eng
Выпуск #2/2010
А.Кищинский.
Широкополосные транзисторные усилители СВЧ-диапазона: смена поколений
Широкополосные транзисторные усилители СВЧ-диапазона: смена поколений
Просмотры: 12152
В совершенствование конструкций СВЧ-усилителей мощности на основе транзисторов и монолитных интегральных схем (МИС), а также в развитие необходимых для этого полупроводниковых технологий в течение последних десятилетий вкладывались значительные средства и интеллектуальные силы ведущих мировых электронных компаний и университетов. Этот класс устройств во многих радиотехнических системах определяет важнейшие тактико-технические параметры системы, такие как излучаемая и потребляемая мощность, ширина полосы рабочих частот, габариты и масса, надежность и стоимость. Твердотельные СВЧ-усилители мощности вообще, а широкополосные приборы – в особенности, часто являются "критическим звеном" аппаратуры, возможность реализации параметров которого позволяет (либо не позволяет) реализовать систему в целом. В предлагаемой работе рассмотрен мировой уровень и направления развития специфической, но очень интересной группы СВЧ-усилителей – широкополосных транзисторных усилителей мощности непрерывного режима.
Специфика предмета
К категории широкополосных усилителей будем относить приборы, имеющие относительную ширину полосы рабочих частот более 40% (перекрытие по частоте – отношение верхней и нижней границ диапазона от 1,4:1 и более, вплоть до нескольких декад). От своих более узкополосных собратьев широкополосные приборы отличаются следующими конструктивными особенностями:
сложной схемой построения выходного каскада. Возможности широкополосного согласования активного элемента (транзистора) существенно ухудшаются с ростом его выходной мощности (и как следствие – с ростом ширины затвора и емкостей активной структуры). В результате часто используются многоканальные сумматоры мощности, усложняющие конструкцию прибора и вносящие дополнительные потери;
использованием в качестве активных элементов транзисторов с малыми дополнительными реактивностями (кристаллов дискретных транзисторов и МИС для работы в средней и верхней части сантиметрового диапазона, МИС – в миллиметровом диапазоне, корпусных транзисторов – в дециметровом и нижней части сантиметрового диапазона);
необходимостью дополнительных мер (и схем) для подавления отраженных волн. При согласовании в широкой полосе невозможно получить низкий уровень отраженной от входа транзистора волны, используя реактивные согласующие цепи (СЦ). Приходится применять схемные излишества в виде:
реактивно-диссипативных СЦ, уменьшающих усиление каскада;
обратных связей, ухудшающих и усиление, и выходную мощность, и КПД каскада;
квадратурных схем сложения, увеличивающих габариты и усложняющих конструкцию прибора;
схем распределенного усиления, ухудшающих КПД.
Все эти особенности приводят к тому, что электрические параметры широкополосных приборов оказываются заметно хуже, чем у узкополосных усилителей, а габариты и стоимость – заметно (иногда в разы) выше. Тем не менее, широкополосные усилители необходимы для целого ряда систем. Среди них – средства радиоэлектронного подавления (РЭП), сверхширокополосная локация, аппаратура тестирования на электромагнитную совместимость, специальные системы передачи данных, измерительная техника.
С другой стороны, в силу своей сложности широкополосные усилители выступают и определенным "двигателем" полупроводниковых технологий в попытках создать все более мощные и широкополосные интегральные "кирпичики" для построения этих приборов.
Кирпичики
Для производства мощных дискретных и монолитных СВЧ-компонентов непрерывного режима используются несколько промышленных полупроводниковых технологий (табл.1) [1, 2]. В таблице не приводятся данные о выходных мощностях внутрисогласованных транзисторов, содержащих внутри корпуса цепи согласования на тот или иной конкретный участок диапазона частот и не пригодных для построения широкополосных усилителей мощности. Также мы не рассматриваем приборы на фосфиде индия, которые пока трудно отнести к категории мощных. Проанализируем возможности применения этих кандидатов в "кирпичики".
Кремниевые полевые транзисторы с боковой диффузией (Si LDMOS) прочно заняли нишу базовых элементов в широкополосных усилителях с частотами до 1 ГГц. Приборы по данной технологии выпускаются компаниями Freescale Semiconductor, Sirenza Microdevices, PolyFET, NXP и др. Они отличаются низкой ценой при массовом производстве, высоким КПД, высокой допустимой рабочей температурой кристалла (200°С). В то же время имеют низкие предельные рабочие частоты (до 3,5 ГГц) и существенно более высокие (на порядок и более), чем приборы других технологий, удельные емкости активной структуры, что создает серьезные трудности их широкополосного согласования.
Полевые транзисторы с однородным легированием на арсениде галлия (GaAs MESFET) в прошлом веке были наиболее массовым строительным материалом для широкополосных усилителей СВЧ-диапазона. Они отличаются высокой надежностью и высокой линейностью передаточной характеристики. Рабочие температуры кристалла – до 175°С, удельная выходная мощность – 0,4–0,6 Вт/мм. Однако постепенно они утратили свои позиции, вытесненные арсенидгаллиевыми псевдоморфными гетероструктурными полевыми транзисторами (GaAs pHEMT), которым уступают по частотному диапазону, КПД и усилению. Кристаллы дискретных MESFET-транзисторов выпускают компании Sumitomo Electric (традиционные серии FLC, FLX, FLK фабрики Fujitsu) и Excelics. Производятся и несколько серий корпусных транзисторов нижней части сантиметрового диапазона (например – популярные модели MGF0910A, MGF0911A компании Mitsubishi Electric). Широкая номенклатура МИС мощных широкополосных усилителей, выпускавшихся ранее компанией M/A Com (серия MAAPGM-xxx), снята с производства в связи с ликвидацией самого производства. Мощные транзисторы и МИС по этой технологии выпускаются и рядом российских производителей (ФГУП "НПП "Пульсар", ФГУП "НПП "Исток", ОАО "Октава").
Отдельной веточкой некогда могучего дерева MESFET-технологии является достаточно редкая технология высоковольтных GaAs полевых транзисторов (GaAs HiFET) с рабочими напряжениями до 28 В. Их основным серийным производителем выступает компания AMCOM Communications. В силу высоковольтности и малых емкостей активной структуры эти транзисторы хорошо подходят для широкополосных усилителей, но их частотный диапазон ограничен 2,5–3 ГГц.
Технология GaAs гетероструктурных полевых транзисторов (HFET) обеспечивает высокие пробивные напряжения (22–25 В), высокий КПД (до 55%) и хорошую линейность передаточной характеристики. Эти показатели достигнуты за счет формирования гетероструктуры, состоящей из тонкого низколегированного подзатворного слоя AlGaAs и основного высоколегированного слоя GaAs. Технология GaAs HFET освоена несколькими фирмами (TriQuint Semiconductor, RFMD и др.). Транзисторы этого типа, отличаясь высокой надежностью, с успехом применяются в высоколинейных усилителях. К недостаткам приборов можно отнести меньшее, чем у рНЕМТ-транзисторов, усиление и меньшую удельную выходную мощность (около 0,5 Вт/мм).
