Рубрика: СВЧ-электроника
УДК 621.382.32
ВАК 2.2.2
В. Бельков, П. Куршев, И. Семейкин, А. Цоцорин
№ 7/2022, “ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технологии, Бизнес”
АО «НИИЭТ» разработан компактный мощный СВЧ-транзистор на основе нитрида галлия для диапазона 6–6,4 ГГц, обладающий высоким потенциалом применения для перспективных телекоммуникационных систем. Новый прибор отличается не только улучшенными характеристиками, но простотой применения благодаря в том числе малой частотной неравномерности коэффициента усиления по мощности и высокому входному импедансу.
Рост скоростей передачи данных в современных телекоммуникационных системах, а также увеличение абонентской емкости стационарных точек доступа и базовых станций мобильной связи приводят к необходимости использования более высоких частот. Новое поколение 6E стандарта Wi-Fi (802.11ax) в дополнение к применяемым в настоящее время диапазонам 2,4 и 5 ГГц будет работать в диапазоне 6 ГГц. В этом же диапазоне работают различные телекоммуникационные системы «точка-точка» и «точка-мультиточка» других стандартов. Кроме того, в России в феврале этого года было начато тестирование оборудования сотовых сетей 5G+ также в диапазоне 6–7 ГГц [1], который находится в верхней части FR1 и может обеспечить дополнительные частоты при недоступности «золотого диапазона» 3,4–3,8 ГГц.
Таким образом, часть C-диапазона в области 6 ГГц является перспективной для оборудования гражданской связи и телекоммуникаций нового поколения, а следовательно, можно ожидать высокую потребность у разработчиков аппаратуры в СВЧ ЭКБ для этого диапазона.
Понимая потребность потребителей в высоких и стабильных характеристиках СВЧ ЭКБ, ее миниатюризации, а также в удобстве ее применения, АО «НИИЭТ» разработал мощный внутрисогласованный СВЧ-транзистор для работы в диапазоне частот 6,0–6,4 ГГц, воспользовавшись возможностями, которые предоставляет применение в качестве материала таких транзисторов нитрида галлия. Особенностью нового прибора является малая частотная неравномерность коэффициента усиления по мощности и высокий входной импеданс, что существенно облегчает применение данного транзистора в многокаскадных усилителях мощности радиопередающих устройств.
Преимущества нитрида галлия как базового материала мощных СВЧ-транзисторов
Нитрид галлия (GaN) представляет собой полупроводниковый материал, обладающий рядом свойств, которые делают эффективным его использование для изготовления, прежде всего, таких приборов, как силовые и СВЧ-транзисторы. Среди характеристик, которые определяют перспективность данного материала, – широкая запрещенная зона (3,39 эВ против 1,12 эВ у кремния), высокая критическая напряженность поля (3,3 МВ/см, тогда как у кремния она составляет 0,3 МВ/см) и достаточно высокая дрейфовая скорость насыщения электронов (в 2-3 раза выше, чем у кремния). Благодаря этим свойствам на основе GaN-гетероструктур создаются полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT), для которых характерны повышенные показатели энергоэффективности, выходной мощности и коэффициента усиления на высоких рабочих частотах [2].
Особенности конструкции транзистора ПП9170Е
Транзистор ПП9170Е разрабатывался специалистами АО «НИИЭТ» в рамках научно-исследовательских работ, проводимых институтом. Одним из требований к разрабатываемому прибору было применение стандартного корпуса КТ-81С, вследствие чего использование кристаллов с большим периметром затвора оказалось невозможным. Для преодоления этой проблемы было решено применить схему параллельного включения двух кристаллов с меньшим периметром затвора, ранее разработанных АО «НИИЭТ», обеспечив их согласование посредством встроенных LC-цепей. Конструктивное исполнение полученного транзистора ПП9170Е представлено на рис. 1.
Согласование транзисторов на основе GaN в широкой полосе упрощается вследствие высокого напряжения питания и малых межэлектродных емкостей [3]. Кроме того, большие запасы по пробивному напряжению сток-исток обеспечивают крайне высокую стойкость к рассогласованию нагрузки транзистора. На основании проведенных расчетов для описываемого прибора была разработана конструкция цепей согласования для стабильной работы в полосе частот от 6,0 до 6,4 ГГц на основе МДП-конденсаторов, выполненных на отдельном кристалле (рис. 2).
Рис. 2. Конструкция цепей согласования
Эксплуатационные параметры
Основные эксплуатационные параметры разработанного транзистора приведены в табл. 1.
Для измерения таких параметров, как выходная импульсная мощность (РВЫХ И), коэффициент усиления по мощности (КУР) и коэффициент полезного действия стока (ηС), использовались оптимальные значения импедансов источника (ZS) и нагрузки (ZL), полученные с помощью метода оптимизации полного сопротивления нагрузки Load Pull с векторными приемниками при следующих условиях: напряжение сток-исток UСИ = 45 В, ток покоя стока IС0 = 30 мА, температура корпуса tк = 25 ± 10 °C, длительность импульса τи = 100 мкс, скважность Q = 10. На рис. 3 приведена схема теста; стрелками показаны импедансы источника (ZS) и нагрузки (ZL) со стороны транзистора.
