Кіщинський А. А. ФГУП «Центральний науково-дослідний радіотехнічний інститут» Росія, 105066, Москва, вул. Нова Басманна, д. 20 Тел.: +7 (095) 263-96-29; e-mail: amplifiers@mail.ru

Анотація – Розглянуто світової технічний рівень і тенденції розвитку напрямку транзисторних підсилювачів потужності НВЧ і міліметрового діапазону, транзисторів і монолітних інтегральних схем підвищеної потужності.

I. Вступ

В вдосконалення конструкцій СВЧ підсилювачів потужності на основі транзисторів і монолітних інтегральних схем (МІС), а також в розвиток необхідних для цього напівпровідникових технологій протягом останнього десятиліття вкладалися значні кошти та інтелектуальні сили провідних світових електронних компаній і університетів. Метою цієї роботи є аналіз досягнутих технічних параметрів транзисторних підсилювачів високого рівня потужності (10-100 Вт і більше) та основних тенденцій розвитку цього класу СВЧ пристроїв.

II. Основна частина

Двигуном розвитку напівпровідникових технологій потужних НВЧ транзисторів є зростання ринку дискретних приладів і МІС. Цей ринок обумовлений зростанням різноманітності та кількості розгорнутих систем (в першу чергу – систем зв’язку). У свою чергу, вдосконалення параметрів і зниження собівартості транзисторів і МІС істотно розширює можливості їх застосування в апаратурі, можливості створення і просування на ринок нових систем. Це коло замкнутий і протягом останнього десятиліття ефективно працював на розвиток технологій, надаючи в розпорядження розробників нові можливості, іноді принципово змінюють підхід до проектування. До системних застосувань, найбільш активно стимулировавшим розвиток СВЧ напівпровідникових технологій, і бурхливо розвивалися за рахунок них в останні роки, можна віднести системи широкосмугового зв’язку міліметрового діапазону (LMDS та аналогічні), системи «третього покоління» (3G) широкосмугової стільникового зв’язку, системи супутникового зв’язку (в першу чергу – VSAT), радіолокаційні системи на основі активних фазованих антенних решіток (АФАРСЬКА).

Сучасні напівпровідникові технології, використовувані при виробництві потужних дискретних і монолітних компонентів, наведені в таблиці 1. Темним кольором виділені частотні діапазони ефективного застосування промислових технологій, як успішно використовуються багато десятиліть (Si RF BJT, MESFET), так і освоєних у виробництві вже в новому столітті (0.1 urn InP HEMT). Світлим виділено нові перспективні технології, їх перехід у статус промислових очікується в найближчі роки.

Кремнієві технології дискретних потужних НВЧ транзисторів розвиваються еволюційно, розділивши області застосування між біполярними (імпульсні радіолокатори) і MOSFET-транзисторами (системи стільникового зв’язку). Високі досягнуті параметри MOSFET-транзисторів (висока лінійність при посиленні багаточастотних сигналів при високому ККД і потужностях до 150 Вт в діапазоні 2.1 ГГц) практично витіснили біполярну технологію з найбільш масових застосувань в базових станціях стільникового зв’язку.

Таблиця 1.

Table 1.

У розвитку базових для мікрохвильового діапазону АзВб-напівпровідникових технологій можна виділити наступні основні тенденції:

– поступовий відхід з арени класичної технології польових транзисторів з однорідним легуванням каналу (MESFET). Ця технологія залишається у виробництві традиційних і добре освоєних високопотужних внутрісогласованних і окремих типів універсальних дискретних транзисторів сантиметрового діапазону та серії МІС підсилювачів сантиметрового діапазону компанії М / А Сот [1].

– істотне зниження вартості приладів, що виготовляються за технологією псевдоморфного транзисторів з високою рухливістю електронів (рНЕМТ) з розмірами затвора 0.25 мкм, за рахунок промислового освоєння процесів обробки пластин діаметром до 150 мм [2] та забезпечення високого (більше 50%) відсотка виходу придатних схем. Ця технологія стала стандартною і надається практично всіма фірмами, виконують послуги по контрактному виробництву (foundry) МІС СВЧ. Використання цієї технології дозволило налагодити серійний випуск монолітних підсилювачів в діапазонах до 32 ГГц з потужностями до 4 Вт [3].

– освоєння у виробництві технологій МІС СВЧ на фосфід індію з розмірами затвора 0.1 мкм, що дає можливість просування транзисторних МІС підсилювачів потужності в діапазон 90-200 ГГц [4].