Арсенидгаллиевые псевдоморфные гетероструктурные полевые транзисторы(GaAs pHEMT) в текущем десятилетии стали и пока остаются самым массовым строительным материалом в классе широкополосных приборов. С промышленным освоением процессов обработки пластин диаметром до 150 мм [3] и достижением высокого коэффициента выхода годных существенно снизилась стоимость pHEMT-приборов c длиной затвора 0,1–0,25 мкм. Это обеспечило их широкое распространение практически во все сектора применения, от мобильных телефонов и базовых станций до радаров, систем РЭП и систем связи мм-диапазона. Технология pHEMT стала стандартной, ее предоставляют практически все контрактные производители (foundry) МИС СВЧ. Применение pHEMT-технологии позволило наладить серийный выпуск монолитных усилителей в диапазонах до 32 ГГц с мощностями до 4–7 Вт. Ведущие компании (TriQuint Semiconductor, Excelics, Agilent Technologies, Hittite Microwave, Sumitomo Electric, RFMD, Mimix Broadband, UMS, Transcom и ряд других) выпускают сотни типов мощных транзисторов и МИС см- и мм-диапазонов в виде кристаллов, являющихся сегодня основным "кирпичиком" для построения широкополосных усилителей мощности на частотах выше 2 ГГц. Эти проборы имеют высокое усиление и КПД, высокие граничные частоты, они пригодны для работы в классе АВ. Рабочая температура кристалла – до 150° С, удельная выходная мощность – до 1 Вт/мм.
Биполярные гетеротранзисторы и МИС на основе GaInP (GaInP HBT) отдельными вкраплениями дополняют картину промышленных технологий мощных приборов. В сантиметровом диапазоне компания United Monolithic Semiconductors (UMS) выпускает два типа специализированных МИС 10-Вт усилителей диапазона 8,5–11 ГГц (CHA7010 и CHA8100) для радаров с активной фазированной решеткой. Остальные приборы, выпускаемые по этой технологии, предназначаются для универсальных трактовых усилителей (gain-blocks) диапазона 0–6 ГГц с мощностями менее 1 Вт.
Революционным направлением развития мощных СВЧ-компонентов, родившимся в прошедшем десятилетии и перешедшим в фазу промышленного производства в середине текущего, стали широкозонные полупроводниковые материалы (карбид кремния и нитрид галлия) и приборы на их основе [4–6].
Полевые транзисторы с однородным легированием на карбиде кремния (SiC MESFET) по частотному диапазону применения вклиниваются между Si LDMOS-приборами и приборами на арсениде галлия и нитриде галлия. Их основные преимущества – рабочие температуры кристалла до 255°С, высокое рабочее напряжение, очень малые удельные емкости активной структуры. Удельная выходная мощность – 2–3 Вт/мм. Недостатки – не очень высокий КПД, низкие предельные частоты, обусловленные малой подвижностью электронов в канале, и высокая цена. Выпускаются единственным производителем – компанией Cree (серия CRF24-xxx) в виде кристаллов и в универсальных малогабаритных фланцевых корпусах. Подходят для создания широкополосных усилителей мощности с высокими техническими характеристиками в диапазонах до 2,5 ГГц с выходной мощностью 100–150 Вт и более, предназначенных для тяжелых условий эксплуатации. В частности, на таких приборах в ЗАО "Микроволновые системы" разработаны экспериментальные усилители с выходной мощностью более 100 Вт и КПД более 26% в диапазоне частот 0,8–1,6 ГГц [7] (рис.1).
Гетероструктурные полевые транзисторы на нитриде галлия (GaN HEMT) и МИС на их основе, освоенные в серийном производстве компаниями Cree, TriQuint Semiconductor, Sumitomo Electric, Nitronex и RFMD, открывают новую страницу в развитии мощных широкополосных усилителей СВЧ-диапазона. В этой технологии соединяются такие важнейшие преимущества, как высокое напряжение питания (28–50 В); высокий КПД (более 60%); возможность работы в классе АВ с малой начальной рассеиваемой мощностью, частотный диапазон до 20 ГГц (в лабораторных образцах с длиной затвора 0,1 мкм – до 150 ГГц); высокое усиление, малые емкости активной структуры, максимальная из существующих технологий удельная выходная мощность на единицу ширины затвора (более 5 Вт/мм). К разряду недостатков серийных приборов, пожалуй, можно отнести "затянутую" динамическую характеристику (снижение коэффициента усиления транзистора начинается при выходной мощности, существенно меньшей, чем максимальная).
Предельные для промышленных образцов сочетания параметров полоса частот – выходная мощность демонстрируют МИС усилителей мощности TGA2570 фирмы TriQuint Semiconductor [9] (рис.2) и CMPA0060025 фирмы Cree [8] (рис.3). Полученные уровни выходной мощности по меньшей мере на порядок превышают те, что демонстрирует в этих диапазонах частот GaAs-технология (табл.2).
Таким образом, на рынке "кирпичиков" для построения широкополосных (да и всех других) усилителей мощности сантиметрового диапазона складывается напряженная конкурентная ситуация между GaAs pHEMT- и GaN HEMT-технологиями, в которой техническими преимуществами владеет вторая, а производственными – пока первая.
GaN и GaAs: сходство и различия
Для оценки и сравнения возможностей применения GaN- и GaAs-транзисторов в схемах широкополосных усилителей мощности, а также возможностей "миграции" технических решений с одного материала на другой, проведем простой анализ их удельных (т.е. отнесенных к 1 мм ширины затвора транзистора) параметров. Воспользуемся известными оценками для усилителя класса А максимальной выходной мощности Рmax и оптимального (для достижения этой мощности) сопротивления нагрузки транзистора Ropt: Рmax = Vds×Imax / 8; Ropt = 2×Vds / Imax, где Vds – напряжение питания стока, Imax – максимальный ток канала открытого транзистора [10].
Из приведенных выражений несложно получить формулу для нового параметра – удельного оптимального сопротивления нагрузки Rx = Vds2 / (4×Px), где Px – удельная выходная мощность транзистора (параметр, которым широко оперируют в литературе).
Рассматривая типовые удельные параметры GaN и GaAs НЕМТ транзисторов (табл.3), полученные из линейных эквивалентных схем транзисторов, приведенных в литературе и справочных материалах фирм-изготовителей, можно сделать следующие выводы:
удельные емкость затвор-исток и крутизна GaN-транзисторов (одновременно) в 1,5–2 раза ниже, чем у GaAs-транзисторов, что является скорее преимуществом первых с точки зрения широкополосного согласования, так как требует меньших коэффициентов трансформации в согласующих цепях. Достижимое усиление в режиме малого сигнала можно считать достаточно близким;
у обоих классов транзисторов примерно одинакова удельная емкость сток-исток, шунтирующая оптимальную нагрузку транзистора и затрудняющая построение выходной широкополосной согласующей цепи на частотах выше некоторой граничной частоты;
удельные оптимальные нагрузки транзистора (Rx) также оказываются близкими (несколько выше для GaN-транзисторов).
