Перспективы построения усилителей мощности L-диапазона на транзисторах серии 2П9110 производства АО «НИИЭТ»

Аннотация: В работе представлены сравнительные характеристики LDMOS-транзисторов L-диапазона частот серии 2П9110 российского производства и транзисторов ведущих мировых производителей. Разработаны макетные образцы широкополосных усилителей мощности на транзисторах 2П9110А, 2П9110В, MRF6V10010NR4 с целью определения технического потенциала отечественных транзисторов в сравнении с импортными аналогами. Проектирование усилителей мощности выполнено на основе расчета оптимальной нагрузки СВЧ полевого транзистора, с использованием модели Кертиса-Эттенберга, которая получена методом экстракции из экспериментальных вольт-амперных характеристик транзисторов, снятых в импульсном режиме для устранения влияния тепловых эффектов и обработанных затем методами экстраполяции с помощью системы компьютерной алгебры Mathcad 15. Измерены параметры макетных образцов (выходная мощность, коэффициент усиления по мощности, коэффициент полезного действия) в диапазоне рабочих температур от ?50 до +53 °C на тестовом входном сигнале с длительностью импульса 20 микросекунд и скважностью 10 в трех частотных точках: 1030, 1300, 1550 МГц. Полученные результаты сведены в таблицы и проанализированы. Сделаны выводы о пригодности использования отечественных транзисторов L-диапазона серии 2П9110 в импортозамещении и новых разработках.

Ключевые слова: усилитель мощности, L-диапазон, модель Кертиса-Эттенберга, LDMOS-транзистор.

В настоящее время разработка и производство отечественной полупроводниковой элементной базы находится в стадии развития и сокращения отставания от зарубежных производителей практически по всем техническим характеристикам. Это является серьезной причиной сокращения доли импортных полупроводниковых приборов в российской продукции, как гражданского, так и военного применения, т.е. реализации процесса импортозамещения [1].

Появление мощных полевых транзисторов дало сильный толчок к проектированию СВЧ-усилителей мощности L-диапазона для замены усилителей на биполярных транзисторах с целью уменьшения массогабаритных и других характеристик.

Большой интерес представляет серия новых полевых LDMOS-транзисторов 2П9110 производства АО «НИИЭТ» (г. Воронеж). В таблице 1 представлены основные характеристики этих транзисторов в сравнении с импортными аналогами: выходная мощность (РВЫХ), диапазон рабочих частот ( F ), длительность импульса τи, скважность (Q), напряжение питания (UПИТ), коэффициент усиления по мощности (КУ), коэффициент полезного действия (КПД). Транзисторы 2П9110ЖС планируются к выпуску в 2016 г.

LDMOS

Как видно из таблицы 1, существует серьезное отличие импортных транзисторов от отечественных, которое заключается в том, что отечественные транзисторы имеют более широкий диапазон рабочих частот и предназначены для работы с импульсами большей длительности. Это различие может привести к расхождению отдельных параметров усилителей мощности, выполненных на отечественных и импортных транзисторах. Кроме того, зарубежный транзистор MRF6V10010NR4 оптимизирован в точке 1090 МГц и именно за счет этого имеет большие коэффициент усиления по мощности и КПД.

Были разработаны макетные образцы широкополосных усилителей мощности (УМ) на транзисторах 2П9110А и 2П9110В с целью определения технического потенциала отечественных транзисторов и возможности импортозамещения. Для объективного позиционирования был также разработан широкополосный УМ на импортном транзисторе MRF6V10010NR4. К неоспоримым достоинствам MRF6V10010NR4 относятся низкая стоимость за счёт применения пластикового корпуса и возможность установки методом пайки на печатную плату, транзисторы 2П9110 выполнены в металлокерамическом корпусе и к плате приворачиваются винтами. УМ представляет собой печатную плату, на которой в единой технологической цепочке изготовлены квадратурные направленные ответвители (делитель, сумматор), цепи согласования и цепи питания. Макетные образцы усилителей мощности показаны на рис.1.

NXP USA Inc.

Проектирование УМ было выполнено на основе расчета оптимальной нагрузки СВЧ полевого транзистора, используя модель Кертиса-Эттенберга, полученную из экспериментальных импульсных вольт-амперных характеристик (ВАХ) и данных технических условий транзисторов 2П9110 и MRF6V10010NR4. Механизмы экстракции модели транзистора описаны в [2 – 5], определение входного импеданса в [6, 7], методы расчета оптимальной нагрузки для получения максимальной выходной мощности в [7 – 9].