Окреслені вище процеси еволюційний і обумовлені потребами масового виробництва недорогих МІС міліметрового діапазону. Революційним же напрямком розвитку потужних компонентів СВЧ, народженим в минулому десятилітті, стало напрям ширококутного напівпровідникових матеріалів (карбіду кремнію SiC і нітриду галію GaN) і приладів на їх основі [5, 6]. Це напрям, активно підтримуване військовими, в найближчому майбутньому має дозволити в кілька разів підвищити вихідну потужність транзисторів і МІС сантиметрового діапазону. Не зупиняючись детально на деталях відзначимо, що за рахунок істотно більшою теплопровідності як епітаксійних плівок, так і підкладки-носія, а також за рахунок втричі більшої ширини забороненої зони в транзисторах на основі нітриду галію реалізовані питомі потужності транзисторної структури 4-8 Вт / мм і більше, що на порядок перевищує питому потужність арсенідгалліевих транзисторів. Для промислового освоєння GaN-транзисторів і МІС потрібно ще вирішення ряду проблем, в числі яких:

Рис. 1. Параметри дискретних СВЧ транзисторів Fig. 1. Parameters of discrete microwave transistors

-довготривала стабільність параметрів і підтвердження надійності;

– ефекти «пам’яті» та низькочастотні нестабільності;

– відносно висока ціна;

Одним із принципових переваг GaN і SiC-транзисторів є високий (20-50 В) напруга живлення стоку, що при рівних з GaAs транзисторами віддаються в навантаження потужностях призводить до значного (На порядок) збільшення оптимального імпедансу навантаження стоку і значного полегшення узгодження транзистора з навантаженням. Сказане ілюструється даними таблиці 2, в якій наведено оцінки оптимального імпедансу навантаження для трьох типів транзисторів з вихідною потужністю 10 Вт на частоті 2 ГГц.

Таблиця 2.

Рис. 2. Параметри МІС підсилювачів СВЧ діапазону Fig. 2. Parameters of microwave MMIC amplifiers

Table 2.

Технологія

Тип

транзистора

Паспортна

вихідна

потужність

Напруга

ШГШКЯСТОМ

Vdt

Ток харчування стоку в режимі

класу «А»,

Mc«Idssfl

ОптщшьЕое опір нагрума! [7].

Ropt= Vdc/Mc

Ватт

Вольт

Ампер

Шк

MF.SFFJ

Mitsubishi

MGF09I1A

12.0

10

2.6

18

SiC

MESFET

free

CRF-24010

10.0

48

0.75

64

GjN

HEMT

Lossy et el [8] (2 mm)

10.4

26

1.1

23.6

Порівняльні дані про вихідний потужності найбільш потужних серійних транзисторів НВЧ діапазону наведені на діаграмі малюнка 1. Область застосування потужних внутрісогласованних транзисторів закінчується на частотах 15-17 ГГц, дискретних широкосмугових транзисторів – на частотах 25 ГГц, далі підсилювачі будуються на основі кристалів і корпусовані МІС.

Монолітні підсилювачі за минуле десятиліття вдосконалювалися швидкими темпами. Вихідна потужність, що знімається з кристала МІС виросла більш ніж в 10 разів, при цьому ціна виробів зменшилася в 3-8 і більше разів. Двигунами розвитку виступають системи комерційного зв’язку міліметрового діапазону і військові системи на основі АФАРСЬКА. Найважливішим завданням і тих і інших є зниження ціни апаратури. Основні параметри (Смуга-потужність), отримані в лабораторних і промислових зразках МІС СВЧ, наведені на діаграмі малюнка 2.

В сантиметровому діапазоні вихідна потужність GaAs МІС, мабуть, уже досягла межі (IQ-20 Вт), пов’язаного з обмеженням максимальної

2

площі кристала (25-30 мм), при якій він (при товщині 50-75 мкм) стає гранично тендітним, і відсоток виходу придатних при монтажі МІС різко падає. Площі кристалів МІС міліметрового

2

діапазону складають 12-16 мм), що залишає ще деякий простір для нарощування потужності до 5-10 Вт Подальше нарощування енергетики пов’язано безпосередньо з успіхами у відпрацюванні нових ширококутного матеріалів (GaN в першу чергу) і вдосконаленням технології гетеробіполярних транзисторів (НВТ) на основі матеріалів групи А3В5, що забезпечують значно більші щільності потужності і менші розміри кристалів МІС. За повідомленням компанії Cree, Inc., Вже розроблена технологія GaN транзисторів з щільністю потужності 30 Вт / мм на частоті 8 Ггц [19].

