eng
Выпуск #2/1999
В. Асессоров, В. Кожевников, В. Дикарев, А. Асессоров.
Мощные СВЧ-транзисторы для связной радиоаппаратуры
Мощные СВЧ-транзисторы для связной радиоаппаратуры
Просмотры: 4053
На рынке активных компонентов для связной аппаратуры сохраняется высокий спрос на мощные генераторные СВЧ-транзисторы. Многие зарубежные и отечественные разработчики считают, что дискретные приборы позволяют им адекватно и оперативно реагировать на изменения конъюнктуры рынка и быстро окупать производственные затраты при выпуске изделий малыми партиями. К тому же в мощной передающей аппаратуре дискретные СВЧ-транзисторы просто незаменимы. Motorola, Philips, Thomson и другие зарубежные фирмы активно работают над совершенствованием существующих и созданием новых мощных СВЧ-транзисторов, а также гибридных ИС усилителей ВЧ-мощности.
А что же происходит в России?
А что же происходит в России?
Создатели разнообразной радиоэлектронной аппаратуры нуждаются в широкой номенклатуре высококачественных, надежных мощных генераторных СВЧ-транзисторов и гибридных схем [1]. Появлению СВЧ-транзисторов нового поколения способствовали достижения в области конструктивных и схемотехнических решений, а также прецизионной изопланарной технологии. Прежде всего это замена алюминиевой металлизации золотой, применение высокоэффективных стабилизирующих резисторов, формирование субмикронных диффузионных слоев, повышение плотности упаковки топологических элементов транзисторной структуры [2].
СВЧ-транзисторы для разнообразных систем радиосвязи можно условно разбить на следующие группы: используемые в стационарных и бортовых радиостанциях (напряжение питания 28 В), в передвижных (12,6 В) и портативных переносных индивидуальных станциях (7,5 В). Из-за физических ограничений транзисторных структур и различных деградационных механизмов, вызываемых особенностями эксплуатации, методы проектирования каждого из указанных типов приборов имеют свою специфику. К сегодняшнему дню широкая номенклатура мощных СВЧ-транзисторов для аппаратуры средств связи разработана специалистами НИИЭТ (г. Воронеж).
Мощные генераторные СВЧ-транзисторы для стационарных и бортовых средств связи (табл.1) работают при напряжении питания, превышающем предел проявления “пятнообразования” (15–18 В). Поэтому они требуют особых мер стабилизации эмиттерного тока. Для подавления механизма вторичного пробоя в цепь эмиттера таких транзисторов включают высокоомные тонкопленочные резисторы. Однако при выходной мощности 100 Вт и более этих мер уже недостаточно. В выпускаемых отечественной промышленностью транзисторах типа 2Т970А и 2Т971А эмиттерные стабилизирующие резисторы выполнены с переменным номиналом за счет конструктивного изменения коэффициента формы резисторных элементов вдоль многоэмиттерной транзисторной структуры. В результате в центральной части структуры, где требуется более эффективная отсечка эмиттерного тока из-за худшего рассеяния тепла, чем на периферии [3], номинал сопротивления резистора – наибольший. На этапе проектирования транзисторов 2Т917АС, а также 2Т9153, 2Т9156 для обеспечения их работы в специальных условиях выдвигались более жесткие требования к температурной устойчивости. Поэтому в эмиттерной цепи этих приборов применены высокоэффективные стабилизирующие резисторы с положительным температурным коэффициентом.
Другая проблема мощных СВЧ-транзисторов рассматриваемого типа — вторичный электрический пробой вследствие выброса высокочастотного коллекторного напряжения. Для их надежной работы необходимо обеспечить оптимальные характеристики эпитаксиального коллекторного слоя. С увеличением толщины этого слоя повышается устойчивость к вторичному электрическому пробою, но одновременно ограничивается амплитуда напряжения основной гармоники и снижается выходная мощность. Для решения этой проблемы в транзисторе 2Т970А впервые был применен двухслойный коллектор [4]. Параметры верхнего слоя определяли исходя из требований к напряжению пробоя и емкости коллекторного перехода. Наличие второго, более низкоомного слоя позволило уменьшить напряжение насыщения на высокой частоте и, что особенно важно, увеличить устойчивость к перенапряжению в режиме отсечки коллекторного тока.
