Разработка MMIC для приложений спутниковой связи, работающих в K-диапазоне частот

Системы спутниковой связи, функционирующие в диапазоне K/Ka (26,5–40 ГГц), такие как Satcom, получили широкую популярность в первую очередь благодаря широкой полосе пропускания и, как следствие, высоким скоростям передачи данных. Работа устройств в данном диапазоне частот, как правило, обеспечивается за счет использования усилителей высокой мощности (high-power amplifiers, HPA). Компания Arralis Ltd, (Лимерик, Ирландия), входящая в программу перспективных исследований в области телекоммуникационных систем (ARTES), созданную Европейским космическим агентством (ESA), создала линейку микросхем Leonis, призванных удовлетворить постоянно растущий спрос на компоненты для работы в K/Ka-диапазонах.

В статье описываются параметры микросхем линейки Leonis, их моделирование и анализ при помощи среды Cadence AWR Design Environment. Линейка включает синфазные квадратурные и субгармонические смесители, микросхемы для повышающих и понижающих преобразователей, переключатели, фазовращатели, малошумящие усилители (LNA) и многое другое. Среди этих компонентов особо стоит выделить мощный усилитель LE-Ka1330308, представляющий собой микроволновую монолитную интегральную схему (MMIC). Компания Arralis успешно продемонстрировала возможность применения данного усилителя в архитектуре приемопередатчиков как для восходящей, так и для нисходящей линии связи.

Дизайн MMIC HPA

LE-Ka1330308 – это трехкаскадный усилитель мощности, имеет компактные размеры 3,7×3,0 м, работает в диапазоне 17,5–20 ГГц и обеспечивает до 10 Вт в режиме насыщения с КПД на уровне 25% и коэффициенте усиления 20 дБ. На рис. 1 показана зависимость коэффициента усиления от выходной мощности для MMIC LE-Ka1330308, подключенного по стандартной схеме низкочастотного передатчика.

Рис. 1. Пример схемы передатчика на базе микросхем Leonis для приложений спутниковой связи, работающих в K/Ka-диапазоне

Усилитель LE-Ka1330308 изготовлен по фирменной технологии GH25–10 компании United Monolithic Semiconductors (UMS). Используемые в данной технологии полупроводниковые материалы, такие как нитрид галлия (GaN) с размером пор 0,25 мкм и карбид кремния (SiC), сертифицированы для применения в космической отрасли и не требуют соблюдения так называемых правил международной торговли оружием (International Traffic in Arms Regulations, ITAR). LE-Ka1330308 согласован для работы с сопротивлением 50 Ом, имеет на борту встроенные блокировочные конденсаторы и детектор выходной мощности, что облегчает работу с RF-портами.

Для проверки соответствия целевым показателям производительности инженеры компании Arralis использовали программное обеспечение AWR Microwave Office, предназначенное для моделирования и проектирования устройств RF- и СВЧ-диапазона. В процессе моделирования применялись модели активных и пассивных компонентов, входящие в пакет PDK (Process design kit), совместно разработанный AWR и UMS. Для моделирования и оптимизации пассивных элементов, MMIC и печатной платы использован планарный электромагнитный симулятор AWR AXIEM. Для последующего анализа был задействован электромагнитный симулятор AWR Analyst, работающий на основе метода конечных элементов.

Методы и модели, предложенные компанией UMS, многократно проверены с помощью отработанных на протяжении многих лет процедур квалификации и соответствия, которые позволяют получать на выходе надежные модели действия устройств, готовые к использованию в дальнейшей разработке. Модели учитывают такие параметры, как захват носителей заряда, самонагрев транзисторов, и многое другое. Помимо определения электрических параметров, инженеры UMS провели всестороннее исследование поведения компонентов при воздействии температур и других внешних факторов, что также помогло улучшить качество моделирования работы конечного устройства.

Наличие качественных моделей позволило с большой точностью проанализировать работу MMIC LE-Ka1330308, в том числе провести анализ на электромагнитную совместимость, что в конечном итоге предоставило возможность разработчикам спрогнозировать поведение компонента в тех или иных условиях и оптимизировать его ключевые показатели производительности. На рис. 2 приведена зависимость коэффициента усиления и обратных потерь LE-Ka1330308 от частоты, полученная в результате измерений и моделирования. Из графика видно, что измеренные значения несколько отклоняются от результатов моделирования, однако имеют схожую форму и предельные значения.

Рис. 2. Сравнение результатов моделирования и измерения параметров MMIC LE-Ka1330308, расположенного на оценочной плате (рис. 3)

Анализ на электромагнитную совместимость и оптимизация конструкции MMIC LE-Ka1330308 (рис. 3) проводились на уровне составных компонентов и подсхем, что позволило гарантировать, что все возможные паразитные параметры и связи были учтены в процессе моделирования. По завершении проектирования был проведен еще один дополнительный электромагнитный анализ всей MMIC при помощи симулятора AWR AXIEM, что еще больше подтверждает корректность данных, полученных в результате моделирования.

Рис. 3. Оценочная плата MMIC LE-Ka1330308

Моделирование и разработка корпуса

После того как симулятор AWR Analyst успешно показал себя в работе с «голой» MMIC, было решено использовать его и для моделирования корпуса компонента (рис. 4), что позволило дополнительно скорректировать уровень обратных потерь, возникающих из-за несоответствия импеданса между MMIC, корпусом и печатной платой. Результаты моделирования показали рост обратных потерь на 0,25 дБ, что соответствует общему снижению уровня усиления на 0,5 дБ и снижению мощности на 0,25 дБ для компонента в корпусе по сравнению с бескорпусным вариантом.

Рис. 4. Моделирование корпуса MMIC в AWR Analyst (слева) и результирующая сетка (справа)

Заключение

В статье описан дизайн микросхемы трехкаскадного усилителя HPA для работ в K/Ka-диапазоне частот на примере MMIC LE-Ka1330308. LE-Ka1330308 обеспечивает до 10 Вт выходной мощности в режиме насыщения и оптимален для приложений спутниковой связи. LE-Ka1330308 изготовлен по технологии GH25–10 с применением 0,25‑мкм GaN и SiC и может эксплуатироваться в схемах приемопередатчиков как для восходящей, так и для нисходящей линии связи. Для моделирования и оптимизации параметров LE-Ka1330308, в том числе электромагнитной совместимости, использовано программное обеспечение от компании AWR.