Монолитные интегральные усилители С-Х-Ku-диапазона с выходной мощностью 1,5 Вт

Введение

Применение в приемопередающих модулях (ППМ) СВЧ-диапазона монолитных интегральных схем (МИС) позволяет достичь высокой повторяемости характеристик СВЧ-тракта, повысить надежность, существенно снизить массу и габаритные размеры аппаратуры, уменьшить трудоемкость изготовления и настройки ППМ в серийном производстве. Одним из важнейших элементов СВЧ-тракта ППМ являются, в частности, широкополосные монолитные усилители мощности (УМ). В АО «Микроволновые системы» разработано два типа монолитных интегральных усилителей мощности диапазона частот 5–18 ГГц с выходной мощностью 1,5 Вт и 0,9 Вт, которые были изготовлены по GaAs-технологии РР25-21 на pHEMT-транзисторах с длиной затвора 0,25 мкм на фабрике «WIN Semiconductors» (Тайвань).

Моделирование

Разработанные усилители мощности построены по балансной схеме, что позволяет обеспечить устойчивость и хорошее согласование с СВЧ-трактом. Усилитель с выходной мощностью 1,5 Вт (МИС МС120) содержит два транзистора с суммарной шириной затворов 3200 мкм, усилитель с выходной мощностью 0,9 Вт (МИС МС080) — два транзистора с суммарной шириной затворов 2400 мкм. Усилители работают в классе АВ. Напряжение питания стока +8 В. Габаритные размеры кристаллов составляют 3,7×3,1×0,1 мм. Внешний вид образцов МИС представлен на рис. 1.

Рис. 1. Внешний вид образцов МИС-усилителей

Для проектирования использовался САПР AWR Microwave Office и библиотека моделей базовых элементов, предоставленная фабрикой (PDK v.1.1.4).

В процессе работы над проектом был разработан компактный микрополосковый квадратурный делитель/сумматор мощности; определены требования к согласующим цепям транзисторов и проведен их синтез, оптимизация и электродинамическое моделирование; уточнены модели базовых элементов, спроектирована топология микросхем.

Расчетные вносимые потери квадратурного моста составили величину 0,17–0,4 дБ в рабочем диапазоне частот при КСВН не более 1,25.

При электродинамическом моделировании фрагментов согласующих цепей была обнаружена некорректность модели базового элемента, представляющего собой межслойный конденсатор, расположенный непосредственно над металлизированным отверстием. В связи с этим были разработаны собственные масштабируемые эквивалентные схемы двух видов такого элемента (однопортовый и двухпортовый). Верификация моделей проводилась с помощью электродинамического моделирования и использования данных измерений S‑параметров межслойных конденсаторов, предоставленных фабрикой.

Для проектирования выходных согласующе-трансформирующих цепей (СТЦ) был проведен анализ нагрузочных характеристик нелинейных моделей транзисторов и определены требования к оптимальным нагружающим импедансам Z_opt в рабочем диапазоне частот. Для упрощения процедуры синтеза транзистор может быть представлен в виде эквивалентной параллельной RC-цепи с комплексно-сопряженным импедансом Z_opt. Задача проектирования выходной СТЦ в этом случае сводится к согласованию такой RС-цепи с 50‑омной линией передачи. При этом согласно ограничению Боде-Фано [1], чем выше произведение постоянной времени RC-цепи на абсолютную полосу частот, тем хуже согласование. Расчетные данные для получения максимального КПД и мощности в режиме насыщения (критерий «Р_макс») и для получения максимальной мощности в режиме компрессии усиления 1 дБ (критерий «Р_‑1») приведены в таблице. В результате проведенного синтеза четырехконтурных цепей с использованием моделей базовых элементов были получены коэффициенты отражения |Г|_max, характеризующие достижимое качество согласования в рабочей полосе частот. Дальнейшее наращивание количества контуров нецелесообразно из-за возрастающих потерь при несущественном улучшении |Г|_max.

Из данных, приведенных в таблице, видно, что по критерию «Р_‑1» коэффициент отражения |Г|_max в 1,5–2 раза выше, чем по критерию «Р_макс», и более качественное согласование по критерию «Р_‑1» не достигается. Исходя из этого, оптимизация выходных СТЦ была проведена по компромиссному критерию между «Р_‑1» и «Р_макс». Для транзисторов 1200 мкм и 1600 мкм были получены четырехконтурные, аналогичные по структуре реактивные цепи.

Входные реактивно-диссипативные согласующие цепи оптимизированы для получения максимального коэффициента усиления с минимальной частотной неравномерностью в рабочем диапазоне частот.

Электрические характеристики

Были проведены экспериментальные исследования электрических характеристик МИС в диапазоне рабочих температур –60…+75 °C, режимных зависимостей, динамических характеристик, проведены зондовые измерения малосигнальных S‑параметров. Особое внимание было уделено исследованию отсутствия самовозбуждения в рабочем диапазоне температур. Для измерений параметров в нелинейном режиме и в диапазоне рабочих температур микросхемы устанавливали в технологическую оснастку с коаксиальными соединителями. Основные малосигнальные характеристики и частотные характеристики выходной мощности усилителей в сравнении с результатами расчета приведены на рис. 2–3. Отклонение экспериментальных данных от расчетных по малосигнальному коэффициенту усиления составило не более 1 дБ в участке рабочего диапазона частот 5–8 ГГц и не более 0,2 дБ в участке диапазона частот 8–18 ГГц. Отклонение экспериментальных данных от расчетных по КСВН составило не более 10%. На рис. 4–5 приведены частотные характеристики в рабочем диапазоне температур –60…+75 °C. КПД по добавленной мощности в режиме насыщения составил 30–40%.

Рис. 2. Малосигнальный коэффициент усиления и КСВНвх МИС МС120, расчет и эксперимент

Рис. 3. Выходная мощность МИС МС120 (а) и МС080 (б), расчет и эксперимент. Расчетные характеристики показаны пунктирными линиями

Рис. 4. Ток потребления и КПД по добавленной мощности МИС МС120 (a) и МС080 (б) в диапазоне температур –60…+75 °С

Рис. 5. Типовой температурный дрейф параметров МИС МС120 и МС080

С применением МИС МС080 и МС120 были разработаны два усилительных микромодуля: в рабочем диапазоне частот 5–18 ГГц с выходной мощностью 1,5 Вт (конструкция показана на рис. 6) и с выходной мощностью более 7 Вт, в котором МС120 используется в качестве предварительного усилителя (модуль М04С). Микромодули выполнены в металлокерамических корпусах SMD-монтажа и фланцевого типа, по конструкции аналогичны представленным в [2].

Рис. 6. Конструкция интегрального усилительного модуля в корпусе SMD-монтажа. Диапазон частот 5–18 ГГц, выходная мощность 1,5 Вт

Заключение

Проведенные экспериментальные исследования электрических характеристик разработанных МИС показали хорошую точность моделирования. Усилители имеют высокий КПД 30–40%, высокий малосигнальный коэффициент усиления 10 дБ с низкой частотной неравномерностью не более 1 дБ. Выходная мощность усилителей составляет 0,9 и 1,5 Вт. Характеристики обеспечиваются в широкой полосе частот с перекрытием 3,5:1. МИС и микромодули на их основе могут быть использованы при построении приемо-передающих каналов радиоэлектронных средств, в том числе активных фазированных решеток.