Функциональные узлы радиотракта ППМ АФАР Х-диапазона в монолитном интегральном исполнении

Введение

Как зарубежный, так и отечественный опыт показал возможность реализации радиотракта приемопередающих модулей (ППМ) АФАР на основе всего трех типов монолитных интегральных схем (МИС): малошумящего усилителя (МШУ), усилителя мощности (УМ) и многофункционального кристалла управления амплитудой и фазой сигнала. Интеграция различных функциональных узлов радиотракта на один кристалл позволяет уменьшить габаритные размеры и увеличить технологичность сборки ППМ, что в конечном счете приводит к снижению себестоимости производства. Кроме того, исключение большого числа сварных межсоединений за счет повышения степени интеграции позволяет добиться качественного улучшения параметров ППМ и минимизировать их разброс от модуля к модулю. В то же время по-прежнему востребованными остаются такие однофункциональные МИС, как аттенюаторы, фазовращатели и буферные (предварительные) усилители, поскольку их применение может быть более выгодным в сравнении с многофункциональными схемами по ряду причин (использование задела по электронной компонентной базе, конструктивные особенности аппаратуры применения, экономические факторы и т. д.).

В статье представлены достигнутые результаты в части создания различных функциональных узлов радиотракта ППМ АФАР Х‑диапазона частот в виде МИС, выполненных на основе различных GaAs и GaN технологических процессов отечественных и зарубежных фабрик.

Постановка задачи

В настоящее время мировой рынок электронной компонентной базы (ЭКБ) СВЧ предлагает целый ряд решений, на основе которых могут быть созданы радиотракты ППМ в различных диапазонах частот. Однако по-прежнему существуют мотивы для заказной разработки ЭКБ в интересах отечественных предприятий-потребителей, среди которых можно отметить следующие: решение проблемы заградительных барьеров от производителей ЭКБ как способа конкурентной и (или) политической борьбы; решение задачи оптимизации технических и экономических показателей комплексного проекта за счет применения специализированной ЭКБ с характеристиками, отличающимися от тех, которыми обладают коммерчески доступные образцы; удовлетворение потребности заказчиков иметь интеллектуальные права на разработанную ЭКБ, в частности права на ее производство; а также ряд других мотивов.

В Российской Федерации существует целый ряд предприятий, обладающих технологическими линиями по производству МИС СВЧ. Мы не ставим целью оценивать уровень их технологической оснащенности и соответствия производственных процессов возможностям создания ЭКБ с параметрами, отвечающими требованиям к современной и перспективной аппаратуре применения. Однако следует отметить, что на сегодня ни одно отечественное предприятие не предоставляет доступ к своим технологическим процессам для взаимодействия по схеме Foundry и создания таких ключевых узлов радиотракта ППМ, как УМ с выходным уровнем более 5 Вт, многофункциональные кристаллы управления амплитудой и фазой сигнала. Единственным предприятием, открыто декларирующим имеющиеся технологические возможности и предлагающим свои процессы для производства заказных проектов МИС, является АО «Светлана-Рост». Однако сегодня предприятие не имеет предложений по технологическим процессам для создания МИС УМ с обозначенными уровнями выходного сигнала, а возможности сотрудничества в рамках производства и последующих стабильных поставок многофункциональных схем управления амплитудой и фазой сигнала, имеющих большую площадь кристалла и, как следствие, повышенные требования к стабильности технологического процесса, должны быть изучены и взвешены. Подобное положение дел на отечественных микроэлектронных производствах неизбежно подталкивает к использованию зарубежных технологических процессов, на основе которых реализовано большинство заказных проектов коллектива авторов.

Результаты разработки

МИС малошумящих усилителей

МШУ является неотъемлемым функциональным узлом современных приемных трактов и во многом определяет их качественные показатели. Важно отметить, что помимо требований к таким ключевым характеристикам, как коэффициент усиления и коэффициент шума, к МШУ в составе ППМ АФАР предъявляется ряд других специфических требований, в частности обеспечение согласования по входу усилителя. В работе [1] показано, что оптимальным усилителем для использования в сканирующих АФАР (либо в условиях изменения сопротивления генератора сигнала в широком интервале) является усилитель, у которого условия согласования по максимуму коэффициента передачи по мощности и минимуму коэффициента шума практически совпадают. Кроме того, реализация согласованного входа МШУ позволяет упростить таблицу амплитудно-фазовых состояний, характеризующих ППМ.

