Тенденции развития СВЧ электроники для широкополосных применений

Опубликовано: 23 октября 2014 г. в 15:56, 181 просмотрКомментировать

В статье рассказывается о современных тенденциях развития электронной компонентной базы СВЧ, а именно о состоянии GaN технологии и технологии монолитных интегральных схем СВЧ. Приведено несколько конкретных примеров.

На сегодняшний день сохраняются две основные тенденции развития электронной компонентной базы СВЧ – повышение интеграции схем СВЧ и развитие технологии. Причём, если говорить о технологическом развитии, то имеет смысл сделать ударение именно на развитие GaN технологии, поскольку все остальные могут рассматриваться как пути улучшения достигнутых характористик, а технологии, основанные на производстве GaN-элементов, позволяют достичь поистине революционных результатов.

Основные особенности GaN технологии и прогнозы развития, практически все из которых сбылись, очень хорошо показаны в статье [1]. В частности там говорится про алмазный транзистор, и вот фирма Raytheon (подразделение IDS) в рамках одной из программ DARPA произвела успешную замену подложки из SiC на алмаз, который является более теплопроводящим материалом, что позволило в три раза увеличить плотность мощности транзисторов за счёт сорока процентного уменьшения температуры канала [2].

В Таблице 1 сравниваются электрические и тепловые свойства алмаза по сравнению с другими подложками, обычно используемыми как основа GaN.

Таблица 1. Сравнение электрических и тепловых свойств

Физическое свойство Si GaAs SiC Сапфир ХОПФ-алмаз*
Теплопроводность, [Вт/(м*К)] 135-150 35-50 390-450 35 1000, 1500,

2000

Удельное сопротивление Ом*см ~2.3×105 ~104-108 ~104-106 ~1017 ~1013-1016

* ХОПФ-алмаз (CVD diamond) – алмаз, полученный химическим осаждением из паровой фазы.

Как видно из таблицы, теплопроводность алмаза почти в пять раз больше, чем у SiC. Ещё алмаз превосходный электроизолятор, что очень полезно при создании мощных СВЧ усилителей.

Соответственно, устройства, сделанные по технологии GaN-on-Diamond, могут работать при более высоких температурах окружающей среды благодаря уменьшению теплового сопротивления между GaN каналом и подложкой или корпусом (до 40%), что приводит к существенной экономии стоимости приборов за счёт упрощения и удешевления системы охлаждения. При этом общий КПД системы и её надёжность возрастают.

Тепловое сопротивление полупроводника – очень важный параметр при разработке изделий, поскольку он определяет устойчивость системы к воздействию высокой температуры окружающей среды. В качестве примера рассмотрим два устройства (см. Таблицу 2), имеющих одну и ту же температуру канала – 200°C. При этом предположим, что рассеиваемая мощность 5 Вт. Также в Таблице 2 указано, какими будут перепад температуры и температура основания при работе устройств. Другими словами, при работе первого изделия температура окружающей среды может быть на 50°C больше.

Таблица 2. Параметры устройств

Технология Тепловое
сопротивление,
[°C/Вт]
Перепад
температуры, [°C]
Температура
основания, [°C]
1 GaN-on-Diamond 10 50 150
2 GaN-on-SiC 20 100 100

Существенной разницей является то, что во втором случае система обеспечения тепловых режимов должна поддерживать температур не более 100°C, а в первом не более 150°C. В большинстве систем эта разница может стать определяющей. Возможно, что в первом случае хватит воздушного охлаждения, а во втором потребуется громоздкое и сложное жидкостное. Не стоит забывать и о параметрах, характеризующих надёжность. Энергия активации, среднее время наработки на отказ и срок службы экспоненциально зависят от рабочей температуры.

Применение технологии GaN-on-Diamond приведёт к уменьшению соотношения затрат на излучаемую мощность ($/Вт), снижению затрат на охлаждение и выигрыш в габаритных размерах и массы, как непосредственно усилителей, так и систем в целом.

С учётом развивающихся технологий и высокого спроса интегральные схемы СВЧ развиваются очень динамично. Появляется всё больше и больше монолитных интегральных усилителей, переключателей, ограничителей, аттенюаторов… Причём указанные микросхемы содержат не только РЧ часть, но и элементы питания и управления. Сегодня некоторые производители серийно выпускают готовые приёмо-передающие модули для АФАР и ЦАФАР, правда, пока не для широкополосных применений.

Это отлично иллюстрируют несколько наглядных примеров.

