CC BY
533
УДК 621.396.61
МОЩНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ ДЛЯ ПЕРЕДАТЧИКОВ БОРТОВЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Р.Ю. МАЛАХОВ, Е.М. ДОБЫЧИНА
Статья представлена доктором технических наук, профессором Татарским Б.Г.
Рассмотрен мировой технический уровень и тенденции развития технологии СВЧ транзисторов, предназначенных для использования в усилителях мощности для перспективных цифровых антенных решеток бортовых радиолокационных систем.
Ключевые слова: ППМ, цифровая антенная решетка, АФАР.
1. Введение
В настоящее время СВЧ - технологии являются основными при проектировании сложных современных радиочастотных систем - радаров различного назначения, средств радиоэлектронной борьбы и связи [1]. В этих приложениях СВЧ устройства должны обеспечивать заданный уровень выходной мощности, работать на большой частоте и при высоких температурах. Для усилителей мощности (УМ), входящих в состав передатчиков таких систем, в дополнение к перечисленным требованиям необходимы также высокий коэффициент полезного действия (КПД), возможность функционирования в широкой полосе частот, малые массогабаритные параметры.
Технология активных фазированных антенных решеток (АФАР) на сегодня является доминирующей при построении различных радиоэлектронных систем, в основном военных. Ключевым элементом АФАР является располагающийся непосредственно за элементарным излучателем антенны приемопередающий модуль (ППМ), основа которого - твердотельные усилительные элементы. В зависимости от частотного диапазона это могут быть транзисторы, от характеристик которых зависит функциональность и возможности модуля в целом.
При разработке АФАР главными ограничениями являются габариты, вес и цена. В последние годы военные акцентируют внимание на АФАР самолетного и корабельного базирования. При этом основное требование к узлам АФАР - обеспечение динамического структурирования в реальном времени, когда изменение параметров решетки происходит только программными средствами. Одновременно АФАР должны быть широкополосными и многофункциональными, включать в состав аналого-цифровые преобразователи (АЦП), использовать цифровое формирование луча. Высокие требования предъявляются и к компонентам узлов: так, транзисторы должны иметь наработку на отказ не менее 1 млн. часов и работать при температуре до 1500С. В состав АФАР должны входить несколько десятков тысяч ППМ для многолучевого сканирования в двух плоскостях.
В настоящее время основные усилия производителей нацелены на СВЧ технологии и субсистемы. Это подразумевает несколько основных направлений разработок, среди которых твердотельные АФАР, стоящие на первом месте, а также усилители мощности с высоким КПД, полупроводники (КМОП, БЮе, 1пР, ОаЛБ, ОаК) высокого уровня интеграции, высокой мощности и предельного быстродействия, модули ППМ высокой чувствительности, цифровые приемопередатчики, узлы и устройства предельной широкополосности и чувствительности, переключатели на микроэлектромеханических системах (МЭМС), использование диапазона частот 27-40 ГГц для повышения разрешения и точности РЛС.
2. Проблемы создания современных ППМ АФАР
Г абаритные размеры ППМ АФАР определяются возможностью размещения их в антенной решетке [2]. Для исключения побочных максимумов при сканировании шаг решетки не должен значительно превышать XI2. Проблема миниатюризации решается при исполнении активного модуля (АМ) в виде интегральной (ИС) или монолитной схемы (МИС) [3], что в свою очередь, вследствие малых размеров полупроводниковых приборов, приводит к большому локальному тепловыделению и необходимости применения эффективных устройств охлаждения. Поэтому, одним из ключевых требований к УМ в составе ППМ АФАР с цифровым диаграммообразова-нием является его КПД, который должен превышать 50%. Возможное значение КПД всего модуля во многом предопределяется тепловыми характеристиками оконечных усилителей (КПД, структурой), режимом их работы и типом используемой подложки (GaAs, GaN, Si, SiC, C). Для получения высоких значений КПД транзистор должен работать в нелинейном режиме, что приводит к снижению усиления, появлению высших гармоник, искажению выходного сигнала. Вследствие тенденции к увеличению полосы передаваемого сигнала (широкополосные системы РЭБ, сверхширокополосные локаторы зондирования местности, интегрированные антенные комплексы) фильтрация таких гармоник путем схемотехнических решений становится крайне трудной задачей. Спектр передаваемого сигнала искажается и, следовательно, ухудшаются дальнометрические и точностные характеристики АФАР.
