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