Ứng dụng phương pháp mạch phân bố trong mô phỏng switch siêu cao tầng

Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÙI PHÚ NHÂN Đề tài: ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MẠCH PHÂN BỐ TRONG MÔ PHỎNG SWITCH SIÊU CAO TẦN Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử Mã số ngành: 2.07.01 GVHD: TS PHAN HỒNG PHƯƠNG LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2005 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS PHAN HỒNG PHƯƠNG Cán chấm nhận xét 1: …………………………………………………………………………………………………………… Cán chấm nhận xét 2: …………………………………………………………………………………………………………… Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 22 tháng 07 năm 2005 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp Hồ Chí Minh, ngày 03 tháng 07 năm 2005 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: BÙI PHÚ NHÂN Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 28/03/1980 Nơi sinh: Quảng Ngãi Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử MSHV: 01403323 I- TÊN ĐỀ TÀI: Ứng dụng phương pháp mạch phân bố mô switch siêu cao tần II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: ƒ Tìm hiểu sở lý thuyết hệ thống vô tuyến, công nghệ bán dẫn tần số cao, mạch tích hợp, mạch switch ƒ Phân tích mô hình switch siêu cao tần dùng phương pháp mạch phân bố ƒ Trên sở đó, mô thông số đặc trưng switch siêu cao tần để đánh giá khả hoạt động mô hình switch ƒ Kết luận hướng phát triển III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 09/02/2005 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06/07/2005 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS PHAN HỒNG PHƯƠNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH TS PHAN HỒNG PHƯƠNG PGS.TSKH.VŨ ĐÌNH THÀNH TS PHẠM HỒNG LIÊN Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội đồng chuyên ngành thông qua TRƯỞNG PHÒNG ĐT-SĐH TRƯỞNG KHOA QUẢN LÝ NGÀNH LỜI CẢM ƠN Chân thành cảm ơn TS PHAN HỒNG PHƯƠNG tận tình giúp đỡ em suốt trình thực luận văn Giới thiệu chung GIỚI THIỆU CHUNG Trong hệ thống radar, hệ thống vô tuyến băng rộng, switch đóng vai trò quan trọng điều khiển tín hiệu siêu cao tần Với ứng dụng này, yêu cầu đặt với switch băng rộng, độ cách ly cao, suy hao thấp, khả điều khiển công suất cao, tốc độ chuyển mạch cao, kích thước nhỏ, chi phí thấp Công nghệ vật liệu bán dẫn phát triển mạnh mẽ, nhiều vật liệu tạo với độ linh động vận tốc bảo hoà hạt electron cao AlGaAs, InGaAs, AlInAs, GaInAs Trên sở đó, nhiều linh kiện bán dẫn tạo ra, có đặc tính phù hợp cho công nghệ chế tạo switch tích hợp đơn khối hoạt động tần số microwave millimeter-wave Gần đây, nhiều mạch switch ứng dụng cho thu phát vô tuyến tần số millimeter-wave quan tâm nghiên cứu, cụ thể sau: ƒ Switch PIN diode chứng minh hiệu tần số cao [1][8], nhiên công nghệ PIN diode HEMT (High electon mobility