Приведенные соображения позволяют сделать обоснованное и важное предположение о том, что свойства GaAs- и GaN-транзисторов с одинаковыми размерами затвора с точки зрения проектирования усилительных "кирпичиков" очень близки. Соответственно, многие проекты и технические решения в части схем и конструкций согласующих цепей, разработанные для GaAs-транзисторов и МИС, могут быть с минимальными изменениями применены для GaN-транзисторов с равной или на 20–50% большей шириной затвора. При этом в случае близкой длины затвора обоих типов активных структур будут получены те же полосовые, усилительные и массогабаритные параметры, но при выходной мощности в несколько раз большей и с большим КПД. Что подтверждают эксперименты и разработки, проведенные в ЗАО "Микроволновые системы".
Различия между GaN- и GaAs-транзисторами становятся заметными при более детальном рассмотрении параметров "второго эшелона" – динамики уровней гармоник, фазовых и интермодуляционных искажений, способов отвода тепла, формы динамической характеристики и т.д. Для примера, сравним динамические характеристики двух усилителей диапазона 2–4 ГГц с выходной мощностью 20 Вт и усилением 43 дБ в линейном режиме – серийно выпускаемых ЗАО "Микроволновые системы" GaAs-усилителя типа РМ24-С8 и разработанного в 2009 году экспериментального GaN-усилителя типа РМ24-G2 (рис.4).
Усилитель на GaN-транзисторах имеет более плавное "вхождение" в режим насыщения, у него на 5–10 дБ ниже уровень интермодуляции третьего порядка (IM3) при максимальной выходной мощности. Однако при выходной мощности, в 2–3 раза меньшей, чем максимальная, уже GaAs-усилитель становится явным лидером с точки зрения линейности. Усилители отличаются фазоамплитудными характеристиками, по тепловым режимам и по ряду других параметров, проявляющихся в системных тонкостях применения приборов. В целом же преобладает сходство.
Суммирование мощностей
Сложность кристаллов МИС СВЧ-диапазона, по-видимому, уже достигла предела, связанного с ограничением максимальной площади кристалла в 25–30 мм2. При толщине 50–100 мкм кристалл такой площади становится очень сложным для монтажных манипуляций, и процент выхода годных при монтаже МИС резко падает. Ширина кристалла транзистора или МИС (определяется физической шириной транзистора выходного каскада) при этом составляет 4–6 мм. Если принять максимальной ширину кристалла 8 мм, то максимальная выходная мощность, снимаемая с кристалла МИС, конструктивно ограничена величинами, приведенными в табл.4. Оценка, конечно, достаточно грубая, плотность компоновки кристалла зависит и от сложности согласующих цепей, и от длины "пальца" встречно-штыревой структуры транзистора, оптимальной для конкретного диапазона частот, и от достигнутой удельной мощности, но представляется корректной.
Следующий шаг в наращивании выходной мощности транзисторных СВЧ-усилителей – разработка эффективных многоканальных сумматоров мощности. Для построения мощных широкополосных усилителей применяются разнообразные конструкции сумматоров, от традиционных ответвителей Ланге и тандемных мостов и до многоканальных конструкций на основе радиальных сумматоров [11] и "сверхразмерного коаксиального волновода" [12, 13]. Последний, с 24–32 каналами и эффективностью суммирования мощности 70–75% под торговой маркой Spatium успешно применяется компанией CAP Wireless для построения усилителя типа CHPA0618-2 [13] с полосой 6–18 ГГц и выходной мощностью 45 Вт на базе GaAs МИС с мощностью 2 Вт (рис.5).
Миграция конструкций такого типа с GaAs- на GaN-компоненты при решении задачи отвода тепла от активных элементов должна в ближайшее время вывести широкополосные твердотельные приборы на уровень мощности, достигнутый широкополосными вакуумными усилителями на базе ламп бегущей волны (ЛБВ) непрерывного режима (100–400 Вт). Это будет знаковым моментом, который не мог быть достигнут ранее никакими схемными ухищрениями разработчиков твердотельных приборов.
Современные реалии
Широкополосные усилители высокой мощности (от 10 Вт выходной мощности и выше) применяются в системах радиоэлектронного подавления, системах испытаний на электромагнитную совместимость, а также в некоторых новых радиолокационных системах, использующих широкополосные сигналы или сигналы с широкоим диапазоном перестройки частоты. Производством таких приборов за рубежом занимаются специализированные (полностью или частично) на усилительной тематике компании, в числе которых Aethercomm, AML Communications, Amplifier Research, CAP Wireless, Cernex, CTT, EMPower RF Systems, Keragis, MilMega, Ophir RF, QuinStar Technology, RFCore, Stealth Microwave и др. В России на разработке и производстве таких приборов специализируется единственная компания – "Микроволновые системы". Также несколько типов мощных широкополосных усилителей выпускают "НПП "Исток" и "Октава" На рис.6. приведены данные усилителей с различным конструктивным обликом. Это и традиционные компактные СВЧ-модули, и экзотические конструкции на основе объемных многоканальных сумматоров, и агрегаты, собранные в стационарные блоки с питанием от промышленной сети путем суммирования мощностей большого числа модулей.
Вместе с развитием технологий GaAs МИС за десятилетие выходная мощность сверхширокополосных усилителей диапазона 6–18 ГГц выросла в 10–20 раз при одновременном росте КПД с 3–5% до 10–15%. Освоение технологии GaN МИС в ближайшие годы позволит в этом популярном диапазоне сделать еще один скачок в уровне мощности в 3–4 раза и поднимет КПД приборов до 25% и более. В диапазоне от 1 до 4 ГГц GaN-транзисторы уже сегодня позволяют существенно снизить массу и габариты усилительных модулей. Например, экспериментальный GaN-усилитель РМ24-G2 разработки "Микроволновые системы" имеет по отношению к своему GaAs-собрату РМ24-С8 вдвое меньшие габариты и массу (рис.7), на 40% меньшую себестоимость (несмотря на относительно высокие цены на сами GaN-транзисторы) и на 30–40% меньшую мощность потребления от источника питания. При этом остальные параметры обоих приборов очень близки (за исключением "затянутой" динамики).
С появлением на рынке корпусных GaN-транзисторов многие фирмы-производители мощных усилителей (Aethercomm, EMPower RF Systems, Ophir RF) вывели на рынок широкий спектр моделей усилителей в диапазонах 0,8–2; 1–3; 0,5–2,5 ГГц с выходными мощностями 50–100 Вт. Причем их габариты сравнимы с размерами более старых GaAs-приборов, мощности которых в этих диапазонах составляли 20–25 Вт. Усилители в диапазоне выше 3 ГГц появились на рынке немедленно после освоения фирмой Cree МИС усилителя с выходной мощностью 25 Вт в диапазоне 2,5–6 ГГц (см. таблицу 2). "В ближайшие часы", вслед за освоением МИС TGA2570 и транзисторов TGF2023 (TriQuint Semiconductor), появятся мощные широкополосные усилители верхней части сантиметрового диапазона.