Конструкції сучасних потужних МІС підсилювачів (рисунок 3) відрізняються наступним характерними особливостями:

– повна симетрія схеми;

– дуже висока щільність компонування;

– використання максимально простих вхідних і межкаскадних узгоджуючих ланцюгів на зосереджених елементах;

– розбиття вихідний транзисторної структури на велике (4,8,16) число окремих структур з реалізацією т. н. «Корпоративних» узгоджуючих ланцюгів (об’єднання індивідуальних узгоджуючих ланцюгів субтранзісторов в загальну синфазно-пов’язану розподілену ланцюг);

– відносно широкі, із застосуванням розподілених елементів, вихідні погоджують ланцюга;

– використання товстих (до 12 мкм) гальванічних ліній.

Рис. 3. Конструкції МІС підсилювачів Fig. 3. Microwave MMIC amplifiers

Бурхливий розвиток цифрових систем зв’язку зі складними методами модуляції зажадало розробки нових підходів до проектування потужних підсилювачів для таких систем, введення та оптимізації нових параметрів многочастотного режиму, розробки різноманітних методів лінеаризації підсилювачів та підвищення ККД активних приладів. Ці напрямки розвитку схемотехніки підсилювачів потужності, добре освітлені в роботі [20], тут не розглядаються, тим більше, що в промислових конструкціях підсилювачів високої потужності вони поки знаходять досить обмежене застосування (за винятком передавачів базових станцій стільникового зв’язку). Тут хочеться відзначити тільки практичну реалізацію підсилювального каскаду L-діапазону класу F [21] з доданим ККД більше 65% при вихідній потужності 10 Вт з лінійною передавальної характеристикою, виконаного на базі НВТ-транзистора.

Одним з важливих напрямків досліджень, безпосередньо визначають можливості нарощування вихідної потужності транзисторних НВЧ підсилювачів є розробка ефективних багатоканальних суматорів потужності. Тут необхідно відзначити прекрасні роботи групи авторів з Каліфорнійського університету [22,23]. Розроблено широкосмугові просторові суматори потужності на основі прямокутного хвилеводу [22] і «надрозмірні коаксіального хвилеводу» [23] (рисунок 4) з смугами 40-100%, числом каналів 24 – 32 і втратами на поділ-підсумовування 1.3-2.4 дБ та ефективністю підсумовування потужності 70-75%. Конструкції суматорів передбачають безпосередню інтеграцію МІС підсилювачів.

Рис. 4. 32-канальний суматор Х-Кі діапазону [23] Fig. 4. X-Ku-band 32-channel combiner [23]

На зразках підсилювачів, зібраних авторами на основі зазначених типів суматорів і комерційних МІС фірми TriQuint Semiconductor, отримані рівні потужності 60-129 Вт в діапазоні 8-11 ГГц, і 20-50 Вт в діапазоні 6-17 ГГц. Істотні результати також отримані в області квазіоптичних і просторових суматорів міліметрового діапазону, вони більш детально розглянуті в роботі [24].

Найбільш потужні транзисторні підсилювачі традиційно розробляються для передавачів радіолокаційної апаратури (не АФАРСЬКА) S-і X-діапазонів імпульсного режиму. Це унікальні вироби на основі багатоканальних (Як правило – хвилеводних) підсумовуючих схем з імпульсною вихідною потужністю до 10-30 кВт [25]. Розроблено конструкцію транзисторного передавача подсвета мети в Х-діапазоні [26], що має вихідну потужність в безперервному режимі 2 кВт при компресії посилення 1 дБ. Передавач побудований на основі комерційних внутрісогласованних транзисторів з потужністю 15 Вт Використана триступенева (13 – 4 – 4) волноводная схема підсумовування потужності 208 підсилювальних модулів з загальні ефективністю підсумовування близько 70%. Електронний ККД передавача склав 15%.

Для наземних та бортових передавачів систем космічного зв’язку розроблені підсилювачі потужності з піковою потужністю в сотні Ватт в сантиметровому і десятки Ватт в міліметровому діапазонах. Параметри деяких найбільш потужних промислових зразків таких підсилювачів наведені на діаграмі малюнка 5.

