eng
Выпуск #3/2021
В. Кочемасов, А. Сафин, С. Дингес
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ СВЧ-ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ С ВЫСОКОЙ СКОРОСТЬЮ КОММУТАЦИИ. Часть 3
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ СВЧ-ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ С ВЫСОКОЙ СКОРОСТЬЮ КОММУТАЦИИ. Часть 3
Просмотры: 1913
DOI: 10.22184/1992-4178.2021.204.3.108.122
Рассмотрены твердотельные СВЧ-переключатели с высокой скоростью коммутации. Приведена информация о различных типах переключателей на транзисторах, выпускаемых рядом производителей.
Рассмотрены твердотельные СВЧ-переключатели с высокой скоростью коммутации. Приведена информация о различных типах переключателей на транзисторах, выпускаемых рядом производителей.
Теги: frequency range input power insertion loss isolation solid state microwave switch switching time вносимые потери время переключения входная мощность диапазон частот развязка твердотельный свч-переключатель
Твердотельные СВЧ-переключатели с высокой скоростью коммутации. Часть 3
В. Кочемасов, к. т. н., А. Сафин, к. т. н., С. Дингес, к. т. н.
В первых двух частях статьи, опубликованных в десятом за 2020 год и первом за 2021 год номерах журнала «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес», было рассказано о pin-диодных переключателях в различных исполнениях.
В данном номере рассматриваются различные типы переключателей на полевых транзисторах.
Арсенид-галлиевые и фосфид-индиевые переключатели на полевых транзисторах
Кремниевые и арсенид-галлиевые pin-диодные переключатели в модульном и интегральном исполнениях широко используются в коммерческих и военных радарах, системах связи, средствах радиоэлектронного подавления, измерительных и тестовых комплексах.
Разработанные за последние 50–60 лет десятками компаний многие тысячи моделей переключателей широко представлены на сайтах производителей и до сих пор доступны потребителям. Вместе с тем pin-диодным переключателям присущ ряд недостатков:
Всех этих недостатков лишены переключатели на арсенид-галлиевых полевых транзисторах (FET), которым на смену сначала пришли MESFET, а затем и PHEMT-транзисторы. В отличие от pin-диодных переключателей, где сначала появились модульные изделия на дискретных pin-диодах и лишь затем были созданы интегральные изделия, процесс развития арсенид-галлиевых полевых переключателей был обратным. Сначала появились интегральные переключатели и лишь затем отдельные модульные изделия. Забегая вперед, отметим, что аналогичным образом шло развитие и нитрид-галлиевых изделий. В переключателях же, выполненных по кремниевым КМОП-технологиям, промышленностью выпускаются только интегральные изделия. Модульных изделий с применением этой технологии не удалось обнаружить и в журнальных публикациях.
Интегральные арсенид-галлиевые переключатели на полевых транзисторах выпускаются компаниями MACOM, KCB Solutions, Isolink, SuperApex, Qorvo, Aelius Semiconductors, Custom MMIC, Metda Semiconductors, QP Microwave, Chengdu Ganide Technology, UMS, CEL, arQana Technologies, Mimix Broadband, Filtronic, Microsemi, Analog Devices, Skyworks Solutions, Northrop Grumman.
Сведения о характеристиках арсенид-галлиевых переключателей на полевых транзисторах сведены в табл. 9–12. Анализ характеристик показывает, что многие переключатели имеют нулевую входную частоту, а верхняя рабочая частота достигает 50 ГГц. Времена переключения Tп, Tr, Tf, Ton и Toff этих изделий находятся в границах 2–150 нс. Входная мощность этих переключателей обычно не превосходит 1–2 Вт.
В рекламных материалах компании Northrop Grumman имеется также информация о SPDT-переключателе SDH-148 на основе технологии GaAs HEMT, предназначенном для работы в диапазоне 80–100 ГГц. В этом изделии вносимое ослабление не превосходит 3 дБ. К сожалению, сведения о других характеристиках переключателя отсутствуют.
Существенным преимуществом переключателей, выполненных по GaAs-технологиям, являются низкие (1–1 000 мкА) токи по цепям смещения и управления. Малыми в этих переключателях оказываются и возникающие в моменты коммутации при отключенном СВЧ-сигнале видеоимпульсы (так называемые transients) (см. рис. 4). Их амплитудные значения лежат в границах 5–150 мВ, что существенно меньше амплитуд, характерных для pin-диодных переключателей, где они могут быть равны 1 В и более. В арсенид-галлиевых переключателях на полевых транзисторах степень влияния этих процессов на выходной сигнал весьма мала.
По мере эксплуатации первых моделей арсенид-галлиевых переключателей на полевых транзисторах выявился весьма существенный недостаток – большое время установления Tset, многократно превышающее значения Tr, Tf, Ton и Toff из data sheets на эти изделия.
Много усилий по преодолению этого недостатка было приложено компанией MACOM, которой в конце концов удалось разработать модифицированный PHEMT-процесс, решивший эту проблему [7, 19, 21]. Так, если в переключателях, изготовленных с применением стандартного PHEMT-процесса, значения Tr и Tset составляли 15 нс и 284 мкс (рис. 22а) [21], то модифицированный PHEMT-процесс позволил уменьшить эти значения до 14 и 18,4 нс соответственно (рис. 22б) [21]. За время установления Tset в данном случае принималась разница времен, при которых огибающая выходного сигнала переключателя достигала 90 и 98% от своего установившегося значения. Кардинальное снижение времени установления Tset не только позволило применять такие модифицированные переключатели в задачах тестирования большого количества испытуемых изделий, но и привело к существенному снижению мощности рассеяния, что сделало возможным использование таких переключателей при более высоких значениях входной мощности. В результате этой исследовательской деятельности компания MACOM выпустила на рынок большую партию переключателей MASW‑007107, MASW‑007587, MASW‑007588, MASW‑007921, MASW‑008322, MASW‑008543, MASW‑008899, MASW‑008955, MASW‑009590, MASWSS0197 [7], в которых время установления было кардинально снижено.