За пять лет интенсивных разработок мощность, снимаемая с кристалла GaN МИС в диапазоне 8–12 ГГц, предназначенных для использования в качестве выходного усилителя в приемопередающих модулях АФАР, выросла в 10 раз (рис.8) [14–21]. При этом выходная мощность GaAs МИС аналогичного назначения, серийно выпускаемых фирмами TriQuint Semiconductor, UMS, RFMD, Mimix Broadband, остается на достигнутом достаточно давно уровне 6–11 Вт.
Что дальше?
Наблюдение и посильное участие в процессе смены поколений мощных транзисторов и МИС СВЧ-диапазона позволяет ожидать, что в предстоящем десятилетии на рынке разработок и производства широкополосных усилителей мощности произойдет ряд значимых изменений. Транзисторные усилители начнут активно вытеснять широкополосные ЛБВ из класса приборов с выходной мощностью 10–100 Вт. Появятся разработки компактных твердотельных усилителей в популярных частотных диапазонах 1–4; 2–6; 4–12; 6–18 и 2–20 ГГц с выходной мощностью до 100 Вт. Их КПД, габариты, надежность и цена составят в совокупности серьезную конкуренцию ЛБВ в большинстве радиотехнических систем.
За счет совершенствования технологии и материалов параметры надежности GaN-транзисторов и МИС будут доведены до уровня, характерного для традиционных GaAs-технологий. Появятся приборы, аттестованные для использования в условиях повышенной радиации, что расширит и закрепит GaN-технологию на рынке военных и космических систем. GaN МИС заменят своих GaAs-собратьев в приемопередающих модулях АФАР 3- и 2-см диапазонов, подняв выходную мощность последних до 50–100 Вт и КПД до 45–50%, чего давно и пока безуспешно добивались разработчики радарных систем от традиционных технологий.
Будет создаваться проектная инфраструктура, необходимая для эффективной разработки GaN-приборов и дальнейшего расширения применения устройств. У производителей появятся нелинейные модели выпускаемых транзисторов. Одновременно расширится число контрактных производителей и технологий изготовления заказных микросхем, появятся новые производители приборов, будут постепенно снижаться экспортные ограничения на поставки компонентов.
Наконец, будут воплощены в конкретных транзисторах и МИС – разработанных, необходимым образом испытанных и освоенных в производстве – наработки российских организаций промышленности и науки, проводящих при поддержке государства исследования в области материалов и технологий мощных GaN-приборов. Среди них – ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН, "Светлана-Рост", "НПП "Пульсар", "НПП "Исток", "Элма-Малахит", ИСВЧПЭ РАН, "Гиредмет", ИФП РАН и ряд других организаций [23].
Началась и проходит ускоренными темпами смена технологических поколений мощных СВЧ-транзисторов сантиметрового диапазона, обеспечивающая качественный скачок в параметрах мощных усилительных устройств. Кто не успел – тот опоздал. На очереди – алмазный транзистор [22]? Ждем…
Литература
1. Шахнович И. Твердотельные СВЧ-приборы и технологии. Состояние и перспективы. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2005, №5, с.58–64.
2. Майская В. Высокочастотные полупроводниковые приборы. Не кремнием и арсенидом галлия единым. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2004, №8, с.16–21.
3. M.F.O’Keefe et al. GaAs pHEMT-based technology for microwave application in a volume MMIC production environment on 150-mm wafers. – IEEE Trans. on SM, v.16, 2003, №3, p.376–383.
4. W.L.Pribble et al. Application of SiC MESFETs and GaN HEMTs in power amplifier Design. – IEEE MTT-S Int. Microwave Symposium Digest, 2002, p.1819–1822.
5. Васильев А. и др. Новое поколение полупроводниковых материалов и приборов. Через GaN к алмазу. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, №4, 2007, с.68–76.
6. Викулов И., Кичаева Н. GaN-технология – новый этап развития СВЧ-микросхем. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2007, №4, с.80–85.
7. Баранов В. и др. Широкополосные усилители мощности дециметрового диапазона на SiC-транзисторах. – Материалы 16-ой Международной Крымской конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии". – Севастополь, Вебер, 2009, с.55–56.
8. www.cree.com/products/pdf/CMPA0060025F.pdf.
9. C.Campbell et al. A Wideband Power Amplifier MMIC Utilizing GaN on SiC HEMT Technology. – IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2008, v.43, № 10, p.2640–2643.
10. S.C.Cripps. RF Power Amplifiers for Wireless Communications. – Boston-London, Artech House, 1999.
11. F.Sechi et al. Radially-Combined 30-W, 14–16 GHz Amplifier. – IEEE MTT-S Symposium Digest, 1994,
p.1737–1740.
12. P.Jia et al. Multioctave spatial power combining in oversized coaxial waveguide. – IEEE Transaction on MTT, v.50, 2002, №5, p.1355–1360.
13. www.capwireless.com/pdf/pdf_pa/spatium/Spatium_Tech_Pres.pdf.
14. Кищинский А. Твердотельные СВЧ-усилители мощности на нитриде галлия – состояние и перспективы развития. – Материалы 16-й Международной Крымской конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии". – Севастополь, Вебер, 2009, с.11–16.
15. R.Behtash et al. Coplanar AlGaN/GaN HEMT power amplifier MMIC at X-band. – 2007 IEEE MTT Symposium Digest, p.1657–1659.
16. D.M.Fanning et al. 25 W X-band GaN on Si MMIC. – GaAs Mantech Conference Proceedings, 2005.
17. H.Klockenhoff et al. A Compact 16 Watt X-Band GaN-MMIC Power Amplifier. – IEEE MTT-S Digest, 2006,
p.1846–1849.
18. S.Piotrowicz et al. State of the Art 58W, 38% PAE X-Band. AlGaN/GaN HEMTs microstrip MMIC Amplifiers. – IEEE Compound Semiconductor IC Symposium, 2008.
19. T.Chen et al. X-Band 11W AlGaN/GaN HEMT Power MMICs. – EwMIC Conference Proceedings, 2007,
p.162–164.
20. C.Costrini et al. A 20 Watt Micro-strip X-Band AlGaN/GaN HPA MMIC for Advanced Radar Applications. – EwMIC Conference Proceedings, 2008, p.1433–1436.
21. Викулов И. GaN-микросхемы приемопередающих модулей АФАР: европейские разработки. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2009, №7, с.90–97.
22. Васильев А. и др. Новое поколение полупроводниковых материалов и приборов. Через GaN к алмазу. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2007, №4, с.68–76.
