CC BY
226
УДК 621.396.62
ЭЛЕКТРОННЫЕ БЛОКИ НА ОСНОВЕ AlGaN/GaN/SiC СВЧ-ГЕТЕРОТРАНЗИСТОРОВ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
В.В. Груздов, Ю.В. Колковский, В.М. Миннебаев
Показано, что качественно новый уровень современной СВЧ-радиоэлектроники обеспечивается специализированной ЭКБ, состоящей из функционально-законченных подсистем - СВЧ-интегрированных функциональных модулей на основе нового полупроводникового материала - нитрида галлия. Рассмотрены приемо-передающие модули, обеспечивающие реализацию активных фазированных антенных решеток. Приведены данные, из которых следует, что приборы и блоки с гетеротранзисторами на основе GaN обладают более высокой радиационной стойкостью по сравнению с радиационной стойкостью приборов и блоков на основе арсенида галлия и кремния. Набольшими преимуществами СВЧ-приборы на нитриде галлия обладают при использовании в космических системах, работающих в условиях воздействия факторов космического пространства.
Ключевые слова: приборы и радиотехнические блоки на основе GaN, приемопередающие модули для космических систем, радиационная стойкость транзисторов на основе GaN, GaAsи Si.
Введение
При создании ППМ используются следующие преимущества нитрид-галлиевых СВЧ-транзисторов по сравнению с арсенид-галлиевыми и кремниевыми, [1 - 4]:
- более высокая область рабочих температур;
- более высокие рабочие напряжения;
- более высокая радиационная стойкость.
Сравнение зависимости температуры от уровня выходной мощности и коэффициента передачи нитрид-галлиевых и арсенид-галлиевых транзисторов с одинаковой шириной затвора показывает, что рабочая температура активной области GaN СВЧ-транзистора может быть увеличена с 90 до 150 °С [5]. Транзисторы на основе нитрида галлия представляют, в первую очередь, интерес как мощные СВЧ-приборы [6, 7]. Но нитрид-галлиевые структуры весьма перспективны и для малошумящих транзисторов, которые устойчивы к воздействию уровней СВЧ мощности до 50 Вт, что позволяет применять их в приемных устройствах радиолокационных станций без устройств защиты [8].
Другим преимуществом применения нитрид-галлиевых СВЧ-транзисторов в ППМ АФАР является более высокий коэффициент полезного действия транзисторных каскадов по сравнению с арсенид-галлиевыми.
2. Модули современных радиоэлектронных систем
Важнейшей задачей при создании современных РЭС, использующих сложные кодированные сигналы, является реализация длинно-импульсных режимов работы.
При работе модуля в длинно-импульсном режиме важным является качество передаваемого ЛЧМ-сигнала. Основным параметром, определяющим уровень искажений ЛЧМ-сигнала в усилителе мощности, является спад вершины радиоимпульса.
Проведенные исследования зависимости формы СВЧ-импульса от уровня мощности СВЧ-транзистора показали, что такая зависимость весьма существенна (рис. 1). При уровне СВЧ-мощности Р ~ 60 Вт спад амплитуды составляет около 12 % (рис. 1 а), а при Р ~ 4 Вт эта величина менее 4% (рис. 1,6) [9].
Рис. 1. Зависимость формы СВЧ-импульса от уровня мощности СВЧ-транзистора, обусловленная изменением температуры рабочей области СВЧ-транзистора за время импульса
Это связано с разогревом кристаллов выходных транзисторов в начальный момент времени [10].
Для реализации СВЧ-модулей с более высокой идентичностью фазовых характеристик необходимо снижать уровень мощности в передающем канале, используя многоканальные ППМ (рис. 2).
Рис. 2. Многоканальный твердотельный приемо-передающий
модуль Х-диапазона
202
Многоканальный ППМ на основе нитрид-галлиевых СВЧ -транзисторов ЗПШ997Г с выходной мощностью 5 Вт на канал обеспечивает разброс фаз каналов АФ, составляющий менее 10° (рис. 3).
енг
Рис. 3. Разброс фаз каналов Л Ф многоканальных ППМ
Высокие значения КПД при режимах работы с коэффициентами компрессии не более 3 дБ являются ещё одним преимуществом нитрид-галлиевых СВЧ транзисторов.
