Проект: Разработка фильтров поглощающего типа в интегральном исполнении и средств их проектирования

1. Методики синтеза фильтров поглощающего типа на основе фазовых искажений в интегральном исполнении (ФНЧ, ППФ, ПЗФ). 1.1. Детальное описание методик синтеза. 1.1.1. Физическое обоснование применения фазовых искажений для реализации фильтров поглощающего типа. 1.1.2. Математическая модель фазовых искажений в микрополосковых линиях передачи на уровне ИС, используемых для создания фильтров. 1.1.3. Анализ влияния геометрических параметров фильтров и электрофизических параметров подложек на частотные и временные характеристики фильтров. 1.1.4. Вывод аналитических формул и алгоритмов для расчета параметров фильтров (длина, ширина, расстояние между проводниками и т.д.) по заданным электрическим характеристикам (частота среза, полоса пропускания, уровень подавления помех и т.д.). 1.2. Методы учета технологических ограничений. 1.2.1. Анализ влияния материала подложки, толщины металлизации и технологических допусков на характеристики фильтров. 1.2.2. Разработка методов коррекции параметров фильтров с учетом технологических ограничений. 1.3. Разработка рекомендаций по применению методик. 1.3.1. Описание процедуры синтеза фильтров с примерами. 1.3.2. Рекомендации по выбору оптимальных параметров фильтров для различных применений и требований к ЭМС. 2. Программные средства для автоматизированного синтеза фильтров: 2.1. Функциональные возможности программного модуля. 2.1.1. Задание требуемых характеристик фильтра (тип, частота среза, полоса пропускания, уровень подавления). 2.1.2. Автоматический расчет геометрических параметров фильтра. 2.1.3. Визуализация рассчитанной топологии фильтра. 2.1.4. Экспорт данных в форматы, совместимые с САПР (например, GDSII). 2.1.5. Возможность изменения параметров модели и уточнения расчетов. 2.2. Применение машинного обучения: 2.2.1. Обучение модели машинного обучения на базе данных о характеристиках фильтров с различными параметрами. 2.2.2. Использование модели для ускорения процесса синтеза и оптимизации фильтров. 3. Технология изготовления интегральных фильтров: 3.1. Топологии МИС фильтров: 3.1.1. Разработка набора типовых топологий МИС для ФНЧ, ППФ и ПЗФ с различными конфигурациями и размерами. 3.1.2. Оптимизация топологий для минимизации размеров и паразитных эффектов. 3.2. Технологический маршрут: 3.2.1. Детальное описание всех этапов технологического процесса изготовления МИС фильтров. 3.2.2. Спецификация используемых материалов и оборудования. 3.2.3. Разработка рекомендаций контроля параметров разрабатываемых устройств. 3.3. Комплекты сборочных чертежей: 3.3.1. Разработка комплектов сборочных топологических чертежей для каждого типа фильтра с указанием всех необходимых размеров и допусков. 4. Прототипы интегральных фильтров: 4.1. Изготовление партий прототипов МИС фильтров для каждого типа с различными вариантами параметров для последующих испытаний. 4.2. Корпусирование МИС в SMD-корпуса с различными типами выводов. 5. Результаты измерений характеристик фильтров: 5.1. Измерение S-параметров в широком диапазоне частот для оценки частотных характеристик фильтров. 5.2. Анализ N-норм для оценки эффективности подавления ПЭМП различных типов. 5.3. Анализ целостности сигнала с помощью контрольных диаграмм для оценки влияния фильтров на качество передачи полезного сигнала. 5.4. Сравнение экспериментальных данных с результатами электромагнитного моделирования для верификации методик синтеза и моделей фильтров. 5.5. Определение предельных значений N-норм для различных форм ПЭМП. 6. Программный модуль и PDK для квазистатического анализа: 6.1. Программный модуль для расчета электрических характеристик пассивных ИС с интегрированными фильтрами на основе квазистатического подхода. 6.2. PDK для разработанных фильтров, содержащий информацию о их геометрических и электрических параметрах, необходимую для включения фильтров в библиотеки элементов разработанного модуля. 7. Отчет о верификации квазистатического подхода: 7.1. Детальное описание методики верификации с указанием используемых программных средств и параметров моделирования. 7.2. Результаты сравнительного анализа квазистатических и полноволновых моделей. 7.3. Выводы о границах применимости квазистатического подхода (частотный диапазон, типы структур, допустимые погрешности). 8. Научно-технические отчеты, публикации и заявки на РИД: 8.1. Научно-технические отчеты 8.2. Публикации в рецензируемых журналах, посвященные разработанным методикам синтеза, моделям фильтров, технологии изготовления и результатам экспериментальных исследований. 8.3. Доклады на конференциях. 8.4. Заявки на регистрацию программ для ЭВМ. 8.5. Заявки на регистрацию ТИМС. В результате выполнения проекта будет создана комплексная система решений для проектирования, изготовления и анализа высокоэффективных МИС фильтров поглощающего типа, что откроет новые возможности для повышения уровня ЭМС отечественной радиоэлектроники и обеспечит технологическую независимость страны в этой важной области.