23. Нитриды галлия, индия и алюминия – структуры и приборы. – Тезисы докладов 6-й Всероссийской конференции, 18–20 июня 2008 года, Санкт-Петербург.
К категории широкополосных усилителей будем относить приборы, имеющие относительную ширину полосы рабочих частот более 40% (перекрытие по частоте – отношение верхней и нижней границ диапазона от 1,4:1 и более, вплоть до нескольких декад). От своих более узкополосных собратьев широкополосные приборы отличаются следующими конструктивными особенностями:
сложной схемой построения выходного каскада. Возможности широкополосного согласования активного элемента (транзистора) существенно ухудшаются с ростом его выходной мощности (и как следствие – с ростом ширины затвора и емкостей активной структуры). В результате часто используются многоканальные сумматоры мощности, усложняющие конструкцию прибора и вносящие дополнительные потери;
использованием в качестве активных элементов транзисторов с малыми дополнительными реактивностями (кристаллов дискретных транзисторов и МИС для работы в средней и верхней части сантиметрового диапазона, МИС – в миллиметровом диапазоне, корпусных транзисторов – в дециметровом и нижней части сантиметрового диапазона);
необходимостью дополнительных мер (и схем) для подавления отраженных волн. При согласовании в широкой полосе невозможно получить низкий уровень отраженной от входа транзистора волны, используя реактивные согласующие цепи (СЦ). Приходится применять схемные излишества в виде:
реактивно-диссипативных СЦ, уменьшающих усиление каскада;
обратных связей, ухудшающих и усиление, и выходную мощность, и КПД каскада;
квадратурных схем сложения, увеличивающих габариты и усложняющих конструкцию прибора;
схем распределенного усиления, ухудшающих КПД.
Все эти особенности приводят к тому, что электрические параметры широкополосных приборов оказываются заметно хуже, чем у узкополосных усилителей, а габариты и стоимость – заметно (иногда в разы) выше. Тем не менее, широкополосные усилители необходимы для целого ряда систем. Среди них – средства радиоэлектронного подавления (РЭП), сверхширокополосная локация, аппаратура тестирования на электромагнитную совместимость, специальные системы передачи данных, измерительная техника.
С другой стороны, в силу своей сложности широкополосные усилители выступают и определенным "двигателем" полупроводниковых технологий в попытках создать все более мощные и широкополосные интегральные "кирпичики" для построения этих приборов.
Кирпичики
Для производства мощных дискретных и монолитных СВЧ-компонентов непрерывного режима используются несколько промышленных полупроводниковых технологий (табл.1) [1, 2]. В таблице не приводятся данные о выходных мощностях внутрисогласованных транзисторов, содержащих внутри корпуса цепи согласования на тот или иной конкретный участок диапазона частот и не пригодных для построения широкополосных усилителей мощности. Также мы не рассматриваем приборы на фосфиде индия, которые пока трудно отнести к категории мощных. Проанализируем возможности применения этих кандидатов в "кирпичики".
Кремниевые полевые транзисторы с боковой диффузией (Si LDMOS) прочно заняли нишу базовых элементов в широкополосных усилителях с частотами до 1 ГГц. Приборы по данной технологии выпускаются компаниями Freescale Semiconductor, Sirenza Microdevices, PolyFET, NXP и др. Они отличаются низкой ценой при массовом производстве, высоким КПД, высокой допустимой рабочей температурой кристалла (200°С). В то же время имеют низкие предельные рабочие частоты (до 3,5 ГГц) и существенно более высокие (на порядок и более), чем приборы других технологий, удельные емкости активной структуры, что создает серьезные трудности их широкополосного согласования.
Полевые транзисторы с однородным легированием на арсениде галлия (GaAs MESFET) в прошлом веке были наиболее массовым строительным материалом для широкополосных усилителей СВЧ-диапазона. Они отличаются высокой надежностью и высокой линейностью передаточной характеристики. Рабочие температуры кристалла – до 175°С, удельная выходная мощность – 0,4–0,6 Вт/мм. Однако постепенно они утратили свои позиции, вытесненные арсенидгаллиевыми псевдоморфными гетероструктурными полевыми транзисторами (GaAs pHEMT), которым уступают по частотному диапазону, КПД и усилению. Кристаллы дискретных MESFET-транзисторов выпускают компании Sumitomo Electric (традиционные серии FLC, FLX, FLK фабрики Fujitsu) и Excelics. Производятся и несколько серий корпусных транзисторов нижней части сантиметрового диапазона (например – популярные модели MGF0910A, MGF0911A компании Mitsubishi Electric). Широкая номенклатура МИС мощных широкополосных усилителей, выпускавшихся ранее компанией M/A Com (серия MAAPGM-xxx), снята с производства в связи с ликвидацией самого производства. Мощные транзисторы и МИС по этой технологии выпускаются и рядом российских производителей (ФГУП "НПП "Пульсар", ФГУП "НПП "Исток", ОАО "Октава").
Отдельной веточкой некогда могучего дерева MESFET-технологии является достаточно редкая технология высоковольтных GaAs полевых транзисторов (GaAs HiFET) с рабочими напряжениями до 28 В. Их основным серийным производителем выступает компания AMCOM Communications. В силу высоковольтности и малых емкостей активной структуры эти транзисторы хорошо подходят для широкополосных усилителей, но их частотный диапазон ограничен 2,5–3 ГГц.
Технология GaAs гетероструктурных полевых транзисторов (HFET) обеспечивает высокие пробивные напряжения (22–25 В), высокий КПД (до 55%) и хорошую линейность передаточной характеристики. Эти показатели достигнуты за счет формирования гетероструктуры, состоящей из тонкого низколегированного подзатворного слоя AlGaAs и основного высоколегированного слоя GaAs. Технология GaAs HFET освоена несколькими фирмами (TriQuint Semiconductor, RFMD и др.). Транзисторы этого типа, отличаясь высокой надежностью, с успехом применяются в высоколинейных усилителях. К недостаткам приборов можно отнести меньшее, чем у рНЕМТ-транзисторов, усиление и меньшую удельную выходную мощность (около 0,5 Вт/мм).
Рис.1. Частотные характеристики выходной мощности и КПД усилителя РМ0816 ЗАО "Микроволновые системы"
Арсенидгаллиевые псевдоморфные гетероструктурные полевые транзисторы(GaAs pHEMT) в текущем десятилетии стали и пока остаются самым массовым строительным материалом в классе широкополосных приборов. С промышленным освоением процессов обработки пластин диаметром до 150 мм [3] и достижением высокого коэффициента выхода годных существенно снизилась стоимость pHEMT-приборов c длиной затвора 0,1–0,25 мкм. Это обеспечило их широкое распространение практически во все сектора применения, от мобильных телефонов и базовых станций до радаров, систем РЭП и систем связи мм-диапазона. Технология pHEMT стала стандартной, ее предоставляют практически все контрактные производители (foundry) МИС СВЧ. Применение pHEMT-технологии позволило наладить серийный выпуск монолитных усилителей в диапазонах до 32 ГГц с мощностями до 4–7 Вт. Ведущие компании (TriQuint Semiconductor, Excelics, Agilent Technologies, Hittite Microwave, Sumitomo Electric, RFMD, Mimix Broadband, UMS, Transcom и ряд других) выпускают сотни типов мощных транзисторов и МИС см- и мм-диапазонов в виде кристаллов, являющихся сегодня основным "кирпичиком" для построения широкополосных усилителей мощности на частотах выше 2 ГГц. Эти проборы имеют высокое усиление и КПД, высокие граничные частоты, они пригодны для работы в классе АВ. Рабочая температура кристалла – до 150° С, удельная выходная мощность – до 1 Вт/мм.