СВЧ-модуль с выходной мощностью 20 Вт (рис. 4) обеспечивает значения КПД передающего канала более 60 %.
Рис. 4. Приемо-передающий модуль АФАР космического назначения
Реализация преимуществ применения усилителей мощности на нитрид-галлиевых транзисторах состоит в возможности увеличить время непрерывной работы АФАР космического назначения на одном из витков работы.
Расчеты показывают (рис. 5), что применение в ППМ усилителей мощности на нитрид-галлиевых транзисторах позволяет увеличить время непрерывной работы АФАР в три раза на одном из трех витков относительно равновесного режима работы за счет возможности повышения допустимых значений рабочих температур ППМ АФАР на -50 °С.
203
г, к
О 3« «> 90 120 150 2)[> 24(1 370 ЗШ
Время непрерывной работы, мин
Рис. 5. Сравнение времени непрерывной работы АФАР при использовании ППМ на арсенид-галлиевых транзисторах (1) и нитрид-галлиевых транзисторах (2)
3. Сопоставление спецстойкости нитрид-галлиевых и арсенид-галлиевых СВЧ-гетеротранзисторов и кремниевых МОП-транзисторов
Особенности функционирования космических систем предъявляют к ЭКБ особые требования. Это, прежде всего, стойкость к специальным радиационным воздействиям.
Данные по спецстойкости указанных приборов приведены в табл. 1
[11].
Таблица 1
Стойкость СВЧ транзисторов, изготовленных по разным
технологиям, к воздействию специальных факторов
№ п/п Технология изготовления Характеристика стойкости к специальным факторам
7.И 7.С 7.К
1 Нитрид-галлиевые СВЧ гетеротранзисторы 6.Ус 5.Ус 3К
2 Арсенид-галлиевые СВЧ гетеротранзисторы 5Ус 5.Ус 3К
3 Кремниевые КМОП-транзисторы 3Ус 3Ус 2К
Проведенные дополнительные испытания показали, что нитрид-галлиевые гетеротранзисторы могут даже обладать стойкостью 4К при воздействии фактора 7К.
Испытания показывают, что ОаКЭКБ обладает повышенной устойчивостью к специальным воздействиям: до 80 МэВ-см /мг,ОаЛБ ЭКБ является устойчивой к специальным воздействиям до 60 МэВ-см/мг. Вместе с тем, ЭКБ на основе кремниевых КМОП-транзисторов является устойчивой к специальным воздействиям только до 20 МэВ-см /мг.
204
Физические причины повышенной стойкости приборов на основе ОаК по сравнению с приборами на основе ОаЛБ и 81 связаны с более плотной упаковкой атомов в решетке ОаК табл. 2 [12].
Таблица 2
Связь пороговой энергии Еаразрушения решетки разных полупроводников с постоянной решетки аоэтих полупроводников
Полупроводник ОаЛБ 81 ОаК
а0, Л 5,65 5,43 3,15
Её, эВ 9 12,8 145
Из данных, приведенных в табл. 2, следует, что энергия, приводящая к разрушению решетки ОаК, более чем на порядок выше, чем для решеток арсенида-галлия и кремния.
Данные устойчивости некоторых микромодулей на основе ОаК, разработанных в АО «НПП «Пульсар», к воздействию спецфакторов приведены в табл. 3.
Таблица 3
Устойчивость к воздействию спецфакторов микромодулей на основе ОаЩ освоенных в производстве
№ п/п Наименование микромодулей Назначение Группа стойкости
1 М421350 Усилитель мощности в диапазоне частот от 0,9 до 4,1 ГГц с выходной мощностью не менее 60 Вт 7.И1, 7.Иб, 7.С2, 7.С4
2 М421342-1 М421342-1 Усилитель мощности в диапазонах частот от 4 до 8 ГГц с выходной мощностью 5Вт и от 8 до 18 ГГц с выходной мощностью 3 Вт 7.И1, 7.И6, 7.И7, 7.С1, 7.С4, 7.К1, 7.К4
3 М421351 Усилитель мощности в диапазоне частот от 4 до 12 ГГц с выходной мощностью не менее 10 Вт 7.И1, 7.И6, 7.И7, 7.С2, 7.С4.
4 М421353-1 М421353-2 Малошумящий усилитель в диапазонах от 5 до 6 ГГц с Кш < 2дБ и от 9,5 до 11 ГГц с Кш < 2,5 дБ 7.И1 - 7И8
Выводы
Представлены результаты использования нитрид-галлиевых приборов при создании аппаратуры для радиоэлектронных систем, иллюстрирующие возможности, которые открываются при внедрении интегрированных многофункциональных СВЧ-приемопередающих модулей в АФАР космического назначения.
Разработанные приборы и модули позволяют:
1) увеличить коэффициент полезного действия усилителей мощности ППМ с 25 до 55 %;
2) увеличить температуру активной области СВЧ-транзисторов на 50 °С, что позволит увеличить время непрерывной работы космического аппарата на витке в 3 раза;
3) поднять уровень выходной мощности ППМ в 3 раза до 20 Вт;
4) обеспечить устойчивую работу приемных каналов ППМ при воздействии синхронных и несинхронных помех за счет существенного упрощения и уменьшения размеров устройств защиты, что позволяет реализовать двухканальный приемник в размере одноканального приемника для реализации параллельного приема сигналов H и V поляризаций;
5) повысить чувствительность приемного канала, увеличив энергетический потенциал РЛС на 50...70 % (1,5...2дБ) по сравнению с арсенид-галлиевыми прототипами.
Список литературы
1. Груздов В.В., Колковский Ю.В. нитрид-галлиевая электроника для космических систем // ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА. Сложные функциональные блоки РЭА: материалы научно-технической конференции. М.: ОАО «НПП «Пульсар», 2015. С. 9 - 13.
2. Груздов В.В., Колковский Ю.В., Миннебаев В.М. СВЧ-электроника на основе нитрида-галлия - основное направление создания радиоэлектронных систем // Электронная техника Сер 2, Полупроводниковые приборы, 2013. Вып. 2 (231). С. 88 - 101.
3. Колковский Ю.В., Миннебаев В.М. Применение GaN-устройств в условиях космического пространства // Электронная техника. Сер 2, Полупроводниковые приборы. 2014. Вып. 2 (233). С. 20 - 25.
4. Груздов В.В., Колковский Ю.В. Критические технологии - основное направление создания СВЧ-радиоэлектронных систем //Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА: материалы XIII Научно-технической конференции 8 - 10 октября 2014 г. Дубна. С. 7 - 9.
5. A 90-W Peak Power GaN Outphasing Amplifier With Optimum Input Signal Conditioning / Jawad H. Qureshi [et al.] // IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES. 2009, VOL. 57. NO. 8. P. 1925.
6. Куэй Р. Электроника на основе нитрида галлия / пер. с англ.; под ред. А.Г. Васильева. М.: Техносфера, 2011. 592 с.
7. Кищинский А.А. Широкополосные транзисторные усилители мощности СВЧ-диапазона - смена поколений // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2010. №2.
8. Перевезенцев А.В. Четырехканальный приемник Х-диапазона на GaN- и SiGe-микросхемах // Электронная техника. Сер 2. Полупроводниковые приборы. 2011. Вып. 2 (227). С.114 - 119.
9. Фазостабильный 200-ваттный GaN усилитель мощности Х-диапазона / О.В. Борисов [и др.] // Электронная техника. Сер 2. Полупроводниковые приборы. 2013. Вып. 1 (230). С. 31 - 36.
10. Глыбин А.А., Колковский Ю.В., Филатов А.Л. Температурная нестабильность параметров СВЧ-сигнала в GaN- СВЧ-транзисторах // Электронная техника. Сер 2. Полупроводниковые приборы. 2012. Вып. 1 (229). С. 35 - 36.
11. Груздов В.В., Колковский Ю.В., Миннебаев В.М. Спецстойкая электроника - основа космических систем // Международный форум «Микроэлектроника-2016». 2-я Научная конференция «Интегральные схемы и микроэлектронные модули». Республика Крым, г. Алушта, 26 - 30 сентября 2016 г. М.: Техносфера, 2016. С. 50 - 54.
