Анотація до роботи:

Корольов О. М. Шуми в підсилювачах з MESFET- та HEMT-структурами і методи їх зниження. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.01 – фізика приладів, елементів і систем. – Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, Харків, 2004.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню шумових характеристик сучасних надвисокочастотних польових транзисторів (MESFET, HEMT, PHEMT), з’ясуванню шляхів їх оптимального використання у підсилювальних пристроях дециметрового діапазону довжин електромагнітних хвиль. При моделюванні транзисторів як шумовий параметр уведено оптимальний декремент джерела сигналу. Знайдено новий механізм зростання шумової температури – укрите розугодження. Із застосуванням ефекту “електронного охолодження” розроблено ефективний метод забезпечення стійкості. Експериментально підтверджено прогноз про можливість зниження шумової температури підсилювачів до рівня 10 К і менше, що раніше досягалося тільки в приладах із кріогенним охолодженням. Розроблено ряд підсилювачів на MESFET і псевдоморфних HEMT. Уведені до складу високочутливих радіоастрономічних приймальних систем, вони у значній мірі забезпечили рекордність характеристик мікрохвильових приймачів.

У дисертації наведене рішення наукового завдання по визначенню граничних шумових характеристик сучасних польових транзисторів, умов та способів їх реалізації у широкосмугових підсилювальних пристроях дм діапазону. Для досягнення кінцевого практичного результату – суттєвого зниження шумів підсилювачів завдяки максимально вичерпній реалізації потенційних можливостей MESFET і HEMT – методами теоретичного та експериментального дослідження було вирішено ряд науково-практичних задач і отримано наступні результати.

Побудовано феноменологічну шумову модель транзистора і відповідну методику розрахунку малошумких підсилювачів у дм діапазоні довжин електромагнітних хвиль із застосуванням оптимального декременту джерела сигналу (Ф) як параметра, що характеризує великі структурно-технологічні класи транзисторів (Ф=0,3-0,4 для MESFET, Ф=0,5-0,6 для HEMT, Ф=0,6-0,7 для PHEMT). Знайдено аналітичні вирази для 4-х базових шумових параметрів (Т_min, G_n, ReZ_оpt і ImZ_оpt). Це дозволяє замінити розрахунком не завжди можливі безпосередні вимірювання шумових параметрів.

Обґрунтовано необхідність і можливість опису індуктивних елементів вхідного кола узгодження як ліній передачі з ТЕМ-хвилею. Виявлено новий механізм зростання шумової температури – приховане розугодження, яке є наслідком властивостей (що раніше не бралися до уваги) спіральних індуктивностей як елементів із розподіленими параметрами.

Визначено головні умови реалізації мінімальної шумової температури в широкосмуговому режимі і, на цих підґрунтях, розроблено процедуру (метод) оптимального відбору транзистора.

Розроблено методику ідентифікації джерел наднизькорівневих шумів пасивних елементів сигнального кола. Показано, що головні чинники різкого перевищення шумової температури широкосмугового підсилювача над власною (мінімальною) шумовою температурою транзисторної структури мають зовнішній по відношенню до транзистора характер.

Із застосуванням явища “електронного охолодження” розроблено ефективний метод забезпечення стійкості, який не погіршує шумових характеристик.

Експериментально доведена можливість зниження шумової температури підсилювачів до рівня 10 К і менше, що раніше досягалося тільки в приладах із кріогенним охолодженням.

Ряд підсилювачів на MESFET і псевдоморфних HEMT, розроблених відповідно до розвинутого підходу, введено до складу високочутливих радіоастрономічних приймальних систем, що у значній мірі забезпечило рекордність їх характеристик.

Наукові та прикладні результати, отримані в дисертації, рекомендується використовувати при розробці нового покоління підсилювальних пристроїв – надмалошумких підсилювачів, не потребуючих на обов’язкове охолодження до кріогенних температур.

Публікації автора:

1. Королёв А.М., Шульга В.М. Режим сверхнизких шумов в широкополосном неохлаждаемом усилителе на P-HEMT в дециметровом диапазоне// Радиофизика и радиоастрономия. - 2003. - Т. 8, № 1. - С. 21-27.

2. Королёв А.М., Шульга В.М. Особенности реализации сверх-малошумящего HEMT-усилителя при не криогенном уровне охлаждения // Радиофизика и радиоастрономия. - 2003. - Т. 8, № 4. - С. 429-436.

3. Королёв А.М., Крутько А.П., Песковацкий С.А. Малошумящие усилители дециметрового диапазона на полевых СВЧ-транзисторах // Электронная техника. Сер.1.- 1993. - Вып. 2 (456). - С. 3-4.

4. Королёв А.М., Крутько А.П., Песковацкий С.А. Малошумящий гибридный усилитель на диапазон частот 0,2…1,2 ГГц // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. – 1988. - Вып. 10 (414). - С. 8-10.

5. Королёв А.М., Крутько А.П., Песковацкий С.А. Техника непосредственных связей в гибридных малошумящих усилителях // Электронная техника. Сер.1. – 1998. - Вып. 2 (472). - С. 14-17.

6. Королёв А.М. Малошумящие усилители на диапазон 50-1000 МГц. // Приборы и техника эксперимента. – 1984. - № 6. - С. 115-119.

7. Королёв А.М. Повышение устойчивости малошумящих усилителей на HEMT // Радиофизика и радиоастрономия. – 2003. - Т. 8, №3. - С. 317-325.

8. Королёв А.М. Особенности согласования полевых транзисторных структур на минимум шум-фактора в дециметровом диапазоне // Радиофизика и радиоастрономия. – 2002. - Т. 7, № 3.- С. 273-288.

Результати дисертації додатково висвітлено в таких працях:

1. Королёв А.М., Шульга В.М. Сверхмалошумящие усилители на дециметровый диапазон: особенности расчета и конструкции // Материалы 13-й Международной Крымской конференции “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”. Севастополь (Украина). – 2003. - С. 156-158.

2. Peskovatskii S.A., Korolev A.M., Myshenko V.V., Myshenko A.V., Piddiachii V.I. Ultra-stable Peltier-cooled low-noise 3-mm-wave band receiver // Proceedings of the Fourth International Simposium “Physics and Engineering of Millimeter and Sub-Millimeter Waves”. – Kharkov (Ukraine). – 2001. - P. 738-740.

3. Peskovatskii S.A., Shulga V.M., Piddiachii V.I., Korolev A.M., Myshenko V.V., Antufeyev A.V., Lavrik I.V. A Cryogenic 3mm Schottky diode mixer receiver // Proceedings of the Fourth International Kharkov Simposium “Physics and Engineering of Millimeter and Sub-Millimeter Waves ”. – Kharkov (Ukraine). – 2001. - P. 741-743.

4. Князьков Л.Б., Королёв А.М., Мышенко В.В., Песковацкий С.А., Подъячий В.И., Шульга В.М., Зинченко И.И., Штанюк А.М., Нестеров Н.С. Высокочувствительный радиоспектроскопический комплекс 3-мм диапазона // Тезисы докладов межведомственной научно-технической конференции “Приборы, техника и распространение ММ, СБМ волн”. – Харьков. – 1992. - C. 72.

5. Шульга В.М., Подъячий В.И., Королёв А.М., Мышенко В.В., Мышенко А.В. Сверхмалошумящий приёмник со смесителем на диоде с барьером Шоттки диапазона частот 85-115 ГГц // Материалы 13-й Международной Крымской конференции “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”. Севастополь (Украина).- 2003.- С. 195-197.

6. Korolev A.M., Shulga V.M. Ultra-low-noise amplifiers for radio astronomy applications // Proceedings of the Fifth International Kharkov Simposium on Physics and Engineering of Millimeter and Sub-Millimeter Waves. Kharkov (Ukraine).- 2004.- P. 894-895.

7. Королёв А.М, Песковацкий С.А.Широкополосный малошумящий усилитель на диапазон 0,75-1,25 ГГц. Тезисы докладов 21-й Всесоюзной радиоастрономической конференции. Ереван, 1989.-Р. 129.

8. Forkman P.M., Shulga V.M., Piddiachii V.I, Korolev A.M, Myshenko V.V., Myshenko A.V.Uncooled low noise frontend of the receiver system for ground-based monitoring of stratospheric ozone and carbon monoxide // Proceedings of the Fifth International Kharkov Simposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Sub-Millimeter Waves.- Kharkov (Ukraine).- 2004.- P. 886-888.