Компания MACOM в феврале 2014 года поглотила производителя широкополосных GaN транзисторов фирму NITRONEX [3], хотя и до этого у MACOM были хорошие собственные наработки в указанной области, что ещё раз подчёркивает большую перспективность развития данного направления. После поглощения вниманию разработчиков были представлены некоторые новинки, среди которых результат совершенствования GaN технологий – транзистор NPT2019. Новинка обладает характеристиками, недостижимыми ранее – имеет выходную мощность 25 Вт при 16 дБ усиления, работает в полосе DC-6 ГГц. Транзисторы выпускаются, как в керамических, так и в пластиковых корпусах для печатного монтажа.

Компания Microsemi в мае 2014 анонсировала выпуск на рынок своего нового продукта – монолитных интегральных схем СВЧ [4]. Основанная на богатой истории создания СВЧ устройств новая линейка первоначально включает 16 продуктов, охватывающих диапазон DC-40 ГГц, и широкополосные усилители, МШУ и коммутаторы, разработанные для коммуникационной и измерительной аппаратуры, оборонной и авиакосмической промышленности. Microsemi разрабатывает микросхемы, используя, как общепризнанную GaAs, так и находящуюся на стадии становления GaN полупроводниковую технологию. В частности, новые MMIC Microsemi включают в себя широкополосный усилитель MMA001AA, работающий в диапазоне DC-20 ГГц с коэффициентом усиления 17 дБ и SPDT переключатель MMS002AA с развязкой 45 дБ в полосе частот DC-20 ГГц.

В апреле 2014 года компания Aeroflex выпустила на рынок новый интегральный переключатель-ограничитель MSWLM2420-242 с превосходными характеристиками, учитывая размеры 8х5х2.5 мм [5]. Новый интегральный переключатель-ограничитель работает в диапазоне частот 2-4 ГГц при средней мощности до 125 Вт и ослаблении до 0.85 дБ.

Электрическая схема этого усилителя приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема электрическая функциональная переключателя-ограничителя MSWLM2420-242

perekluchatel-ogranichitel_mswlm2420-242_aeroflex

В заключении хотелось бы отметить, что владение информацией о новинках, тенденциях, текущем состоянии и перспективах развития технологий является необходимым условием успешности новой разработки. Современные разработки в области элементной базы СВЧ позволяют по-другому строить сложные радиотехнические системы. К сожалению, иногда приходится наблюдать как в спешном порядке меняется вся идеология новой системы и заново разрабатываются целые блоки по причине того, что на этапе проектирования были заложены морально устаревшие и зачастую снятые с производства компоненты. Напротив, можно привести достаточно много примеров, когда разработчики ориентировались на новейшие достижения, выбирая перспективную компонентную базу, и в результате оказывались в выигрыше. И дело не только в опыте и интуиции, но и в умении увидеть в потоке информации вектор развивающейся технологии. Зачастую подобная аналитическая информация позволяет реализовать задуманное и решить техническую задачу, осуществить технический прорыв в разработке перспективных устройств, а владелец этой информации безусловно имеет необходимые конкурентные преимущества.

Сергей Кузьмин,
статья предоставлена PT Electronics

Литература:

  1. Кищинский А. Широкополосные транзисторные усилители СВЧ-диапазона: смена поколений // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. – 2010. – №2.
  2. http://raytheon.mediaroom.com/index.php?s=43&item;=2543
  3. http://www.macom.com/about/news-and-events/news-archive/row-col1/news-archive/macom-news-list-archive/macom-acquires-nitronex-llc
  4. http://investor.microsemi.com/2014-05-29-Microsemi-Complements-its-Extensive-RF-Product-Portfolio-with-New-Line-of-Monolithic-Microwave-Integrated-Circuit-Devices
  5. http://ams.aeroflex.com/metelics/pdfiles/AeroflexMetelics_April2014_Article.pdf

Контакты:

Ф.И.О. Блохина Екатерина  нет отзывов
Компания: «PT Electronics»
Страна:  Россия
Телефон: +7 (812) 324-63-50
Сообщите, что нашли информацию на сайте «Элек.ру»
Web: http://ptelectronics.ru/
Зарегистрирована: 11 августа 2014 г.
Последний раз была на сайте 25 дней назад
  Отправить сообщение

Рекомендуем почитать

Комментировать

    Еще никто не оставил комментариев.

Для того чтобы оставлять комментарии Вам необходимо зарегистрироваться либо авторизоваться на сайте.