для которой до сих пор не разработано однозначных теоретической базы либо измерительных методик. При этом разработка аппаратуры для измерения и контроля различных параметров СВЧ-узлов и аппаратуры является задачей особой по сравнению с радиоизмерениями в более низких по частоте на шкале электромагнитных волн. Особую сложность имеет анализ частотно-преобразующих устройств, обусловленную прежде всего сложностью анализа фазовых отношений между сигналами различных частот гармоник, генерируемых нелинейной средой, которой свойственен эффект комбинационного рассеяния электромагнитного поля. Несмотря на это, преобразователи частоты находят широкое применение в технике передачи и приема информации, радиолокации, радионавигации и системах наведения. Также стоит отметить, что супергетеродинный принцип преобразования частоты применяется также в большинстве современных спектрометров электронного парамагнитного резонанса. Таким образом целью данной работы является разработка программно-управляемой измерительной системы для автоматизации измерений при определении параметров рассеяния СВЧ-устройств с преобразованием частоты. Для достижения поставленной выше цели необходимо решение следующих задач: - исследование методов измерений параметров рассеяния нелинейных полупроводниковых приборов на сверхвысоких частотах; - анализ особенностей построения современных автоматизированных измерительных систем СВЧ, а также программной архитектуры управления этими измерительными системами; - разработка структурной схемы измерительной системы для определения параметров рассеяния частотно-преобразующих устройств; - запуск и отладка работы разработанной измерительной схемы, а также программного обеспечения для управления, вычислений и индикации; - измерения комплексного коэффициента передачи полупроводникового частотно-преобразующего устройства. 1 Методы описания работы полупроводниковых приборов на сверхвысоких частотах
Под рассеянием электромагнитных волн, согласно [1], обычно понимается любое изменение волнового вектора ![]() ![]() ![]() где ![]() ![]() ![]() Происхождение рассеяния связано с изменением движения входящих в состав среды зарядов под влиянием поля падающей волны; это изменение приводит к излучению новых — рассеянных — волн. Исследование микроскопического механизма рассеяния должно производиться на основе квантовомеханических расчетов. Основной тип элементарных актов рассеяния заключается в поглощении первоначального кванта ![]() ![]() где ![]() ![]() После поглощения либо неупругого взаимодействия рассеивающая система практически мгновенно испускает другой квант ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Рассмотрим для начала пример неупругого рассеяния, возникающий при детектировании микроволновых колебаний детектором, основанным на контакте металл-полупроводник. Как известно из [2] и [3], для высокочастотных схем и быстродействующих детекторов контакт-металл полупроводник является наиболее предпочтительным, чем p-n-переход вследствие меньшей инерционности за счёт преимущественной компоненты тока, обусловленной движением только основных носителей заряда. Принято, как известно, связывать явления изменения частоты колебаний при прохождении через нелинейные среды, которой является любой полупроводниковый переход либо гетероструктура, как известно из [4], с нелинейным характером отклика среды в виде перемещения зарядов – тока - I на внешнее изменяющееся по величине постоянное электрическом поле, нормированное на длину величиной напряжения V. Для полупроводниковых контактов, очевидно, из-за их односторонней проводимости, явление нелинейности будет описываться нелинейным участком ВАХ, изображенным на рисунке 1. ![]() Рисунок 1 – Участок ВАХ для прямого направления внешнего поля. Пусть детектирующий элемент, условно обозначаемый на схеме как диод D, присоединен к источнику внешнего возбуждающего напряжения V вместе с шунтирующим высокие частоты конденсатором C и амперметром А, как показано на рисунке 2. Так как диод служит для детектирования, то есть преобразования энергии высокочастотных электромагнитных полей в электрический ток, в большинстве случаев низкочастотный либо постоянный, конденсатор служит короткозамыкателем для высокочастотных составляющих, генерируемых диодом при детектировании. ![]() Рисунок 2 – Упрощенная структурная схема детектирования В случае детектирования пусть напряжение источника – периодический изменяющееся со временем ![]() ![]() ![]() Любая функция нелинейной ВАХ может быть приближена рядом Тейлора с коэффициентами приближения ![]() ![]() Подставляя (2) в (3), получим формулу (4): ![]() Как правило, нулевой коэффициент ![]() ![]() ![]() Как видно из выражений (4) и (5), выходной ток детектора содержит как высокочастотные, так и постоянную составляющие. При этом если ВАХ точно приближается многочленом n-го порядка, то в выходном токе будут содержаться частоты, вплоть до n-кратных к исходной. Эти составляющие не будут влиять на результат измерений тока детектирования при использовании конденсатора. При работе нелинейного элемента в режиме преобразования частоты необходима подача на него двух сигналов различных частот. В радиотехнике исторически этот процесс получил название гетеродинного преобразования частоты, о чем говорится в [6]. При этом один из сигналов является преобразуемым (несущий информацию со спутника, СВЧ-детектора ЭПР-спектрометра, радиолокатора) с частотой ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Теперь второе слагаемое будет содержать как компоненты с удвоенными частотами ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Именно последнее слагаемое представляет наибольший практический интерес при преобразовании частоты, так как предоставляет возможность проводить обработку информации, передающейся на сверхвысоких частотах сигналов ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Рисунок 3 –Функциональная схема смесителя частот При разработке таких узлов являются обязательными процедуры их контроля и измерений. Наиболее важными характеристиками являются потери преобразования смесителя или амплитудно-частотная характеристика (АЧХ0, КСВН его входа, а также его фазочастотная характеристика (ФЧХ) или ее производная, получившая термин группового времени запаздывания (ГВЗ). Измерения первых двух параметров есть задача известная и однозначная, различные варианты реализаций ее решения отмечены в [7]. Однако измерения последних двух важных параметров смесителей СВЧ осложнены тем, что сравнение по фазе двух гармонических колебаний различных частот стандартными методами невозможно. В то же время ФЧХ любого частотно-преобразующего устройства непосредственно определяет характер нелинейных искажений полезных сигналов, что напрямую влияет на точность работы устройства, а также его предельно допустимые параметры, такие как чувствительность, динамический диапазон, полоса пропускания и прочие. Отметим несколько наиболее важных случаев применения преобразователей частоты, когда получение их ФЧХ является необходимым для учета всех погрешностей работы приборов, к которых эти преобразователи применяются. Применение смесителей в системах фазированных антенных решеток, являющихся неотъемлемой частью приемо-передающей радиолокационной станции, диаграммообразующих устройств, антенн головки самонаведения ракеты, антенн спутников и так далее, необходимо на сегодняшний из-за неуклонно возрастающей потребности в увеличении рабочих частот в телекоммуникациях, о чем говорится в [8]. Таким образом, при сканировании объекта радиолокационной станцией, фазовые и амплитудно-фазовые нелинейные искажения в смесителях, могут вызывать обнаружение ложных целей либо расплывание общей наблюдаемой картины. Для диаграммообразующих устройств подобные явления ведут к изменению желаемой диаграммы направленности, а значит, и к ухудшению приемо-передающих характеристик таких устройств. Частотно-преобразующие тракты, кроме того, являются важной частью современных ЭПР-спектрометров, что позволяет проводить анализ в различных частотных диапазонах. В настоящее время наиболее распространены спектрометры, работающие в Х-диапазоне (8-12 ГГц). При этом чаще всего такие спектрометры предпочтительнее строить по принципу гетеродинирования для более точного анализа прошедшего через образец поля уже в низкочастотной области с помощью различных процессоров цифровой обработки сигналов, о чем указано в [9]. Кроме того, в настоящее время фирмой Bruker освоена технология многочастотного ЭПР для анализа поглощения в L-(1-2 ГГц), S-(2-4 ГГц), C-(4-8 ГГц), K-(12-18 ГГц) и далее вплоть до 263 ГГц диапазонах частот, благодаря которой появляется возможность для анализа более широкого спектра образцов наноразмерных объектов и наноэлектронных компонентов, как отмечают в [10]. В России, к сожалению, в настоящее время нет выпуска приборов с возможностью многочастотной ЭПР-спектроскопии. Кроме того, применение гетеродинного принципа обработки прошедших через образец сигналов требует учет всех нелинейных искажений, в том числе и фазовых, возникающих при гетеродинном преобразовании частоты. 