Линейность передаточной характеристики – одно из важных требований, предъявляемых к мощным СВЧ-транзисторам для многоканальных средств связи, в том числе стационарных станций сотовых систем. Такие транзисторы, как правило, работают в режиме АВ с регламентацией (компрессией) уровня изменения коэффициента усиления по мощности в зависимости от выходного сигнала (не более чем на 1 дБ) [5]. Специально разработанные для многоканальных систем связи отечественные транзисторы, такие как 2Т9153 и 2Т9156, соответствуют лучшим мировым образцам, хотя и уступают им по уровню выходной мощности (120 Вт в дм-диапазоне).
В конструкции СВЧ-транзисторов с выходной мощностью более 15 Вт, как правило, предусмотрена согласованная по входу встроенная LC-цепь. Она выполняется в виде микросборки на основе встроенного МДП-транзистора и элементов индуктивности в виде системы проволочных выводов. Цепь согласования позволяет расширить рабочую полосу частот, упростить согласование по входу и выходу, увеличить коэффициент усиления по мощности. Самые мощные, так называемые “балансные”, транзисторы по типу 2Т9147АС выполнены в виде двух идентичных транзисторных чипов, смонтированных на одном фланце. Результат такого технического решения — уменьшение индуктивности вывода общего электрода, расширение полосы частот, а также упрощение согласования. Транзисторы предназначены для работы в двухтактных схемах усиления. Потенциал их средней точки теоретически равен нулю, что соотвествует условию искусственного ”заземления”. По сравнению с однотактным двухтактное, балансное включение обеспечивает примерно четырехкратное увеличение общего выходного сопротивления без снижения уровня выходного сигнала. Одновременно эффективно подавляются четные гармонические составляющие в спектре полезного сигнала.
Как видно из табл. 1, в каждом из связных диапазонов отечественная промышленность предлагает широкую номенклатуру как мощных СВЧ-транзисторов с рекордными значениями выходной мощности для выходных каскадов передатчиков так, и менее мощных приборов для усилительных трактов. На их основе в свое время была переоснащена элементная база многих систем военной техники. Сейчас они могут с успехом применяться в мощных твердотельных передающих устройствах.
С точки зрения коммерческой потребности наибольший интерес сегодня представляют низковольтные генераторные СВЧ-транзисторы для передвижных и портативных переносных средств связи (табл.2). По режиму работы и конструктивному исполнению эти транзисторы достаточно специфичны. Прежде всего они должны иметь высокие коэффициент усиления по мощности КуР и коэффициент полезного действия коллекторной цепи hк при заданном значении выходной мощности, а также устойчиво работать при большом рассогласовании с нагрузкой (КСВн > 10). Поскольку для питания передвижных и переносных абонентских средств связи используются малогабаритные батареи и аккумуляторы, транзисторы должны работать при низких значениях напряжения питания. Чтобы обеспечить требуемые параметры и надежность низковольтных мощных СВЧ-транзисторов, при проектировании необходимо предусмотреть меры по снижению напряжения насыщения коллектора, увеличению его критического тока, подавлению механизмов деградации металлизированных токоведущих шин, плотность тока которых выше, чем у транзисторов, работающих при напряжении 28 В.
При создании СВЧ-транзисторов для портативной аппаратуры важное значение имеет выбор типа корпуса. Корпус должен быть миниатюрным и удобным для монтажа на плату или теплоотвод. Для монтажа мощных СВЧ-транзисторов широко используются золоченые металлокерамические корпуса с жесткими ленточными выводами. Генераторные транзисторы на частоты до 200 МГц целесообразно монтировать в дешевые пластмассовые корпуса. Цена таких транзисторов в пять раз ниже, что существенно снижает и стоимость аппаратуры, в которой они применяются. В последнее время все чаще требуются транзисторы в корпусах, рассчитанных на поверхностный монтаж. Это стимулировало создание бескорпусного прибора на керамическом (ВеО) кристаллоносителе с гибкими ленточными выводами [6].
