Кіщинський А А ЗАТ «Мікрохвильові системи» вул Нова Басманная, д20, корЗ, м Москва, 105066, Росія тел: +7 (095) 263-96-29, e-mail: ak@mwsystemsru wwwmwsystemsru

Анотація – У доповіді викладені результати розробки та експериментального дослідження параметрів гинув-рiдному-інтегральних підсилювальних каскадів на основі нових карбід-кремнієвих (SiC) транзисторів CRF24010 Реалізовано малогабаритні підсилювальні елементи в діапазоні 08-25 ГГц з посиленням 9-10 дБ і вихідною потужністю 10 і 20 Вт

I                                       Введення

Транзистори на основі широкозонних напівпровідникових сполук (SiC, GaN) привертають пильну увагу розробників потужних підсилювачів СВЧ діапазону [1,2] Це викликано такими властивостями, як висока теплопровідність напівпровідникового матеріалу (2-45 Вт / см * К), високі робочі напруги стоку (20-50 В і більше), висока питома потужність на одиницю ширини затвора (3 – 30 Вт / мм) Поєднання цих властивостей дозволяє істотно (в 10-20 разів) підвищити оптимальний імпеданс навантаження транзистора і реалізувати потужні підсилювальні елементи з більш широкою смугою робочих частот, ніж у випадку використання GaAs транзисторів рівний потужності Історично першими (у 2003 році) на комерційному ринку напівпровідників зявилися потужні дискретні транзистори S-діапазону на основі SiC з вихідною потужністю 10 і 60 Вт, розроблені фірмою Сгее Inc У даний роботі досліджена можливість створення на основі транзистора CRF24010 потужних підсилювальних елементів, що перекривають діапазон частот 08-25 ГГц з вихідною потужністю більше 10 Вт для створення на базі цих елементів підсилювачів з вихідною потужністю до 50-100 Вт і більше, придатних для роботи в умовах підвищених робочих температур експлуатації

II                               Основна частина

Для дослідження параметрів транзистора і проектування узгоджувальних ланцюгів підсилюючих каскадів була розроблена спрощена нелінійна модель транзистора CRF24010, топологія якої показана на малюнку 1

Спеціальні вимірювання на зразках транзисторів не проводилися Вихідними даними для розробки моделі були S-параметри, наведені фірмою-виробником для двох режимів зміщення, геометричні розміри крісталлодер-жателя і перемичок, що зєднують кристал транзистора з кристал од ержател ем, а також ряд даних, наведених у роботі [3], присвяченій моделюванню цього транзистора У моделі величини ємностей Cgs, Cgd і Cds прийняті постійними і не залежними від напруг Величини паразитних параметрів корпусу і монтажу (Lgl, Lg2, Cl, Ls, Ldl, Ld2, C2) визначалися no результатами електродинамічного моделювання геометрії відповідних елементів

Величини Cgs, Cgd, Cds, Ri, Rg, Rd, Rs визначені no результатами підгонки S-матриць, наведеної виготовлювачем і розрахованої за линеаризованной моделі при фіксованих величинах паразитних елементів Параметри нелінійного джерела струму Id отримані аппроксимацией статичних вольтамперних характеристик, наведених в [3], модифікованих так, щоб задовольняти ряду умов динамічного режиму (величини динамічної вихідний провідності і крутизни, відповідні отриманим з S-параметрів) і розширених у бік великих напруг і струмів Параметри апроксимацій джерел lg і Igd отримані з статичних вимірювань [3] та паспортних даних транзистора

Тип моделі: MATERKA

Lq1=009nH

MGS=1

E=1

Lg2 = 0405 пН

FCC=001

SL=035

Ls = 006 пН

CF0=0607 pF

KE=-00973

Ld1 = 0405 пН

KF=0

SS=0007

Ld2=009nH

Rg = 103 Ohm

KG=01

C1=112pF

Rs = 1205 Ohm

IG0=343e-9A

C2=112pF

Rd = 125 Ohm

AFAG=1498

Cds = 074 pF

RIO = 103 Ohm

IB0=936E-10F

CLVL=1

KR=0

AFAB=1498

CIO = 232 pF

IDSS=155A

VBC = 116V

C1S = 0

VP0=-132V

T=3 ps

K1=0

GAMA=-014

Рис 1 HenuHeiJHan модельтранзістора

Fig 1 Transistornonlinearmodel

Проектування вихідний узгоджувальний ланцюга (СЦ) однотранзісторний підсилювального каскаду (CRF-1) виконувалося за методом [4] виходячи з прийнятої величини оптимального навантажує опору в площині джерела струму Id, рівного 47 Ом і з урахуванням всіх паразитних реактивних елементів моделі Вхідна согласующая ланцюг оптимізувалася за критерієм максимального і рівномірного посилення в смузі частот 08-25 ГГц Пасивні елементи реалізовані на двох платах з кераміки «поликор», виготовлених за тонкопленочной технології, розділові й блокувальні конденсатори застосовані з серії 600L фірми АТС Конструкція каскаду показана на малюнку 2

Порівняння розрахункових і виміряних частотних характеристик вихідної потужності каскаду, наведених на малюнку 3, показує їх гарне відповідність, що підтверджує коректність використання розробленої спрощеної нелінійної моделі транзистора

Частота, ГГц

Рис 3 Потужностні АЧХ каскаду CRF-1

Fig 3 CRF-1 power-frequency characteristics

25 Вихідна потужність макета CRF-1 при компресії посилення 1 дБ в смузі робочих частот 08ГГц склала 85-125 Вт, вихідна потужність в режимі насичення (при рівні вхідної потужності

4 Вт) знаходиться в межах 108-14 Вт Малосигнальний коефіцієнт посилення становить 9-11 дБ ККД по доданої потужності в режимі компресії посилення 1 дБ (струм стоку 07-078 А) склав від

19 до 31% Всі вимірювання і розрахунки з нелінійної моделі проводилися при початковому струмі стоку 06 А і напрузі стоку 48 В Зниження початкового струму стоку до ухваленого виробником 025-05 А зберігає вихідну потужність насичення і дозволяє трохи підвищити ККД, однак, значно змінює форму динамічної характеристики і знижує рівень лінійної потужності

Конструкція балансного підсилювача (CRF-2) показана на малюнку 4 Два канали посилення, ідентичних CRF-1 обєднали в балансних схему за допомогою мостів Ланге Параметри підсилювача наведені в таблиці 1, що ілюструє також параметри, отримані на цьому транзисторі іншими авторами [5,6] Вихідна потужність насичення каскаду склала 205-30 Вт, КСХН входу не перевищував

18, КСХН виходу менш 21 на нижньому краю діапазону і 15 вище частоти 1 ГГц

Таблиця 1 Table 1

Results

Circuit

AF

Gss

P-1

l*sat

PAE

Size

GHz

dB

dB

w

w

% @ P,

cm

CRF-1

SE

08-25

91-111

±10

85-125

108-14

19-31

48

CRF-2

BAL

08-25

86-104

±09

16-225

205-30

18-26|

96

[5]

SE

17-23

110-135

±125

85-120

-17

[5]

BAL

19-23

115-130

±075

18-22

-60

[6]

FB

001-24

63-80

±085

5-6

>80

28-29

Рис 2 Фото підсилювального каскаду CRF-1

Fig 2 CRF-1 amplifier stage

Рис 4 Фото підсилювального каскаду CRF-2

Fig 4 CRF-2 balanced amplifier stage

III                                   Висновок

Показана можливість створення і досліджено характеристики мініатюрних ГІС підсилювачів потужності на базі корпусних карбід-кремнієвих транзисторів, що забезпечують вихідну потужність 10 і

20 Вт в смузі частот 08-25 ГГц Отримані технічні рішення можуть служити базою для розробки надширокосмугових підсилювачів LS діапазону з вихідною потужністю 50-100 і більше Ватт

IV                             Список літератури

[1] та / L Pribble et al Application of SIC MESFETs and GaN HEMTs in Power Amplifier Design / / IEEE MTT-S Digest, 2002, p 1819-1822

[2]  J W Palmouret al SIC and GaN Based Transistor and Circuit Advances // Proc On 12-th GAAS Symposium, 2004,

p 555-558

[3]  A Sayed, G Boeck An Empirical Large Signal Model for Silicon Carbide MESFETs // Proc On 13-th GAAS Symposium, 2005, p 313-316

[4]  C S Cripps A theory for the prediction of GaAs FET load- pull power contours//1983 IEEE MTT-S Digest, p221-223

[5]  T W Nichols Broadband Amplifier Design Using SiC MESFETs // Microwave Product Digest, 2002, October, p22,52

[6]  A Sayed, G Boeck Two-Stage Ultrawide-Band 5-W Power Amplifier Using SiC MESFET // IEEE Trans MTT, Vol 53,

No 7, July 2005, p 2441 – 2449

0                   8-25 GHz SiC POWER AMPLIFIERS

A Kistchinsky Microwave Systems JSC 20, Novaja Basmannaja street,

Moscow, 105066, Russia Ph: +7(095) 263-96-29, e-mail: ak@mwsystemsru

25 Abstract – Presented are the results of elaboration of 08GHz SiC-based amplifiers with output power 10 &amp 20 W at 1dB gain compression, as well as efficient nonlinear model of CRF24010 (Cree Inc) transistor, simulation results, design and experimental characteristics of two amplifier chains (singleended and balanced) Both amplifiers have ultra-small sizes (48 and 96 cm^) and good electric performance

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р