В качестве примеров решений, разработанных авторами на базе методики совмещенного согласования, на рис. 1 приведены топологии кристаллов МИС МШУ Х‑диапазона частот 5418УВ01Н4 и AP505V, реализованных на основе процесса PL15–12, WIN Semiconductors, а также соответствующие частотные зависимости коэффициентов усиления и шума, измеренные для выборок кристаллов на пластине.

Рис. 1. Топологии кристаллов и частотные зависимости параметров разработанных МИС МШУ

Все усилители содержат по три каскада на основе псевдоморфных транзисторов с высокой подвижностью электронов с интегрированными цепями согласования, коррекции амплитудно-частотной характеристики, а также ввода и блокировки питания. Во всех каскадах 5418УВ01Н4 и AP505V применено классическое решение — последовательная обратная связь в виде высокоомного отрезка линии передачи в истоке транзистора. В первом каскаде величина обратной связи выбиралась исходя из реализации устойчивости и сближения условия оптимального согласования по шуму и условия комплексно-сопряженного согласования на входе транзистора. Выбор величины обратной связи во втором каскаде также продиктован достижением устойчивости и необходимостью трансформации входного сопротивления транзистора второго каскада для реализации согласующей цепи между первым и вторым каскадом с минимальным количеством элементов. Введение обратной связи в третьем каскаде позволило добиться равномерности коэффициента усиления и согласования выхода МИС в рабочем диапазоне частот.

Для организации требуемого режима по постоянному току в разработанных микросхемах применяются схемы автосмещения. Напряжение питания однополярное 5 В, номинальный ток потребления для 5418УВ01Н4 и AP505V составляет 85 и 75 мА соответственно. Выходная мощность при компрессии коэффициента усиления на 1 дБ для обоих усилителей составляет 14–15 дБм.

МИС усилителей мощности

Несмотря на весьма активное развитие методик проектирования усилителей мощности высокоэффективных классов, которые в большей степени востребованы в передатчиках телекоммуникационных систем нового поколения, и создание соответствующих схем в монолитном интегральном исполнении, усилители класса AB по-прежнему востребованы в различных приложениях. Предельные уровни выходной мощности в режиме насыщения, которыми характеризуются МИС усилителей на основе GaAs гетероструктурных полевых транзисторов с высокой подвижностью электронов (pHEMT), работающие в Х‑диапазоне частот, составляют порядка 10–12 Вт. Дальнейшее увеличение выходного уровня в рамках одного кристалла нецелесообразно ввиду значительного роста габаритных размеров кристалла (как следствие, снижения выхода годных и экономической целесообразности применения изделия) и трудоемкости обеспечения, вплоть до невозможности, тепловых режимов работы микросхем.

В качестве примера заказной разработки на рис. 2 приведена топология МИС 10‑Вт УМ Х‑диапазона частот 5418УЕ01Н4, реализованной на основе технологического процесса PP25–21 фабрики WIN Semiconductors, а также соответствующие частотные зависимости выходной мощности и КПД по добавленной мощности в режиме насыщения, измеренные для выборки кристаллов на пластине. Измерения проводились в импульсном режиме работы усилителя (длительность импульса 10 мкс, скважность 100).

Рис. 2. Топология кристалла и частотные зависимости параметров МИС 10-Вт усилителя мощности

Микросхема содержит два каскада с интегрированными цепями согласования, коррекции амплитудно-частотной характеристики, а также ввода и блокировки питания. Суммарная ширина затвора для выходного каскада составляет 19,2 мм (16 транзисторных ячеек 8×150 мкм). Линейный коэффициент усиления 20–23 дБ. Напряжение питания МИС УМ составляет 8 В, ток потребления в режиме большого сигнала до 3,3 А.

В ряде конечных приложений производится активное замещение GaAs усилительных приборов на новые интегральные схемы на основе GaN, благодаря чему появляется целый ряд преимуществ, как на уровне отдельно взятой микросхемы (возможность реализации большей удельной выходной мощности активных элементов за счет высоких пробивных напряжений; повышение КПД за счет более высокого выходного импеданса активных элементов и, как следствие, упрощения структуры согласующих и трансформирующих цепей; повышения надежности за счет возможности работы при высоких температурах перехода), так и на системном уровне (к примеру, возможность работы при напряжениях питания, близких к напряжению первичного источника, за счет чего можно снизить требования к вторичным источникам, повысить их эффективность и, соответственно, увеличить системный КПД).

В качестве примера работы с нитридными процессами на рис. 3 приведена топология МИС 30‑Вт УМ Х‑диапазона частот AN551V, реализованной на основе технологического процесса NP25–00 фабрики WIN Semiconductors, а также соответствующие частотные зависимости выходной мощности и КПД по добавленной мощности в режиме насыщения, измеренные для выборки кристаллов на пластине. Измерения проводились в импульсном режиме работы усилителя (длительность импульса 10 мкс, скважность 100).

Рис. 3. Топология кристалла и частотные зависимости параметров МИС 30-Вт усилителя мощности

Микросхема содержит три каскада с интегрированными цепями согласования, коррекции амплитудно-частотной характеристики, а также ввода и блокировки питания. Суммарная ширина затвора для выходного каскада составляет 8,4 мм (восемь транзисторных ячеек 6×175 мкм). Линейный коэффициент усиления 30–33 дБ. Напряжение питания МИС УМ составляет 28 В, ток потребления в режиме большого сигнала до 2,5 А.

Таким образом, эффективность использования GaN технологического процесса в сравнении с GaAs может быть продемонстрирована сравнением двух представленных МИС УМ на основе следующего комплексного критерия: при сопоставимом КПД по добавленной мощности (40% согласно частотным зависимостям, представленным на рис. 2 и 3) и в 1,4 раза меньшей площади кристалла GaN усилитель AN551V обеспечивает уровень выходной мощности, в 3 раза больший по сравнению с GaAs усилителем 5418УЕ01Н4.

МИС управления амплитудой и фазой сигнала

Несмотря на появление первых публикаций, посвященных созданию МИС управления амплитудой и фазой сигнала еще в 90‑х годах прошлого столетия, полноценные сведения о различных аспектах создания подобных схем (функциональная архитектура, принципы интеграции различных узлов на один кристалл, подходы к проектированию) появились начиная с 2000 года. И в первую очередь здесь следует отметить основополагающий вклад компании M/A‑COM (США). К примеру, концепция построения радиотракта ППМ АФАР на основе трех МИС (усилитель мощности, малошумящий усилитель и схема управления амплитудой и фазой сигнала) была предложена именно специалистами M/A‑COM [2], а впоследствии применена с использованием элементной базы, созданной на основе более современных технологических процессов [3].

Если говорить о возможных архитектурах построения МИС управления амплитудой и фазой сигнала, то следует выделить четыре основные функциональные схемы, представленные на рис. 4:

Рис. 4. Основные функциональные реализации МИС управления амплитудой и фазой сигнала

• 2‑портовая универсальная конфигурация, которая представляет собой каскадное включение узлов управления, а также ряд усилителей, обеспечивающих требуемую динамику схемы в целом. Данная функциональная реализация подходит для применения, к примеру, в приложениях, где приемный и передающий каналы имеют отдельные антенные системы или когда антенная система одна, но присутствует требование использования независимых узлов для диаграммообразования в приемном и передающем каналах;
• 4‑портовая реализация схемы, которая представляет собой 2‑портовую схему, дополненную двухпозиционными коммутаторами по входу и выходу;
• 3‑портовая конфигурация «общее плечо». По сути, схему можно рассматривать как частный вариант 4‑портовой реализации, когда два порта RX OUT и TX IN на уровне кристалла замкнуты через дополнительный двухпозиционный коммутатор для увеличения развязки приемного и передающего каналов;
• наиболее комплексная, 3‑портовая конфигурация «частично общее плечо». Здесь уже требуемая динамика трактов достигается интеграцией на кристалл усилителей RX Amp и TX Amp.

Выбор реализации схемы управления определяется ключевыми системными требованиями (коэффициент шума, уровень интермодуляционных искажений, уровень выходной мощности, сквозное усиление и т. д.), либо задача может решаться иным способом, когда, к примеру, в целях повышения технологичности и надежности изделия производят замену ряда однофункциональных кристаллов одним кристаллом управления и его функциональную схему выбирают из условий максимального соответствия предыдущей архитектуре ППМ.

В качестве примеров собственных проектов, имеющих архитектуру «частично общее плечо», на рис. 5 и 6 приведены топологии кристаллов, а также характеристики и ошибки управления (для образца из выборки) многофункциональных МИС управления Х‑диапазона AP001D и AP003D, реализованных на основе технологического процесса ED02AH фабрики OMMIC и процесса PL15–12 фабрики WIN Semiconductors соответственно. Выбор 3‑портового решения для данных МИС диктуется как требованием минимизации количества кристаллов, образующих радиотракт ППМ, так и желанием заказчиков получить близкие аналоги для замены зарубежных позиций CHC3014–99F компании UMS (Франция) и VWA 5000049 AA (ICS50049CH) компании VectraWave (Франция) как аналог микросхемы XZ1002‑BD компании M/A‑COM (США), снятой с производства в 2014 году.

Рис. 5. Топология кристалла и характеристики управления многофункциональной МИС AP001D

Рис. 6. Топология кристалла и характеристики управления многофункциональной МИС AP003D

Очевидно, что многофункциональные МИС управления характеризуются гораздо большим количеством параметров, нежели показано на рис. 5 и 6. В таблице приведены сводные характеристики разработанных микросхем, включая режимы работы. Детали схемотехнических и топологических решений, применяемых для создания функциональных узлов микросхем класса AP001D и AP003D, представлены в [4].

Однофункциональные МИС дискретно-коммутационного типа

Как было отмечено ранее, в ряде случаев целесообразно вернуться к использованию типовых функциональных узлов, которые содержит схема управления амплитудой и фазой сигнала, реализованных в виде отдельных кристаллов. В качестве примеров разработки на рис. 7 приведены топологии, а также характеристики и ошибки управления для МИС 6‑разрядного фазовращателя Х‑диапазона частот AP302V, реализованной на основе технологического процесса pHEMT05 отечественной фабрики «Светлана-Рост», и МИС 5‑разрядного аттенюатора диапазона 0–20 ГГц AP101D, реализованной на основе процесса PL15–12 фабрики WIN Semiconductors.

Рис. 7. Топологии кристаллов и характеристики однофункциональных МИС дискретно-коммутационного типа

Сегодня ряд зарубежных производителей радиоэлектронных модулей и ППМ АФАР в частности уже идут по пути замещения GaAs электронной компонентной базы на две составляющие. УМ и МШУ предлагается реализовывать на основе GaN-процессов. Что касается функциональных узлов, отвечающих за преобразование частоты, а также амплитудно-фазовое управление, они реализуются на основе SiGe- и CMOS-процессов, что позволяет добиться более высокой степени интеграции на одном кристалле, включая цифровую часть, и получить выигрыш в соотношении технических параметров и цены при массовом производстве.

Существует и альтернативный взгляд на новую архитектуру ППМ, одним из идеологов которого является компания OMMIC. Вопреки устоявшемуся мнению, что GaN-процессы (в первую очередь процессы GaN на подложке SiC) предназначены для реализации УМ, МШУ с повышенной стойкостью к уровню входного воздействия, а также мощных коммутаторов, компания OMMIC использует в качестве подложки высокоомный кремний и позиционирует свой GaN-процесс D01GH как универсальный, на основе которого могут быть созданы ранее упомянутые типы усилителей, а также весь спектр частотно-преобразовательных и управляющих устройств. Данный подход может оказаться предпочтительным для российских потребителей заказных микросхем, поскольку отечественные объемы потребления ЭКБ не соответствуют типовой загрузке кремниевых фабрик, расходы на изготовление опытных образцов могут оказаться неоправданно высокими, а окупаемость на этапе серийного производства в требуемых объемах не будет достигнута.

В настоящее время коллектив авторов статьи уже ведет разработку функциональных узлов аттенюатора и фазовращателя Х‑диапазона частот на основе нитридного процесса OMMIC D01GH, которые на первом этапе будут реализованы в виде отдельных кристаллов, а затем интегрированы в состав многофункциональной схемы управления. Промежуточные результаты проекта будут освещены в ближайшее время.

Заключение

Подробные технические описания всех представленных МИС доступны по запросу. Коллектив авторов открыт для диалога об использовании данных микросхем в интересах отечественных потребителей и готов предложить услуги по разработке различных функциональных узлов СВЧ в интегральном исполнении.