transistor) không tương thích đòi hỏi mạch phân cực cho PIN diode phức tạp ƒ Switch HEMT loại cộng hưởng [2][21] với độ cách ly thấp (dưới 30dB) Một số switch HEMT thụ động đạt độ cách ly cao kích thước chip chi phí cao [17] ƒ Một phương pháp thiết kế switch sử dụng mạng biến đổi trở kháng nhằm bù vào ảnh hưởng điện dung Cds HEMT switch trạng thái OFF đạt độ cách ly lớn 30 dB [12], nhiên switch có băng thông hẹp dải tần millimeter-wave HVTH: Bùi Phú Nhân Giới thiệu chung ƒ Các switch phân bố sử dụng MESFET [6] có băng thông rộng (20 ÷ 40 GHz, DC ÷ 40GHz), nhiên switch MESFET hoạt động không hiệu tần số millimeter-wave ƒ Switch tích hợp đơn khối (MMIC) sử dụng HJFET (Heterojunction fieldeffect transistor) đạt độ cách ly thích hợp dãy tần DC ÷ 60GHz [5] DC ÷ 110GHz [7] Tuy nhiên, switch đòi hỏi kỹ thuật layout cấu trúc FET đặc biệt Với mục tiêu thiết kế switch có đặc tính băng rộng tần số millimeter-wave với công nghệ MMIC HEMT thông thường (không cần kỹ thuật layout đặc biệt), nhằm đáp ứng yêu cầu đặt switch ứng dụng siêu cao tần, luận văn trình bày ứng dụng phương pháp mạch phân bố mô switch siêu cao tần, sử dụng công nghệ linh kiện pHEMT GaAs Luận văn gồm chương: ƒ Chương 1: Giới thiệu tổng quan hệ thống vô tuyến tần số cao ƒ Chương 2: Công nghệ MMIC linh kiện bán dẫn MMIC ƒ Chương 3: Switch siêu cao tần ƒ Chương 4: Phân tích mô hình switch siêu cao tần dùng phương pháp mạch phân bố ƒ Chương 5: Kết mô ƒ Chương 6: Kết luận hướng phát triển HVTH: Bùi Phú Nhân Mục lục MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TẦN SOÁ CAO 1.1 Toång quan hệ thống vô tuyến băng rộng tần số cao 1.2 Thuận lợi ứng dụng hệ thống vô tuyến băng rộng 1.3 Hệ thống phổ tần vô tuyến .4 1.4 Một số hệ thống vô tuyến tiêu biểu .6 1.4.1 Hệ thống di động hệ (3G) 1.4.2 Hệ thống LMDS 1.4.3 Hệ thống MMAC-PC CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ MMIC VÀ LINH KIỆN BÁN DẪN 11 2.1 Tổng quan công nghệ mạch tích hợp đơn khối MMIC .11 2.1.1 Giới thiệu 11 2.1.2 Thieát keá MMIC .12 2.1.3 Sự lựa chọn công nghệ chế taïo maïch .13 2.2 Vật liệu bán dẫn tần số cao 14 2.2.1 Các đặc tính điện vật liệu bán dẫn tần số cao lý tưởng 14 2.2.2 Đặc tính điện vật liệu tần số cao thực tế 15 2.2.2.1 Gallium Arsenide (GaAs) 15 2.2.2.2 Indium Phosphide (InP) 16 2.2.2.3 Bán dẫn phức hợp .17 2.2.2.4 InGaAs (IndiumGallium Arsenide) 18 2.3 Công nghệ chế tạo GaAs 18 2.3.1 Sự hình thành tinh thể GaAs 18 HVTH: Bùi Phú Nhân Mục lục 2.3.2 Kỹ thuật Epitaxy .19 2.3.2.1 Epitaxy loûng (Liquid Epitaxy) 19 2.3.2.2 Epitaxy hôi (Vapour Epitaxy) 19 2.3.2.3 MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapour Deposition) 19 2.3.2.4 MBE (Molecular beam epitaxy) .19 2.3.2.5 Sự lựa chọn công nghệ ghép epitaxy dãy tần millimeter-wave 20 2.3.3 Tiếp xúc Schottky Ohmic 20 2.3.3.1 Tiếp xúc Schottky 20 