Для того, чтобы нивелировать некоторые различия транзисторов, усилители мощности будем сравнивать в полосе частот 1030-1550 МГц и при работе на коротких импульсах с большой скважностью.
Для снятия ВАХ в импульсном режиме (этот режим позволяет устранить тепловые уходы параметров транзисторов) был использован стенд собственной разработки. Снятые ВАХ транзисторов (экспериментальные данные) обрабатывались затем методами экстраполяции с помощью системы компьютерной алгебры Mathcad 15.
Результаты экстраполяции для транзистора 2П9110А приведены на рис.2: слева – зависимость тока стока от напряжения стока при граничных напряжениях на затворе 0 В (жирная кривая) и +10 В (тонкая кривая), прерывистая линия — нагрузочная характеристика транзистора, соответствующая максимальной выходной мощности; справа — зависимость тока стока от напряжения затвора при граничных напряжениях на стоке +5 В (жирная кривая) и +50 В (тонкая кривая).

LDMOS


Расчетная форма нелинейного тока стока транзистора 2П9110А при синусоидальном воздействии на затворе большим сигналом представлена на рис.3.

LDMOS

Форма тока имеет небольшое отличие от экспериментальной формы в виде наличия небольшого отрицательного тока стока, чего нет на практике. Объясняется это неидеальной аппроксимацией тока стока от напряжения на затворе в виде кубического полинома.
Измерения параметров макетов осуществлялось на тестовом входном сигнале с длительностью импульса τи = 20 мкс и скважностью Q = 10 в трех частотных точках: 1030, 1300 и 1550 МГц.
В таблице 2 представлены выходная мощность, коэффициент усиления по мощности КУ и КПД макета усиления на двух транзисторах MRF6V10010NR4 в диапазоне рабочих температур (T) при постоянной входной мощности РВЫХ = 0,67 Вт.

LDMOS

Параметр Δ представляет собой изменение КУ при увеличении температуры от -50 до +53 °С. На рис. 4 показана форма выходного радиоимпульса при выходной мощности РВЫХ = 34 Вт.

LDMOS

В таблице 3 представлена зависимость выходной мощности, коэффициента усиления и КПД от температуры макета усилителя на двух транзисторах 2П9110А при постоянной мощности на входе 1,9 Вт. На рис.5 представлена форма выходного радиоимпульса при РВЫХ = 20,5 Вт.

LDMOS

В таблице 4 представлена зависимость выходной мощности, коэффициента усиления и КПД от температуры макета усилителя на двух транзисторах 2П9110В при постоянной мощности на входе 10 Вт.

LDMOS

На рис.6 представлена форма выходного радиоимпульса при РВЫХ = 100 Вт.

LDMOS

Анализируя представленные материалы, можно сделать следующие выводы:
– построение широкополосных усилителей привело к снижению заявленных коэффициентов усиления транзисторов на 2—4 дБ;
– коэффициент полезного действия оказался близок к заявленному (40% у отечественного транзистора и 69% у импортного); – при изменении температуры от ?50 до +53 градусов наблюдается тенденция снижения коэффициента усиления по мощности (около 2,5 дБ) и коэффициента полезного действия (около 2—5%), как у отечественных, так и зарубежных LDMOS-транзисторов, что объясняется отрицательным температурным коэффициентом начального тока стока;
– в диапазоне температур и выходных мощностей (в динамическом диапазоне 10 дБ) наблюдалась устойчивая работа всех трех усилителей мощности (не возникали побочные, внеполосные и иные виды паразитных колебаний);
Исследование макетных образцов усилителей мощности L-диапазона на LDMOS-транзисторах серии 2П9110 показало принципиальную возможность импортозамещения на этапах модернизации аппаратуры и в новых разработках.