Анализ data sheets для арсенид-галлиевых переключателей, выполненных на полевых транзисторах, дает представление о зависимости времен переключения от температуры окружающей среды и уровня входной мощности. Так, для микросхемы RFSW6124 компании Qorvo приводятся сведения о том, что при изменении температуры окружающей среды от –40 до 85 °C время нарастания уменьшается на 10%, а время спада – на 20%.
Более значительное влияние на время переключения оказывает изменение уровня входной мощности (рис. 23). При горячем переключении изменение уровня входной мощности импульсного сигнала (Tимп. = 500 мкс, Q = 50%) с 25 до 33 дБм приводит к увеличению времени переключения с 20 до 45 нс.
Схемотехнические решения, используемые при создании SPST (рис. 24а), SPDT (рис. 24б), SPMT (рис. 24в) и DPDT (рис. 24г) переключателей, отличаются значительным разнообразием, однако все они базируются на последовательных, параллельных или последовательно-параллельных структурах. Порядок включения последовательных и параллельных ветвей, а также число транзисторов в каждой из них могут существенно различаться. Многопозиционные переключатели строятся на основе SPST-структур. Входной сигнал подается одновременно на входы всех параллельно включенных SPST-структур (рис. 24в). DPDT-изделия реализуются на четырех элементарных переключателях (рис. 24г), сложность которых зависит от требований, предъявляемых к характеристикам всего изделия. В схеме, показанной на рис. 24г, при Vy1 = 0 В и Vy2 = –5 В между входом A1 и выходом A2 обеспечивается большая развязка, а между входом B1 и выходом B2 – малые потери. Смена управляющих напряжений (Vy1 = –5 В и Vy2 = 0 В) приводит к малым потерям между входом A1 и выходом A2 и большой развязке между входом B1 и выходом B2. Все переключатели могут быть как отражательными, так и поглощающими. В случае необходимости обеспечения большой входной мощности транзисторы в переключателях могут включаться группами (рис. 25), причем их количество может быть очень большим. Нельзя не упомянуть также линейку переключателей, созданных компанией Teledyne Relays по технологии InP-HEMT. Эти компактные изделия во flip-chip исполнении с размерами 3 × 3 × 1 мм были разработаны применительно к измерительным, связным и радиолокационным задачам. В линейку входят пять переключателей, рассчитанных на диапазоны частот 0–14, 0–20, 0–30, 0–40 и 0–60 ГГц (табл. 13). Все они обеспечивают время коммутации 100 нс, обладают устойчивостью к ударам, вибрационным и радиационным (до 100 крад) воздействиям. Четыре возможных режима работы этих SPDT-переключателей определяются значениями управляющих напряжений Vy1 и Vу2 (рис. 26), каждое из которых может принимать два значения: 0 и –2,5 В. Рабочий диапазон температур этих переключателей –65…125 °C.
Количество компаний, производящих арсенид-галлиевые переключатели на полевых транзисторах в модульном исполнении, невелико: Analog Devices, Keysight Technologies, American Microwave Corporation (AMC), Microsemi (табл. 14). Они продвигают на рынок SPST-, SPDT-, SP4T- и SP36T-переключатели (рис. 27). За исключением изделий, разработанных компанией Keysight Technologies, все переключатели имеют малое время коммутации, причем в большинстве изделий, поставляемых компанией Analog Devices, значения Tr и Tf не превышают 3 нс. Переключатели компании Keysight Technologies, предназначенные для тестирования больших объемов испытуемых изделий, разработаны по технологии, обеспечивающей малое время установления Tset. И, безусловно, уникальным представляется 36‑канальный переключатель GG‑75431-64, разработанный компанией Microsemi (рис. 27д) со 100‑нс временем коммутации.
Очевидным недостатком арсенид-галлиевых переключателей на полевых транзисторах, который так и не удалось преодолеть, является их высокая чувствительность к воздействию статического электричества (модель человеческого тела (HBM), класс 1).
Нитрид-галлиевые переключатели
Переключатели на арсенид-галлиевых полевых транзисторах начали активно применяться с 1980 года и вследствие их низкой стоимости прочно обосновались на рынке сотовой связи. Появились они благодаря финансовым вливаниям со стороны DAPRA и значительному спросу со стороны военных и коммерческих структур. Эти широкополосные переключатели на полевых транзисторах, являющиеся по сути дела управляемыми напряжением резисторами, с маломощными цепями управления, достаточно высокой линейностью, входной мощностью, достигающей 2 Вт, реализуемые в малых габаритах, и более простые в разработке в сравнении с pin-диодными изделиями, достаточно быстро закрепились на рынке сотовой связи. В 1990‑е годы на смену FET / MESFET-изделиям пришли переключатели, изготовленные по PHEMT-технологии. Многие недостатки, свойственные первым изделиям, выполненным по этой технологии, были в последующем устранены, однако, кардинального улучшения характеристик не последовало.
В конце 90‑х годов прошлого столетия с развитием средств РЭБ и РЛС с АФАР потребовались более мощные переключатели. И здесь, как и в случае с GaAs-изделиями, своевременным оказалось финансирование технологии создания мощных нитрид-галлиевых транзисторов со стороны DAPRA.
Имея лучшие технические характеристики и более широкий диапазон частот, нитрид-галлиевая технология отличается рядом свойств, которые делают ее весьма подходящей для использования в мощных СВЧ-изделиях. GaN-транзисторы обеспечивают наивысшую плотность мощности и отличаются от полупроводниковых изделий на основе других технологий более высокой надежностью, особенно при высоких температурах.