Современный мир стремительно движется к тотальной цифровизации, что сопровождается лавинообразным ростом использования РЭC во всех сферах человеческой деятельности. Эта тенденция приводит к значительному обострению проблемы ЭМС, которая ставит под угрозу надежность, безопасность и эффективность работы как отдельных устройств, так и целых систем. 1. Кризис ЭМС в современных РЭC: 1.1. Стремительное развитие микроэлектроники и уменьшение размеров компонентов приводят к многократному увеличению их плотности в современных РЭC. В результате значительно возрастает вероятность возникновения взаимных ЭМП, что может вызвать сбои, искажения сигналов и даже выход оборудования из строя. 1.2. Постоянное увеличение объема передаваемой информации стимулирует разработчиков РЭC осваивать все более высокие частоты. Это приводит к расширению спектра используемых сигналов и соответственно к росту уровня излучаемых ЭМП. 1.3. Широкое распространение беспроводных устройств, импульсных источников питания, светодиодного освещения и др. создает огромное количество новых источников ЭМП, которые могут оказывать негативное влияние на работу РЭC. 1.4. ПЭМП являются эффективным средством нарушения работы РЭC и могут использоваться для самых разных целей: от промышленного шпионажа до террористических атак. Доступность технологий создания ПЭМП постоянно растет, что делает их все более опасной угрозой для надежности и безопасности критически важных систем. 2. Ограниченность традиционных методов защиты от ЭМП: 2.1. Классические фильтры с сосредоточенными или распределенными параметрами, широко используемые для подавления ЭМП, часто имеют значительные габариты. Это делает их применение крайне затруднительным в современных миниатюрных электронных устройствах, где пространство является критическим ресурсом. 2.2. Традиционные фильтры работают по принципу отражения энергии помехи, что может вызывать нежелательные эффекты в электрической цепи, такие как возбуждение паразитных резонансов и искажение полезных сигналов. 3. Инновационный подход – фильтры поглощающего типа в интегральном исполнении: В данном проекте предлагается инновационный подход к решению проблемы ЭМС, основанный на разработке фильтров поглощающего типа в интегральном исполнении, которые будут обладать следующими преимуществами: 3.1. Фильтры поглощающего типа работают по принципу поглощения энергии помехи и ее рассеивания в виде тепла. Это позволяет избежать проблем, связанных с отражением энергии, и обеспечить более высокий уровень ЭМС РЭC. 3.2. Интегральное исполнение фильтров обеспечит их малые размеры и возможность встраивания непосредственно в кристалл микросхемы. Это решает проблему габаритов и делает применение фильтров возможным в самых миниатюрных устройствах. 3.3. Использование фазовых искажений для реализации фильтров поглощающего типа позволит создать компактные фильтры с высокой эффективностью подавления ПЭМП в широком диапазоне частот. Это открывает новые возможности для защиты от импульсных помех с широким спектром. 4. Огромный и постоянно растущий рынок фильтров: Мировой рынок фильтров является огромным и демонстрирует постоянный рост. Согласно аналитическим отчетам, в 2023 году его объем составил более 20 миллиардов долларов, и ожидается, что к 2030 году он превысит 30 миллиардов долларов. Этот рост обусловлен постоянным увеличением спроса на электронные устройства и системы во всех отраслях промышленности. 5. Ключевые игроки рынка и конкуренция: На рынке фильтров действует множество компаний, как крупных международных, так и небольших специализированных. Среди наиболее крупных игроков можно выделить: Murata Manufacturing (Япония) TDK Corporation (Япония) AVX Corporation (США) TE Connectivity (Швейцария) Broadcom Inc. (США) Qorvo Inc. (США) Skyworks Solutions Inc. (США) Конкуренция на рынке очень высока, и компании постоянно инвестируют в разработку новых технологий и продуктов, чтобы сохранить свои позиции. 