С 1995 года в России разворачивается федеральная сеть сотовой мобильной абонентской связи по стандарту GSM (900 МГц). Параллельно осваивается сотовая система региональной связи по американскому стандарту AMPS (800 МГц). Рабочая частота этой аппаратуры соответствует выделенному России Международным комитетом по радиочастотам связному диапазону 800–900 МГц. Кроме того, до 2000 года в России планируется создать федеральную сеть передвижных средств связи стандарта NMT-450i (450 МГц). К сожалению, из-за отсутствия отечественной элементной базы все эти системы обслуживаются зарубежной аппаратурой. Возможно, ситуацию удастся изменить с появлением разрабатываемых серий низковольтных транзисторов (в том числе и в корпусах для поверхностного монтажа) с выходной мощностью 0,5 и 2,0 Вт (“Полынь”) и 10, 20 Вт (“Полынь-2”) в диапазоне 800–960 МГц. Для работы в диапазоне частот 200–512 МГц пока создана лишь маломощная серия высоконадежных транзисторов с выходной мощностью до 10 Вт. Благодаря конструктивно-технологическим запасам эти транзисторы сохраняют работоспособность даже в условиях рассогласования с нагрузкой вплоть до значений КСВн =u [7]. Для передвижных малогабаритных радиостанций в НИИЭТ создается серия СВЧ-транзисторов “Процент-5”. Таким образом, интеллектуальный и производственный потенциал отечественной промышленности позволяет ставить и решать задачи создания новых типов мощных СВЧ-транзисторов для разнообразной связной аппаратуры гражданского и военного назначения.
Литература
1. Косой А.Я., Асессоров В.В., Кожевников В.А. Тенденция развития мощных СВЧ-транзисторов для применения в радиовещании, телевидении и средств связи. — Электронная промышленность, 1994, №4–5, с.78–80.
2. Асессоров В.В., Дикарев В.И., Кожевников В.А. Способ изготовления биполярных n-p-n-транзисторов. — Патент РФ №2 107 972. Приоритет от 12.04.1996 г.
3. Асессоров В.В., Кожевников В.А., Горохов В.С. и др. Мощная ВЧ (СВЧ)-транзисторная структура. Авт. свид. №656432.
4. Никишин В.И., Петров Б.К., Сыноров В.Ф. Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов. — М.: Радио и связь, 1989.
5. Асессоров А.В., Асессоров В.В., Кожевников В.А., Матвеев С.Ю. Линейные СВЧ-транзисторы для усилителей мощности. — М.: Радио, 1998, №3, с. 49–51.
6. Шилов А. Российский рынок аппаратуры для подвижной и беспроводной связи. — Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 1997, №2, с. 63–68.
7. Асессоров В.В., Кожевников В.А., Косой А.Я. Новые транзисторы СВЧ. — М.: Радио, 1996, №5, с.57–58.
СВЧ-транзисторы для разнообразных систем радиосвязи можно условно разбить на следующие группы: используемые в стационарных и бортовых радиостанциях (напряжение питания 28 В), в передвижных (12,6 В) и портативных переносных индивидуальных станциях (7,5 В). Из-за физических ограничений транзисторных структур и различных деградационных механизмов, вызываемых особенностями эксплуатации, методы проектирования каждого из указанных типов приборов имеют свою специфику. К сегодняшнему дню широкая номенклатура мощных СВЧ-транзисторов для аппаратуры средств связи разработана специалистами НИИЭТ (г. Воронеж).
Мощные генераторные СВЧ-транзисторы для стационарных и бортовых средств связи (табл.1) работают при напряжении питания, превышающем предел проявления “пятнообразования” (15–18 В). Поэтому они требуют особых мер стабилизации эмиттерного тока. Для подавления механизма вторичного пробоя в цепь эмиттера таких транзисторов включают высокоомные тонкопленочные резисторы. Однако при выходной мощности 100 Вт и более этих мер уже недостаточно. В выпускаемых отечественной промышленностью транзисторах типа 2Т970А и 2Т971А эмиттерные стабилизирующие резисторы выполнены с переменным номиналом за счет конструктивного изменения коэффициента формы резисторных элементов вдоль многоэмиттерной транзисторной структуры. В результате в центральной части структуры, где требуется более эффективная отсечка эмиттерного тока из-за худшего рассеяния тепла, чем на периферии [3], номинал сопротивления резистора – наибольший. На этапе проектирования транзисторов 2Т917АС, а также 2Т9153, 2Т9156 для обеспечения их работы в специальных условиях выдвигались более жесткие требования к температурной устойчивости. Поэтому в эмиттерной цепи этих приборов применены высокоэффективные стабилизирующие резисторы с положительным температурным коэффициентом.
Другая проблема мощных СВЧ-транзисторов рассматриваемого типа — вторичный электрический пробой вследствие выброса высокочастотного коллекторного напряжения. Для их надежной работы необходимо обеспечить оптимальные характеристики эпитаксиального коллекторного слоя. С увеличением толщины этого слоя повышается устойчивость к вторичному электрическому пробою, но одновременно ограничивается амплитуда напряжения основной гармоники и снижается выходная мощность. Для решения этой проблемы в транзисторе 2Т970А впервые был применен двухслойный коллектор [4]. Параметры верхнего слоя определяли исходя из требований к напряжению пробоя и емкости коллекторного перехода. Наличие второго, более низкоомного слоя позволило уменьшить напряжение насыщения на высокой частоте и, что особенно важно, увеличить устойчивость к перенапряжению в режиме отсечки коллекторного тока.
Линейность передаточной характеристики – одно из важных требований, предъявляемых к мощным СВЧ-транзисторам для многоканальных средств связи, в том числе стационарных станций сотовых систем. Такие транзисторы, как правило, работают в режиме АВ с регламентацией (компрессией) уровня изменения коэффициента усиления по мощности в зависимости от выходного сигнала (не более чем на 1 дБ) [5]. Специально разработанные для многоканальных систем связи отечественные транзисторы, такие как 2Т9153 и 2Т9156, соответствуют лучшим мировым образцам, хотя и уступают им по уровню выходной мощности (120 Вт в дм-диапазоне).
В конструкции СВЧ-транзисторов с выходной мощностью более 15 Вт, как правило, предусмотрена согласованная по входу встроенная LC-цепь. Она выполняется в виде микросборки на основе встроенного МДП-транзистора и элементов индуктивности в виде системы проволочных выводов. Цепь согласования позволяет расширить рабочую полосу частот, упростить согласование по входу и выходу, увеличить коэффициент усиления по мощности. Самые мощные, так называемые “балансные”, транзисторы по типу 2Т9147АС выполнены в виде двух идентичных транзисторных чипов, смонтированных на одном фланце. Результат такого технического решения — уменьшение индуктивности вывода общего электрода, расширение полосы частот, а также упрощение согласования. Транзисторы предназначены для работы в двухтактных схемах усиления. Потенциал их средней точки теоретически равен нулю, что соотвествует условию искусственного ”заземления”. По сравнению с однотактным двухтактное, балансное включение обеспечивает примерно четырехкратное увеличение общего выходного сопротивления без снижения уровня выходного сигнала. Одновременно эффективно подавляются четные гармонические составляющие в спектре полезного сигнала.
Как видно из табл. 1, в каждом из связных диапазонов отечественная промышленность предлагает широкую номенклатуру как мощных СВЧ-транзисторов с рекордными значениями выходной мощности для выходных каскадов передатчиков так, и менее мощных приборов для усилительных трактов. На их основе в свое время была переоснащена элементная база многих систем военной техники. Сейчас они могут с успехом применяться в мощных твердотельных передающих устройствах.
С точки зрения коммерческой потребности наибольший интерес сегодня представляют низковольтные генераторные СВЧ-транзисторы для передвижных и портативных переносных средств связи (табл.2). По режиму работы и конструктивному исполнению эти транзисторы достаточно специфичны. Прежде всего они должны иметь высокие коэффициент усиления по мощности КуР и коэффициент полезного действия коллекторной цепи hк при заданном значении выходной мощности, а также устойчиво работать при большом рассогласовании с нагрузкой (КСВн > 10). Поскольку для питания передвижных и переносных абонентских средств связи используются малогабаритные батареи и аккумуляторы, транзисторы должны работать при низких значениях напряжения питания. Чтобы обеспечить требуемые параметры и надежность низковольтных мощных СВЧ-транзисторов, при проектировании необходимо предусмотреть меры по снижению напряжения насыщения коллектора, увеличению его критического тока, подавлению механизмов деградации металлизированных токоведущих шин, плотность тока которых выше, чем у транзисторов, работающих при напряжении 28 В.