12. Барбашов В.М., Громов Д.В.. Радиационные эффекты в наноге-тероструктурных СВЧ-приборах и интегральных схемах: учеб. пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2013. 129 с.
Груздов Вадим Владимирович, канд. экон. наук, проф., генеральный директор, EMinakov@,bk.ru, Россия, Москва, АО ««НПП «Пульсар»,
Колковский Юрий Владимирович, д-р техн. наук, проф., заместитель генерального директора, EMinakov@,bk.ru, Россия, Москва, АО «НПП «Пульсар»,
Миннебаев Вадим Минхатович, канд. техн. наук, доц., начальник отделения, EMinakov@,bk.ru, Россия, Москва, АО «НПП ««Пульсар»
ELECTRONIC COMPONENTS BASED ON ALGAN/GAN/SIC MICROWA VE GETEROTRANSISTORS FOR SPACE SYSTEMS
V. V. Gruzdov, Yu. V. Kolkovsky, V.M. Minnebaev
It is shown that a new level of modern microwave electronics is provided by specialized ECB consisting of the functional complete subsystems - microwave integrated functional modules - based on the new semiconductor material gallium nitride. The transceiver modules (TRM) ensuring the implementation of the active phased array (APA) were considered. The data on which it follows that the devices and blocks with geterotransistors based on GaN have higher radiation resistance as compared to gallium arsenide and silicon devices. Greatest advantage of microwave devices on gallium nitride possess when used in space systems operating in the conditions of influence of space factors.
Key words: Devices and radio units based on GaN, transceivermodules for space systems, radiation resistance of transistors based on GaN, GaAs and Si.
Gruzdov Vadim Vladimirovich, candidate of economic sciences, professor, general director, EMinakov@,bk. ru, Russia, Moscow, JSC «S&PE «Pulsar»,
207
Kolkovsky Yuriy Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, deputy general director, llMinakovahk.ru, Russia, Moscow, JSC «S&PE «Pulsar»,
Minnebaev Vadim Minhatovich, candidate of technical sciences, docent, head of department, llMinakovahk.ru, Russia, Moscow, JSC «S&PE «Pulsar»
УДК 623
КОМПЛЕКСНОЕ ОПИСАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ПАРТИИ БОЕПРИПАСОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СТРАТЕГИЯХ
ЭКСПЛУАТАЦИИ
А.В. Евсюткин, Д.Н. Рыжов
Разработана модель поведения боеприпасов в многорежимной эксплуатации, представлен математический аппарат, для реализации модели поведения боеприпасов в многорежимной эксплуатации при управлении эксплуатацией по ресурсу позволяющий получить предельную вероятность пребывания боеприпасов в работоспособном состоянии.
Ключевые слова: управление эксплуатацией боеприпасов, техническое состояние.
При разработке документов по организации эксплуатации и контроля технического состояния (ТС) вновь создаваемых образцов артиллерийских боеприпасов, а также при доработке нормативно-технической документации существующих образцов требуется оценка различных стратегий организации эксплуатации боеприпасов, которая невозможна без организации контроля их ТС и последующего обоснования рациональной программы эксплуатации. Решение этой задачи связано на первом этапе с формализацией описания многорежимной эксплуатации партии боеприпасов с применением единого подхода и обобщенного критерия оценки программ. Задача в общем виде может быть сформулирована следующим образом: обеспечить разработку такой программы проведения эксплуатационно-технических мероприятий, при которой достигаются наименьшие затраты на поддержание ТС боеприпасов с учетом возможности его восстановления при величине коэффициента готовности на уровне не ниже заданного требования, который и будет являться критерием оценки программ эксплуатации.
В основе решения предлагается использовать модель поведения боеприпасов в многорежимной эксплуатации.
В качестве типовых режимов эксплуатации технических систем рассматриваются их освоение А0, хранение и ожидание А1, контроль технического состояния А2, техническое обслуживание А3, ремонт А4, транспортирование А5, и применение по назначению А6, [1]. При эксплуатации
208