Литература

  1. Волков Ю.К., Илюшечкин М.Н., Шестов М.Е. Мифы и реалии импортозамещения в радиоэлектронной промышленности // Компоненты и технологии. 2015. № 2. С. 6 – 8.
  2. Аронов В.Л., Евстигнеев А.А. Моделирование мощного биполярного транзистора в усилительном режиме с учётом квазинасыщения // Электронная техника, сер. 2. 2009. С. 24 – 33.
  3. Maas S.A. Fixing the Curtice FET Model // Microwave Journal. 2002. Vol. 45, № 3. P. 68 – 80.
  4. Curtice W.R., Ettenberg M.A. Nonlinear GaAs FET Model for Use in the Design of Output Circuits for Power Amplifiers // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1985. Vol. MTT-33, № 12. P. 1383.
  5. Коротаев В.М., Туев В.И. Расчетно-экспериментальный метод определения оптимальной нагрузки СВЧ полевого транзистора в режиме усиления мощности // Известия Томского политехнического университета. 2009. Т. 314, № 4. С. 131 – 134.
  6. Каганов В.И. Транзисторные передатчики. – М.: Энергия, 1970. – 328 с.
  7. Завражнов В.Ю., Каганова И.И., Мазель Е.З., Миркин А.И. Мощные высокочастотные транзисторы. – М.: Радио и связь, 1985. – 177 с.
  8. De Hek A.P. A Novel Fast Search Algorithm for an Active Load-Pull Measurement System // GaAs Symposium, Amsterdam, the Netherlands. 1998. P. 268 – 273.
  9. Дмитриев В.Д., Брунев А.И., Коротаев В.М. Анализ и расчет СВЧ усилителей на полевых транзисторах с барьером Шоттки по нелинейным критериям // Известия вузов. Сер. Радиоэлектроника. 1988. Т. 31, № 7. С. 68 – 71. Поступила 22 июня 2015 г.

Abstract: The work presents comparative characteristics of LDMOS L frequency band transistors of line 2P9110 of the Russian production and transistors of the leading global manufacturers. Prototype samples of broad-band power amplifiers with transistors 2P9110A, 2P9110V, MRF6V10010NR4 are developed for the purpose of determination of technical potential of domestic transistors in comparison with foreign made similar products. Design of power amplifiers is performed on the basis of calculation of optimum load of microwave field transistor using Curtice-Ettenberg’s model received by extraction method from experimental volt-ampere characteristics of the transistors which were taken in a pulse mode for elimination of influence of the thermal effects and were processed then via extrapolation methods by means of computer algebra system Mathcad 15. Parameters of prototype samples (output power, power gain, efficiency) of test input signal with pulse time of 20 microseconds and on-off time 10 in three frequency points: 1030, 1300, 1550 MHz are were measured at operating temperature in the range from ? 0 up to +53 °C. The obtained results are tabulated and analyzed. Conclusions are drawn on suitability of use of domestic line 2P9110 L-range transistors as import substitution as well as their further development.

Key words: power amplifier, L-range, Curtice-Ettenberg’s model, LDMOS transistor.

References

  1. Volkov Yu.K., Ilyushechkin M. N., Shestov M. E Myths and realities of import substitution in the radioelectronic industry. – Komponenty i tekhnologii. 2015. No. 2. P. 6 – 8.
  2. Aronov V. L., Yevstigneyev A.A. Modeling of the powerful bipolar transistor in intensifying mode with regard to quasisaturation. – Elektronnaya tekhnika, ser. 2. 2009. P. 24 – 33.
  3. Maas S.A. Fixing the Curtice FET Model. – Microwave Journal. 2002. Vol. 45, No. 3. P. 68 – 80.
  4. Curtice W.R., Ettenberg M.A. Nonlinear GaAs FET Model for Use in the Design of Output Circuits for Power Amplifiers. – IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1985. Vol. MTT-33, No. 12. P. 1383.
  5. Korotayev V. M., Tuyev V. I. Experiment-calculated method of definition of optimum load of microwave field transistor in power amplification mode. – Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. 2009. T. 314, No. 4. P. 131 – 134.
  6. Kaganov V. I. Transistor transmitters. – M.: Energyia, 1970. – 328 p.
  7. Zavrazhnov V. Yu., Kaganova I.I., Mazel E.Z., Mirkin A.I. Powerful high frequency transistors. – M.: Radio i svyaz, 1985. – 177 p.
  8. De Hek A.P. A Novel Fast Search Algorithm for an Active Load-Pull Measurement System. – GaAs Symposium, Amsterdam, Netherlands. 1998. P. 268 – 273.
  9. Dmitriyev V.D., Brunev A.I., Korotayev V.M. Analysis and calculation of microwave amplifiers based on field transistors with Schottky barrier by nonlinear criteria. – Radioelektronika. 1988. T. 31, No. 7. P. 68 -71.