1.2 Методы определения полной матрицы рассеяния нелинейных сверхвысокочастотных устройств Как отмечалось ранее, исследование рассеяния электромагнитных волн в первоначальном направлении, или определение комплексного коэффициента передачи (ККП) затруднено тем, что спектр рассеянного излучения содержит частоты, отличные от частоты первичного изучения. Отражение электромагнитного излучения (ЭМИ) от границы раздела с любой материальной средой или структурой, как известно из [11 2 в курсовой], зависит от основных электродинамических параметров этой среды: относительной диэлектрической проницаемости ![]() ![]() ![]() ![]() Для описания характеристик линейных устройств в диапазоне СВЧ используется система параметров рассеяния или S-параметров (от англ. Scattering - рассеяние), что указано в [13]. Эти параметры определяются векторным отношением (отношением амплитуд и разностью фаз) рассеянного в исследуемом направлении поля к падающему или зондирующему рассеиваемому полю. Учитывая, что в технике передачи информации для целей коммуникации, анализа веществ и прочих используются гармонические колебания, удобно пользоваться комплексным, в частности показательным представлением сигналов, что описывается в [13]. Пару проводников (полюсов) либо фланец волновода, устанавливаемые на входах и выходах устройств, принято называть портами. Любое устройство, используемое для преобразования сигналов, содержит хотя бы два порта. Таким образом, в соответствии с рисунком 3 будем называть порт 1 сигнальным, порт 2 – гетеродинным, порт 3 – портом ПЧ. Для получения АЧХ и ФЧХ смесителей либо преобразователей частот гетеродинный вход можно не учитывать, так как он играет роль опорного входа для перехода с помощью внешнего либо внутреннего гетеродина на нелинейный участок ВАХ, который также называют рабочей точкой, для преобразования частоты входного сигнала, поступающего на сигнальный порт смесителя. Для описания устройств в системе S-параметров принято использовать матричное описание, а также приложение направленных графов, о чем подробно говорится в [14]. При этом вводят для k-го порта устройства некоторые комплексные напряжения ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Ориентированный граф измеряемого двухпортового устройства или испытуемого четырехполюсника (ИЧ) изображен на рисунке 4. При этом верхний индекс комплексного напряжения или S-параметра означает, какому устройству они принадлежат. Нижние индексы S-параметров означают, между какими комплексными напряжениями вычисляют отношения. ![]() Рисунок 4 – Ориентированный граф испытуемого четырехполюсника Параметры рассеяния многопортовых устройств или многополюсников на СВЧ измеряют с помощью измерителей параметров четырехполюсников или анализаторов цепей (АЦ), что сказано в [15]. Различают скалярные (САЦ) и векторные (ВАЦ) анализаторы цепей. При этом САЦ позволяют измерять лишь модули параметров рассеяния без возможности измерений фазовых составляющих, в то время как вторые позволяют проводить измерения полной матрицы комплексных параметров рассеяния четырехполюсников. Структурная схема измерений с помощью векторного анализатора цепей приведена на рисунке 5. ВАЦ состоит из переключателя П, меняющего направление подачи испытательного сигнала от синтезатора частот СЧ на один из двух входов 1 или 2 испытуемого четырехполюсника ИЧ. Стоит отметить, что в современных анализаторах широко распространено именно применение цифровых синтезаторов частот вместо генераторов на диодах Ганна, ЖИГ-сферах и так далее. В каждый из двух каналов испытательного сигнала СВЧ включены рефлектометры Р1 и Р2, состоящие из двух пар - НО1-НО2 и НО3-НО4 - встречно включенных направленных ответвителей. Ответвленные ими испытательные сигналы СВЧ подают на входы A, B, C, D векторного вольтметра, измеряющего векторное отношение между сигналами на различных парах его входов. Стоит отметить, что векторный вольтметр чаще всего построен по гетеродинному принципу, так как обработка сигналов непосредственно на СВЧ не представляется возможной на сегодняшний день для частот выше 5 ГГц. На результат измерений сильное влияние оказывают собственные S-параметры анализатора цепей. ![]() Рисунок 5 – Структурная схема измерений с помощью ВАЦ Предметом измерений являются: ККП от порта 1 к порту 2 испытуемого четырехполюсника ИЧ ![]() ![]() ![]() ![]() Векторный вольтметр, как и любой современный фазометр, способен измерять лишь разность фаз между сигналами одинаковой частоты, что показывает невозможность непосредственного измерения ФЧХ частотно-преобразующих устройств. Однако все известные на сегодняшний день методы определения матрицы рассеяния четырехполюсников с преобразованием частоты основаны именно на использовании ВАЦ при измерениях. Рассмотрим