Redirect= Преимущества электромагнитного анализа в проектировании
Предлагаемый корпус (Kyocera SGMR-B1193) для усилителя мощности. Изображение предоставлено Kyocera Corporation

Преимущества электромагнитного анализа в проектировании усилителя мощности К-диапазона для систем навигации

№ 4’2019
PDF версия
Спутниковая связь К/Ка-диапазона может обеспечить постоянный и надежный доступ к информации, что заставляет такие компании, как Facebook, Amazon, Inmarsat и SpaceX, инвестировать в развитие применения этой области спектра для мировых широкополосных сервисов. SpaceX, к примеру, планирует запустить 4425 спутников для разворачивания системы связи Ка-диапазона.

Такие системы во многом зависят от разработки эффективных усилителей высокой мощности, являющихся конечным звеном высокочастотных трактов, составленных из передовых компонентов спутникового базирования. Чипсет Leonis производства Arralis, изначально разработанный в составе программы ARTES Европейского космического агентства, предназначен для эффективного решения задач проектирования спутниковых систем К/Ка-диапазона.

Чипсет включает схемы смесителей (квадратурный и субгармонический), преобразователей вверх и вниз, переключателей, фазовращателей, малошумящих усилителей и усилителей мощности. В основе чипсета лежит монолитная интегральная схема высокой мощности LE-Ka1330308, изготовленная по сертифицированной для космической отрасли 0,25‑мкм технологии нитрида галлия на карбиде кремния (GaN/SiC).

Arralis успешно разработала приемопередатчик для восходящей и нисходящей передачи данных. На рис. 1 представлены архитектура передатчика с интегрированным усилителем мощности и его характеристики.

Микросхема Arralis Leonis для бюджетных систем навигации K/Ka-диапазона

Рис. 1. Микросхема Arralis Leonis для бюджетных систем навигации K/Ka-диапазона

Применение нитридной технологии позволяет Arralis обеспечить более высокий КПД, удельную мощность и теплопроводность по сравнению с аналогичными компонентами на арсениде галлия (GaAs). К тому же GaN позволяет работать при более высоких температурах без потерь в эксплуатационной надежности, что особенно важно для космической отрасли. Термографические измерения показали, что кристалл обладает тепловым сопротивлением 2,62 °C/Вт, обеспечивая оценочное время работы в 5×107 ч.

LE-Ka1330308 предназначен для работы в диапазоне 17,5–20 ГГц и обеспечивает 10 Вт выходной мощности в режиме насыщения при КПД 25% и коэффициенте усиления 20 дБ в режиме большого сигнала, помещаясь при этом в компактный корпус 3,7×3,0 мм (рис. 2). Трехкаскадная МИС усилителя, изготовленная United Monolithic Semiconductors (UMS) по 0,25‑мкм техпроцессу GH25–10 (GaN/SiC), согласована по выходу и входу на 50 Ом и включает блокирующие конденсаторы на ВЧ-портах и детектор выходной мощности для упрощения интеграции МИС в систему.

Выходная мощность (дБм) и КПД (%) в зависимости от выходной мощности в диапазоне частот 17,5–19,5 ГГц

Рис. 2. Выходная мощность (дБм) и КПД (%) в зависимости от выходной мощности в диапазоне частот 17,5–19,5 ГГц

Процесс проектирования построен на применении специализированной среды NI AWR Design Environment, включающей Microwave Office для схемотехнического и топологического проектирования, электромагнитный (ЭМ) симулятор AXIEM для моделирования планарных структур (цепь питания МИС, пассивные компоненты кристалла, тестовая печатная плата) и ЭМ-симулятор Analyst™ для 3D-анализа корпуса. Программное обеспечение действует с моделями активных и пассивных компонентов, предоставленными фабрикой в виде библиотеки техпроцесса (PDK), разработанной при сотрудничестве NI и UMS.

Кристалл МИС был представлен в виде верифицированной фабрикой схемной модели, позволившей разработчикам с высоким уровнем достоверности предсказать и оптимизировать ключевые характеристики.