Перечисленные факторы позволяют создавать мощные изделия чрезвычайно малых размеров.
В качестве подложек при изготовлении нитрид-галлиевых транзисторов могут использоваться кремний, карбид кремния и другие материалы. При соединении разнородных материалов подложки и эпитаксиальной пленки равенство постоянных их кристаллических решеток является одним из наиболее важных условий. Второе существенное условие – близость коэффициентов термического расширения подложки и эпитаксиальной пленки. Из-за невыполнения этого условия может произойти деформация гетероструктуры, вплоть до ее растрескивания. Для решения этой проблемы между GaN и материалом подложки используют буферные слои, коэффициент расширения которых близок к коэффициенту термического расширения подложки, а также применяют другие, более подходящие виды подложек. Одной из наиболее часто используемых, особенно в силовой электронике, является гетероструктура GaN on Si, в которой к настоящему времени достигнуто пробивное напряжение до 1 600 В. Толщина слоя GaN на кремнии доведена в этих транзисторах до 30 мкм, что исключает возможность деформаций.
В СВЧ-изделиях чаще всего применяются гетероструктуры GaN on SiC [22] и AlGaN / GaN [23]. Первые из них обеспечивают широкие полосы рабочих частот при высоких уровнях входной мощности. Альтернативой SiC-подложкам является подход, основанный на использовании достаточно толстых переходных изолирующих слоев AlN, позволяющий изготовить на таких SiC / AlN-подложках транзисторы нового поколения, обеспечивающие большие мощности при разумной стоимости. В GaN SiC изделиях высокая мощность сочетается с низкими значениями сопротивления включения Ron, емкости в выключенном состоянии Coff, низким вносимым ослаблением, высоким напряжением пробоя Vbr и высокой теплопроводностью, которая в шесть раз превышает теплопроводность GaAs-подложек.
Последнее обстоятельство позволяет работать этим изделиям при более высоких температурах, чем при использовании GaAs- и Si-подложек, а при температуре, совпадающей с температурой окружающей среды, обеспечивает повышенные надежность и среднее время наработки на отказ по сравнению с арсенид-галлиевыми изделиями.
Снижение рабочей температуры подложек позволяет реализовать переключатели в кристаллах меньших размеров. GaN on SiC имеют исключительно высокую теплопроводность, в результате чего изделия, в которых они используются, при одинаковой рассеиваемой мощности остаются холодными в сравнении с устройствами, где применяется GaN on Si.
Вследствие сложной технологии GaN-изделия значительно дороже своих аналогов. При этом, однако, следует иметь в виду, что вследствие их большой мощности и малых габаритов существенно снижается стоимость разработки и конструирования. Более высокая теплопроводность снижает также затраты на отвод тепла, а больший срок службы уменьшает эксплуатационные расходы.
Число компаний, занимающихся производством GaN СВЧ-переключателей, невелико: Qorvo, UMS, Microwave Electronics for Communications (MEC), Chengdu Ganide Technology, Metda Semiconductors, Bowei Integrated Circuits. Мощность выпускаемых ими переключателей равна 10–100 Вт, верхняя граница их рабочего диапазона не превышает 18 ГГц, а время коммутации находится в пределах 10–50 нс (табл. 15). Два SPDT-переключателя по технологии GaN HEMT с допустимой входной мощностью более 4 Вт выпускает компания Northrop Grumman. Диапазон рабочих частот этих микросхем составляет 0–20 ГГц (модель SDN‑109) и 0–40 ГГц (модель SDN‑106). Сведения о временах переключения, достигаемых в этих микросхемах, отсутствуют.
Схемотехника GaN-переключателей (рис. 28) мало отличается от решений, принимаемых при разработке GaAs-изделий на полевых транзисторах. Приведенные на рис. 28 принципиальные схемы SPST- и SPDT-переключателей реализованы с использованием четвертьволновых микрополосковых линий (λ / 4 МПЛ).
Напряжение пробоя в интегральных переключателях, включенных в табл. 15, отрицательное и находится в пределах –25… –40 В. Однако в ряде публикаций встречаются упоминания о более высоких значениях Vbr, например 100 В [24] и даже 200 В [25]. Можно также полагать, что достигнутые в GaN on Si транзисторах напряжения до 1 600 В в ближайшее время существенным образом скажутся на значениях входной мощности в СВЧ-переключателях.
Интегральные GaN переключатели весьма перспективны там, где требуется большая коммутируемая мощность. Пока значения этой мощности не превышают 100 Вт (см. табл. 15). Несколько меньшую мощность (P0,1 дБ = 40 Вт) обеспечивает GaN SPDT-переключатель RFSW2100 [26], работающий в диапазоне 0,03–6 ГГц с уровнем вносимых потерь <0,45 дБ, развязкой 39 дБ, временем коммутации 40 нс и током управления менее 0,5 мА (IIP3 = 72 дБм, Vbr = –60 В). Этот переключатель доступен в виде кристалла (RFSW2100D) или в 12‑выводном QFN-корпусе размером 3 × 3 мм (RFSW2100). При использовании эффективного радиатора изделие RFSW2100D обеспечивает входную мощность до 75 Вт. Эта же технология GaN on SiC была использована компанией Qorvo для создания широкополосных (0,5–6; 0,1–12 и 0,5–18 ГГц) переключателей TGS2351-SM, TGS2352 и TGS2353-2 с входными мощностями 40, 20 и 10 Вт, соответственно, и временем коммутации 35–50 нс [27]. Имеется в линейке продукции, выпускаемой компанией Qorvo, и многопозиционный SP3T-переключатель QPC1006, обеспечивающий за 50 нс коммутацию сигналов мощностью до 60 Вт. Упоминается в литературе также и 200-Вт переключатель, разработанный компанией Fujitsu в кооперации с японским министерством обороны для радиолокатора L-диапазона [28]. С большой вероятностью изделия, выполненные по этой технологии, заменят переключатели на дискретных pin-диодах. Предельные возможности GaN-переключателей зависят от рабочей температуры канала TК, которая определяется уровнем подаваемой на них мощности (рис. 29). При работе с импульсными сигналами условия работы переключателей существенно облегчаются и зависят от длительности импульсов и их скважности Q (рис. 30). В свою очередь рабочая температура канала определяет надежность переключателя, оцениваемую средним временем наработки на отказ (СВНО), которое оказывается весьма большим даже при предельных значениях этой температуры (рис. 31). Для изделий компании Qorvo TК макс. = 250–275 °C.