Одной из главных тенденций повышения функциональности АФАР является использование цифрового диаграммообразования (ЦДО). Сущность цифрового диаграммообразования заключается в том, что диаграмма направленности (ДН) антенной решетки формируется не аналоговыми устройствами (фазовращателями), а цифровыми, например квадратурными фазовыми манипуляторами, или цифровыми линиями задержки, входящими в состав каждого ППМ. Манипулятор вносит в канал дополнительный, управляемый цифровым способом или программируемый, дискретный фазовый сдвиг, создавая необходимое фазовое распределение (АФР) в решетке или корректируя его.
3. Современный уровень технологии мощных СВЧ транзисторов и интегральных схем
Технологии, используемые до настоящего времени в проектировании УМ, такие как Si-LDMOS (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductors - смещено-диффузионная МОП технология) или GaAs pHEMT (pseudomorphic High Electron Mobility Transistor - псевдоморфные транзисторы с высокой подвижностью электронов), достигли своего предела [4]. Главным недостатком является их частотный диапазон, ограниченный примерно 4 ГГ ц. Однако интенсивные исследования в области полупроводниковых материалов в последние годы сделало возможным разработку технологий изготовления новых устройств на новых широкозонных материалах, таких как GaN и SiC. Одной из самых многообещающих СВЧ технологий ближайших лет является AlGaNIGaN pHEMT с достигнутыми плотностями мощности до 30 Вт/мм на SiC подложках [5], 12 Вт/мм на кремниевых [6] и сапфировых [7] подложках, 9.4 Вт/мм на GaN подложках [8]. Эти работы показывают улучшение в десять и больше раз в плотностях мощности по сравнению с технологиями на других материалах, таких как GaAs или кремний. Основными преимуществами GaN транзисторов перед GaAs являются [9]:
- существенно более широкая полоса рабочих частот;
- высокий КПД, уменьшение сложности и стоимости системы охлаждения;
- меньшие размеры (уменьшения ширины затвора) при сохранении требуемого уровня выходной мощности. При одинаковой выходной мощности и усилении габариты и масса (без радиатора охлаждения) GaN-усилителя в 2-4 раза меньше, чем у аналогичного GaAs-усилителя;
- высокий уровень выходной мощности;
- простота и дешевизна схемотехнической реализации мощных усилителей;
- более высокие значения входных и выходных импедансов, что упрощает процесс согласования.
Являясь широкозонным материалом, ОаК может иметь очень высокие значения пробивных напряжений и плотности тока (высокая выходная мощность) и выдерживать высокую канальную рабочую температуру. Все эти факторы улучшают стабильность характеристик усиления А1ОаК/ОаК НЕМТ при изменении режима или внешних воздействиях. Возможность выращивания кристаллов А1ОаК/ОаК на Б1С подложках, имеющих высокую теплопроводность, делают эту технологию оптимальной для мощных СВЧ устройств. Несмотря на возможные значения выходной мощности, дисперсия тока является главным препятствием для достижения требуемой мощности. Даже для А1ОаК/ОаК на высокотеплопроводных Б1С подложках наблюдается возрастание температуры устройства при его функционировании. Также недостатком ОаК транзисторов является более низкая надежность (наработка на отказ составляет в среднем 105 часов при допустимой рабочей температуре кристалла Т=2000С) и максимальная выдерживаемая температура (Т=320-3500С) по сравнению с ОаАБ (106 часов при рабочей температуре Т=2000С и максимальной температуре Т=370-3900С соответственно). В табл. 1 обобщены параметры различных полупроводниковых материалов, использующихся в СВЧ - технике.
Большая ширина запрещенной зоны позволяет работать транзистору под большими рабочими напряжениями. Транспортные электронные характеристики (скорость насыщения, подвижность зарядов, концентрация электронов) определяют частотные свойства материала. Диэлектрическая постоянная определяет размер устройства и величину выходной емкости (большая постоянная - большая емкость).
Таблица 1
Сравнительные характеристики СВЧ-полупроводниковых материалов
Параметр Si GaAs SiC GaN InP
Ширина запрещенной зоны, эВ 1.11 1.43 3.2 3.4 1.35
Подвижность электронов (см /В-с) 1500 8500 700 1000- 2000 5000
Подвижность дырок (см /В-с) 450 350 120 300 -
Дрейфовая скорость насыщения электронов (107 см/сек) 1.0 1.3-2.1 2.0 1.5-2.1 1.5
Теплопроводность (Вт/см*К) 1.5 0.46 4.9 1.5 0.7
Относительная диэлектрическая постоянная 11.9 12.5 10 9.5
Концентрация электронов области 2Б-электронного газа, см" - 3*1012 - 2*1013 -
Большие значения плотности мощности на единицу площади переходов GaN транзисторов привели к тому, что их выращивают на подложках с высокой теплопроводностью, обеспечивая тем самым необходимый теплоотвод. Выбор подходящей подложки является ключом к эффективному использованию всех возможностей широкозонных полупроводников. В табл. 2 представлены сравнительные характеристики современных подложек для УМ, из которой можно сделать вывод, что SiC является на данный момент наиболее перспективным, хотя и дорогим материалом для подложек мощных GaN транзисторов. По состоянию на 2004 год, 85% рынка SiC-подложек принадлежит компании Cree. Она первой начала коммерческое производство 4H-SiC-пластин. В настоящее время стоимость 75-мм полуизолирующей SiC-подложки колеблется от 4 до 5 тысяч долларов.