Биполярные гетеротранзисторы и МИС на основе GaInP (GaInP HBT) отдельными вкраплениями дополняют картину промышленных технологий мощных приборов. В сантиметровом диапазоне компания United Monolithic Semiconductors (UMS) выпускает два типа специализированных МИС 10-Вт усилителей диапазона 8,5–11 ГГц (CHA7010 и CHA8100) для радаров с активной фазированной решеткой. Остальные приборы, выпускаемые по этой технологии, предназначаются для универсальных трактовых усилителей (gain-blocks) диапазона 0–6 ГГц с мощностями менее 1 Вт.
Рис.2. Конструкция и характеристики монолитного усилителя TGA2570 компании TriQuint Semiconductor
Революционным направлением развития мощных СВЧ-компонентов, родившимся в прошедшем десятилетии и перешедшим в фазу промышленного производства в середине текущего, стали широкозонные полупроводниковые материалы (карбид кремния и нитрид галлия) и приборы на их основе [4–6].
Полевые транзисторы с однородным легированием на карбиде кремния (SiC MESFET) по частотному диапазону применения вклиниваются между Si LDMOS-приборами и приборами на арсениде галлия и нитриде галлия. Их основные преимущества – рабочие температуры кристалла до 255°С, высокое рабочее напряжение, очень малые удельные емкости активной структуры. Удельная выходная мощность – 2–3 Вт/мм. Недостатки – не очень высокий КПД, низкие предельные частоты, обусловленные малой подвижностью электронов в канале, и высокая цена. Выпускаются единственным производителем – компанией Cree (серия CRF24-xxx) в виде кристаллов и в универсальных малогабаритных фланцевых корпусах. Подходят для создания широкополосных усилителей мощности с высокими техническими характеристиками в диапазонах до 2,5 ГГц с выходной мощностью 100–150 Вт и более, предназначенных для тяжелых условий эксплуатации. В частности, на таких приборах в ЗАО "Микроволновые системы" разработаны экспериментальные усилители с выходной мощностью более 100 Вт и КПД более 26% в диапазоне частот 0,8–1,6 ГГц [7] (рис.1).
Гетероструктурные полевые транзисторы на нитриде галлия (GaN HEMT) и МИС на их основе, освоенные в серийном производстве компаниями Cree, TriQuint Semiconductor, Sumitomo Electric, Nitronex и RFMD, открывают новую страницу в развитии мощных широкополосных усилителей СВЧ-диапазона. В этой технологии соединяются такие важнейшие преимущества, как высокое напряжение питания (28–50 В); высокий КПД (более 60%); возможность работы в классе АВ с малой начальной рассеиваемой мощностью, частотный диапазон до 20 ГГц (в лабораторных образцах с длиной затвора 0,1 мкм – до 150 ГГц); высокое усиление, малые емкости активной структуры, максимальная из существующих технологий удельная выходная мощность на единицу ширины затвора (более 5 Вт/мм). К разряду недостатков серийных приборов, пожалуй, можно отнести "затянутую" динамическую характеристику (снижение коэффициента усиления транзистора начинается при выходной мощности, существенно меньшей, чем максимальная).
Рис.3. Конструкция и характеристики монолитного усилителя CMPA0060025 фирмы Cree
Предельные для промышленных образцов сочетания параметров полоса частот – выходная мощность демонстрируют МИС усилителей мощности TGA2570 фирмы TriQuint Semiconductor [9] (рис.2) и CMPA0060025 фирмы Cree [8] (рис.3). Полученные уровни выходной мощности по меньшей мере на порядок превышают те, что демонстрирует в этих диапазонах частот GaAs-технология (табл.2).
Таким образом, на рынке "кирпичиков" для построения широкополосных (да и всех других) усилителей мощности сантиметрового диапазона складывается напряженная конкурентная ситуация между GaAs pHEMT- и GaN HEMT-технологиями, в которой техническими преимуществами владеет вторая, а производственными – пока первая.
GaN и GaAs: сходство и различия
Для оценки и сравнения возможностей применения GaN- и GaAs-транзисторов в схемах широкополосных усилителей мощности, а также возможностей "миграции" технических решений с одного материала на другой, проведем простой анализ их удельных (т.е. отнесенных к 1 мм ширины затвора транзистора) параметров. Воспользуемся известными оценками для усилителя класса А максимальной выходной мощности Рmax и оптимального (для достижения этой мощности) сопротивления нагрузки транзистора Ropt: Рmax = Vds×Imax / 8; Ropt = 2×Vds / Imax, где Vds – напряжение питания стока, Imax – максимальный ток канала открытого транзистора [10].
Из приведенных выражений несложно получить формулу для нового параметра – удельного оптимального сопротивления нагрузки Rx = Vds2 / (4×Px), где Px – удельная выходная мощность транзистора (параметр, которым широко оперируют в литературе).
Рассматривая типовые удельные параметры GaN и GaAs НЕМТ транзисторов (табл.3), полученные из линейных эквивалентных схем транзисторов, приведенных в литературе и справочных материалах фирм-изготовителей, можно сделать следующие выводы:
удельные емкость затвор-исток и крутизна GaN-транзисторов (одновременно) в 1,5–2 раза ниже, чем у GaAs-транзисторов, что является скорее преимуществом первых с точки зрения широкополосного согласования, так как требует меньших коэффициентов трансформации в согласующих цепях. Достижимое усиление в режиме малого сигнала можно считать достаточно близким;
у обоих классов транзисторов примерно одинакова удельная емкость сток-исток, шунтирующая оптимальную нагрузку транзистора и затрудняющая построение выходной широкополосной согласующей цепи на частотах выше некоторой граничной частоты;
удельные оптимальные нагрузки транзистора (Rx) также оказываются близкими (несколько выше для GaN-транзисторов).
Приведенные соображения позволяют сделать обоснованное и важное предположение о том, что свойства GaAs- и GaN-транзисторов с одинаковыми размерами затвора с точки зрения проектирования усилительных "кирпичиков" очень близки. Соответственно, многие проекты и технические решения в части схем и конструкций согласующих цепей, разработанные для GaAs-транзисторов и МИС, могут быть с минимальными изменениями применены для GaN-транзисторов с равной или на 20–50% большей шириной затвора. При этом в случае близкой длины затвора обоих типов активных структур будут получены те же полосовые, усилительные и массогабаритные параметры, но при выходной мощности в несколько раз большей и с большим КПД. Что подтверждают эксперименты и разработки, проведенные в ЗАО "Микроволновые системы".