Один из наиболее перспективных рынков нитрид-галлиевых изделий – это аэрокосмические системы. В результате испытаний, включающих воздействие накопленной дозы радиации, превышающей 1 Мрад, существенных изменений в характеристиках испытуемых изделий обнаружено не было.
Нитрид-галлиевые переключатели выпускаются и в модульном исполнении (рис. 32).
Производят эти изделия компании: RF-Lambda, RFcore, CPI и MPI (табл. 16). В модульных переключателях напряжение питания обычно равно +28 В (RFcore, CPI, MPI). Но есть исключение. В GaN-переключателях компании RF-Lambda напряжение питания поддерживается равным +5 или +12 В. Токи потребления в этих изделиях в зависимости от уровня СВЧ-мощности (10–200 Вт) находятся в пределах от 100 до 700 мА. Значения пиковых мощностей в изделиях компании RFcore могут достигать 1 кВт.
Литература
Геворкян В., Кочемасов В. Ферритовые переключатели // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2020. № 6. C. 90–94; № 9. С. 122–131.
Кочемасов В. Электромеханические переключатели ВЧ / СВЧ-сигналов – основные типы и производители // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2016. № 7. С. 114–121; № 8. С. 96–106; № 9. С. 128–134.
Кочемасов В., Майстренко А. СВЧ-переключатели на основе МЭМС // СВЧ-электроника. 2016. № 1. С. 36–42.
Кочемасов В., Кирпиченков А. Твердотельные СВЧ-переключатели // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2017. № 10. С. 92–97; 2018. № 1. С. 116–124; 2018. № 2. С. 150–163.
Кочемасов В., Рауткин Ю. Интегральные СВЧ-переключатели // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2018. № 4. С. 122–127; № 5. С. 152–163; № 6. С. 80–93.
Кочемасов В., Дингес С., Шадский В. Твердотельные СВЧ-переключатели средней и большой мощности // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2019. № 8. С. 108–112; № 9. С. 116–130; № 10. С. 82–94; 2020. № 1. С. 142–151.
Freeston A., Boles T., Varmazis C. Speedy Switches Minimize Gate Lags // Microwave & RF. March 2010. PP. 98–102.
Understanding RF / Microwaves Solid State Switches and their Applications. Application Note. – Agilent Technologies.
Agilent U9397A / C FET Solid State Switches (SPDT) Technical overview. Agilent Technologies.
U9400A / C Solid State FET Transfer Switches. Technical overview. – Keysight Technologies.
Switches. – Каталог компании General Microwave.
Blair E., Farrington K., Tubbs K. Selecting the Right RF Switch. – Каталог компании Daico Industries. PP. 253–262.
Microwave Switches. – Каталог компании Elisra.
Chinoy P., Jain N., Li P., et al. Manufacture of Low-Loss Microwave Circuits using HMIC Technology // IEEE MTT-S Digest. 1994. PP. 1137–1140.
Heston D. D., Seymour D. J., Zych D. 100 MHz to 20 GHz Monolitchic Single-Pole, Two-, Three-, and Four-Throw GaAs PIN Diode Switches. – 1991 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. PP. 429–432.
Баров А., Гущин С. GaAs МИС PIN диодного двухпозиционного коммутатора // Chip News. 2008. № 1. С. 50–51.
Alekseev E., Pavlidis D., Ziegler V. 77 GHz High-Isolation Coplanar Transmit-Receive Switch Using InGaAs / InP PIN Diodes. – 1998 IEEE GaAs IC Symposium.
Lam K., Ding H., Liu X. et al. Wideband Millimeter Wave PIN Diode SPDT Switch using IBM 0.13 µm SiGe Technology. – Proceeding of the European Microwave Integrated Circuit Conference. 2007. PP.108–111.
Song P., Schmid R. L., Ulusoy A. C., Cressler J. D. A High-Power, Low Loss W-band SPDT Switch Using SiGe PIN Diodes. – IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium. 2014. PP. 195–198.
Yang J. G., Yang K. High-Linearity K-band Absorptive-Type MMIC Switch Using GaN PIN-Diodes // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2013. V. 23. No.1. PP. 37–39.
Boles T., Freeston A. New NanoSecond Switch Technology // Microwave Journal. June 2010. PP. 56–60.
Campbell C. F., Dumka D. C. Wideband High Power GaN on SiC SPDT Switch MMICs. 2010 IEEE MTT-S International Microwave Symposium. PP. 145–148.
Ma B. Y., Boutros K. S., Hacker J. B. et al. High Power AlGaN / GaN Ku-band MMIC SPDT Switch and Design Consideration. – 2008 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. PP. 1473–1476.
Gotch D. A Review of Technological Advances in Solid-State Switches // Microwave Journal. November 2007. PP. 24–34.
Vye D., Pelletier L., Theeuwen S. et al. The New Power Brokers: High Voltage RF Device // Microwave Journal. June 2009. PP. 22–40.
GaN Swicthes Enable Hot Switching at Higher Power // Microwave Journal. January 2012. PP. 134–136.