6. Перспективы коммерциализации проекта: Разработка высокоэффективных фильтров поглощающего типа в интегральном исполнении открывает широкие перспективы для коммерциализации результатов проекта. Учитывая растущий спрос на такие фильтры, они могут найти применение в самых разных областях: 6.1. Базовые станции, смартфоны, планшеты и др. 6.2. Радары, системы радиоэлектронной борьбы. 6.3. Бортовые системы, спутники. 6.4. Системы визуализации, диагностические приборы. 6.5. Системы управления, датчики. Разработка МИС фильтров поглощающего типа в России будет иметь большое значение для развития отечественной электронной промышленности.

Предметом разработки является комплексная система решений для проектирования, изготовления и анализа высокоэффективных МИС фильтров поглощающего типа для обеспечения ЭМС современных радиоэлектронных систем. 1. Методики синтеза фильтров поглощающего типа в интегральном исполнении. 1.1. Детальное исследование фазовых искажений в полосковых линиях передачи, используемых для создания фильтров. Вывод уравнений, описывающих распространение различных мод, анализ влияния геометрических параметров на фазовые скорости мод и эффективность поглощения энергии помехи. 1.2. Исследование влияния геометрических параметров фильтров (длина, ширина, расстояние между проводниками) и электрофизических параметров подложек на частотные и временные характеристики фильтров поглощающего типа. 1.3. Разработка аналитических формул и алгоритмов для расчета параметров фильтров поглощающего типа по заданным электрическим характеристикам (частота среза, полоса пропускания, уровень подавления). 1.4. Анализ влияния материала подложки, толщины металлизации и технологических допусков на характеристики фильтров поглощающего типа. 1.5. Разработка методов коррекции параметров фильтров для компенсации влияния технологических ограничений. 1.6. Описание процедуры синтеза фильтров поглощающего типа с примерами и рекомендации по выбору оптимальных параметров для различных применений. 2. Программные средства для автоматизированного синтеза ФПТ. 2.1. Функциональные возможности: - Задание требуемых характеристик фильтра (тип, частота среза, полоса пропускания, уровень подавления). - Автоматический расчет геометрических параметров фильтра на основе разработанных методик синтеза. - Визуализация рассчитанной топологии фильтра. - Экспорт данных в форматы, совместимые с САПР (например, GDSII). - Возможность изменения параметров и уточнения расчетов. 2.2. Применение машинного обучения: - Обучение модели машинного обучения на наборе данных о характеристиках фильтров с различными параметрами. - Использование обученной модели для ускорения процесса синтеза и оптимизации фильтров. 3. Технология изготовления интегральных фильтров. 3.1. Топологии МИС фильтров: - Разработка набора типовых топологий для разных типов фильтров (ФНЧ, полосно-пропускающие фильтры (ППФ), полосно-заграждающие фильтры (ПЗФ)) с различными конфигурациями и размерами. - Оптимизация топологий для минимизации размеров и паразитных эффектов с учетом технологических ограничений. 3.2. Технологический маршрут: - Детальное описание всех этапов технологического процесса изготовления МИС фильтров. - Спецификация используемых материалов и оборудования. 3.3. Комплекты сборочных чертежей: - Разработка комплектов топологических чертежей для каждого типа фильтра с указанием всех размеров и допусков. 4. Изготовление и испытание прототипов: 4.1. Изготовление опытных партий МИС фильтров разных типов и с различными параметрами. 4.2. Корпусирование: Установка МИС в SMD-корпуса с разными типами выводов. 4.3. Измерение S-параметров для оценки частотных характеристик. 4.4. Анализ N-норм для оценки эффективности подавления ПЭМП. 4.5. Анализ целостности сигнала с помощью контрольных диаграмм. 4.6. Сравнение экспериментальных данных с результатами моделирования для верификации методик и моделей. 4.7. Определение предельных значений N-норм для различных ПЭМП. 5. Разработка программного модуля и PDK для квазистатического анализа: 5.1. Разработка ПО для расчета электрических характеристик пассивных ИС с интегрированными фильтрами на основе квазистатического подхода. 5.2. Создание набора технологических правил проектирования (PDK) для разработанных фильтров, содержащего информацию об их геометрических и электрических параметрах. 5.3. Сравнительный анализ квазистатических и полноволновых моделей и определение границ применимости квазистатического подхода. 6. Оформление результатов исследования: 6.1. Подготовка отчетов по этапам и итогам проекта. 6.2. Написание и публикация статей в рецензируемых журналах, доклады на конференциях. 6.3. Оформление заявок на регистрацию программ для ЭВМ и топологий интегральных микросхем (ТИМС).

Реализация данного проекта предполагает комплексный подход, включающий как теоретические исследования, так и практические разработки, а также использование современных технологий проектирования и изготовления МИС. 1. Разработка методик синтеза фильтров поглощающего типа в интегральном исполнении: 1.1. Для физического обоснования и математического описания фазовых искажений в полосковых линиях передачи на кристалле будут применены методы вычислительной электродинамики (МКРВО, МКЭ, метод моментов). С помощью электродинамического моделирования в специализированных САПР (COMSOL и др.) будут исследованы характеристики распространения различных мод в зависимости от геометрических параметров и материалов линий передачи. 1.2. Будет проведен детальный параметрический анализ влияния геометрических размеров фильтров и электрофизических параметров подложек на частотные и временные характеристики фильтров поглощающего типа. Для этого будут использованы методы планирования эксперимента (например, метод полного факторного эксперимента), которые позволят определить наиболее значимые параметры и их взаимодействие. 1.3. На основе результатов моделирования и параметрического анализа будут выведены аналитические формулы и алгоритмы для расчета параметров фильтров по заданным электрическим характеристикам. Для этого будут применены методы аппроксимации, регрессионного анализа и др. 1.4. Учет технологических ограничений: С помощью электродинамического моделирования будет проанализировано влияние технологических допусков на характеристики фильтров. 1.5. На основе полученных данных будут разработаны методы коррекции параметров фильтров для компенсации влияния технологических ограничений. 1.6. В результате исследований будут сформулированы практические рекомендации по применению разработанных методик синтеза, включая примеры расчетов и рекомендации по выбору оптимальных параметров. 2. Разработка программного обеспечения для автоматизированного синтеза фильтров: 2.1. Для создания программного средства будет выбрана подходящая платформа и язык программирования, обеспечивающие высокую производительность, удобство разработки и интеграции с другими системами. Возможные варианты: Python и/или C++. 2.2. Будет разработан интуитивно понятный графический интерфейс, позволяющий пользователю задавать требуемые характеристики фильтра, просматривать результаты расчетов и экспортировать данные. 2.3. В программное обеспечение будут реализованы разработанные методики синтеза и алгоритмы расчета параметров фильтров. 2.4. Для ускорения процесса синтеза и оптимизации фильтров будет реализована возможность обучения и использования моделей машинного обучения. 2.5. Программа будет тщательно протестирована и отлажена для обеспечения ее надежности и точности работы. 