Рис. 7. Параметри широкосмугових підсилювачів Fig. 7. Parameters of broadband amplifiers

Широкосмугові підсилювачі високої потужності застосовуються в системах радіоелектронного придушення, системах випробувань на електромагнітну сумісність, а також в деяких нових радіолокаційних системах, використовують широкосмугові сигнали або сигнали з широким діапазоном перебудови частоти. Будуються такі підсилювачі на основі кристалів дискретних широкосмугових транзисторів (до С-діапазону) і на основі МІС (починаючи з Х-діапазону). Параметри деяких найбільш потужних промислових зразків таких підсилювачів наведені на діаграмі малюнка 7. Разом з розвитком технологій МІС за десятиліття вихідна потужність надширокосмугових підсилювачів С-X-Ku-діапазонів зросла в 10-20 разів при одночасному зростанні ККД з 3-5% до 10-15%.

При побудові підсилювачів потужності для радіолокаційних систем з АФАРСЬКА основна увага приділяється не стільки вихідний потужності елемента (вона становить зараз в Х-діапазоні від 3 до 15 Вт), скільки ККД, габаритам, можливості інтеграції в антенне полотно, вартості елемента. Ці дуже цікаві питання виходять за рамки даної роботи і тут не розглядаються.

Найближчі роки інтерес до широкосмугових підсилювачів потужності буде наростати у зв’язку з активними розробками нових принципів і систем зв’язку та локації на основі надширокосмугових сигналів.

III. Висновок

Таким чином, проведений аналіз десятирічного періоду розвитку технологій, компонентів і конструкцій транзисторних підсилювачів великої потужності сантиметрового і міліметрового діапазонів показав високу і стійку динаміку зростання як головного показника якості даного типу пристроїв – вихідний потужності (10-кратне збільшення за 10 років), так і різноманітності застосувань і ринку систем, особливо в міліметровому діапазоні. Транзисторні підсилювачі практично витіснили електровакуумні СВЧ прилади з потужностного діапазону 1-10 Вт, закінчується витіснення вакуумних приладів з ніші 10-100 Вт в сантиметровому діапазоні (Крім надширокосмугових) і починається наступ на діапазон 100-1000Вт, темпи якого в найближчі роки посиляться з проходженням бар’єру промислового освоєння приладів на ширококутного напівпровідниках.

I. Список літератури

[1]   Microwave and millimeter wave IC products for military and commercial radar//Microwave Journal, 2004, vol.47, № 2, p. 121.

[2]   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. p.376-383.

[3]   A. Bessemoulin et al. A miniaturized 0.5-watt Q-band 0.25- um GaAs PHEMT high power amplifier MMIC. 32 European Microwave Conf. Digest, 2002.

[4]   L. Samoska et al. 65-145 GHz InP MMIC HEMT medium power amplifiers. IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Digest, 2001.

[5] В. H. Данілін та ін Потужні високотемпературні та радіаційно-стійкі СВЧ прилади нового покоління на ширококутного гетеропереходних структурах AIGaN / GaN. Огляди по електронній техніці, Сер.1. СВЧ техніка, 2001, вип.1.

[6]   W. L. Pribble et al. Application of SiC MESFETs and GaN HEMTs in power amplifier Design, IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Digest, 2002, p. p.1819-1822.

[7]   S. C. Cripps. RF Power Amplifiers for Wireless Communica- tions//Boston-London, Artech House, 1999.

[8]   R. Lossy et al. Power RF-operation of AIGaN/GaN HEMTs grown on insulating Silicon Carbide Substrates. 32 European Microwave Conf. Digest, 2002.

[9]   M. R. DeHaan et al. A 15-watt dual band HBT MMIC power amplifier. IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Digest, 1997.

[10]  J.     J. Komiak et al. High efficiency 11 watt octave S/C-band PHEMT MMIC power amplifier. IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Digest, 1997.

[11] S. M. Green etal. High-power broad-band AIGaN/GaN HEMT MMICs on SiC substrates. IEEE Trans, on MTT, v.49, 2001, № 12, p. p.2486-2493.

[12] Y.-F. Wu et al. 14-W GaN-based Microwave power amplifiers. IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Digest, 2000.

[13] J. J. Komiak et al. High efficiency wideband 6 to 18 GHz PHEMT power amplifier MMIC. IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Digest, 2002, p. p. 905-907.

[14]  L.     Roussel et al. Two octave PHEMT power amplifier for EW applications. 30 European Microwave Conf. Digest, 2000.

[15] C. Grondahl et al. Wideband 5.5W Ka-band Low-Cost MMIC high power amplifier with 30dB of gain. 32 European Microwave Conf. Digest, 2002.

