Redirect= Мощный СВЧ-усилитель и приемо-передающий чип Ка-диапазона
Внешний вид усилителя мощности (10 Вт)

Мощный СВЧ-усилитель и приемо-передающий чип от компании OMMIC Ка-диапазона частот

№ 1’2019
PDF версия
В статье представлены две монолитные интегральные схемы (МИС), разработанные и изготовленные с помощью 100-нм технологического процесса D01GH от компании OMMIC, основанного на нитриде галлия на кремнии. Первая МИС — это 29–33 ГГц усилитель мощности с импульсной мощностью 10 Вт и средней мощностью 8 Вт. Вторая МИС представляет собой 26–34-ГГц приемо-передающий чип, включающий малошумящий усилитель мощности, усилитель мощности и SPDT-ключ. В полосе частот 28–34 ГГц этот приемо-передающий чип обеспечивает выходную мощность 35–36 дБм, в том числе потери на переключение.

Наибольшее распространение нитрид-галлиевые технологии получили в производстве усилителей мощности благодаря высокому напряжению пробоя широкой запрещенной зоны. Однако многие продукты и публикации на эту тему посвящены в основном S‑, L‑, X‑ и Ku-диапазонам частот. Выше Ku-диапазона коммерческое использование встречается намного реже. Во всяком случае, существует высокая потребность в нитрид-галлиевых мощностях в миллиметровом диапазоне как для систем радаров, так и satcom-систем.

Ранее компанией OMMIC были получены усилители мощности GaN/Si на частоте 30 ГГц с мощностью 6 Вт, но в настоящей статье пойдет речь об усилителе мощностью 10 Вт в диапазоне 29–33 ГГц.

Помимо усилителей мощности с высокими выходными параметрами на рынке также есть спрос на приемо-передающие модули, которые бы могли объединить МШУ, усилитель мощности и ключ. В частности, развивающийся рынок связи пятого поколения требует изделий, имеющих, помимо всего прочего, низкий уровень шума, достаточный уровень выходного сигнала на частотах 25–40 ГГц.

Быстрорастущий спрос позволяет надеяться, что при увеличении объемов производства цена технологий GaN/Si начнет снижаться, хотя карбид кремния будет дороже и подвергнется жесткому экспортному контролю, кремний все равно останется дешевле и будет проще экспортироваться ввиду широкого применения не только в изделиях военного, но и гражданского назначения.

 

Процесс D01GH

Процесс производства нитрида галлия на кремнии был разработан в первую очередь для применения в миллиметровом диапазоне. Он имеет уровень шума, усиление и частоту среза, схожие с обычным 130‑нм РНЕМТ-процессом, но отличается гораздо более высоким напряжением пробоя и, как следствие, более высокой выходной мощностью. Помимо всех технических достоинств одним из результатов явилась и выросшая надежность МИС.

Процесс использует местную пассивацию, чтобы сохранить эффект запаздывания столь же низким, как и у его аналогов, выполненных по технологии РНЕМТ. Процесс пассивирования защищен несколькими слоями SiN и несколькими толстыми диэлектрических слоями SiO2 и таким образом полностью совместим с пластиковым корпусом, необходимым для сетей пятого поколения. Для приложений W‑диапазона частот разрабатывается технология с шириной затвора 60 нм.

Большинство операций идентично другим процессам OMMIC РНЕМТ и пригодно для космического использования. Основные электрические параметры данного процесса и их сравнение с 130‑нм техпроцессом приведены в таблице.

Таблица. Основные электрические параметры процесса D01GH и их сравнение с 130-нм техпроцессом

Параметр

D01GH (GaN/Si)

130-нм РНЕМТ

Частота, ГГц

105

100

Уровень шума/усиление 40 ГГц

1,8/7,5

1,7/6,5

Мощность, Вт/мм

3,3; 5,7 (пиковая)

0,68

Крутизна, мс/мм

650

700

Сопротивление сток-исток, Ом/мм

0,8

1

Напряжение пробоя, В

40

12

VDD для лучшего шума, В

3–7

1–3

VDD для лучшей мощности, В

12–13

4–5

Инертность, %

5–10

5–10

Процесс D01GH, включая электротермические модели, электромагнитное моделирование, тепловые расчеты и статический анализ Монте-Карло, доступен для разработок с передачей библиотек данных через ООО «НПК «Фотоника» — официального представителя в России.

 

Усилитель мощности Ка-диапазона

В рамках проекта с Thales компанией OMMIC был создан ряд усилителей мощности с использованием технологии D01GH. Для этого усилитель должен был работать в режиме постоянной мощности при высокой температуре обратной стороны. По этой причине линии нагрузки для каждого транзистора были выбраны для ограничения рассеянной мощности ниже 3 Вт/мм в классе АВ. 
Усилитель содержит 3 каскада и общую периферию затвора 4 мм для выходного каскада. Первый и второй каскады выполнены из идентичных транзисторов. Напряжение смещения VDD = 12–13 В. При VDD = 13 В точка смещения сигнала устанавливается на значении 1,6 Вт/мм. Внешний вид усилителя мощностью 10 Вт, размер которого составляет 4,5×3,5 мм, представлен на рис. 1.