3. Технология изготовления и испытания прототипов МИС фильтров: 3.1. Для изготовления прототипов МИС фильтров будет выбрана подходящая технология, обеспечивающая необходимые характеристики (например, GaAs pHEMT). 3.2. Для изготовления прототипов планируется использовать современное оборудование НОЦ "Нанотехнологии" ТУСУРа, что позволит создать высококачественные образцы МИС. 3.3. Для ускорения процесса изготовления и снижения затрат возможно использование технологического сервиса MPW, который позволяет изготавливать микросхемы нескольких заказчиков на одной пластине. 3.4. Для оценки характеристик и эффективности подавления ПЭМП будут разработаны специализированные программы и методики испытаний. 3.4. Будут проведены измерения S-параметров, анализ N-норм и целостности сигнала для верификации разработанных методик синтеза и моделей фильтров. 4. Разработка программного модуля и PDK для квазистатического анализа: 4.1. Разработка программного модуля: Для расчета электрических характеристик пассивных ИС с интегрированными фильтрами на основе квазистатического подхода будет разработан специализированный программный модуль. Он будет интегрирован в разработанный модуль для удобства использования проектировщиками. 4.2. Для обеспечения правильного использования разработанных фильтров в процессе проектирования ИС будет создан PDK, содержащий всю необходимую информацию о геометрических и электрических параметрах фильтров. 4.3. С помощью сравнительного анализа квазистатических и полноволновых моделей будут определены границы применимости квазистатического подхода, чтобы обеспечить точность расчетов в рамках его применимости. 5. Оформление и публикация результатов: Подготовка научно-технических отчетов, публикация статей в рецензируемых журналах, участие в конференциях и семинарах, оформление заявок на РИД.

1. Новые типы МИС фильтров поглощающего типа: Разработка оригинальных топологий фильтров, основанных на фазовых искажениях, в интегральном исполнении (ФНЧ, ППФ, ПЗФ), обеспечивающих: Высокую эффективность подавления ПЭМП в широком диапазоне частот: За счет использования фазовых искажений и поглощения энергии помехи в материале подложки. Миниатюризацию и интеграцию в СВЧ ИС: Компактные размеры и возможность встраивания фильтров непосредственно в кристалл микросхемы. 2. Применение машинного обучения для автоматизации синтеза: Разработка и обучение модели машинного обучения для ускорения процесса синтеза и оптимизации геометрических параметров фильтров. 3. Квазистатический подход к анализу пассивных ИС с интегрированными фильтрами: Создание программного модуля для быстрого и точного расчета электрических характеристик таких ИС. 4. Разработка PDK для первых разработанных фильтров: Создание библиотеки элементов и набора технологических правил для интеграции новых фильтров в процесс проектирования СВЧ ИС. 5. Комплексный подход к обеспечению ЭМС: Создание полноценной системы решений для проектирования, изготовления и анализа высокоэффективных МИС фильтров поглощающего типа.

- Члены команды обладают многолетним опытом в области проектирования и анализа различных типов фильтров (ФНЧ, ППФ, ПЗФ) для СВЧ диапазона, в том числе фильтров поглощающего типа. - Команда имеет глубокие знания в области технологии изготовления СВЧ МИС, включая особенности различных технологических процессов и материалов подложек. - В команде есть специалисты с опытом разработки программного обеспечения для автоматизации проектирования и анализа СВЧ устройств. - Члены команды владеют современными численными методами электродинамики (МКРВО, МКЭ, метод моментов) и имеют опыт их применения для моделирования и анализа СВЧ устройств. - Наличие публикаций в рецензируемых журналах и патентов по тематике проекта подтверждает научный уровень и квалификацию команды. Этот задел создает прочную основу для успешной реализации проекта и позволяет с уверенностью говорить о достижении поставленных целей.