[16]  /-/.    Wang et al. Power-amplifier modules covering 70-

113 GHz using MMICs. IEEE Trans, on MTT, v.49, 2001,

№ 1, p.p. 9-16.

[17] У. C. Chen etal. A 95-GHz InP HEMT MMIC amplifier with 427-mW power output. IEEE mWand Guided Wave Lett., V.8, 1998, № 11, pp 399-401.

[18]  L.     Samoska et al. MMIC HEMT power amplifier for 140 to 170 GHz. Technical Support Package, Computer/Electronic category, Nov-2003 issue, p.49, NPO-30127.

(www. techbriefs.com/tsp)

[19] Cree Achieves Major Advance in Gallium Nitride Transistor Power Density. http://www.cree.com/News/nes183.asp

[20] F. H. Raab et al. Power amplifiers and transmitters for RF and microwave. IEEE Trans, on MTT, v.50, 2002, № 3, p.p. 814-826.

[21] Л /. Le Gallou et al. 10Whigh efficiency 14V HBT power amplifier for space applications. 33 European Microwave Conf. Digest, 2003, p. p. 273-276.

[22]  /V.-S.               Cheng et al. A 120-WX-band spatially combined solid- state amplifier. IEEE Trans, on MTT, v.47, 1999, № 12, p.

p.2557-2561.

[23] P. Jia etal. Multioctave spatial power combining in oversized coaxial waveguide. IEEE Trans, on MTT, v.50, 2002, № 5, p. p.1355-1360.

[24] M. P. DeLisio, R. A. York. Quazi-optical and spatial power combining. IEEE Trans, on MTT, v.50, 2002, № 3, p. p.929- 936.

[25] M. Cicolani. High power modular S-band solid-state transmitters family for АТС and naval radar applications. IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Digest, 2000.

[26] H. Ashoka et al. An X-band 2kW CW GaAs FET power amplifier for continuous wave illuminator application. IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Digest, 2000

[27 ] http://www.radis.ru

MICROWAVE SOLID-STATE POWER AMPLIFIERS- STATE-OF-THE-ART AND FUTURE TRENDS

Kistchinsky A.

Central Research Institute of Radio Engineering 20, Novaja Basmannaja street, Moscow, 105066, Russia phone: +7(095) 263-96-29 e-mail: amplifiers@mail.ru

Abstract – Considered are the world technical achievements and tendencies in the development of microwave and millimeter-wave transistor high power amplifiers, microwave transistors and MMICs.

I.  Introduction

The purpose of the work is to analyze the most advanced technical parameters of high power microwave transistor amplifiers (10-100 Watt and greater) as well as the main tendencies in the development of this class of microwave devices.

II.  The Main Part

The systems that have actively stimulated the development of microwave technologies include wideband millimeter-wave communication systems (LMDS and other similar systems), wideband «third generation» (3G) mobile systems, space communication systems (primarily VSAT), and modern radar systems based on active phased array antennas.

Modern semiconductor technologies used for producing of power discrete transistors and MMICs are presented in Table 1. One can distinguish the following tendencies in the development of traditional A3B5 technologies:

—gradual disappearance of MESFET technology;

—    considerable decrease of the cost of devises produced in accordance with 0.25 um pHEMT-technology;

—    further production development of 0.1 um InP- technologies;

Revolutionary developments are observed in the technology of devises created on the basis of widebandgap semiconductor materials (SiC і GaN) [5, 6].

Data on the outcome strength of the most effective commercially available power microwave transistors are given in Fig. 1.

For the last decade the MMICs output power has grown 10 times, while the price of these devises has dropped by 3to 8 and more times. The main parameters of modern microwave MMICs are given in Fig. 2.

One more important tendency is the working out of effective multichannel power combiners. Here we should mention the excellent works of a group of authors from the University of California [22, 23].

As for transmitters of space communication, amplifiers with the power of hundreds of Watt in the centimeter- and tens of Watt in the millimeter ranges have been created. Parameters of such amplifiers are presented in the diagram of Fig. 5.

Parameters of broadband amplifiers are given in the diagram of Fig. 7. For the last decade the output power of C-X-Ku wideband power amplifiers has increased 10 to 20 times with a simultaneous growth of PAE from 3-5 % to 10-15 %.

In the coming years the interest to broadband amplifiers will grow due to the newest developments of new principles and systems of communications and radars on the basis of ul- trawideband signals.

Transistor amplifiers begin their attack on the power ranges of 100 to 1000 Watt, and in the nearest future this process will accelerate due to the development of widebandgap microwave semiconductors and devices.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»