Рис.4. Сравнение динамических и интермодуляционных характеристик GaAs-усилителя РМ24-С8 и GaN-усилителя РМ24-G2 ("Микроволновые системы")
Различия между GaN- и GaAs-транзисторами становятся заметными при более детальном рассмотрении параметров "второго эшелона" – динамики уровней гармоник, фазовых и интермодуляционных искажений, способов отвода тепла, формы динамической характеристики и т.д. Для примера, сравним динамические характеристики двух усилителей диапазона 2–4 ГГц с выходной мощностью 20 Вт и усилением 43 дБ в линейном режиме – серийно выпускаемых ЗАО "Микроволновые системы" GaAs-усилителя типа РМ24-С8 и разработанного в 2009 году экспериментального GaN-усилителя типа РМ24-G2 (рис.4).
Усилитель на GaN-транзисторах имеет более плавное "вхождение" в режим насыщения, у него на 5–10 дБ ниже уровень интермодуляции третьего порядка (IM3) при максимальной выходной мощности. Однако при выходной мощности, в 2–3 раза меньшей, чем максимальная, уже GaAs-усилитель становится явным лидером с точки зрения линейности. Усилители отличаются фазоамплитудными характеристиками, по тепловым режимам и по ряду других параметров, проявляющихся в системных тонкостях применения приборов. В целом же преобладает сходство.
Суммирование мощностей
Сложность кристаллов МИС СВЧ-диапазона, по-видимому, уже достигла предела, связанного с ограничением максимальной площади кристалла в 25–30 мм2. При толщине 50–100 мкм кристалл такой площади становится очень сложным для монтажных манипуляций, и процент выхода годных при монтаже МИС резко падает. Ширина кристалла транзистора или МИС (определяется физической шириной транзистора выходного каскада) при этом составляет 4–6 мм. Если принять максимальной ширину кристалла 8 мм, то максимальная выходная мощность, снимаемая с кристалла МИС, конструктивно ограничена величинами, приведенными в табл.4. Оценка, конечно, достаточно грубая, плотность компоновки кристалла зависит и от сложности согласующих цепей, и от длины "пальца" встречно-штыревой структуры транзистора, оптимальной для конкретного диапазона частот, и от достигнутой удельной мощности, но представляется корректной.
Следующий шаг в наращивании выходной мощности транзисторных СВЧ-усилителей – разработка эффективных многоканальных сумматоров мощности. Для построения мощных широкополосных усилителей применяются разнообразные конструкции сумматоров, от традиционных ответвителей Ланге и тандемных мостов и до многоканальных конструкций на основе радиальных сумматоров [11] и "сверхразмерного коаксиального волновода" [12, 13]. Последний, с 24–32 каналами и эффективностью суммирования мощности 70–75% под торговой маркой Spatium успешно применяется компанией CAP Wireless для построения усилителя типа CHPA0618-2 [13] с полосой 6–18 ГГц и выходной мощностью 45 Вт на базе GaAs МИС с мощностью 2 Вт (рис.5).
Миграция конструкций такого типа с GaAs- на GaN-компоненты при решении задачи отвода тепла от активных элементов должна в ближайшее время вывести широкополосные твердотельные приборы на уровень мощности, достигнутый широкополосными вакуумными усилителями на базе ламп бегущей волны (ЛБВ) непрерывного режима (100–400 Вт). Это будет знаковым моментом, который не мог быть достигнут ранее никакими схемными ухищрениями разработчиков твердотельных приборов.
Современные реалии
Широкополосные усилители высокой мощности (от 10 Вт выходной мощности и выше) применяются в системах радиоэлектронного подавления, системах испытаний на электромагнитную совместимость, а также в некоторых новых радиолокационных системах, использующих широкополосные сигналы или сигналы с широкоим диапазоном перестройки частоты. Производством таких приборов за рубежом занимаются специализированные (полностью или частично) на усилительной тематике компании, в числе которых Aethercomm, AML Communications, Amplifier Research, CAP Wireless, Cernex, CTT, EMPower RF Systems, Keragis, MilMega, Ophir RF, QuinStar Technology, RFCore, Stealth Microwave и др. В России на разработке и производстве таких приборов специализируется единственная компания – "Микроволновые системы". Также несколько типов мощных широкополосных усилителей выпускают "НПП "Исток" и "Октава" На рис.6. приведены данные усилителей с различным конструктивным обликом. Это и традиционные компактные СВЧ-модули, и экзотические конструкции на основе объемных многоканальных сумматоров, и агрегаты, собранные в стационарные блоки с питанием от промышленной сети путем суммирования мощностей большого числа модулей.
Рис.5. Конструкция и характеристики усилителя CHPA0618-2 на основе "сверхразмерного коаксиального волновода"
Вместе с развитием технологий GaAs МИС за десятилетие выходная мощность сверхширокополосных усилителей диапазона 6–18 ГГц выросла в 10–20 раз при одновременном росте КПД с 3–5% до 10–15%. Освоение технологии GaN МИС в ближайшие годы позволит в этом популярном диапазоне сделать еще один скачок в уровне мощности в 3–4 раза и поднимет КПД приборов до 25% и более. В диапазоне от 1 до 4 ГГц GaN-транзисторы уже сегодня позволяют существенно снизить массу и габариты усилительных модулей. Например, экспериментальный GaN-усилитель РМ24-G2 разработки "Микроволновые системы" имеет по отношению к своему GaAs-собрату РМ24-С8 вдвое меньшие габариты и массу (рис.7), на 40% меньшую себестоимость (несмотря на относительно высокие цены на сами GaN-транзисторы) и на 30–40% меньшую мощность потребления от источника питания. При этом остальные параметры обоих приборов очень близки (за исключением "затянутой" динамики).
Рис.6. Уровень выходной мощности непрерывного режима современных широкополосных транзисторных усилителей
С появлением на рынке корпусных GaN-транзисторов многие фирмы-производители мощных усилителей (Aethercomm, EMPower RF Systems, Ophir RF) вывели на рынок широкий спектр моделей усилителей в диапазонах 0,8–2; 1–3; 0,5–2,5 ГГц с выходными мощностями 50–100 Вт. Причем их габариты сравнимы с размерами более старых GaAs-приборов, мощности которых в этих диапазонах составляли 20–25 Вт. Усилители в диапазоне выше 3 ГГц появились на рынке немедленно после освоения фирмой Cree МИС усилителя с выходной мощностью 25 Вт в диапазоне 2,5–6 ГГц (см. таблицу 2). "В ближайшие часы", вслед за освоением МИС TGA2570 и транзисторов TGF2023 (TriQuint Semiconductor), появятся мощные широкополосные усилители верхней части сантиметрового диапазона.