в хронологической последовательности эти методы и обсудим их достоинства и недостатки. Метод суммы и разности - первый метод, позволяющий определять ФЧХ устройств СВЧ с преобразованием частоты, был предложен в СССР согласно [16]. Структурные схемы метода приведены на рисунках 6 и 7. Суть метода заключается в том, что с помощью одной схемы, изображенной на рисунке 6, измеряют сумму ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Решение для ![]() ![]() ![]() ![]() Рисунок 6 – Схема измерения суммы ФЧХ испытуемого и опорного смесителей Для этого метода достоинством является простота выполнения измерений, а также наименьшее количество вспомогательных смесителей по сравнению с методом трех сумм, рассматриваемым далее. ![]() Рисунок 7 – Схема измерения разности ФЧХ испытуемого и опорного смесителей Из недостатков можно отметить, что для выполнения измерений на промежуточных частотах при наличии ВАЦ без возможности относительных измерений частотно-преобразующих устройств требуется наличие внешнего векторного вольтметра, что было указано в [17] и [18]. Кроме того, при выполнении измерений суммы и разности на вспомогательный смеситель поступают различные по уровню сигналы: сначала с выхода ПЧ испытуемого смесителя, затем с выхода синтезатора частот. При этом, сигнал в первом случае оказывается меньшим по уровню, чем во втором, на величину потерь преобразования испытуемого смесителя. При этом так как параметр ![]() ![]() ![]() Метод трех смесителей, описанный в [25 5в статье Фролова], является по сути некоторой модификацией метода суммы и разности. Метод основан на применении двухпортового ВАЦ, как и предыдущий, между первым и вторым портами которого включают и измеряют последовательно соединенные испытуемый и вспомогательные смесители. Схема измерений аналогична схеме на рисунке 6 для измерения суммы ФЧХ с той разницей, что для получения истинных значений ФЧХ ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Решая систему уравнений (8): ![]() находят ФЧХ испытуемого смесителя в виде (9) ![]() Таким образом, можно видеть, что применение метода трех сумм имеет достоинство по сравнению с методом суммы и разности в том, что отсутствует необходимость измерений в разных диапазонах частот, а значит, и применение внешнего векторного вольтметра, что значительно упрощает реализацию метода. Однако стоит отметить, что при измерениях сумм ![]() ![]() ![]() ![]() Метод отражений (метод малых потерь): третий по времени появления метод, процедуры которого описаны в [6], также основан на применении ВАЦ. Схема измерений указана на рисунке 8. ![]() Рисунок 8 – Схема измерений методом отражений ВАЦ, как видно из рисунка измеряет ККО первого порта. К выходу испытуемого смесителя присоединяют через линию задержки (ЛЗ) с известной ФЧХ ![]() ![]() ![]() ![]() Отсюда находят ФЧХ испытуемого смесителя ![]() ![]() Достоинством этого метода является отсутствие необходимости использования вспомогательных смесителей, однако измерение коэффициента отражения в данном случае эквивалентно измерению суммарной ФЧХ последовательно соединённого с самим собой испытуемого смесителя, что снова накладывает на ограничения точности величину взаимности этого смесителя. При этом амплитудно-фазовая погрешность также имеет место вследствие ослабления отраженного сигнала нагрузкой и линией задержки. Четвертый известный метод измерений ФЧХ частотно-преобразующих устройств основан на применении так называемых Х-параметров. Изначально технология Х-параметров разрабатывалась для измерения параметров устройств без гетеродинного преобразования частоты, однако в 2008-2010 годах в работах [26], [27],[1],ирэмв15 [2] был предложен метод и реализующее его устройство применения Х-параметров и векторного анализатора цепей для измерения комплексных коэффициентов передачи СВЧ-устройств с преобразованием частоты. Позднее Agilent Technologies была подана заявка на получение патента на указанное устройство [28], ирэмв15 [3]. Метод отличается большей сложностью исполнения и наличием дополнительных устройств в виде генератора комбинационных частот и специального ВАЦ. В силу больших различий с остальными известными методиками в данной работе этот метод рассматриваться не будет, подробный его анализ был проведен ранее в [29 сама ирэмв 15] Программно-управляемая измерительная система будет разработана с целью автоматизации измерений параметров нелинейных СВЧ-устройств с преобразованием частоты методом суммы разности, что обусловлено относительной завершенностью разработки инструментальной основы для этого метода, а также наилучшим соотношением достоинств и недостатков. |