2.3.3.2 Tiếp xúc Ohmic 21 2.4 Transistor hiệu ứng trường tần số cao 21 2.4.1 Tiếp xúc bán dẫn – kim loại 21 2.4.1.1 Cơ sở lý thuyết 21 2.4.1.2 Phân cực tiếp xúc Schottky .25 2.4.1.3 Hiệu ứng đường hầm 25 2.4.2 MESFET 26 2.4.2.1 Cấu trúc vật lý 26 2.4.2.2 Hoạt động DC MESFET 27 2.4.2.3 Hoạt động tần số cao cuûa MESFET 31 2.4.3 HEMT .34 2.4.3.1 Cấu tạo vật lý 34 2.4.3.2 Hoạt động HEMT .35 2.4.4 Một số công nghệ HEMT hieän 37 2.4.4.1 pHEMT dựa GaAs 37 2.4.4.2 HEMT tiếp xúc không đồng kép 38 2.4.4.3 pHEMT dựa InP .39 HVTH: Bùi Phú Nhân Mục lục CHƯƠNG 3: SWITCH SIÊU CAO TẦN 41 3.1 Các thông số đặc trưng switch 41 3.1.1 Độ cách ly .41 3.1.2 Suy hao xen 41 3.2 Linh kiện cho switch siêu cao tần 42 3.2.1 PIN diode 42 3.2.1.1 Cơ chế hoạt động PIN diode mạch switch 42 3.2.1.2 Mô hình mạch tương đương PIN diode .43 3.2.2 MESFET 44 3.2.2.1 Cơ chế hoạt động MESFET switch siêu cao tần .44 3.2.2.2 Phân cực MESFET mạch switch 45 3.2.2.3 Mô hình tương đương MESFET mạch switch siêu cao tần 46 3.2.3 Transistor hiệu ứng trường tiếp xúc không đồng 47 3.3 Phân loại switch .48 3.3.1 Mô hình phản xạ .48 3.3.2 Mô hình switch không phản xạ .49 3.4 Các mô hình switch 49 3.5 Switch nhieàu coång 51 3.5.1 Switch nhiều cổng .51 3.5.2 Switch ma traän 52 3.5.3 Switch phân phối 53 3.6 Switch caùch ly cao 54 CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH CÁC MÔ HÌNH SWITCH SIÊU CAO TẦN DÙNG PHƯƠNG PHÁP MẠCH PHÂN BỐ .56 4.1 Tổng quan phương pháp thiết kế switch MMIC siêu cao tần .56 HVTH: Bùi Phú Nhân Mục lục 4.1.1 Phương pháp mạch cộng hưởng 57 4.1.2 Phương pháp mạng biến đổi trở kháng 57 4.1.3 Phương pháp mạch phân bố 58 4.2 Phân tích switch SPST dùng phương pháp mạch phân bố 58 4.2.1 Nguyên tắc hoạt động: 59 4.2.2 Tính thông số đặc trưng switch SPST 60 4.3 Phân tích mô hình SPST hỗn hợp dùng phương pháp mạch phân bố 65 4.3.1 Nguyên tắc hoạt ñoäng 65 4.3.2 Tính thông số đặc trưng switch SPST hỗn hợp 65 4.4 Phân tích mô hình switch SPDT song song phương pháp mạch phân bố 66 4.4.1 Nguyên tắc hoạt động 67 4.4.2 Tính toán thông số đặc trưng switch SPDT song song 67 4.5 Phân tích mô hình switch SPDT hỗn hợp 69 4.5.1 Nguyên tắc hoạt động 69 4.5.2 Tính thông số đặc trưng switch SPDT hỗn hợp 70 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHOÛNG 71 5.1 Mô tả trình mô switch siêu cao tần 71 5.2 Kết mô – Nhận xét, đánh giá 72 5.2.1 Mô hình switch SPST song song .73 5.2.2 Moâ hình switch SPST hỗn hợp 76 5.2.3 Mô hình switch SPDT song song .79 5.2.4 Mô hình switch SPDT hỗn hợp .82 5.2.5 Nhận xét chung cho mô hình 85 HVTH: Bùi Phú Nhân Chương 5: Kết mô (a) (b) (c) (d) Hình 5.6: Kết mô phỏngï ảnh hưởng thông số thiết thông số đặc trưng switch SPST hỗn hợp HVTH: Bùi Phú Nhân Trang 77 Chương 5: Kết mô Hình 5.7: SPST hỗn hợp với IS>33dB, IL40dB, IL26dB, IL28dB, IL38dB, IL40dB, IL