120 Вт в Ка-диапазоне, полученные коаксиально-волноводным суммированием мощности на GaN МИС

Введение

Патент на разработку широкополосных усилителей, суммирующих мощность от отдельных усилительных структур за счет перехода «полосковая антенна–коаксиальный волновод», изначально принадлежал компании CAP Wireless Inc. С поглощением CAP Wireless компанией TriQuint Semiconductor (вошедшей в Qorvo Inc. — прим. перев.) данная технология вышла на СВЧ-рынок под названием Spatium. Оригинальная платформа включала в себя 16 МИС GaAs-уси­ли­телей диапазона 2–20 ГГц с уровнем мощности 10 Вт каждый. Данная платформа за счет сочетания различных  технологий (GaAs/GaN), лежащих в основе усилителей, позволяет получить следующие комбинации диапазонов частот и выходных мощностей:

•  6–18 ГГц, 35 Вт;
•  2–6 ГГц, 300 Вт;
•  2–18 ГГц, 40 Вт;
•  2–18 ГГц, 100 Вт.

Оригинальная платформа была первой из пяти, демонстрировавших возможности технологии Spatium, остальные четыре представляют собой такие сочетания диапазонов частот и числа элементов:

•  4,5–20 ГГц, 16 элементов;
•  4,5–20 ГГц, 10 элементов;
•  7,5–15 ГГц, 16 элементов;
•  10–40 ГГц, 16 элементов.

Данная платформа позволяет комбинировать большие количества МИС-усилителей, обеспечивая многооктавное перекрытие по частоте от 2 до 40 ГГц с низкими потерями при сложении мощностей. Диапазон 10–40 ГГц используется в спутниковых коммуникациях и системах РЭБ. Высокие значения КПД данной платформы обусловлены преимуществами использования GaN-элементной базы, за счет чего сама платформа Spatium подобралась вплотную к характеристикам, ранее достижимым только ЛБВ. На рис. 1 показаны усилители диапазонов 2–20 ГГц, 4,5–20 ГГц и 10–40 ГГц.

Рис. 1. 16-канальные усилители мощности семейства Spatium

Структура сложения мощностей Spatium на основе коаксиального волновода

Пять платформ семейства Spatium основаны на одной и той же масштабируемой архитектуре, показанной на рис. 2.

Рис. 2. Структура сложения мощностей усилителя семейcтва Spatium

Структуры разделения мощностей сигнала на входе и суммирования на выходе зеркальны относительно центра усилителя. Схема с идентичными сумматорами мощности на выходе и делителями на входе наиболее проста для разработки и производства. Структура усилителя содержит несколько клиновидных (в поперечном сечении) сборок (рис. 3).

Рис. 3. Одна из собранных плат, расположенных радиально в усилителе Spatium

Каждая сборка имеет клиновидную форму и в качестве носителя использует алюминиевое или медное основание. Собранные вместе, они образуют коаксиальную структуру, заключающую в себе электромагнитное поле. Включенная в каждый клин плата является линией передачи СВЧ-мощности на коаксиальный волновод. Ее структура показана на рис. 4. Преобразование поля начинается в точке «a», и к точке «в» электрическое поле оказывается сдвинутым на 90° относительно первоначальной фазы. По завершении перехода на микрополосковую линию на плату можно поместить любой усилитель, согласованный по входу и выходу в данном частотном диапазоне на 50 Ом.

Рис. 4. Конструкция микрополосковых плат

Центр вкручивающейся конической детали в переходе на входе и выходе Spatium совпадает с центром структуры, образованной собранными по кругу платами. Конус, сужаясь, образует центральный проводник коаксиального волновода с сопротивлением 50 Ом. Геометрические параметры конуса оптимизированы таким образом, чтобы передать сигнал на 50‑Ом коаксиальный соединитель в соответствующей полосе частот. Поверхность внешнего конуса также сужается со стороны коаксиального волновода, и, будучи прикрепленной к платам с другой стороны, обеспечивает надежный электрический контакт соседних плат.