Внешний вид усилителя мощности (10 Вт)

Рис. 1. Внешний вид усилителя мощности (10 Вт)

Основные измеряемые характеристики этого усилителя в импульсном режиме показаны на рис. 2–4. Минимальное усиление 25 дБ при выходной мощности 40 дБм, КПД выше 30%. При измерении в режиме постоянной мощности, при использовании керамического корпуса выходная мощность составила 39 дБм при КПД 30%, показывая, что GaN/Si-технология может применяться для получения высокой непрерывной мощности (рис. 5).

Зависимость усиления и потери от частоты

Рис. 2. Зависимость усиления и потери от частоты

Зависимость выходной мощности от частоты

Рис. 3. Зависимость выходной мощности от частоты

Зависимость КПД от частоты

Рис. 4. Зависимость КПД от частоты

Основные параметры МИС в корпусе (CW-режим)

Рис. 5. Основные параметры МИС в корпусе (CW-режим)

 

Приемо-передающий модуль Ка-диапазона частот

На рис. 6а изображена функциональная схема приемо-передающего чипа, который состоит из трехкаскадного усилителя мощности, трехкаскадного МШУ и SPDT-ключа. На рис. 6б показан внешний вид данного кристалла. Усилитель мощности расположен на верхней части чипа, МШУ находится в нижней части, а переключатель на левой стороне, представляющей собой порт антенны. Размер кристалла 3,65×3 мм (11 мм2), что совместимо с корпусом QFN 5×5 мм. Также входящие усилитель мощности, МШУ и ключ были отдельно изготовлены на пластине с целью проверки и сравнения параметров.

Блок-схема приемо-передающего чипа и его внешний вид

Рис. 6. Блок-схема приемо-передающего чипа (а); внешний вид приемо-передающего чипа (б)

Как видно на изображении и схеме SPDT, ключ соединяет выход усилителя мощности и вход МШУ с портом антенны. Переключение осуществляется с помощью напряжения постоянного тока VC (–21 В/0 В), чтобы обеспечивать выходную мощность до 42,5 дБм. Для сохранения высокого КПД с требуемой выходной мощностью четвертьволновой ключ разработан с минимальными значениями потерь. Размеры транзистора были выбраны таким образом, чтобы избежать насыщения, связанного с выходной мощностью усилителя. Измеренные потери сигнала одного коммутатора (50 Ом) составили 1,3 дБ.

Номинальная точка смещения постоянного тока усилителя мощности VD_PA = 12 В и ID_PA = 470 мА. Усиление чипа в режиме передачи (усилитель мощности + ключ) 18 дБ, как показано на рис. 7. Выходная мощность чипа (усилитель мощности + ключ) 35,5 дБм, в то время как мощность одного усилителя составляет 37 дБм. Сравнение графиков показывает, что переключатель все еще находится в линейном режиме. На рис. 8 представлены оба результата, а также добавлены результаты симуляции, которые подтверждают точность дизайна.

Зависимость усиления от частоты в режиме приема и передачи

Рис. 7. Зависимость усиления от частоты в режиме приема и передачи

Зависимость выходной мощности от частоты

Рис. 8. Зависимость выходной мощности от частоты

Средний порт резистивного моста соединен с затвором, чтобы иметь необходимое напряжение между затвором и истоком VD_LNA = 7 В, VG_LNA = –3 В, ID_LNA = 150 мА. Индуктивная обратная связь добавлена к истоку транзистора для обеспечения стабильности, низкого уровня шума и импеданса.

Усилитель приемо-передающего чипа в режиме приема (МШУ + ключ) выше 18 дБ, как показано на рис. 9. Измеренный уровень шума в режиме приема (МШУ + ключ) составляет 2,7 дБ, а один МШУ имеет значение 1,7 дБ.

Зависимость уровня шума от частоты

Рис. 9. Зависимость уровня шума от частоты

Таким образом, по параметрам данных изделий можно смело говорить, что технология компании OMMIC D01GH оптимальна для проектирования устройств миллиметрового диапазона длин волн, позволяет обеспечивать как высокую выходную мощность для усилителей, так и интеграцию нескольких изделий на одном кристалле с сохранением высоких показателей мощности, шума и КПД. Данный процесс аналогичен РНЕМТ-процессу, однако имеет более высокую надежность, больший КПД, и как один из ключевых параметров — относительно низкую стоимость (в отличие от процессов нитрида галлия на карбиде кремния).

Официальным представителем компании OMMIC в России является компания НПК «Фотоника», которая занимается поставками готовых решений от производителя, а также разработкой изделий по технологиям OMMIC, включая технологию D01GH. Также доступна передача библиотек данных для самостоятельного проектирования и последующего выращивания пластин на мощностях OMMIC.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *