Проектирование широкополосного «Push-Pull» усилителя на базе GaN для устройств детектирования нелинейных переходов

Введение

Классическим методом обнаружения скрытых микроэлектронных устройств, содержащих работающие или неработающие элементы с нелинейной ВАХ, является метод излучения поляризованной электромагнитной волны монохроматического (одночастотного) сигнала и прием второй и третьей гармонической составляющей эхо-сигнала. Излучаемый сигнал модулируют по амплитуде, а на приемниках измеряют зависимость амплитуды сигнала отклика от амплитуды зондирующего сигнала, что дает дополнительную информацию о типе нелинейности. Ключевыми проблемами данного подхода считаются небольшая дальность обнаружения, за счет влияния гармоник излучаемого сигнала на вход приемника, а также невозможность определения вида обнаруженного устройства из-за недостаточности входных данных. Один из современных подходов в области детекции нелинейных переходов — метод зондирования с использованием широкополосного модулированного излучения с центральной частотой f_c, полосой BW и осуществление приема и оцифровки с помощью высокоскоростных АЦП эхо-сигнала на центральных частотах 2f_c и 3f_c. Использование широкополосного модулированного излучения позволяет помимо получения зависимости мощности излучения от амплитуды эхо-сигнала еще и измерять нелинейные искажения принятого модулированного эхо-сигнала, что значительно расширяет возможности последующего анализа для определения вида обнаруженного устройства. Также исследования показывают, что применение широкополосного излучения позволяет повысить дальность обнаружения скрытых электронных устройств. Однако разработка такого рода высокопроизводительных устройств детекции нелинейных переходов требует более сложной конфигурации как высокочастотного усилительного тракта передающего сигнала, так и антенно-фидерной системы:

• повышаются требования к ширине рабочей полосы усилителя;
• повышаются требования к линейности работы усилителя;
• необходимо вести разработку УМ с учетом нелинейных искажений, ввиду использования широкополосного модулированного сигнала;
• ввиду специфики устройств детекции нелинейных переходов также необходима минимизация уровня гармонических составляющих широкополосного сигнала.

С учетом всего перечисленного выше проектирование усилительного каскада становится одной из наиболее ключевых задач при разработке данного рода устройств.

В области построения выходных усилителей мощности он в некоторой степени ограничен отсутствием достаточной номенклатуры ЭКБ с необходимыми мощностными параметрами. Кремниевые и арсенид-галлиевые мощные СВЧ-транзисторы практически достигли своего предела ввиду ограничений электрофизических параметров исходных полупроводниковых материалов. Для создания СВЧ ЭКБ и мощных выходных устройств особенно важны преимущества нитрид-галлиевой технологии, которые отражены в ранее проведенных исследованиях [1, 2].

В данной работе представлены результаты применения методики проектирования широкополосного двухтактного усилителя мощности больших сигналов на компонентной базе GaN для высокопроизводительных устройств детектирования нелинейных переходов. Методика отражает решения проблем сходимости результатов проектирования при разработке УМ топологии Push-Pull. Приведены сравнения двух различных топологий УМ на предмет сравнения их характеристик.

Объект исследований

В качестве объекта исследований был использован GaN транзисторный усилитель CG2H40025F производства компании Cree Inc. [3] Для решения поставленных в работе задач были спроектированы две топологии усилителя мощности: однокаскадный усилитель мощности класса А и двухтактный Push-Pull-усилитель мощности. Сравнения проводились при достижении выходных характеристик: полоса сигнала 3800–4100 МГц, выходная мощность не менее 10 Вт.

Метод проектирования усилителя мощности

Усилительный тракт для устройств нелинейной локации должен обеспечивать работу в режиме, близком к линейному режиму работы усилителя, с целью минимизации возбуждения гармонических составляющих зондирующего сигнала. Также усилительный тракт должен обладать достаточной устойчивостью и температурной стабильностью для обеспечения необходимого срока службы изделия.

В работе для решения поставленной задачи предлагается взять за основу при проектировании УМ для устройств детекции нелинейных переходов топологию двухтактного Push-Pull-усилителя мощности на базе транзистора GaN.

Ключевые преимущества использования двухтактной топологии:

• линейный выходной сигнал класса А может быть получен при достижении эффективности усилителя класса В, но с использованием двух GaN-транзисторов вместо одного;
• Push-pull-топология предполагает идеальное короткое замыкание на четных гармониках основного сигнала, что позволяет значительно повысить эффективность работы УМ в применении к задачам детекции нелинейных переходов.

Однако существует проблема достижения устойчивости и эффективности УМ, выполненных по двухтактной топологии на частотах свыше 2 ГГц.

На рис. 1 представлена предложенная структурная схема УМ с использованием Push-Pull-топологии для применения в устройствах детекции нелинейных переходов.