На рис. 5 показан усилитель Spatium диапазона 4,5–20 ГГц с удаленными внешним конусом перехода и соединителем. Хорошо виден внутренний конус перехода и собранные платы усиления.

Рис. 5. Собранный усилитель серии Spatium с удаленным внешним конусом полосково-коаксиального перехода

Каждый элемент структуры Spatium был протестирован с установленными вместо МИС-усилителей 50‑Ом пассивными цепями. Результат — потери менее 1 дБ на плату, что показывает согласование всей структуры и то, какую СВЧ-мощность можно подвести к нагрузке и какую МИС усилителя необходимо выбрать для тех или иных целей.

Рис. 6. Потери при сложении мощностей в структуре Spatium с пассивными элементами

Тестирование структуры Spatium с пассивными ИС на платах для определения вносимых потерь преследовало также цель определить возможность ее использования в системах спутниковых коммуникаций диапазона 27–31 ГГц. Потери составили от 1,4 до 2,4 дБ на всю структуру. Вычитая из этой величины 0,4 дБ — потери микрополосковой платы 0,750″ и потери на передачу сигнала при соединении разваркой, и поделив результат на 2 для оценки потерь, связанных только с суммированием мощности, имеем потери 0,5–1,0 дБ. График зависимости потерь при разделении и сложении сигналов от частоты в полосе 27–31 ГГц показан на рис. 6. Так как эти данные включают в себя и потери сигнала в соединителях, то мы имеем полные потери СВЧ-мощности на участке от выходов МИС до нагрузки.

Благодаря малым потерям при суммировании мощности и общей прогнозируемости структуры усилителя Spatium, малосигнальные параметры всего усилителя близки к таковым для каждого из 16 элементов, и общая мощность, поделенная на 16, близка к мощности каждого элемента за вычетом потерь при суммировании мощности. Потери известны и могут быть измерены, таким образом для расчета всей сборки усилителей требуется рассчитать базовый усилительный элемент, из которых состоит Spatium.

Производительность СВЧ GaN МИС

Система Spatium обеспечивает работу в диапазоне 10–40 ГГц, но практическую ценность представляет ее использование для спутниковых коммуникаций в диапазоне 27–31 ГГц. В конце 2013 г. Qorvo представило публике новинку — TGA2595, монолитную СВЧ-микросхему, выполненную в соответствии с процессом 0,15 мкм GaN. Микросхема имеет три каскада усиления, балансные вход и выход, 10 Вт выходной мощности и КПД величиной более 25% (рис. 7).

Рис. 7. Характеристики системы Spatium

Ключевым параметром в спутниковых коммуникациях является линейность. Методика ее измерения сводится к определению двухчастотных интермодуляционных искажений (ИМИ). Существует требование, согласно которому интермодуляционные составляющие третьего порядка должны быть на 25 дБ ниже суммарной мощности двух тестовых несущих. Это и является максимумом выходной мощности усилителя, находящегося в линейном режиме. Линейность GaAs-усилителей характеризуется уровнем мощности, соответствующем 1 дБ компрессии (P1дБ). Обычно GaAs-устройства имеют очень высокую мощность насыщения, поэтому у них Р1дБ и мощность насыщения располагаются близко друг к другу. GaAs-приборы достигают требований линейности, предъявляемым к спутниковым телекоммуникациям с запасом 2–3 дБ ниже требуемого значения Р1дБ, без дополнительных схем линеаризации.

