eng
Выпуск #10/2019
В. Кочемасов, С. Дингес, В. Шадский
Твердотельные СВЧ-переключатели средней и большой мощности Часть 3
Твердотельные СВЧ-переключатели средней и большой мощности Часть 3
Просмотры: 1805
Рассмотрены мощные твердотельные переключатели различных типов, выпускаемые рядом производителей. Приведена информация об особенностях и характеристиках данных устройств.
DOI: 10.22184/1992-4178.2019.191.10.82.94
DOI: 10.22184/1992-4178.2019.191.10.82.94
Теги: field-effect transistor insertion loss isolation microwave switch вносимые потери полевой транзистор развязка свч-переключатель
УДК 621.389 | ВАК 05.27.01
В первых двух частях статьи, опубликованных в восьмом и девятом номерах журнала «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес» за 2019 год, рассматривались особенности проектирования различных твердотельных СВЧ‑переключателей средней и большой мощности и мощные pin-диодные переключатели. В данном номере речь пойдет о нескольких других типах СВЧ‑переключателей, выпускаемых рядом производителей.
Переключатели на арсенид-галлиевых полевых транзисторах
Основными производителями интегральных переключателей на основе арсенид-галлиевых полевых транзисторов являются компании: Analog Devices, Qorvo, MACOM, Skyworks Solutions, CEL, UMS, Filtronic, Mini-Circuits, Eudyna, ANADIGICS (табл. 8). Мощные переключатели на полевых транзисторах в основном используются в мобильных телефонах на частоте до 6 ГГц, и лишь в некоторых моделях максимальная рабочая частота достигает 20 ГГц. Этим переключателям свойственны очень низкие токи управления, что и делает их весьма привлекательными в задачах мобильной телефонии. К недостаткам переключателей этого вида можно отнести низкую стойкость к статическому электричеству и относительно высокую стоимость, что ограничивает их использование в коммерческих применениях.
Простейшие переключатели обычно реализуются на четырех полевых транзисторах (рис. 26). Для достижения повышенной коммутируемой мощности могут применяться рассмотренные ранее решения: метод трансформации импеданса, «этажерочное» включение транзисторов и метод резонансных звеньев.
Приведенные в технических описаниях зависимости включают в качестве параметра значения температуры окружающей среды из области допустимых значений. Так, на основании зависимостей IL (f) и Iso (f) на рис. 27 можно сделать вывод о том, что, например, в переключателе QPC6222, так же как и в pin-диодных переключателях, вносимые потери весьма чувствительны к вариациям температуры окружающей среды, а развязка от них практически не зависит. Аналогичные зависимости для приемо-передающих переключателей HMC546LP2E представлены на рис. 28. Вносимые потери в передающем канале несколько меньше вносимых потерь в приемном канале (рис. 28а, б), а уровень развязки в приемном канале существенно превышает этот показатель в передающем канале (рис. 28в).
В DPDT‑переключателях (рис. 29) характер этих зависимостей становится другим, вносимые потери и развязка зависят от пути прохождения сигнала: Ант1 – Тх, Ант1 – Rх, Ант2 – Тх, Ант2 – Rx (рис. 30).
В мощных переключателях вносимые потери и развязка зависят от большого числа факторов: уровня входной мощности, пути прохождения сигнала, величины управляющего напряжения, температуры окружающей среды и частоты (рис. 31). Анализируя зависимости IL (Pвх) на рис. 31а, б, можно сделать вывод о том, что резкое увеличение вносимых потерь с ростом управляющего напряжения наступает при более высоких значениях входной мощности.