Рис. 1. Структура УМ топологии Push-Pull

Предложенная структура содержит схемы деления/сложения сигнала с выходной разностью фаз 180° и выходными портами с импедансом 25 Ом, входные/выходные цепи согласования на 25 Ом, выходной циркулятор и фильтры низких частот по питанию затвора и стока. В разработанной методике предлагается вместо согласующих цепей на основе фильтров, которые ограничивают производительность усилителя для широкополосных применений, использовать упрощенную топологию цепей, основанную на том факте, что выходное сопротивление применяемых схем деления/сложения с выходной разностью фаз 180°, составляющее 25 Ом, близко к сопротивлению нагрузки транзистора. Использование циркулятора на выходе усилителя мощности необходимо для уменьшения влияния антенно-фидерного тракта на выходную цепь согласования усилителя мощности.

Следующим этапом с использованием нелинейной модели усилителя методом переменных нагрузок Load Pull были получены входной и выходной импедансы транзистора при выходной мощности сигнала 10 Вт (40 дБм), на основании которых были спроектированы цепи согласования.

На рис. 2 представлена базовая конфигурация при Load Pull-моделировании: тюнер источника на входе, тюнер нагрузки на выходе, Т‑образные ответвители для подвода смещения напряжения на затвор и сток.

Рис. 2. Схема Load Pull-моделирования

Симуляция согласования источника проводилась по максимальной выходной мощности в случае, когда выход устройства нагружен на 25 Ом.

Полученные значения импеданса нагрузки и источника после симуляции для частоты основного сигнала 3950 МГц:

Z_source = 1,2 – j•8,1;

Z_load = 3,8 – j•0,2.

Следующим этапом была проведена электромагнитная симуляция топологии согласующих цепей с целью оценки влияния неоднородностей микрополосковых линий передачи, по результатам которой выполнена корректировка входных и выходных СЦ. Согласующие цепи спроектированы таким образом, чтобы максимально близко трансформировать 25 Ом на входе и выходе в требуемый импеданс источника и нагрузки соответственно. Также при проектировании согласующих цепей дополнительно учтена RC-цепь на входе для достижения устойчивости транзистора, что рекомендует производитель Cree.

Схема согласования приведена на рис. 3.

Рис. 3. Схема согласования каскада усиления

Схема входной цепи согласования содержит последовательно подключенные Т‑образный инжектор питания, выполненный в виде четвертьволнового отрезка микрополосковой линии и схемы преобразования импеданса из 25 Ом в комплексно-сопряженное значение импеданса источника Z_source.

Выходная цепь выполнена аналогично входной: последовательно подключены схема преобразования импеданса из комплексно-сопряженного значения импеданса нагрузки Z_load и Т‑образный инжектор питания, выполненный в виде четвертьволнового отрезка микрополосковой линии.

На рис. 4 отображена разработанная схема цепи входного согласования.

Рис. 5. Схема выходной цепи согласования

На рис. 5 показана разработанная схема цепи выходного согласования.

Рис. 5. Схема выходной цепи согласования

После проведения электромагнитной симуляции была выполнена корректировка цепей согласования с целью подстройки под входное и выходное значение импеданса 25 Ом. На рис. 6 отражены значения импеданса спроектированных входных и выходных цепей согласования.

Рис. 6. Импеданс спроектированных входных и выходных цепей согласования после корректировки по результатам электромагнитной симуляции

В качестве схемы деления/сложения сигналов предлагается использовать коаксиальную линию передачи длиной λ/4 (рис. 7), чье применение позволяет снизить стоимость конечного изделия и упростить топологию УМ.

Рис. 7. Схема деления/сложения сигнала на базе коаксиальной линии λ/4 и диаграмма Смита результатов моделирования схемы [4]

На рис. 8 представлена полученная конечная топология печатной платы блока усилителя мощности после корректировок входных и выходных СЦ.

Рис. 8. Топология усилителя мощности, выполненного по топологии Push-Pull

После изготовления были проведены измерения характеристик УМ, выполненного по топологии Push-Pull.

В таблице приведены сравнительные характеристики, измеренные для УМ топологии Push-Pull и для классического УМ класса А.

Заключение

Предложена методика проектирования широкополосного усилителя мощности больших сигналов на компонентной базе GaN для высокопроизводительных устройств детектирования нелинейных переходов, который позволяет в малых габаритах и при небольших затратах достичь требуемых характеристик по КПД, выходной мощности, равномерности АЧХ и коэффициента подавления гармонических составляющих сигнала для широкого рабочего диапазона частот до –45 дБс.

Полученные результаты, приведенные в таблице, показывают, что по сравнению с усилителями класса А усилители, выполненные по представленной методике с использованием топологии Push-Pull достигают более широкой полосы пропускания и значительно более качественного подавления гармоник. Это позволяет повысить производительность СВЧ-устройств, в частности, устройств детекции нелинейных переходов с использованием широкополосного модулированного зондирующего сигнала.