Рис.7. Сравнение габаритов усилителей РМ24-С8 (GaAs) и РМ24-G2 (GaN)
За пять лет интенсивных разработок мощность, снимаемая с кристалла GaN МИС в диапазоне 8–12 ГГц, предназначенных для использования в качестве выходного усилителя в приемопередающих модулях АФАР, выросла в 10 раз (рис.8) [14–21]. При этом выходная мощность GaAs МИС аналогичного назначения, серийно выпускаемых фирмами TriQuint Semiconductor, UMS, RFMD, Mimix Broadband, остается на достигнутом достаточно давно уровне 6–11 Вт.
Что дальше?
Наблюдение и посильное участие в процессе смены поколений мощных транзисторов и МИС СВЧ-диапазона позволяет ожидать, что в предстоящем десятилетии на рынке разработок и производства широкополосных усилителей мощности произойдет ряд значимых изменений. Транзисторные усилители начнут активно вытеснять широкополосные ЛБВ из класса приборов с выходной мощностью 10–100 Вт. Появятся разработки компактных твердотельных усилителей в популярных частотных диапазонах 1–4; 2–6; 4–12; 6–18 и 2–20 ГГц с выходной мощностью до 100 Вт. Их КПД, габариты, надежность и цена составят в совокупности серьезную конкуренцию ЛБВ в большинстве радиотехнических систем.
За счет совершенствования технологии и материалов параметры надежности GaN-транзисторов и МИС будут доведены до уровня, характерного для традиционных GaAs-технологий. Появятся приборы, аттестованные для использования в условиях повышенной радиации, что расширит и закрепит GaN-технологию на рынке военных и космических систем. GaN МИС заменят своих GaAs-собратьев в приемопередающих модулях АФАР 3- и 2-см диапазонов, подняв выходную мощность последних до 50–100 Вт и КПД до 45–50%, чего давно и пока безуспешно добивались разработчики радарных систем от традиционных технологий.
Рис.8. Динамика роста выходной мощности GaN МИС усилителей диапазона 8–12 ГГц
Будет создаваться проектная инфраструктура, необходимая для эффективной разработки GaN-приборов и дальнейшего расширения применения устройств. У производителей появятся нелинейные модели выпускаемых транзисторов. Одновременно расширится число контрактных производителей и технологий изготовления заказных микросхем, появятся новые производители приборов, будут постепенно снижаться экспортные ограничения на поставки компонентов.
Наконец, будут воплощены в конкретных транзисторах и МИС – разработанных, необходимым образом испытанных и освоенных в производстве – наработки российских организаций промышленности и науки, проводящих при поддержке государства исследования в области материалов и технологий мощных GaN-приборов. Среди них – ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН, "Светлана-Рост", "НПП "Пульсар", "НПП "Исток", "Элма-Малахит", ИСВЧПЭ РАН, "Гиредмет", ИФП РАН и ряд других организаций [23].
Началась и проходит ускоренными темпами смена технологических поколений мощных СВЧ-транзисторов сантиметрового диапазона, обеспечивающая качественный скачок в параметрах мощных усилительных устройств. Кто не успел – тот опоздал. На очереди – алмазный транзистор [22]? Ждем…
Литература
1. Шахнович И. Твердотельные СВЧ-приборы и технологии. Состояние и перспективы. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2005, №5, с.58–64.
2. Майская В. Высокочастотные полупроводниковые приборы. Не кремнием и арсенидом галлия единым. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2004, №8, с.16–21.
3. M.F.O’Keefe et al. GaAs pHEMT-based technology for microwave application in a volume MMIC production environment on 150-mm wafers. – IEEE Trans. on SM, v.16, 2003, №3, p.376–383.
4. W.L.Pribble et al. Application of SiC MESFETs and GaN HEMTs in power amplifier Design. – IEEE MTT-S Int. Microwave Symposium Digest, 2002, p.1819–1822.
5. Васильев А. и др. Новое поколение полупроводниковых материалов и приборов. Через GaN к алмазу. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, №4, 2007, с.68–76.
6. Викулов И., Кичаева Н. GaN-технология – новый этап развития СВЧ-микросхем. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2007, №4, с.80–85.
7. Баранов В. и др. Широкополосные усилители мощности дециметрового диапазона на SiC-транзисторах. – Материалы 16-ой Международной Крымской конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии". – Севастополь, Вебер, 2009, с.55–56.
8. www.cree.com/products/pdf/CMPA0060025F.pdf.
9. C.Campbell et al. A Wideband Power Amplifier MMIC Utilizing GaN on SiC HEMT Technology. – IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2008, v.43, № 10, p.2640–2643.
10. S.C.Cripps. RF Power Amplifiers for Wireless Communications. – Boston-London, Artech House, 1999.
11. F.Sechi et al. Radially-Combined 30-W, 14–16 GHz Amplifier. – IEEE MTT-S Symposium Digest, 1994,
p.1737–1740.
12. P.Jia et al. Multioctave spatial power combining in oversized coaxial waveguide. – IEEE Transaction on MTT, v.50, 2002, №5, p.1355–1360.
13. www.capwireless.com/pdf/pdf_pa/spatium/Spatium_Tech_Pres.pdf.
14. Кищинский А. Твердотельные СВЧ-усилители мощности на нитриде галлия – состояние и перспективы развития. – Материалы 16-й Международной Крымской конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии". – Севастополь, Вебер, 2009, с.11–16.
15. R.Behtash et al. Coplanar AlGaN/GaN HEMT power amplifier MMIC at X-band. – 2007 IEEE MTT Symposium Digest, p.1657–1659.
16. D.M.Fanning et al. 25 W X-band GaN on Si MMIC. – GaAs Mantech Conference Proceedings, 2005.
17. H.Klockenhoff et al. A Compact 16 Watt X-Band GaN-MMIC Power Amplifier. – IEEE MTT-S Digest, 2006,
p.1846–1849.
18. S.Piotrowicz et al. State of the Art 58W, 38% PAE X-Band. AlGaN/GaN HEMTs microstrip MMIC Amplifiers. – IEEE Compound Semiconductor IC Symposium, 2008.
19. T.Chen et al. X-Band 11W AlGaN/GaN HEMT Power MMICs. – EwMIC Conference Proceedings, 2007,
p.162–164.
20. C.Costrini et al. A 20 Watt Micro-strip X-Band AlGaN/GaN HPA MMIC for Advanced Radar Applications. – EwMIC Conference Proceedings, 2008, p.1433–1436.
21. Викулов И. GaN-микросхемы приемопередающих модулей АФАР: европейские разработки. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2009, №7, с.90–97.
22. Васильев А. и др. Новое поколение полупроводниковых материалов и приборов. Через GaN к алмазу. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2007, №4, с.68–76.
23. Нитриды галлия, индия и алюминия – структуры и приборы. – Тезисы докладов 6-й Всероссийской конференции, 18–20 июня 2008 года, Санкт-Петербург.
Отзывы читателей