GaN MMIC Switch Handles 40 W from DC to 6 GHz // Microwave Journal. November 2011. PP. 132–134.
Vye D. Divine Innovation: 10 Technologies Changing the Future of Passive and Control Components // Microwave Journal. November 2011. PP. 22–42.
В. Кочемасов, к. т. н., А. Сафин, к. т. н., С. Дингес, к. т. н.
В первых двух частях статьи, опубликованных в десятом за 2020 год и первом за 2021 год номерах журнала «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес», было рассказано о pin-диодных переключателях в различных исполнениях.
В данном номере рассматриваются различные типы переключателей на полевых транзисторах.
Арсенид-галлиевые и фосфид-индиевые переключатели на полевых транзисторах
Кремниевые и арсенид-галлиевые pin-диодные переключатели в модульном и интегральном исполнениях широко используются в коммерческих и военных радарах, системах связи, средствах радиоэлектронного подавления, измерительных и тестовых комплексах.
Разработанные за последние 50–60 лет десятками компаний многие тысячи моделей переключателей широко представлены на сайтах производителей и до сих пор доступны потребителям. Вместе с тем pin-диодным переключателям присущ ряд недостатков:
- нижнее значение входной частоты принципиально не может быть нулевым;
- для работы требуются два источника питания и два управляющих напряжения;
- токи по цепям смещения и управления лежат в пределах 10–100 мА, что требует применения достаточно сложных драйверов и приводит к увеличению потребляемой переключателями мощности;
- технологические сложности, возникающие при создании интегральных версий таких переключателей;
- большие искажения выходного радиосигнала, возникающие в процессе коммутации.
Всех этих недостатков лишены переключатели на арсенид-галлиевых полевых транзисторах (FET), которым на смену сначала пришли MESFET, а затем и PHEMT-транзисторы. В отличие от pin-диодных переключателей, где сначала появились модульные изделия на дискретных pin-диодах и лишь затем были созданы интегральные изделия, процесс развития арсенид-галлиевых полевых переключателей был обратным. Сначала появились интегральные переключатели и лишь затем отдельные модульные изделия. Забегая вперед, отметим, что аналогичным образом шло развитие и нитрид-галлиевых изделий. В переключателях же, выполненных по кремниевым КМОП-технологиям, промышленностью выпускаются только интегральные изделия. Модульных изделий с применением этой технологии не удалось обнаружить и в журнальных публикациях.
Интегральные арсенид-галлиевые переключатели на полевых транзисторах выпускаются компаниями MACOM, KCB Solutions, Isolink, SuperApex, Qorvo, Aelius Semiconductors, Custom MMIC, Metda Semiconductors, QP Microwave, Chengdu Ganide Technology, UMS, CEL, arQana Technologies, Mimix Broadband, Filtronic, Microsemi, Analog Devices, Skyworks Solutions, Northrop Grumman.
Сведения о характеристиках арсенид-галлиевых переключателей на полевых транзисторах сведены в табл. 9–12. Анализ характеристик показывает, что многие переключатели имеют нулевую входную частоту, а верхняя рабочая частота достигает 50 ГГц. Времена переключения Tп, Tr, Tf, Ton и Toff этих изделий находятся в границах 2–150 нс. Входная мощность этих переключателей обычно не превосходит 1–2 Вт.
В рекламных материалах компании Northrop Grumman имеется также информация о SPDT-переключателе SDH-148 на основе технологии GaAs HEMT, предназначенном для работы в диапазоне 80–100 ГГц. В этом изделии вносимое ослабление не превосходит 3 дБ. К сожалению, сведения о других характеристиках переключателя отсутствуют.
Существенным преимуществом переключателей, выполненных по GaAs-технологиям, являются низкие (1–1 000 мкА) токи по цепям смещения и управления. Малыми в этих переключателях оказываются и возникающие в моменты коммутации при отключенном СВЧ-сигнале видеоимпульсы (так называемые transients) (см. рис. 4). Их амплитудные значения лежат в границах 5–150 мВ, что существенно меньше амплитуд, характерных для pin-диодных переключателей, где они могут быть равны 1 В и более. В арсенид-галлиевых переключателях на полевых транзисторах степень влияния этих процессов на выходной сигнал весьма мала.
По мере эксплуатации первых моделей арсенид-галлиевых переключателей на полевых транзисторах выявился весьма существенный недостаток – большое время установления Tset, многократно превышающее значения Tr, Tf, Ton и Toff из data sheets на эти изделия.
Много усилий по преодолению этого недостатка было приложено компанией MACOM, которой в конце концов удалось разработать модифицированный PHEMT-процесс, решивший эту проблему [7, 19, 21]. Так, если в переключателях, изготовленных с применением стандартного PHEMT-процесса, значения Tr и Tset составляли 15 нс и 284 мкс (рис. 22а) [21], то модифицированный PHEMT-процесс позволил уменьшить эти значения до 14 и 18,4 нс соответственно (рис. 22б) [21]. За время установления Tset в данном случае принималась разница времен, при которых огибающая выходного сигнала переключателя достигала 90 и 98% от своего установившегося значения. Кардинальное снижение времени установления Tset не только позволило применять такие модифицированные переключатели в задачах тестирования большого количества испытуемых изделий, но и привело к существенному снижению мощности рассеяния, что сделало возможным использование таких переключателей при более высоких значениях входной мощности. В результате этой исследовательской деятельности компания MACOM выпустила на рынок большую партию переключателей MASW‑007107, MASW‑007587, MASW‑007588, MASW‑007921, MASW‑008322, MASW‑008543, MASW‑008899, MASW‑008955, MASW‑009590, MASWSS0197 [7], в которых время установления было кардинально снижено.
