Высокие требования к скорости передачи данных обусловили ускоренное развитие полупроводниковых технологий, направленных на повышение скорости передачи данных средств телекоммуникаций. Прежде всего, усилия разработчиков направлены на расширение полосы пропускания и увеличение мощности СВЧ-усилителей. До последнего времени в СВЧ-технике применялись лампы бегущей волны (traveling wave tubes), однако с появлением технологии арсенида и нитрида галлия открылась возможность создания СВЧ-ИМС, работающих в области сантиметровых и миллиметровых волн, причем выходная мощность таких ИМС превышает 1 Вт.
Известно, что современные системы связи работают в высокой и сверхвысокой полосе частот. В оборонной промышленности это радары, полоса которых составляет от нескольких мегагерц до десятков гигагерц. Спутниковая связь, медицинское приборостроение используют широкополосные СВЧ-ИМС. В каждой из таких систем одним из основных узлов является мощный широкополосный усилитель. Как было отмечено, в перечисленных областях промышленности доминировали лампы бегущей волны. Однако наряду с высокими параметрами лампы бегущей волны имеют серьезные недостатки, а именно: невысокую надежность, низкую эффективность и высокое напряжение питания (до 1 кВ и выше). В отличие от вакуумной техники, надежность полупроводниковых устройств существенно выше. В тоже время транзисторы на основе нитрида галлия могут обеспечить высокую выходную мощность, что позволяет им стать надежной альтернативой лампам бегущей волны. На диаграмме (рис. 1) показаны возможности освоенных промышленностью полупроводниковых технологий как по максимальной мощности, так и полосе пропускания. Следует отметить, что если технология арсенида галлия достаточно хорошо освоена полупроводниковой промышленностью, то технология нитрида галлия в настоящее время находится на начальной стадии освоения. Однако, широкое применение СВЧ-ИМС на основе нитрида галлия прогнозируется уже в ближайшие 3-5 лет. На рис. 2 показано, что для построения мощного СВЧ-усилителя на основе арсенида галлия требуется сложная структура, использующая параллельное включение нескольких СВЧ-усилителей, а эквивалентная схема, выполненная по технологии нитрида галлия, имеет один усилительный каскад на выходе.
Рис. 1. Максимальная мощность СВЧ-усилителей, выполненных на основе разных полупроводниковых технологий
Рис. 2. Структуры СВЧ-усилителей мощности
на основе GaAs и GaN
Микроволновый СВЧ-разветвитель, разработанный Дж. Ланге на основе технологии нитрида галлия, приведен на рис. 3. Несмотря на ширину полосы пропускания не более октавы, такие разветвители имеют низкий уровень потерь на отражение.
На рис. 4 приведена схема СВЧ-усилителя с распределенным усилением мощности, выполненного на транзисторах из нитрида галлия.
Рис. 3. Дифференциальный усилитель
с микроволновым разветвителем Ланге
Рис. 4. Упрощенная функциональная схема усилителя мощности с распределенным усилением
В этой схеме существенно снижено влияние паразитных параметров. Усиление такой схемы ограничено только крутизной транзисторов и практически не зависит от величины паразитных емкостей. Если такая схема выполнена на транзисторах из арсенида галлия, то ее напряжение питания не превышает 5 В.
Если вместо этих транзисторов использовать транзисторы на основе нитрида галлия, то напряжение питания можно увеличить до 28 В, и, соответственно, увеличить выходную мощность от 0.25 Вт до 8 Вт.
На рис. 5 приведена АЧХ СВЧ-ИМС такого усилителя типа НМС994А компании Analog Devices.
Рис. 5. АЧХ усилителя НМС994А на основе GaAs
СВЧ-усилитель имеет широкую полосу пропускания, отличается большим коэффициентом усиления и высоким к.п.д. Из АЧХ усилителя следует, что в полосе до 30 ГГц при выходной мощности усилителя 1 Вт к.п.д. суммирования мощности (poweradded efficiency – PAE) составляет 25%. Точка пересечения искажений третьего порядка для ИМС НМС994А равна 38 дБм. АЧХ аналогичного устройства, выполненного на основе технологии нитрида галлия, ИМС НМС8205BF10, приведена на рис. 6.
Рис. 6. АЧХ усилителя НМС8205BF10 на основе GaN
Напряжение питания этого усилителя 50 В, выходная мощность 35 Вт, PAE не хуже 35%. Таким образом, новые полупроводниковые технологии обеспечивают лучшие параметры СВЧ-усилителей большой мощности.
ВЫВОДЫ
Новые полупроводниковые технологии, такие как технология нитрида галлия, открывают широкие возможности в области телекоммуникаций. Полоса пропускания СВЧ-усилителей, выполненных на основе нитрида галлия, может быть расширена до 40 ГГц, время безотказной работы может быть доведено до 106 часов, СВЧ-ИМС этого типа могут работать с источниками незатухающих колебаний.
Лайкнути
Твітнути