GaN-усилители обычно имеют более пологую кривую насыщения мощности. TGA2595 — не исключение, и имеет выходную мощность в режиме насыщения 40 дБ, тогда как параметр P1дБ ниже на 5 дБ. График, приведенный на рис. 7, показывает результаты двухчастотных измерений для TGA2595. Из него видно, что усилитель удовлетворяет требованиям линейности спутниковых коммуникационных устройств, обеспечивая ИМИ 33 дБ для каждой несущей, 36 дБ — для их суммарной мощности. Многие GaN-устройства удовлетворяют данным требованиям, имея выходную мощность большую, нежели уровень P1 дБ. TGA2595, обеспечивая необходимую линейность, имеют при выходной мощности на 4 дБ ниже мощности насыщения такую же линейную мощность, как и большинство доступных на рынке GaAs-устройств в данном частотном диапазоне (опять же, без использования дополнительных средств, повышающих линейность). Но GaN-устройства при этом имеют гораздо более высокий КПД, что делает их оптимальным выбором для устройств спутниковых коммуникаций.

Производительность усилительных систем Spatium

Как уже упоминалось, сборка усилителей Spatium насчитывает 16 микросхем TGA2595, по одной на каждую плату. Каждая микросхема TGA2595 припаивается к медно-молибденовой подложке (Cu-Mo-Cu) золото-оловянным припоем и затем эта сборка приклеивается к плате эпоксидным клеем с высокой тепло- и электропроводностью. Соединение выводов сигналов и питания МИС выполнено разваркой провода. Для измерений в пассивном режиме на сборке установлен соединитель 2,92 мм. Поскольку выходная мощность усилителя, составляющая 120 Вт, превышает возможности этого соединителя, большинство клиентов используют волновод WR‑28 для последующей передачи СВЧ-мощности в антенну. На выходе был использован именно такой прямоугольный волновод. Встроенный переходник с коаксиального на прямоугольный волноводы изготовлен специально для Spatium. Он обеспечивает переход коаксиальной моды ТЕМ в волноводную моду ТЕ10.

Комбинация из 16 усилительных микросхем TGA2595 дает всей структуре на выходе мощность в режиме насыщения от 120 до 150 Вт в полосе частот 27–31 ГГц. КПД сборки составляет минимум 23% в указанном диапазоне. График на рис. 8 показывает частотную зависимость обоих параметров. Все измерения проводились в режиме насыщения и в непрерывном режиме подачи СВЧ-сигнала. Эти зависимости хорошо коррелируют с графиками, полученными от каждого из устройств сборки в отдельности. КПД обоих усилительных схем (на базе TGA2595 и сборки) близок и отличается незначительно, что говорит о низких потерях при суммировании.

Рис. 8. Мощность в режиме насыщения и КПД системы Spatium

Линейность структуры была также измерена с помощью другого метода, использующегося для усилителей мощности в системах спутниковых коммуникаций. Максимальная линейная выходная мощность определяется, когда на вход подается сигнал с QPSK-модуляцией, а спектральный прирост выходного сигнала, измеренный при сдвиге скорости одного символа, составляет -30 дБн. Для этого эксперимента была выбрана модуляция со скоростью передачи 1 MSPS (мегасимволов в секунду). Максимальная линейная мощность в этом режиме была измерена на частоте 30 ГГц и составила 48 дБм, что на 4 дБ ниже мощности в режиме насыщения. Такое же значение требуется от микросхемы при измерении двумя частотами для удовлетворения требований линейности. Спектр выходного сигнала показан на рис. 9.

Рис. 9. Спектр выходного сигнала при измерении линейности усилителя Spatium

Заключение

 Был продемонстрирован результат, полученный системой сложения выходной СВЧ-мощности GaN МИС-усилителя в диапазоне частот Ка. Система обеспечивает широкий диапазон частот, сложение высоких уровней мощности и малые потери. Показанная система — одна из пяти в семействе Spatium, которое обеспечивает масштабируемость и применимость в самых разных областях. Использованная в составе платы усилителя микросхема TGA2595 демонстрирует высокий КПД и линейность в Ка-диапазоне благодаря лежащему в ее основе процессу 0,15‑мкм GaN HEMT, разработанному компанией Qorvo.