Анализ data sheets для арсенид-галлиевых переключателей, выполненных на полевых транзисторах, дает представление о зависимости времен переключения от температуры окружающей среды и уровня входной мощности. Так, для микросхемы RFSW6124 компании Qorvo приводятся сведения о том, что при изменении температуры окружающей среды от –40 до 85 °C время нарастания уменьшается на 10%, а время спада – на 20%.
Более значительное влияние на время переключения оказывает изменение уровня входной мощности (рис. 23). При горячем переключении изменение уровня входной мощности импульсного сигнала (Tимп. = 500 мкс, Q = 50%) с 25 до 33 дБм приводит к увеличению времени переключения с 20 до 45 нс.
Схемотехнические решения, используемые при создании SPST (рис. 24а), SPDT (рис. 24б), SPMT (рис. 24в) и DPDT (рис. 24г) переключателей, отличаются значительным разнообразием, однако все они базируются на последовательных, параллельных или последовательно-параллельных структурах. Порядок включения последовательных и параллельных ветвей, а также число транзисторов в каждой из них могут существенно различаться. Многопозиционные переключатели строятся на основе SPST-структур. Входной сигнал подается одновременно на входы всех параллельно включенных SPST-структур (рис. 24в). DPDT-изделия реализуются на четырех элементарных переключателях (рис. 24г), сложность которых зависит от требований, предъявляемых к характеристикам всего изделия. В схеме, показанной на рис. 24г, при Vy1 = 0 В и Vy2 = –5 В между входом A1 и выходом A2 обеспечивается большая развязка, а между входом B1 и выходом B2 – малые потери. Смена управляющих напряжений (Vy1 = –5 В и Vy2 = 0 В) приводит к малым потерям между входом A1 и выходом A2 и большой развязке между входом B1 и выходом B2. Все переключатели могут быть как отражательными, так и поглощающими. В случае необходимости обеспечения большой входной мощности транзисторы в переключателях могут включаться группами (рис. 25), причем их количество может быть очень большим. Нельзя не упомянуть также линейку переключателей, созданных компанией Teledyne Relays по технологии InP-HEMT. Эти компактные изделия во flip-chip исполнении с размерами 3 × 3 × 1 мм были разработаны применительно к измерительным, связным и радиолокационным задачам. В линейку входят пять переключателей, рассчитанных на диапазоны частот 0–14, 0–20, 0–30, 0–40 и 0–60 ГГц (табл. 13). Все они обеспечивают время коммутации 100 нс, обладают устойчивостью к ударам, вибрационным и радиационным (до 100 крад) воздействиям. Четыре возможных режима работы этих SPDT-переключателей определяются значениями управляющих напряжений Vy1 и Vу2 (рис. 26), каждое из которых может принимать два значения: 0 и –2,5 В. Рабочий диапазон температур этих переключателей –65…125 °C.
Количество компаний, производящих арсенид-галлиевые переключатели на полевых транзисторах в модульном исполнении, невелико: Analog Devices, Keysight Technologies, American Microwave Corporation (AMC), Microsemi (табл. 14). Они продвигают на рынок SPST-, SPDT-, SP4T- и SP36T-переключатели (рис. 27). За исключением изделий, разработанных компанией Keysight Technologies, все переключатели имеют малое время коммутации, причем в большинстве изделий, поставляемых компанией Analog Devices, значения Tr и Tf не превышают 3 нс. Переключатели компании Keysight Technologies, предназначенные для тестирования больших объемов испытуемых изделий, разработаны по технологии, обеспечивающей малое время установления Tset. И, безусловно, уникальным представляется 36‑канальный переключатель GG‑75431-64, разработанный компанией Microsemi (рис. 27д) со 100‑нс временем коммутации.
Очевидным недостатком арсенид-галлиевых переключателей на полевых транзисторах, который так и не удалось преодолеть, является их высокая чувствительность к воздействию статического электричества (модель человеческого тела (HBM), класс 1).
Нитрид-галлиевые переключатели
Переключатели на арсенид-галлиевых полевых транзисторах начали активно применяться с 1980 года и вследствие их низкой стоимости прочно обосновались на рынке сотовой связи. Появились они благодаря финансовым вливаниям со стороны DAPRA и значительному спросу со стороны военных и коммерческих структур. Эти широкополосные переключатели на полевых транзисторах, являющиеся по сути дела управляемыми напряжением резисторами, с маломощными цепями управления, достаточно высокой линейностью, входной мощностью, достигающей 2 Вт, реализуемые в малых габаритах, и более простые в разработке в сравнении с pin-диодными изделиями, достаточно быстро закрепились на рынке сотовой связи. В 1990‑е годы на смену FET / MESFET-изделиям пришли переключатели, изготовленные по PHEMT-технологии. Многие недостатки, свойственные первым изделиям, выполненным по этой технологии, были в последующем устранены, однако, кардинального улучшения характеристик не последовало.
В конце 90‑х годов прошлого столетия с развитием средств РЭБ и РЛС с АФАР потребовались более мощные переключатели. И здесь, как и в случае с GaAs-изделиями, своевременным оказалось финансирование технологии создания мощных нитрид-галлиевых транзисторов со стороны DAPRA.
Имея лучшие технические характеристики и более широкий диапазон частот, нитрид-галлиевая технология отличается рядом свойств, которые делают ее весьма подходящей для использования в мощных СВЧ-изделиях. GaN-транзисторы обеспечивают наивысшую плотность мощности и отличаются от полупроводниковых изделий на основе других технологий более высокой надежностью, особенно при высоких температурах.
Перечисленные факторы позволяют создавать мощные изделия чрезвычайно малых размеров.