AlN, хоть и уступает по теплопроводности SiC, но в качестве подложки для GaN-приборов более предпочтителен, благодаря соответствию их кристаллических структур. В настоящее время цены на AlN подложки крайне высоки, а их качество (плотность дефектов) не отвечает требованиям для крупномасштабного производства.
Таблица 2
Сравнительные характеристики СВЧ подложек для ЛЮаК/ОаК НЕМТ
Параметр Бі Л1203 (сапфир) БіС ЛІК
Теплопроводность (Вт/см*К) 1.5 0.42 4.9 3-3.4
Величина напряжения пробоя (МВ/см) 0.3 0.4 2 1.2-1.8
Диэлектрическая постоянная 11.8 8.6 10 8.5
Несогласованность кристаллической решетки с ОаК (%) ~-17 ~-16 -+3.5 2.4
Доступные размеры подложек (дюйм) 12 6 4 4
Цена (относительно Б1) Низкая Низкая Высокая Средняя
Сопротивление (Ом/см) 104 >106 105-108 107
Тангенс диэлектрических потерь 1*10-5 3*10-5 3*10-3 1*10-3
Базовая структура Л1ОаК/ОаК рНЕМТ представлена на рис. 1. Псевдоморфный транзистор с высокой подвижностью заряда (рНЕМТ) представляет собой полевой транзистор, в котором для создания канала используется контакт двух полупроводников (Л1ОаК и ОаК) с различной шириной запрещенной зоны. Транзисторы на гетеропереходах, как показано в табл. 3, обладают лучшими, по сравнению с обычными транзисторами, частотными и инерционными свойствами, а наличие разделительного слоя между полупроводниками позволяет еще больше увеличить максимальную рабочую частоту.
Донорный слой АЮаМ; легированный
Разделительный слой АЮаК; нелегированный
2-х мерный Электронный газ (2-ОЕО)
Зародышевый слой: СаЫ/АШ/АЮаН
Рис. 1. Базовая структура Л1ОаК/ОаК рНЕМТ
В результате различий постоянных кристаллических решеток двух полупроводниковых материалов, формирующих гетеропереход, происходит ухудшение производительности структуры. Одним из способов устранения этого недостатка гетероструктурных транзисторов является использование настолько тонкого легированного донорного слоя (Л1ОаК), что его кристаллическая решетка растягивается до соответствия другому материалу (ОаК). Такие транзисторы называют псевдоморфными.
Хотя ОаК НЕМТ технология является весьма привлекательной для производителей УМ нового поколения, совершенствование ОаЛБ транзисторов не прекращается и в настоящее время. Номенклатура выпускаемых ОаК усилительных МИС пока в десятки (если не в сотни) раз
меньше, чем ОаЛБ МИС, однако, фаза промышленного освоения этой технологии только началась и следует ожидать в ближайшие 2-3 года резкого расширения предложений на этом рынке.
Также не стоит упускать из вида и другой широкозонный материал - Б1С, который хоть и является более низкочастотным, но также способен обеспечить крайне высокие усилительные и тепловые характеристики. В ближайшее десятилетие частотный диапазон 1-50 ГГц станет ареной серьезной борьбы двух промышленных технологий мощных твердотельных интегральных схем, практически равных по частотным и усилительным свойствам, одна из которых обладает серьезными преимуществами в параметрах (ОаК), другая (ОаЛв) - в себестоимости и уровне освоенности в массовом производстве [9].
