Комплект МИС СВЧ для приемопередающих модулей 8-мм диапазона длин волн

Введение

Ka-диапазон известен тем что, имеет высокое атмосферное поглощение и короткую длину волны, что позволяет на небольших расстояниях проводить измерения сверхвысокого разрешения при небольших массогабаритных размерах радаров. Поэтому данный диапазон используется в таких системах, как управление воздушным движением, радиорелейная связь, терминалы спутниковой связи, РЛС, АФАР, автомобильные системы и т. д. Структурные схемы некоторых из возможных применений показаны на рис. 1.

Рис. 1. Структурные схемы модулей:
а) АФАР;
б, г) автомобильные приложения;
в) телекоммуникация

В работе представлены конструкции серийных МИС СВЧ-усилителя мощности (УМ), малошумящего усилителя (МШУ) и активного умножителя на 4 для применения в составе как выше указанных, так и других приемо-передающих модулей 8‑мм диапазона длин волн, с общей герметизацией.

Описание конструкции модуля м421442 усилителя мощности

Усилитель мощности 8‑мм диапазона длин волн — модуль СВЧ М421442 реализован по технологии 0,15 мкм GaAs pHEMT на 100‑мкм подложке (предельная частота усиления по току 90 ГГц, рабочее напряжение 6 В, максимальный ток стока 600 мА/мм, пробивное напряжение сток-затвор 16 В, крутизна 460 мС/мм). Структурная схема представлена на рис. 2. УМ состоит из двух идентичных каналов, объединенных по входу/выходу синфазными делителем/сумматором. Канал построен по линейной 4‑каскадной схеме. Напряжение питания по затвору общее. Питание по стоку не объединено, и его необходимо подавать с двух сторон кристалла на каждый каскад. Выходной каскад реализован на транзисторах размером 10×75 мкм с общей шириной затворов в канале 3 мм. Выходная согласующая цепь реализована параллельным сумматором типа «шина». Применены схемотехнические решения для обеспечения безусловной устойчивости каскадов и снижения разбаланса между транзисторами.

Рис. 2. Структурная схема усилителя мощности

На рис. 3 показана фотография кристалла усилителя мощности, смонтированного на металлическое основание, с фильтрующими конденсаторами по питанию. Габаритные размеры кристалла 2,87×2,56 мм.

Рис. 3. Смонтированный кристалл усилителя мощности

Зондовые измерения СВЧ-характеристик выполнены в импульсном режиме со следующими параметрами: длительность импульса 5 мкс, период 250 мкс. Напряжение сток-исток модулировалось, напряжение смещения затвора было постоянным.

На рис. 4 показаны малосигнальные S‑параметры при входной мощности –20 дБм, напряжение на стоках +6 В, напряжение на затворе –0,9 В, ток покоя Idq = 1,2 А. В диапазоне частот 30–40 ГГц коэффициент усиления находится в пределах 22–26 дБ, КСВН по входу и выходу не более 2,5.

Рис. 4. S-параметры усилителя мощности

На рис. 5 приведены частотные зависимости коэффициента усиления, возвратные потери по входу, мощность на входе (Tr 5) и выходе (Tr 6) усилителя. Режим измерений: входная мощность 5–6 дБм, напряжение на стоках +6 В, напряжение на затворе –0,4 В, ток потребления 2,5 А. В диапазоне частот 30–40 ГГц выходная мощность при компрессии коэффициента усиления на 1 дБ (P1dB) находится в пределах 1–1,61 Вт, коэффициент усиления 25–26,6 дБ, возвратные потери по входу не более 3. В диапазоне частот 32–40 ГГц КСВН не более 2, выходная мощность P1dB составляет 1,19–1,61 Вт. Расчетное значение теплового сопротивления кристалла для непрерывного режима равно 8,5 °C/W при температуре канала +150 °C.

Рис. 5. S-параметры и мощностные характеристики

В таблице 1 представлено сравнение кристалла усилителя мощности с зарубежными аналогами.

Примечание. ¹Мощность насыщения

Описание конструкции модуля м431426: умножитель частоты на 4

Активный умножитель на 4 — модуль СВЧ М431426 реализован на технологии 0,15 мкм GaAs pHEMT на 100‑мкм подложке (предельная частота усиления по току 85 ГГц, рабочее напряжение 5 В, максимальный ток стока 500 мА/мм, пробивное напряжение сток-затвор 8 В, крутизна 580 мС/мм).

МИС СВЧ умножителя предназначен для умножения спектра входного сигнала в диапазоне частот 8–10 ГГц в выходной диапазон частот 32–40 ГГц, при номинальной входной мощности сигнала +12 дБм.

Данный проект завершился в 2022 году. На этапе разработки стоял выбор структуры построения умножителя. Чтобы реализовать требуемые параметры, был проведен анализ единичной ячейки умножения на 2. Анализ работы транзистора в режиме умножения заключался в нахождении оптимальных значений напряжений на стоке и затворе и определении требуемой мощности накачки для достижения минимального коэффициента преобразования. На основе этого была выбрана следующая структурная схема (рис. 6) — покаскадное умножение на 2 с последующими двумя каскадами усиления.