Линейность является важной характеристикой мощных переключателей. Чаще всего ее оценивают, анализируя зависимости P0,1 дБ, P1 дБ, IIP3 и уровней 2-й и 3-й гармоник на выходе переключателя от частоты f, входной мощности Pвх, питающего напряжения Uп. Зависимости P0,1 дБ (f) и P1 дБ (f) при различных напряжениях питания показывают, что значения P0,1 дБ и P1 дБ с увеличением напряжения питания существенно возрастают (рис. 32). При этом IIP3 мало зависит от частоты и температуры окружающей среды (рис. 33а), но очень сильно меняется в зависимости от мощности двухтонового колебания и питающего напряжения (рис. 33б). Важно также отметить, что значения IIP3 в приемном и передающем каналах ассиметричных переключателей существенно (на 30 дБм и более) различаются (рис. 33в).
О линейности мощных переключателей можно также судить по уровню появляющихся на их выходе гармонических составляющих (рис. 34). С ростом входной мощности эти составляющие увеличиваются.
Большая коммутируемая мощность требуется не только в SPST-, SPDT- и DPDT‑переключателях, но и в многопозиционных изделиях (рис. 35), обеспечивающих связь антенны с двумя передатчиками и четырьмя приемниками (микросхема FMS2028, компания Filtronic). Характеристики передающих и приемных каналов, как и в случае приемо-передающих SPDT‑переключателей, существенно различаются. Так, вносимые потери в передающем и приемном каналах равны 0,40–0,41 дБ и 0,73–1,00 дБ соответственно, развязка между передающими каналами равна 28,5–21,0 дБ, между приемными каналами – 28–22 дБ, между передающими и приемными каналами – 47–42 дБ. При этом уровни 2-й и 3-й гармоник равны –80 дБн и –68…–72 дБн соответственно. Различные топологии многопозиционных переключателей на полевых транзисторах рассмотрены в [18].
Важной характеристикой мощных переключателей является также рассеиваемая в них мощность Pрасс, которая определяется рядом факторов (в скобках приведены значения для интегрального переключателя CHS5105-QAG компании UMS):
Максимальная рассеиваемая мощность в переключателе CHS5105-QAG (рис. 36) существенно зависит от температуры корпуса, оставаясь постоянной (2,5 Вт) до температуры корпуса 85 °C и снижается до 0,5 Вт при температуре корпуса 150 °C. Заметим, что в переключателе CHS5105-QAG допустимая входная мощность (27–33 дБм) и мощность рассеивания сравнимы. В pin-диодных переключателях рассеиваемая мощность составляет обычно 20–30% от допустимой входной мощности.
Несмотря на большие коммутируемые мощности (33–38 дБм) некоторые переключатели имеют весьма малые размеры. Так, разработанные компанией CEL корпуса под разные виды монтажа являются, по-видимому, наименьшими из всех выпускаемых переключателей в корпусном исполнении. Например, корпус микросхемы CG2409M2 компании CEL имеет размеры 2,0 × 1,25 × 0,9 мм и обеспечивает входную мощность до 38 дБм, а корпус микросхемы CG2185X2 той же компании размерами 1,0 × 1,0 × 0,37 мм выдерживает входную мощность до 33 дБм.
Наряду с переключателями, рассчитанными на достаточно большие мощности в частотном диапазоне до 6 ГГц, в последнее время появляется все больше арсенид-галлиевых изделий, которые работают на частотах до 10–40 ГГц (см. табл. 8). Наибольших успехов в этой области достигли компании Mimix Broadband, Chengdu Ganide Technology, Filtronic, Qorvo, MACOM, Analog Devices и Custom MMIC.
Подобные СВЧ‑переключатели могут входить также в состав более сложных изделий. Так, интегральный приемо-передающий модуль размером 3 × 4 мм, изготовленный по технологии GaAs pHEMT, является элементом АФАР, работающей в диапазоне 14,5–17,0 ГГц. Он содержит 5-Вт усилитель, МШУ и два переключателя, обеспечивающих попеременное подключение к антенне передающего и приемного каналов [19].