Таблица 3
Сравнительный обзор технологий коммерчески доступных СВЧ транзисторов
Наименование Тип Г раничная частота, ГГц Коэффициент шума, дБ Плотность мощности, Вт/мм
Si BJT биполярный 10 2 1.5
GaAs HBT биполярный 20 3 4
GaAs FET полевой 15 1 1
GaAs PHEMT полевой 50 1 1.5
GaN HEMT полевой >50 1 >7
SiC FET полевой 10 3 5
Одним из направлений применения GaN транзисторов является совершенствование характеристик импульсных твердотельных радаров АФАР в L-, S- и X-диапазонах. В работе [10] описан выходной широкополосный ППМ АФАР, работающий в диапазоне частот от 8.7 до
11.5 ГГ ц. Модуль в целом обеспечивает выходную мощность в режиме передачи 20 Вт. Специалистами института NEDI (Нанкин, КНР) продемонстрирован четырехкристалльный внутри-согласованный транзистор X-диапазона с выходной мощностью в непрерывном режиме 110 Вт и КПД 38% [11]. В S-диапазоне (2.9-3.3 ГГц) уровень импульсной выходной мощности GaN транзисторов приближается к 1000 Вт при КПД более 50% [12] для импульсного режима со скважностью 10 и длительностью импульса 200 мкс.
Одним из очевидных применений GaN транзисторов и МИС являются системы радиопротиводействия, традиционно перекрывающие многооктавные полосы частот в дециметровом и сантиметровом диапазонах. Одной из целевых задач, например, американской программы WBGSTI была разработка МИС усилителя в диапазоне 2-10 ГГц с выходной мощностью 15 Вт и на ее основе усилительного модуля с выходной мощностью 100 Вт. Эта задача уже близка к реализации, компанией TriQuint разработан монолитный усилитель с полосой 2-17 ГГц и выходной мощностью 8-12 Вт [13]. Отметим, что современные серийные GaAs МИС в этом диапазоне имеют выходную мощность 1 Вт. В работе [14] описан УМ на GaN с выходной мощностью 100 Вт, работающий в S-диапазоне и имеющий КПД 58%. В [15] был представлен AlGaN/GaN HEMT ключевой усилитель класса E с достигнутыми значениями КПД 85% в L-диапазоне.
В L и S-диапазонах характеристики, схожие с GaN, достигают транзисторы на другом широкозонном материале - SiC. Главным его недостатком является невозможность создания на нем гетероструктур. Вследствие низкой подвижности носителей рабочие частоты SiC-приборов не превышают 4-7 ГГ ц. Однако SiC обладает высокой плотностью мощности и большой теплопроводностью, что позволяет им доминировать в УМ над GaN на низких частотах. Фирмой Cree был разработан SiC MESFET с номинальной выходной мощностью около 80 Вт, линейным усилением в 12 дБ в полосе 0.9-1,6 ГГц и КПД свыше 40%. Помимо мощных дискретных транзисторов компания Cree освоила процесс изготовления SiC МИС на 75-мм пластинах. Их базовыми элементами служат MESFET с шириной затвора 0,5 мкм. Плотность мощности MESFET -4Вт/мм, КПД 60% (при комнатной температуре), рабочее напряжение 50 В, рабочая частота
достигает 6 ГГц. При выходной мощности 3,8 Вт на частоте 3,5 ГГц транзисторы демонстрируют КПД 68%/
Основной функциональный состав коммерчески доступных в настоящее время GaN транзисторов и их параметры достаточно близки. Универсальные корпусные транзисторы поставляются в малогабаритных металлокерамических фланцевых или SMD-корпусах, имеющих относительно малые паразитные емкости, и, в зависимости от мощности и диапазона частот, обеспечивают в непрерывном режиме полосу рабочих частот от 30% до октавы и более. Исключением являются дискретные транзисторы серии TGF2023 фирмы TriQuint Semiconductor, поставляемые в виде кристаллов и работоспособные до частот 20 ГГц и более.
Наиболее широкая номенклатура GaN транзисторов, работающих в X-диапазоне, представлена фирмой TriQuint Semiconductor. Основой продуктовой линейки является дискретный транзистор TGF2023-01, используя который в качестве элементарной ячейки, были разработаны кристаллы с номинальной выходной мощностью в 25, 50 и 100 Вт. Внешний вид элементарной ячейки TGF2023-01 представлен на рис. 2.
Рис. 2. Внешний вид транзистора TGF2023-01
Для оценки возможности использования TGF2023-01 в передатчиках современных бортовых радиолокационных комплексов в САПР была разработана его нелинейная модель, базирующаяся на модели [16, 17]. При входной мощности в 25 дБ расчетное значение КПД составило не менее 50%, коэффициент усиления по мощности не менее 13,8 дБ, выходная мощность от
7,5 до 8.5 Вт в полосе рабочих частот [18]. Спроектированные согласующие цепи обеспечили входной и выходной коэффициенты стоячей волны (КСВ) не более 1,78 в диапазоне от 9,1 до 9,7 ГГц. Полученные графики зависимости КСВ от частоты представлены на рис. 3.
Рис. 3. Входной (сплошная линия) и выходной (прерывистая линия)
КСВ согласованного усилителя на TGF2023-01
4. Заключение
AlGaN/GaN транзистор на SiC является лучшим претендентом для использования в усилительных каскадах современных ППМ АФАР. Высокие значения КПД и плотности мощности на единицу ширины затвора обеспечивают значительное снижение массогабаритных характеристик УМ на их основе, а значит, и всего бортового радиолокационного комплекса в целом.
ЛИТЕРАТУРА
I. A. Jarnal. Large-Signal Modeling of GaN Device for High Power Amplifier Design. - Kassel: Kassel University press GmbH, 2007. - 107 p.
2 Активные фазированные антенные решетки / под ред. Д.И. Воскресенского, А.И. Канащенкова. - М.: Радиотехника, 2004.
3. F. Sechi, Solid-State Microwave High-Power Amplifiers. - Norwood: Artech House, 2009. - 307 p.
4. W. Nagy, Linearity Characteristics of Microwave-Power GaN HEMTs // IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Feb. 2003, vol. 51, P. 660-664.
5. Y. - F. Wu et al., 30-W/mm GaN HEMTs by Field Plate Optimization // IEEE Electron Device Letters, March 2004, vol. 25, P. 117-119.
6. J.W. Johnson et al., 12 W/mm AlGaN-GaN HFETs on Silicon Substrates // IEEE Electron Device Letters, July 2004, vol. 25, P. 459-461.
7. A. Chini et. al., 12 W/mm Power Density AlGaN-GaN HEMTs on Sapphire Substrates // IEEE Electron Device Letters, Jan. 2004, vol. 40, P. 73-74.
8. K.K. Chu et. al., 9.4-W/mm Power Density AlGaN-GaN HEMTs on Free-Standing GaN Substrates // IEEE Electron Device Letters, Sept. 2004, vol. 25, P. 596-598.
9. Кищинский А. Твердотельные СВЧ усилители мощности на нитриде галлия - состояние и перспективы развития // Материалы 16-й междунар. Крымской конф. “СВЧ - техника и телекоммуникационные технологии”, Севастополь, Вебер, 2009, С. 11 - 16.
10. P. Schuh, GaN MMIC based T/R-Module Front-End for X-Band Applications // EwMIC Conference Proceedings, 2008, P. 274-277.
II. ShiChang Zhong et al., AlGaN/GaN HEMT with over 110 W Output Power for X-Band // EwMIC Conference Proceed-ings, 2008, P. 91-94.
12. E.Mitani et al., An 800-W AlGaN/GaN HEMT for S-band High-Power Application // CS MANTECH Conference, May 14-17, 2007, P. 213-216.
13. G.Wilcox, M.Andrews. TriQuint Delivers High Power - Wide-band GaN Technology // Microwave Product Digest, 2009, №1, P. 67-71.
14. Arata Maekawa et. al., A 100W High-Efficiency GaN HEMT Amplifier for S-band Wireless System // 13th GAAS Symposium - Paris, Sept. 2005, P. 497-500.
15. S. Sheppard et. al., High-Efficiency Using AlGaN/GaN HEMTs on SiC // CS MANTECH Conference, Vancouver, Canada, April 2006, P. 175-178.
16. I. Angelov et.al., On the large-signal modeling of AlGaN/GaN HEMTs and SiC MESFETs // Gallium Arsenide and Other Semicond. Appl. Symp., Oct. 2005, P. 309-312.
17. L. Sang, Y. Xu et. al, Large Signal Equivalent circuit model for package AlGaN/GaN HEMT // Progress in Electromagnetics Research Letters, 2011, Vol. 20, P. 27-36.
18. Малахов Р.Ю. Усилители мощности цифровых ППМ «smart» - антенн // 10-я междунар. конф. «Авиация и космонавтика - 2011» // Тезисы докладов. - СПб.: Мастерская печати, 2011. - С. 200-201.
POWER TRANSISTORS FOR ON-BOARD RADAR TRANSMITTERS
Malachov R.U., Dobychina E.M.
World technical level and progress trend of existence RF power transistor technologies for usage in transmitter power amplifiers for next-generation radar digital antenna arrays was carried out.
Key words: TRM, digital antenna array, AESA.
Сведения об авторах
Малахов Роман Юрьевич, 1989 г.р., окончил МАИ (2011), аспирант кафедры радиофизики, антенн и микроволновой техники МАИ, область научных интересов - приемопередающие модули АФАР, математическое моделирование СВЧ устройств.
Добычина Елена Михайловна, окончила МАИ (1983), доцент кафедры радиофизики, антенн и микроволновой техники МАИ, кандидат технических наук, автор более 20 научных работ, область научных интересов - радиофизика.