В качестве подложек при изготовлении нитрид-галлиевых транзисторов могут использоваться кремний, карбид кремния и другие материалы. При соединении разнородных материалов подложки и эпитаксиальной пленки равенство постоянных их кристаллических решеток является одним из наиболее важных условий. Второе существенное условие – близость коэффициентов термического расширения подложки и эпитаксиальной пленки. Из-за невыполнения этого условия может произойти деформация гетероструктуры, вплоть до ее растрескивания. Для решения этой проблемы между GaN и материалом подложки используют буферные слои, коэффициент расширения которых близок к коэффициенту термического расширения подложки, а также применяют другие, более подходящие виды подложек. Одной из наиболее часто используемых, особенно в силовой электронике, является гетероструктура GaN on Si, в которой к настоящему времени достигнуто пробивное напряжение до 1 600 В. Толщина слоя GaN на кремнии доведена в этих транзисторах до 30 мкм, что исключает возможность деформаций.
В СВЧ-изделиях чаще всего применяются гетероструктуры GaN on SiC [22] и AlGaN / GaN [23]. Первые из них обеспечивают широкие полосы рабочих частот при высоких уровнях входной мощности. Альтернативой SiC-подложкам является подход, основанный на использовании достаточно толстых переходных изолирующих слоев AlN, позволяющий изготовить на таких SiC / AlN-подложках транзисторы нового поколения, обеспечивающие большие мощности при разумной стоимости. В GaN SiC изделиях высокая мощность сочетается с низкими значениями сопротивления включения Ron, емкости в выключенном состоянии Coff, низким вносимым ослаблением, высоким напряжением пробоя Vbr и высокой теплопроводностью, которая в шесть раз превышает теплопроводность GaAs-подложек.
Последнее обстоятельство позволяет работать этим изделиям при более высоких температурах, чем при использовании GaAs- и Si-подложек, а при температуре, совпадающей с температурой окружающей среды, обеспечивает повышенные надежность и среднее время наработки на отказ по сравнению с арсенид-галлиевыми изделиями.
Снижение рабочей температуры подложек позволяет реализовать переключатели в кристаллах меньших размеров. GaN on SiC имеют исключительно высокую теплопроводность, в результате чего изделия, в которых они используются, при одинаковой рассеиваемой мощности остаются холодными в сравнении с устройствами, где применяется GaN on Si.
Вследствие сложной технологии GaN-изделия значительно дороже своих аналогов. При этом, однако, следует иметь в виду, что вследствие их большой мощности и малых габаритов существенно снижается стоимость разработки и конструирования. Более высокая теплопроводность снижает также затраты на отвод тепла, а больший срок службы уменьшает эксплуатационные расходы.
Число компаний, занимающихся производством GaN СВЧ-переключателей, невелико: Qorvo, UMS, Microwave Electronics for Communications (MEC), Chengdu Ganide Technology, Metda Semiconductors, Bowei Integrated Circuits. Мощность выпускаемых ими переключателей равна 10–100 Вт, верхняя граница их рабочего диапазона не превышает 18 ГГц, а время коммутации находится в пределах 10–50 нс (табл. 15). Два SPDT-переключателя по технологии GaN HEMT с допустимой входной мощностью более 4 Вт выпускает компания Northrop Grumman. Диапазон рабочих частот этих микросхем составляет 0–20 ГГц (модель SDN‑109) и 0–40 ГГц (модель SDN‑106). Сведения о временах переключения, достигаемых в этих микросхемах, отсутствуют.
Схемотехника GaN-переключателей (рис. 28) мало отличается от решений, принимаемых при разработке GaAs-изделий на полевых транзисторах. Приведенные на рис. 28 принципиальные схемы SPST- и SPDT-переключателей реализованы с использованием четвертьволновых микрополосковых линий (λ / 4 МПЛ).
Напряжение пробоя в интегральных переключателях, включенных в табл. 15, отрицательное и находится в пределах –25… –40 В. Однако в ряде публикаций встречаются упоминания о более высоких значениях Vbr, например 100 В [24] и даже 200 В [25]. Можно также полагать, что достигнутые в GaN on Si транзисторах напряжения до 1 600 В в ближайшее время существенным образом скажутся на значениях входной мощности в СВЧ-переключателях.
Интегральные GaN переключатели весьма перспективны там, где требуется большая коммутируемая мощность. Пока значения этой мощности не превышают 100 Вт (см. табл. 15). Несколько меньшую мощность (P0,1 дБ = 40 Вт) обеспечивает GaN SPDT-переключатель RFSW2100 [26], работающий в диапазоне 0,03–6 ГГц с уровнем вносимых потерь <0,45 дБ, развязкой 39 дБ, временем коммутации 40 нс и током управления менее 0,5 мА (IIP3 = 72 дБм, Vbr = –60 В). Этот переключатель доступен в виде кристалла (RFSW2100D) или в 12‑выводном QFN-корпусе размером 3 × 3 мм (RFSW2100). При использовании эффективного радиатора изделие RFSW2100D обеспечивает входную мощность до 75 Вт. Эта же технология GaN on SiC была использована компанией Qorvo для создания широкополосных (0,5–6; 0,1–12 и 0,5–18 ГГц) переключателей TGS2351-SM, TGS2352 и TGS2353-2 с входными мощностями 40, 20 и 10 Вт, соответственно, и временем коммутации 35–50 нс [27]. Имеется в линейке продукции, выпускаемой компанией Qorvo, и многопозиционный SP3T-переключатель QPC1006, обеспечивающий за 50 нс коммутацию сигналов мощностью до 60 Вт. Упоминается в литературе также и 200-Вт переключатель, разработанный компанией Fujitsu в кооперации с японским министерством обороны для радиолокатора L-диапазона [28]. С большой вероятностью изделия, выполненные по этой технологии, заменят переключатели на дискретных pin-диодах. Предельные возможности GaN-переключателей зависят от рабочей температуры канала TК, которая определяется уровнем подаваемой на них мощности (рис. 29). При работе с импульсными сигналами условия работы переключателей существенно облегчаются и зависят от длительности импульсов и их скважности Q (рис. 30). В свою очередь рабочая температура канала определяет надежность переключателя, оцениваемую средним временем наработки на отказ (СВНО), которое оказывается весьма большим даже при предельных значениях этой температуры (рис. 31). Для изделий компании Qorvo TК макс. = 250–275 °C.