Рис. 6. Структурная схема умножителя на 4

Применены схемотехнические решения для обеспечения безусловной устойчивости как каскадов умножения, так и каскадов усиления. Ширины транзисторов в каскадах усиления выбраны с учетом работы в режиме насыщения. Рабочий ток покоя каскадов умножения составляет 16 мА/мм, каскадов усиления — 100 мА/мм.

На рис. 7 показана фотография кристалла умножителя, подготовленного для зондовых измерений. Кристалл смонтирован на металлическое основание, с фильтрующими конденсаторами по питанию. Габаритные размеры кристалла составляют 2,32×1 мм.

Рис. 7. Смонтированный активный умножитель на 4

Результаты измерений, проведенных на данной сборке, показаны на рис. 8. Измерения проводили в следующем режиме: входная мощность +12 дБм, напряжения на затворах Vg1 = Vg2 = –0,8 В, Vg3 = –0,4 В и напряжение на стоке Vd = +3,5 В. В этом режиме ток потребления в покое 24 мА, в режиме большого сигнала не превышает 80 мА (рис. 8б). Выходная мощность в диапазоне выходных частот 32–40 ГГц составляет 13–14,3 дБм (рис. 8в). В диапазоне входных частот 8–10 ГГц подавление гармоник в выходном спектре относительно четвертой гармоники составляет: для первой гармоники в пределах 31–53 дБ, для второй — в пределах 45–61 дБ, для третьей — в пределах 33–50 дБ (рис. 8а). На рис. 8г показа спектр сигнала на выходе умножителя для входной частоты 9 ГГц.

Рис. 8. Измеренные характеристики:
а) подавление гармоник относительно четвертой гармоники;
б) ток потребления;
в) мощность гармоник на выходе;
г) спектр на выходе

В таблице 2 дается сравнение умножителя М431426 с зарубежными аналогами.

Примечание. ¹Относительно четвертой гармоники

Описание конструкции малошумящего усилителя в Ка-диапазоне

Малошумящий усилитель реализован на той же технологии, что и умножитель на 4. Структурная схема кристалла МШУ показана на рис. 9. Усилитель состоит из трех каскадов с последовательно-параллельным питанием и цепями автосмещения. Данное решение позволяет снизить ток потребления и расширить применимость усилителя, так как требуется одно положительное напряжение питания. Для обеспечения минимума коэффициента шума и устойчивости схемы, в первом каскаде применена последовательная обратная связь. Ширины транзисторов в каскадах усиления выбраны с учетом работы в режиме насыщения. Режим транзисторов по току 100 мА/мм. Габаритные размеры кристалла составляют 2×1 мм.

Рис. 9. Структурная схема малошумящего усилителя

На рис. 10 представлена фотография кристалла МШУ, подготовленного для зондовых измерений. Кристалл смонтирован на металлическое основание, с фильтрующим конденсатором по питанию.

Рис. 10. Смонтированный малошумящий усилитель

Результаты зондовых измерений МШУ, проведенные на данной сборке показаны на рис. 11. Режим измерений: входная мощность –20 дБ, напряжение питания +5 В, температура окружающей среды +25 °C. Прибор в диапазоне частот функционирования 20–40 ГГц имеет коэффициент усиления 23–26 дБ (рис. 11б), возвратные потери по выходу не более –8 дБ (рис. 11а). Выходная мощность составила 10–12 дБм, при входной мощности –9 дБм (рис. 11б). Возвратные потери по входу в рабочем диапазоне 32–37 ГГц не более –6 дБ, коэффициент шума не более 2,3–2,8 дБ (рис. 11в). Ток потребления 34 мА. Измерения коэффициента усиления при температуре столика +85 °C показало снижение на 1 дБ. На рис. 11г отображен график устойчивости усилителя по критерию k‑фактора, минимальное значение 1,5.

Рис. 11. Измеренные характеристики МШУ:
а) возвратные потери по входу (красная линия), по выходу (синяя линия);
б) коэффициент усиления (красная линия), выходная мощность (синяя линия);
в) коэффициент шума измеренный;
г) коэффициент стабильности

В таблице 3 дается сравнение разработанной МИС СВЧ МШУ с зарубежными аналогами.

Примечание.
¹ Двухполярное питание.
² Технология 0,07 мкм GaAs mHEMT

Заключение

В статье показаны характеристики разработанных серийных приборов, предназначенных для применения в составе герметизированных приемо-передающих модулях в Ka-диапазоне частот. Требуемые параметры кристаллов были получены с первой итерации. Сравнение с зарубежными аналогами показало, что достигнутые значения находятся на одном уровне. Компания АО «Радиант-ЭК» может провести разработку приборов по техническому заданию заказчика.

В табл. 4–6 показаны параметры приборов при температуре окружающей среды +25 °С, согласно техническим условиям, для поставки потребителю, категория качества «ОТК».

Примечание. При напряжении питания на стоке +6 В

Примечание. При напряжении на затворах Vg12 –0,8 В, Vg3 –0,4 В, напряжении на стоках Vd +3,5 В, входной мощность +12 дБм.

Примечание. При напряжении питания +5 В.