Таблица 1. Значения основных параметров транзистора ПП9170Е
| Параметр (режим измерения) | Обозначение | Норма | Температура среды, (корпуса), °С | |
| не менее | не более | |||
| Выходная импульсная мощность, Вт (UСИ= 45 В, f = {6; 6,2; 6,4} ГГц, PВХ И= 3,2 Вт) | РВЫХ И | 50 | – | (25±10) |
| Коэффициент усиления по мощности, дБ (UСИ= 45 В, f = {6; 6,2; 6,4} ГГц, PВЫХ И = 50 Вт) | КУР | 12 | – | (25±10) |
| Коэффициент полезного действия стока, % (UСИ= 45 В, f = {6; 6,2; 6,4} ГГц, PВЫХ И = 50 Вт) | ηС | 45 | – | (25±10) |
| Крутизна характеристики, А/В (UСИ = 10 В, IС = 2,5 А) | S | 2,3 | – | 25±10 |
| Остаточный ток стока, мА (UСИ = 120 В, UЗИ = –10 В) | IС ОСТ | – | 8 | 25±10 |
| Ток стока насыщения, А (UСИ = 10 В, UЗИ = 2 В) | IС НАС | 6,7 | – | 25±10 |
| Входная емкость, пФ (f = 1 МГц, UСИ = 45 В) | С11И | – | 25,1 | 25±10 |
| Проходная емкость, пФ (f = 1 МГц, UСИ = 45 В) | С12И | – | 1,6 | 25±10 |
| Выходная емкость, пФ (f = 1 МГц, UСИ = 45 В) | С22И | – | 5,3 | 25±10 |
В пределах диапазона частот, для работы в котором предназначен разрабатываемый транзистор, были выбраны три тестовые частоты: f1 = 6 000 МГц, f2 = 6 200 МГц и f3 = 6 400 МГц, для каждой из которых были определены оптимальные значения импеданса нагрузки ZL и соответствующие им значения входного импеданса транзистора ZIN. Оптимальный импеданс источника ZS рассчитывался из того факта, что его значение является комплексно сопряженным ZIN.
Полученные значения ZS, ZL и соответствующие им измеренные значения РВЫХ И, ηC и КУР приведены в табл. 2. Типовые зависимости параметров транзистора представлены на рис. 4–7.
Таблица 2. Результаты тестирования транзистора ПП9170Е методом оптимизации полного сопротивления нагрузки Load Pull
| f, МГц | ZS, Ом | ZL, Ом | РВЫХ И, Вт | ηC, % | КУР, дБ |
| KСЖ = 3 дБ | РВЫХ И = 50 Вт | ||||
| 6 000 | 7,5 – 13,5 j | 5,7 – 7,0 j | 72,0 | 58,1 | 14,4 |
| 6 200 | 7,5 – 14,4 j | 5,8 – 8,2 j | 71,5 | 56,2 | 14,4 |
| 6 400 | 7,5 – 15,3 j | 5,7 – 9,5 j | 70,5 | 55,4 | 14,4 |
Как видно из табл. 2 и рис. 6, коэффициент усиления по мощности КУР почти не изменяется во всем рабочем диапазоне частот при заданном уровне выходной импульсной мощности РВЫХ И. Поэтому зависимости РВЫХ И от РВХ И, полученные на разных частотах рабочего диапазона, практически сливаются в одну линию. Таких характеристик удалось достичь за счет оптимально подобранной конструкции встроенной входной согласующей цепи.
***
В статье приведены основные особенности и технические характеристики разработанного в АО «НИИЭТ» GaN СВЧ-транзистора с высокой подвижностью электронов в унифицированном миниатюрном металлокерамическом корпусе КТ-81С. Данный транзистор при своих компактных размерах характеризуется высокими значениями выходной мощности, коэффициента полезного действия и коэффициента усиления в C-диапазоне. Благодаря специально разработанной внутренней схеме согласования на входе удалось достичь малой частотной неравномерности коэффициента усиления по мощности и высокого входного импеданса. Кроме того, частотная характеристика при оптимальном импедансе нагрузки позволяет говорить о том, что согласование транзистора на выходе не должно вызывать сложностей, поскольку абсолютные значения активного и реактивного сопротивлений, а также их соотношение находятся на приемлемом уровне.
Компактность, технологичность, простота применения и высокие значения эксплуатационных характеристик делают данный прибор достойным представителем новой линейки СВЧ-транзисторов АО «НИИЭТ», обладающим хорошим потенциалом для применения в современной и перспективной СВЧ-аппаратуре, в том числе в оборудовании гражданской связи и телекоммуникаций нового поколения.
Литература
1. Егоршева Н. В России тестируют первое в мире 5G+ оборудование в диапазоне 6 ГГц // Специальный проект RG.RU. 2 февраля 2022 г. https://rg.ru/2022/02/02/v-rossii-testiruiut-pervoe-v-mire-5g-oborudovanie-v-diapazone-6-ggc.html
2. Тарасов С. В., Дикарев В. И., Цоцорин А. Н. Мощные GaN транзисторы для применения в перспективных системах связи и радиолокации // Электронные компоненты. 2017. № 7. С. 80–83.
3. Schweber B. GaN Power Devices: Potential, Benefits, and Keys to Successful Use // EIU EUROPE. 2018. No 1. PP. 10–13.