Совсем недавно компания Teledyne Relays выпустила интегральный SPDT‑переключатель InP1012-40, в котором вместо арсенида галлия используется фосфид индия (InP HEMT). В этом переключателе, рассчитанном на диапазон частот 0–40 ГГц, обеспечиваются вносимые потери 1,2–2,9 дБ, развязка 69–17 дБ, время переключения менее 100 нс и мощность P0,1 дБ = 14,9 дБм на частоте 18 ГГц. Изделие выполнено во flip-chip корпусе размером 3 × 3 × 1 мм и обеспечивает работоспособность в диапазоне температур –65…125 °C при наличии ударных, вибрационных и радиационных (до 100 крад) воздействий, что делает его весьма перспективным для военных и космических применений.
Стоит также отметить публикацию [20], в которой сообщается о создании трех СВЧ‑переключателей по технологии mHEMT (metamorphic high-electron-mobility transistor) для диапазонов частот 52–168, 75–170 и 122–330 ГГц с вносимыми потерями 3,1; 4,5; 2,2 дБ и развязками 42,1; 56,4; 17,4 дБ соответственно. Значения P1 дБ для первых двух разработок составили соответственно 19 и 14 дБм. Расчетные значения FOM (Figure of Merit) для этих изделий равны 796, 792 и 624 ГГц соответственно.
Все промышленно выпускаемые переключатели проходят испытания по утвержденным или стандартным методикам. Виды испытаний и порядок их следования определяются стандартами, которые существенно различаются для коммерческих, промышленных, военных и космических исполнений. Например, виды испытаний и их последовательность, используемые при тестировании переключателя VSW2-33-10W+ (компания Mini-Circuits), регламентируются стандартом IPC / JEDEC J-STD‑020D. Испытания проводятся с применением тестовой платы TB‑530+.
Модульные переключатели на базе арсенид-галлиевых полевых транзисторов вследствие относительно невысоких значений допустимой входной мощности и не очень высоких рабочих частот по сравнению с модульными переключателями на pin-диодах широкого распространения не получили (табл. 9).
Среди приведенных в табл. 9 моделей следует отметить SPDT‑переключатель, обеспечивающий развязку 120 дБ. Столь большой уровень развязки достигается последовательным включением нескольких арсенид-галлиевых переключателей. Платой за такую высокую развязку являются повышенные вносимые потери (4 дБ).
Достоин упоминания также модульный многопозиционный (SP36T) переключатель на полевых транзисторах GG‑75431-64 компании Microsemi (рис. 37). Предназначенный для маршрутизации входного сигнала по многим направлениям, этот широкополосный (100 МГц – 20 ГГц) переключатель с вносимыми потерями менее 7 дБ, развязкой более 70 дБ, допустимой мощностью 1 Вт, управляемый 6-разрядным цифровым драйвером, работает в диапазоне температур от –55 до 95 °C и удовлетворяет всем требованиям военного стандарта MIL-PRF-883. Опционально переключатель может поставляться в герметичном исполнении, отличаться от стандартной модели рабочим диапазоном частот и обеспечивать любой необходимый объем испытаний.
Нитрид-галлиевые переключатели
Нитрид-галлиевые технологии чрезвычайно широко применяются при создании мощных усилителей как за рубежом, так и в Российской Федерации. Однако, количество производителей интегральных GaN‑переключателей невелико (табл. 10), что возможно связано с дороговизной нитрид-галлиевых изделий, ограничивающей их применение в коммерческих задачах. Надо также отметить, что из шести выявленных производителей этих изделий две компании китайские и одна японская. Изделия японской компании RFcore появятся на рынке в 2019 году.
Все нитрид-галлиевые переключатели выполняются по технологии GaN / SiC pHEMT с длиной затвора 0,25 мкм. Коммутируемая мощность в этих переключателях не превосходит 100 Вт на частотах до 6 ГГц (TGS2355-SM) и 10–15 Вт на частотах более 10 ГГц (TGS2352-2, TGS2353-2, MECGaNWBSPDT, MECGaNTRSX, BW1048, GNM4132, CHS8618-99F).
Схемотехника GaN‑переключателей с симметричной последовательно-параллельной структурой (рис. 38) мало отличается от технических решений, применяемых в переключателях на GaAs полевых транзисторах. Переключатель, выполненный по схеме, показанной на рис. 38б, обеспечивает вносимые потери от 0,75 до 1,30 дБ и развязку более 45 дБ в диапазоне рабочих частот 0–20 ГГц. Площадь кристалла составляет 1,6 мм2.
Характер зависимостей IL(f) и Iso(f) свидетельствует о весьма значительном увеличении вносимых потерь и уменьшении развязки с ростом частоты, а также о значительном влиянии температуры окружающей среды на эти характеристики (рис. 39). Полезную информацию можно также получить, анализируя поведение вносимых потерь от уровня входной мощности при работе переключателей в непрерывном (рис. 40а, б) и импульсном (рис. 40в, г) режимах.
Линейность нитрид-галлиевых переключателей можно оценить по величине интермодуляционных искажений 3-го, 5-го и других порядков. Уровень этих искажений определяется величиной паразитных спектральных составляющих, появляющихся на выходе переключателя при подаче на его вход двух непрерывных колебаний с небольшим (например, 10 МГц) разнесением по частоте. Приведенные в техническом описании переключателя QPC1005 характеристики IMD3 (Pвх) позволяют оценить зависимость вклада этих составляющих не только от уровня входной мощности двухтоновых колебаний, но и от частоты, температуры и управляющего напряжения (рис. 41). О линейности мощных переключателей можно также судить по уровням появляющихся на его выходе 2-й и 3-й гармоник в зависимости от уровня выходной мощности (рис. 42).
Надежность (срок службы) нитрид-галлиевых переключателей (рис. 43) зависит также от температуры канала, которая в свою очередь определяется уровнем входной мощности, подаваемой на переключатель в непрерывном (рис. 44а) или импульсном (рис. 44б) режимах.
Анализ зависимостей на рис. 43, 44 и данных табл. 11 из технического описания микросхемы TGS2355-SM показывает, что срок службы в импульсном режиме более, чем в 1 000 раз превосходит срок службы при работе с непрерывными сигналами.
В модульном исполнении (рис. 45) нитрид-галлиевые переключатели выпускаются небольшим числом компаний (табл. 12). Все переключатели, выпускаемые компанией RF-Lambda, имеют герметичное исполнение и обеспечивают работу на высотах до 60 000 футов, в диапазоне температур –45…85 °C. Управление осуществляется ТТЛ‑совместимым драйвером, введенным в состав переключателей. Коммутируемая мощность в переключателях компании RF-Lambda лежит в пределах от 10 до 100 Вт в диапазонах частот 0–18 ГГц и 0–6 ГГц соответственно. Время переключения в этих изделиях не превышает 18–100 нс. Наибольшие значения развязок 70–90 дБ обеспечиваются в моделях RFSP4TRDC12G, RFSP4TR5M06G, RFSP8TRDC18G.
Для использования в военных и гражданских РЛС, военных системах связи и средствах радиоэлектронной борьбы используются переключатели компании CPI. При холодном переключении изделия этой компании обеспечивают коммутацию сигналов с импульсной мощностью до 1 000 Вт (см. табл. 12).
Литература
Lai R-B., Chao S-F., Tsai Z-M. et al. Topology Analysis and Design of Passive HEMT Millimeter-Wave Multiple-Port Switches // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2008. V. 56. № 7. P. 1545–1554.
Yuan Y., Fan Y., Yang Z., Lin H. 5 W, Ku-Band GaAs T / R MMIC with Switch Topology // Microwave Journal. Aerospace and Defense Supplement. June 2017. P. 32, 34, 36, 38, 40.
Thome F., Ambacher O. Highly Isolating and Broadband Single-Pole Double-Throw Switches for Millimeter-Wave Applications Up to 330 GHz // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2018. V. 66. № 4. P. 1998–2009.
В первых двух частях статьи, опубликованных в восьмом и девятом номерах журнала «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес» за 2019 год, рассматривались особенности проектирования различных твердотельных СВЧ‑переключателей средней и большой мощности и мощные pin-диодные переключатели. В данном номере речь пойдет о нескольких других типах СВЧ‑переключателей, выпускаемых рядом производителей.
Переключатели на арсенид-галлиевых полевых транзисторах
Основными производителями интегральных переключателей на основе арсенид-галлиевых полевых транзисторов являются компании: Analog Devices, Qorvo, MACOM, Skyworks Solutions, CEL, UMS, Filtronic, Mini-Circuits, Eudyna, ANADIGICS (табл. 8). Мощные переключатели на полевых транзисторах в основном используются в мобильных телефонах на частоте до 6 ГГц, и лишь в некоторых моделях максимальная рабочая частота достигает 20 ГГц. Этим переключателям свойственны очень низкие токи управления, что и делает их весьма привлекательными в задачах мобильной телефонии. К недостаткам переключателей этого вида можно отнести низкую стойкость к статическому электричеству и относительно высокую стоимость, что ограничивает их использование в коммерческих применениях.
Простейшие переключатели обычно реализуются на четырех полевых транзисторах (рис. 26). Для достижения повышенной коммутируемой мощности могут применяться рассмотренные ранее решения: метод трансформации импеданса, «этажерочное» включение транзисторов и метод резонансных звеньев.
Приведенные в технических описаниях зависимости включают в качестве параметра значения температуры окружающей среды из области допустимых значений. Так, на основании зависимостей IL (f) и Iso (f) на рис. 27 можно сделать вывод о том, что, например, в переключателе QPC6222, так же как и в pin-диодных переключателях, вносимые потери весьма чувствительны к вариациям температуры окружающей среды, а развязка от них практически не зависит. Аналогичные зависимости для приемо-передающих переключателей HMC546LP2E представлены на рис. 28. Вносимые потери в передающем канале несколько меньше вносимых потерь в приемном канале (рис. 28а, б), а уровень развязки в приемном канале существенно превышает этот показатель в передающем канале (рис. 28в).
В DPDT‑переключателях (рис. 29) характер этих зависимостей становится другим, вносимые потери и развязка зависят от пути прохождения сигнала: Ант1 – Тх, Ант1 – Rх, Ант2 – Тх, Ант2 – Rx (рис. 30).
В мощных переключателях вносимые потери и развязка зависят от большого числа факторов: уровня входной мощности, пути прохождения сигнала, величины управляющего напряжения, температуры окружающей среды и частоты (рис. 31). Анализируя зависимости IL (Pвх) на рис. 31а, б, можно сделать вывод о том, что резкое увеличение вносимых потерь с ростом управляющего напряжения наступает при более высоких значениях входной мощности.
Линейность является важной характеристикой мощных переключателей. Чаще всего ее оценивают, анализируя зависимости P0,1 дБ, P1 дБ, IIP3 и уровней 2-й и 3-й гармоник на выходе переключателя от частоты f, входной мощности Pвх, питающего напряжения Uп. Зависимости P0,1 дБ (f) и P1 дБ (f) при различных напряжениях питания показывают, что значения P0,1 дБ и P1 дБ с увеличением напряжения питания существенно возрастают (рис. 32). При этом IIP3 мало зависит от частоты и температуры окружающей среды (рис. 33а), но очень сильно меняется в зависимости от мощности двухтонового колебания и питающего напряжения (рис. 33б). Важно также отметить, что значения IIP3 в приемном и передающем каналах ассиметричных переключателей существенно (на 30 дБм и более) различаются (рис. 33в).