Глобальный рынок EMI-фильтров демонстрирует устойчивый рост, обусловленный следующими факторами: - наблюдается стремительный рост использования электронных устройств во всех сферах жизни - от бытовой электроники и автомобилей до промышленного оборудования и критически важной инфраструктуры; - распространение технологий Wi-Fi, Bluetooth, 5G приводит к увеличению количества источников и интенсивности ЭМП; - современная электроника стремится к компактности, что усложняет использование громоздких традиционных EMI-фильтров и повышает востребованность миниатюрных интегрированных решений. Объем рынка EMI-фильтров в 2022 году, по оценкам аналитиков, составил 274,5 млн долларов США. Прогнозируется, что к 2031 году этот показатель достигнет 392,1 млн долларов США при среднегодовом темпе роста (CAGR) 4,1%. Ключевые сегменты рынка: По типу: ФНЧ (доминирующий сегмент), ФВЧ, ППФ, ПЗФ. По конструкции: П-образные фильтры (высокий спрос в электромобилях и высокоскоростных системах передачи данных), T-образные фильтры, RLC-фильтры, фильтры на элементах с сосредоточенными параметрами, фильтры на элементах с распределенными параметрами (в том числе квази-фильтры). По применению: Телекоммуникации, автомобильная промышленность, аэрокосмическая и оборонная промышленность, потребительская электроника, промышленное оборудование, медицинское оборудование и др. Анализ конкурентной среды Рынок EMI-фильтров характеризуется высокой конкуренцией, на нём действуют как крупные международные корпорации, так и небольшие специализированные компании. Основные игроки: - Murata Manufacturing (Япония). Один из лидеров рынка, предлагающий широкий спектр EMI-фильтров для различных применений. - TDK Corporation (Япония). Крупный производитель электронных компонентов, включая разнообразные EMI-фильтры. В январе 2024 года TDK представила новую серию компактных однофазных EMI-фильтров B84742A*R725 для AC и DC устройств. - KYOCERA AVX (Япония). Ведуший поставщик пассивных электронных компонентов, включая EMI-фильтры. В ноябре 2023 года KYOCERA AVX выпустила новую серию миниатюрных ФВЧ HP0805 и HP2816 для высокочастотных устройств. - Astrodyne TDI (США), Schaffner (Швейцария) и так далее. Конкурентные преимущества разрабатываемого продукта: - разрабатываемые МИС фильтры поглощающего типа интегрированы в кристалл микросхемы, что обеспечивает непревзойденную миниатюризацию и упрощает их интеграцию в современные электронные устройства по сравнению с традиционными дискретными решениями; - применение принципа поглощения энергии ПЭМП, в отличие от отражения, позволяет достичь более высокой эффективности подавления помех в широком диапазоне частот, что особенно актуально для защиты от современных широкополосных ПЭМП; - интеграция фильтров в кристалл микросхемы позволяет снизить стоимость производства по сравнению с традиционными решениями, что делает разрабатываемые фильтры более доступными для широкого круга потребителей. 1. Инновационность решений: - Разрабатываемые фильтры работают по принципу поглощения энергии ПЭМП, в отличие от традиционных фильтров, отражающих ее обратно в систему. Это минимизирует нежелательные эффекты в электрической цепи. - Интеграция фильтров в кристалл микросхемы обеспечивает малые габариты и возможность применения в миниатюрных устройствах, где применение традиционных фильтров затруднено. - Применение фазовых искажений позволяет создать эффективные широкополосные фильтры для защиты от различных типов ПЭМП. 2. Технические преимущества: - Разрабатываемые фильтры обеспечивают высокий уровень подавления помех в широком диапазоне частот. - Интегральное исполнение фильтров позволяет значительно уменьшить их размеры и массу по сравнению с традиционными решениями. - Разработанный PDK упрощает процесс включения фильтров в проекты СВЧ ИС. 3. Ключевые преимущества: - Инновационный подход к защите от ПЭМП с использованием фазовых искажений и интегрального исполнения. - Высокие технические характеристики (эффективность, миниатюризация, широкополосность). - Экономическая эффективность (снижение стоимости и сроков разработки). В результате проекта будет создан комплекс решений, включающий: - МИС фильтров поглощающего типа (ФНЧ, ППФ, ПЗФ), а именно миниатюрные фильтры, интегрированные в кристалл микросхемы, эффективно поглощающие ПЭМП и обеспечивающие высокий уровень ЭМС РЭC. - Программное средство для автоматизированного проектирования ФПТ (ПО с удобным интерфейсом для расчёта параметров фильтров и экспорта данных в форматы, совместимые с САПР). - Технологическая документация и чертежи (описание технологического процесса изготовления МИС ФПТ и комплекты сборочных чертежей). - PDK, а именно набор технологических правил проектирования для интеграции новых фильтров в процесс проектирования СВЧ ИС.