При создании СВЧ-транзисторов для портативной аппаратуры важное значение имеет выбор типа корпуса. Корпус должен быть миниатюрным и удобным для монтажа на плату или теплоотвод. Для монтажа мощных СВЧ-транзисторов широко используются золоченые металлокерамические корпуса с жесткими ленточными выводами. Генераторные транзисторы на частоты до 200 МГц целесообразно монтировать в дешевые пластмассовые корпуса. Цена таких транзисторов в пять раз ниже, что существенно снижает и стоимость аппаратуры, в которой они применяются. В последнее время все чаще требуются транзисторы в корпусах, рассчитанных на поверхностный монтаж. Это стимулировало создание бескорпусного прибора на керамическом (ВеО) кристаллоносителе с гибкими ленточными выводами [6].
С 1995 года в России разворачивается федеральная сеть сотовой мобильной абонентской связи по стандарту GSM (900 МГц). Параллельно осваивается сотовая система региональной связи по американскому стандарту AMPS (800 МГц). Рабочая частота этой аппаратуры соответствует выделенному России Международным комитетом по радиочастотам связному диапазону 800–900 МГц. Кроме того, до 2000 года в России планируется создать федеральную сеть передвижных средств связи стандарта NMT-450i (450 МГц). К сожалению, из-за отсутствия отечественной элементной базы все эти системы обслуживаются зарубежной аппаратурой. Возможно, ситуацию удастся изменить с появлением разрабатываемых серий низковольтных транзисторов (в том числе и в корпусах для поверхностного монтажа) с выходной мощностью 0,5 и 2,0 Вт (“Полынь”) и 10, 20 Вт (“Полынь-2”) в диапазоне 800–960 МГц. Для работы в диапазоне частот 200–512 МГц пока создана лишь маломощная серия высоконадежных транзисторов с выходной мощностью до 10 Вт. Благодаря конструктивно-технологическим запасам эти транзисторы сохраняют работоспособность даже в условиях рассогласования с нагрузкой вплоть до значений КСВн =u [7]. Для передвижных малогабаритных радиостанций в НИИЭТ создается серия СВЧ-транзисторов “Процент-5”. Таким образом, интеллектуальный и производственный потенциал отечественной промышленности позволяет ставить и решать задачи создания новых типов мощных СВЧ-транзисторов для разнообразной связной аппаратуры гражданского и военного назначения.
Литература
1. Косой А.Я., Асессоров В.В., Кожевников В.А. Тенденция развития мощных СВЧ-транзисторов для применения в радиовещании, телевидении и средств связи. — Электронная промышленность, 1994, №4–5, с.78–80.
2. Асессоров В.В., Дикарев В.И., Кожевников В.А. Способ изготовления биполярных n-p-n-транзисторов. — Патент РФ №2 107 972. Приоритет от 12.04.1996 г.
3. Асессоров В.В., Кожевников В.А., Горохов В.С. и др. Мощная ВЧ (СВЧ)-транзисторная структура. Авт. свид. №656432.
4. Никишин В.И., Петров Б.К., Сыноров В.Ф. Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов. — М.: Радио и связь, 1989.
5. Асессоров А.В., Асессоров В.В., Кожевников В.А., Матвеев С.Ю. Линейные СВЧ-транзисторы для усилителей мощности. — М.: Радио, 1998, №3, с. 49–51.
6. Шилов А. Российский рынок аппаратуры для подвижной и беспроводной связи. — Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 1997, №2, с. 63–68.
7. Асессоров В.В., Кожевников В.А., Косой А.Я. Новые транзисторы СВЧ. — М.: Радио, 1996, №5, с.57–58.
Отзывы читателей