О линейности мощных переключателей можно также судить по уровню появляющихся на их выходе гармонических составляющих (рис. 34). С ростом входной мощности эти составляющие увеличиваются.
Большая коммутируемая мощность требуется не только в SPST-, SPDT- и DPDT‑переключателях, но и в многопозиционных изделиях (рис. 35), обеспечивающих связь антенны с двумя передатчиками и четырьмя приемниками (микросхема FMS2028, компания Filtronic). Характеристики передающих и приемных каналов, как и в случае приемо-передающих SPDT‑переключателей, существенно различаются. Так, вносимые потери в передающем и приемном каналах равны 0,40–0,41 дБ и 0,73–1,00 дБ соответственно, развязка между передающими каналами равна 28,5–21,0 дБ, между приемными каналами – 28–22 дБ, между передающими и приемными каналами – 47–42 дБ. При этом уровни 2-й и 3-й гармоник равны –80 дБн и –68…–72 дБн соответственно. Различные топологии многопозиционных переключателей на полевых транзисторах рассмотрены в [18].
Важной характеристикой мощных переключателей является также рассеиваемая в них мощность Pрасс, которая определяется рядом факторов (в скобках приведены значения для интегрального переключателя CHS5105-QAG компании UMS):
- рекомендуемая максимальная температура p-n-перехода (168 °C);
- максимально возможная температура p-n-перехода (175 °C);
- тепловое сопротивление между p-n-переходом и корпусом (<30 °C / Вт);
- минимальная рабочая температура корпуса (–40 °C);
- максимальная рабочая температура корпуса (85 °C);
- минимальная температура хранения (–55 °C);
- максимальная температура хранения (150 °C).
Максимальная рассеиваемая мощность в переключателе CHS5105-QAG (рис. 36) существенно зависит от температуры корпуса, оставаясь постоянной (2,5 Вт) до температуры корпуса 85 °C и снижается до 0,5 Вт при температуре корпуса 150 °C. Заметим, что в переключателе CHS5105-QAG допустимая входная мощность (27–33 дБм) и мощность рассеивания сравнимы. В pin-диодных переключателях рассеиваемая мощность составляет обычно 20–30% от допустимой входной мощности.
Несмотря на большие коммутируемые мощности (33–38 дБм) некоторые переключатели имеют весьма малые размеры. Так, разработанные компанией CEL корпуса под разные виды монтажа являются, по-видимому, наименьшими из всех выпускаемых переключателей в корпусном исполнении. Например, корпус микросхемы CG2409M2 компании CEL имеет размеры 2,0 × 1,25 × 0,9 мм и обеспечивает входную мощность до 38 дБм, а корпус микросхемы CG2185X2 той же компании размерами 1,0 × 1,0 × 0,37 мм выдерживает входную мощность до 33 дБм.
Наряду с переключателями, рассчитанными на достаточно большие мощности в частотном диапазоне до 6 ГГц, в последнее время появляется все больше арсенид-галлиевых изделий, которые работают на частотах до 10–40 ГГц (см. табл. 8). Наибольших успехов в этой области достигли компании Mimix Broadband, Chengdu Ganide Technology, Filtronic, Qorvo, MACOM, Analog Devices и Custom MMIC.
Подобные СВЧ‑переключатели могут входить также в состав более сложных изделий. Так, интегральный приемо-передающий модуль размером 3 × 4 мм, изготовленный по технологии GaAs pHEMT, является элементом АФАР, работающей в диапазоне 14,5–17,0 ГГц. Он содержит 5-Вт усилитель, МШУ и два переключателя, обеспечивающих попеременное подключение к антенне передающего и приемного каналов [19].
Совсем недавно компания Teledyne Relays выпустила интегральный SPDT‑переключатель InP1012-40, в котором вместо арсенида галлия используется фосфид индия (InP HEMT). В этом переключателе, рассчитанном на диапазон частот 0–40 ГГц, обеспечиваются вносимые потери 1,2–2,9 дБ, развязка 69–17 дБ, время переключения менее 100 нс и мощность P0,1 дБ = 14,9 дБм на частоте 18 ГГц. Изделие выполнено во flip-chip корпусе размером 3 × 3 × 1 мм и обеспечивает работоспособность в диапазоне температур –65…125 °C при наличии ударных, вибрационных и радиационных (до 100 крад) воздействий, что делает его весьма перспективным для военных и космических применений.
Стоит также отметить публикацию [20], в которой сообщается о создании трех СВЧ‑переключателей по технологии mHEMT (metamorphic high-electron-mobility transistor) для диапазонов частот 52–168, 75–170 и 122–330 ГГц с вносимыми потерями 3,1; 4,5; 2,2 дБ и развязками 42,1; 56,4; 17,4 дБ соответственно. Значения P1 дБ для первых двух разработок составили соответственно 19 и 14 дБм. Расчетные значения FOM (Figure of Merit) для этих изделий равны 796, 792 и 624 ГГц соответственно.
Все промышленно выпускаемые переключатели проходят испытания по утвержденным или стандартным методикам. Виды испытаний и порядок их следования определяются стандартами, которые существенно различаются для коммерческих, промышленных, военных и космических исполнений. Например, виды испытаний и их последовательность, используемые при тестировании переключателя VSW2-33-10W+ (компания Mini-Circuits), регламентируются стандартом IPC / JEDEC J-STD‑020D. Испытания проводятся с применением тестовой платы TB‑530+.
Модульные переключатели на базе арсенид-галлиевых полевых транзисторов вследствие относительно невысоких значений допустимой входной мощности и не очень высоких рабочих частот по сравнению с модульными переключателями на pin-диодах широкого распространения не получили (табл. 9).
Среди приведенных в табл. 9 моделей следует отметить SPDT‑переключатель, обеспечивающий развязку 120 дБ. Столь большой уровень развязки достигается последовательным включением нескольких арсенид-галлиевых переключателей. Платой за такую высокую развязку являются повышенные вносимые потери (4 дБ).
Достоин упоминания также модульный многопозиционный (SP36T) переключатель на полевых транзисторах GG‑75431-64 компании Microsemi (рис. 37). Предназначенный для маршрутизации входного сигнала по многим направлениям, этот широкополосный (100 МГц – 20 ГГц) переключатель с вносимыми потерями менее 7 дБ, развязкой более 70 дБ, допустимой мощностью 1 Вт, управляемый 6-разрядным цифровым драйвером, работает в диапазоне температур от –55 до 95 °C и удовлетворяет всем требованиям военного стандарта MIL-PRF-883. Опционально переключатель может поставляться в герметичном исполнении, отличаться от стандартной модели рабочим диапазоном частот и обеспечивать любой необходимый объем испытаний.
Нитрид-галлиевые переключатели
Нитрид-галлиевые технологии чрезвычайно широко применяются при создании мощных усилителей как за рубежом, так и в Российской Федерации. Однако, количество производителей интегральных GaN‑переключателей невелико (табл. 10), что возможно связано с дороговизной нитрид-галлиевых изделий, ограничивающей их применение в коммерческих задачах. Надо также отметить, что из шести выявленных производителей этих изделий две компании китайские и одна японская. Изделия японской компании RFcore появятся на рынке в 2019 году.
Все нитрид-галлиевые переключатели выполняются по технологии GaN / SiC pHEMT с длиной затвора 0,25 мкм. Коммутируемая мощность в этих переключателях не превосходит 100 Вт на частотах до 6 ГГц (TGS2355-SM) и 10–15 Вт на частотах более 10 ГГц (TGS2352-2, TGS2353-2, MECGaNWBSPDT, MECGaNTRSX, BW1048, GNM4132, CHS8618-99F).
Схемотехника GaN‑переключателей с симметричной последовательно-параллельной структурой (рис. 38) мало отличается от технических решений, применяемых в переключателях на GaAs полевых транзисторах. Переключатель, выполненный по схеме, показанной на рис. 38б, обеспечивает вносимые потери от 0,75 до 1,30 дБ и развязку более 45 дБ в диапазоне рабочих частот 0–20 ГГц. Площадь кристалла составляет 1,6 мм2.
Характер зависимостей IL(f) и Iso(f) свидетельствует о весьма значительном увеличении вносимых потерь и уменьшении развязки с ростом частоты, а также о значительном влиянии температуры окружающей среды на эти характеристики (рис. 39). Полезную информацию можно также получить, анализируя поведение вносимых потерь от уровня входной мощности при работе переключателей в непрерывном (рис. 40а, б) и импульсном (рис. 40в, г) режимах.
Линейность нитрид-галлиевых переключателей можно оценить по величине интермодуляционных искажений 3-го, 5-го и других порядков. Уровень этих искажений определяется величиной паразитных спектральных составляющих, появляющихся на выходе переключателя при подаче на его вход двух непрерывных колебаний с небольшим (например, 10 МГц) разнесением по частоте. Приведенные в техническом описании переключателя QPC1005 характеристики IMD3 (Pвх) позволяют оценить зависимость вклада этих составляющих не только от уровня входной мощности двухтоновых колебаний, но и от частоты, температуры и управляющего напряжения (рис. 41). О линейности мощных переключателей можно также судить по уровням появляющихся на его выходе 2-й и 3-й гармоник в зависимости от уровня выходной мощности (рис. 42).
Надежность (срок службы) нитрид-галлиевых переключателей (рис. 43) зависит также от температуры канала, которая в свою очередь определяется уровнем входной мощности, подаваемой на переключатель в непрерывном (рис. 44а) или импульсном (рис. 44б) режимах.
Анализ зависимостей на рис. 43, 44 и данных табл. 11 из технического описания микросхемы TGS2355-SM показывает, что срок службы в импульсном режиме более, чем в 1 000 раз превосходит срок службы при работе с непрерывными сигналами.
В модульном исполнении (рис. 45) нитрид-галлиевые переключатели выпускаются небольшим числом компаний (табл. 12). Все переключатели, выпускаемые компанией RF-Lambda, имеют герметичное исполнение и обеспечивают работу на высотах до 60 000 футов, в диапазоне температур –45…85 °C. Управление осуществляется ТТЛ‑совместимым драйвером, введенным в состав переключателей. Коммутируемая мощность в переключателях компании RF-Lambda лежит в пределах от 10 до 100 Вт в диапазонах частот 0–18 ГГц и 0–6 ГГц соответственно. Время переключения в этих изделиях не превышает 18–100 нс. Наибольшие значения развязок 70–90 дБ обеспечиваются в моделях RFSP4TRDC12G, RFSP4TR5M06G, RFSP8TRDC18G.
Для использования в военных и гражданских РЛС, военных системах связи и средствах радиоэлектронной борьбы используются переключатели компании CPI. При холодном переключении изделия этой компании обеспечивают коммутацию сигналов с импульсной мощностью до 1 000 Вт (см. табл. 12).
Литература
Lai R-B., Chao S-F., Tsai Z-M. et al. Topology Analysis and Design of Passive HEMT Millimeter-Wave Multiple-Port Switches // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2008. V. 56. № 7. P. 1545–1554.
Yuan Y., Fan Y., Yang Z., Lin H. 5 W, Ku-Band GaAs T / R MMIC with Switch Topology // Microwave Journal. Aerospace and Defense Supplement. June 2017. P. 32, 34, 36, 38, 40.
Thome F., Ambacher O. Highly Isolating and Broadband Single-Pole Double-Throw Switches for Millimeter-Wave Applications Up to 330 GHz // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2018. V. 66. № 4. P. 1998–2009.
Отзывы читателей