Один из наиболее перспективных рынков нитрид-галлиевых изделий – это аэрокосмические системы. В результате испытаний, включающих воздействие накопленной дозы радиации, превышающей 1 Мрад, существенных изменений в характеристиках испытуемых изделий обнаружено не было.
Нитрид-галлиевые переключатели выпускаются и в модульном исполнении (рис. 32).
Производят эти изделия компании: RF-Lambda, RFcore, CPI и MPI (табл. 16). В модульных переключателях напряжение питания обычно равно +28 В (RFcore, CPI, MPI). Но есть исключение. В GaN-переключателях компании RF-Lambda напряжение питания поддерживается равным +5 или +12 В. Токи потребления в этих изделиях в зависимости от уровня СВЧ-мощности (10–200 Вт) находятся в пределах от 100 до 700 мА. Значения пиковых мощностей в изделиях компании RFcore могут достигать 1 кВт.
Литература
Геворкян В., Кочемасов В. Ферритовые переключатели // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2020. № 6. C. 90–94; № 9. С. 122–131.
Кочемасов В. Электромеханические переключатели ВЧ / СВЧ-сигналов – основные типы и производители // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2016. № 7. С. 114–121; № 8. С. 96–106; № 9. С. 128–134.
Кочемасов В., Майстренко А. СВЧ-переключатели на основе МЭМС // СВЧ-электроника. 2016. № 1. С. 36–42.
Кочемасов В., Кирпиченков А. Твердотельные СВЧ-переключатели // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2017. № 10. С. 92–97; 2018. № 1. С. 116–124; 2018. № 2. С. 150–163.
Кочемасов В., Рауткин Ю. Интегральные СВЧ-переключатели // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2018. № 4. С. 122–127; № 5. С. 152–163; № 6. С. 80–93.
Кочемасов В., Дингес С., Шадский В. Твердотельные СВЧ-переключатели средней и большой мощности // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2019. № 8. С. 108–112; № 9. С. 116–130; № 10. С. 82–94; 2020. № 1. С. 142–151.
Freeston A., Boles T., Varmazis C. Speedy Switches Minimize Gate Lags // Microwave & RF. March 2010. PP. 98–102.
Understanding RF / Microwaves Solid State Switches and their Applications. Application Note. – Agilent Technologies.
Agilent U9397A / C FET Solid State Switches (SPDT) Technical overview. Agilent Technologies.
U9400A / C Solid State FET Transfer Switches. Technical overview. – Keysight Technologies.
Switches. – Каталог компании General Microwave.
Blair E., Farrington K., Tubbs K. Selecting the Right RF Switch. – Каталог компании Daico Industries. PP. 253–262.
Microwave Switches. – Каталог компании Elisra.
Chinoy P., Jain N., Li P., et al. Manufacture of Low-Loss Microwave Circuits using HMIC Technology // IEEE MTT-S Digest. 1994. PP. 1137–1140.
Heston D. D., Seymour D. J., Zych D. 100 MHz to 20 GHz Monolitchic Single-Pole, Two-, Three-, and Four-Throw GaAs PIN Diode Switches. – 1991 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. PP. 429–432.
Баров А., Гущин С. GaAs МИС PIN диодного двухпозиционного коммутатора // Chip News. 2008. № 1. С. 50–51.
Alekseev E., Pavlidis D., Ziegler V. 77 GHz High-Isolation Coplanar Transmit-Receive Switch Using InGaAs / InP PIN Diodes. – 1998 IEEE GaAs IC Symposium.
Lam K., Ding H., Liu X. et al. Wideband Millimeter Wave PIN Diode SPDT Switch using IBM 0.13 µm SiGe Technology. – Proceeding of the European Microwave Integrated Circuit Conference. 2007. PP.108–111.
Song P., Schmid R. L., Ulusoy A. C., Cressler J. D. A High-Power, Low Loss W-band SPDT Switch Using SiGe PIN Diodes. – IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium. 2014. PP. 195–198.
Yang J. G., Yang K. High-Linearity K-band Absorptive-Type MMIC Switch Using GaN PIN-Diodes // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2013. V. 23. No.1. PP. 37–39.
Boles T., Freeston A. New NanoSecond Switch Technology // Microwave Journal. June 2010. PP. 56–60.
Campbell C. F., Dumka D. C. Wideband High Power GaN on SiC SPDT Switch MMICs. 2010 IEEE MTT-S International Microwave Symposium. PP. 145–148.
Ma B. Y., Boutros K. S., Hacker J. B. et al. High Power AlGaN / GaN Ku-band MMIC SPDT Switch and Design Consideration. – 2008 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. PP. 1473–1476.
Gotch D. A Review of Technological Advances in Solid-State Switches // Microwave Journal. November 2007. PP. 24–34.
Vye D., Pelletier L., Theeuwen S. et al. The New Power Brokers: High Voltage RF Device // Microwave Journal. June 2009. PP. 22–40.
GaN Swicthes Enable Hot Switching at Higher Power // Microwave Journal. January 2012. PP. 134–136.
GaN MMIC Switch Handles 40 W from DC to 6 GHz // Microwave Journal. November 2011. PP. 132–134.
Vye D. Divine Innovation: 10 Technologies Changing the Future of Passive and Control Components // Microwave Journal. November 2011. PP. 22–42.
Отзывы читателей