На рис. 3 приводится сравнение между результатами моделирования и измерений параметров рассеяния устройства (S‑параметров). На графике также представлены результаты статистического анализа вариации коэффициента усиления с учетом допусков техпроцесса. Измеренные значения коэффициента усиления находятся предсказанных симуляцией границах.

Результаты моделирования с учетом статистического анализа (yield) в сравнении с результатами измерений опорной платы LE-Ka1330308 (справа) в режиме малого сигнала. Жирным линиям соответствуют результаты измерений

Рис. 3. Результаты моделирования с учетом статистического анализа (yield) в сравнении с результатами измерений опорной платы LE-Ka1330308 (справа) в режиме малого сигнала. Жирным линиям соответствуют результаты измерений

Для исключения паразитных эффектов и учета нежелательных взаимодействий между компонентами были проведены ЭМ-анализ и оптимизация на уровне подсхем и компонентов. На заключительных стадиях процесса проектирования выполнен более глубокий и масштабный ЭМ-анализ в качестве итоговой верификации и проверки учета всех возможных взаимодействий в схемах. Симулятором выбора для этих задач был AXIEM.

Методы моделирования, примененные фабрикой, верифицированы при помощи проработанной и выверенной годами процедуры оценки соответствия модели параметрам техпроцесса, обеспечивающей предоставление наиболее достоверных моделей, соответствующих семейству полупроводниковых техпроцессов фабрики. Получаемые нелинейные модели учитывают множество эффектов, включая саморазогрев транзистора и влияние ловушечных состояний. Помимо оценки электрических параметров, UMS проводит подробное изучение термальных характеристик устройства и других динамических эффектов для улучшения качества моделирования нелинейных компонентов.

Следующим этапом стала разработка корпусированной МИС; наличие корпуса значительно упрощает внедрение устройства в проектируемую систему. В данном случае выбор пал на корпус Kyocera SGMR-B1193: коммерчески доступный керамический корпус типа QFN размером 7×7 мм (рис. 4). Этот корпус герметичен и позволяет с запасом разместить кристалл с конденсаторами развязки и одновременно сократить длину сигнальных разварок. Согласованный по коэффициенту температурного расширения радиатор из сплава молибден-медь должен обеспечить надежный отвод тепла.

Предлагаемый корпус (Kyocera SGMR-B1193) для усилителя мощности. Изображение предоставлено Kyocera Corporation

Рис. 4. Предлагаемый корпус (Kyocera SGMR-B1193) для усилителя мощности. Изображение предоставлено Kyocera Corporation

На рис. 5 показана переходная область, промоделированная в ЭМ симуляторе Analyst для минимизации возвратных потерь из-за рассогласования импеданса между МИС, корпусом и тестовой платой. Анализ показывает, что переход хорошо согласован (уровень вносимых потерь 0,25 дБ), что в итоге приведет к уменьшению коэффициента усиления на 0,5 дБ и мощности на 0,25 дБ по сравнению с некорпусированным устройством.

Моделирование переходной области в 3D-электромагнитном симуляторе по методу конечных элементов Analyst

Рис. 5. Моделирование переходной области в 3D-электромагнитном симуляторе по методу конечных элементов Analyst

 

Заключение

Инженеры компании Arralis продемонстрировали успешный проект чипсета K/Ka-диапазона, включающий 10‑Вт усилитель высокой мощности, для применения в системах спутниковой связи. Для проектирования МИС трехкаскадного усилителя использовался современный и рекомендованный для аэрокосмической области техпроцесс компании UMS (0,25‑мкм GaN/SiC), а процесс проектирования поддерживался качественными программными моделями, верифицированными самой фабрикой, и мощным пакетом автоматизированного проектирования NI AWR Design Environment. В рамках проекта были продемонстрированы архитектуры приемопередатчиков на основе данного чипсета и интегрированного усилителя мощности. Разработчики также ппоказали возможность интеграции кристалла в подходящий корпус средствами программного пакета NI AWR; компания предполагает начать поставки готовой продукции в начале 2020 года.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *