Karthik Krishnamurthy, Jay Martin,Bart Landberg, Rama Vetury, David Aichele ,RF Micro Devices, Inc
.
RFMD פיתחה מגברי פס-רחב
(high electron mobility transistor) HEMT GaN בעלי הספק מוצא בפולסים של 400 ואט הפועלים בתחום 2.9 גיגה-הרץ עד 3.5 גיגה-הרץ או רוחב פס של 17%. עם הזנת פולסים RF, מחזור פעולה של 10% ורוחב פולס של 100 מיקרו-שניות, המגבר מספק הספק מוצא בתחום של 401 ואט עד 446 ואט בכל תחום התדרים, עם יעילות צריכת זרם של 48% עד 55% במתח ממתח של 65 וולט. המגבר משתמש ב-HEMTs AlGaN/GaN עם היקף התקן כולל של 44.4 ממ’ ולוחות שדה מתקדמים מחוברים למקור להשגת מתח פריצה גבוה. מגברי פס-רחב בעלי הספק גבוה אלה מתאימים לשימוש ביישומי פולסים בתדרים משתנים כגון מכ”מים צבאיים, מכ”מי בקרת תנועה אווירית וחסימות קשר.
ההספק הגבוה ופוטנציאל הפס הרחב של התקני GaN HEMT ידועים היטב. RFMD פיתחה מגברים להספק גבוה תוך שימוש ב-GaN HEMTs עבור יישומים שונים. על המגבר של 250 ואט בתחום 2.14 גיגה-הרץ עד 2.5 גיגה-הרץ עבור יישומי תשתית אלחוטית בתחומי ה-WCDMA ו-WiMAX דווח זה מכבד. רוחב-פס רחב זה חיוני עבור ארכיטקטורות רדיו בעלות תדר משתנה המוגדרות בתוכנה של הדור הבא, המשתמשות במכשירי רדיו בעלי תכנות חוזר כדי לתמוך בתחומים מרובי-תדר ותקנים שונים.
מאמר זה מציג מגברים בעלי הספק בפולסים 400 ואט הפועלים בתחום 2.9 גיגה-הרץ עד 3.5 גיגה-הרץ המשמשים במכ”מי פולסים בעלי הספק גבוה עבור מערכות פיקוח ובקרה אווירית. ניתן להשתמש במגברים אלה עבור תשתית WiMAX 3.5 גיגה-הרץ בתנאים פחות מחמירים, מאחר שהם יכולים לעמוד באותות מאופננים דיגיטלית בעלי הספק שיא-לממוצע גבוה תוך הספקת ליניאריות טובה.
הקהילה הצבאית והמסחרית דורשת מודולים בהספק גבוה ורחבי-פס עבור יישומי פיקוח מכ”ם פולסים ובקרת תנועה אווירית. השוק מעוניין בהתקנים מהדור הבא המספקים הספקים גבוהים יותר ורוחב-פס רחב יותר המסוגלים לתמוך בתחום L מ-1.2 גיגה-הרץ עד 1.4 גיגה-הרץ עבור יישומי פולסים של IFF, TACAN, TCAS ויישומי פולסים בתחום S מ-2.7 גיגה-הרץ עד 3.5 גיגה-הרץ. התקנים אלה יאפשרו לספקים להזין ולצרף פחות התקנים, ולהקטין את הממדים ואת המשקל עבור מודולי הספק מעל 1 קילו-ואט המשמים במערכות מכ”ם.
כדי להשיג הספק גבוה, דרושים התקנים היקפיים גדולים, והתנודות הטפיליות הגבוהות הנוצרות בהתקן גורמות לעכבות התקן מבוא ומוצא נמוכות. התאמה לעכבות כה נמוכות ממערכת 50 אוהם מגבילה מאוד את רוחב הפס שניתן להשיג. מערכות בעלות חומר חיץ רחב-פס כגון ניטריד הגליום בעלות קיבולי טפיליים נמוכים וניתן להפעילה במתחי קולט גבוהים יכולות לקבל צירוף של רוחב-פס רחב והספק מוצא גבוה בהשוואה לטכנולוגיות של סיליקון או ארסניד הגליום.
טכנולוגיית GaN שימשה למימוש מגברים אחדים בעלי הספק מוצא פולסי גבוה מ-400 ואט. דווח על הספק מוצא של 750 ואט ברוחב-פס צר תוך שימוש בפולסים בעלי מחזור פעולה של 1% ב-2.14 גיגה-הרץ 5. טופולוגיות המשלבות הספק push-pull שימשו בכרטיסים כדי לקבל 500 ואט ב-1.5 גיגה-הרץ. הספק מוצא של 550 ואט בתדרים בין 3.3 ל-3.6 גיגה-הרץ הוצג תוך שימוש במחזור פעולה של 2% ורוחב פולס של 2 מיקרו-שניות.
התקני AlGaN/GaN HEMT משמשים עם לוחות אפנון שדה מחוברים למקור, הניתנים להפעיל במתחי קולט של עד 65 וולט. מתח פעולה גבוה זה מעלה את העכבה האופטימלית של ההתקן ומנמיכה את הקיבולים הפרזיטיים עבור דרישה נתונה של הספק מוצא. הדבר מאפשר התאמה בפס רחב יותר, היוצרת רוחב-פס רחב יותר. צפיפויות הספק במוצא גבוה עד 32 ואט/ממ’ ב-4 גיגה-הרץ 8 צוינו תוך שימוש ב-HEMTs AlGaN/GaN עם לוחות שדה. כאן אנחנו מוכיחים את היכולת של התקני לוחות השדה לספק רוחב-פס רחב של 600 מגה-הרץ ברמות הספק גבוהות מעל 400 ואט תוך שמירה על יעילות טובה בכל רוחב הפס.
תיאוריה
בתיאוריה, עכבות ממשיות אמיתיות ניתנות להתאמה עם מערכת של 50 אוהם בכל רוחב-פס תוך שימוש במספר אינסופי של יחידות התאמה. להתקנים מעשיים יש עכבות התקן ממוטבות עם מרכיב ריאקטיבי. עומסים מורכבים ניתן להתאים רק ברוחב-פס מוגבל כמוגדר על-ידי גבול Fano9. יחס רוחב הפס המרבי המושג תוך שימוש ברשת התאמה אין-סופית ללא הפסדים נתון על-ידי:
כאשר QL הוא גורם ה-Q של מקור הממוטב של ההתקן או עכבת העומס שיש להתאים, ו- היא מקדם ההחזרה המזערי הדרוש בכל התחום. רוחב-פס זה מוגבל עוד יותר במעשה בשל המספר הסופי של קטעי התאמה והפסדי רשת ההתאמה. מסיבות אלו, גורם Q נמוך עבור עכבות המקור והעומס הממוטבות הוא קריטי לקבלת רוחב-פס רחב. גורם איכות מתאים עבור יכולת הפס הרחב בהספק גבוה של טכנולוגיית התקן הוא קיבול pF/W נמוך של השער והקולט.
טכנולוגיית HEMT GaN
טכנולוגיית קו-הייחוס HEMT AlGaN/GaN של RFMD מבוססת על התקנים בעלי אורך שער תקני של 0.72 מיקרו-מטר ולוח שדה מתקדם מחובר למקור כדי לקבל מתחי פריצה מעל 200 וולט. כדי להיות מסוגל לעמוד בצפיפויות ההספק הגבוה של מעל 10 ואט/ממ’, משתמשים במצע SiC המספק מוליכות תרמית מצוינת וממזער את השפעות הזיכרון התלויות בטמפרטורה. טופולוגיית ההתקן ותהליך ייצור קו-הייחוס מפורטים במסמך קודם.10
התקן טיפוסי בממתח קולט של 65 וולט מציג מתח חסימה (pinch-off) של כ-5 – וולט וצפיפות זרם שיא של 0.9 אמפר/ממ’. תדרי הקטעון של הזרם ושבח ההספק ft)ו-fmax) הנמדדים מהתקני היקף קטנים הם 11 גיגה-הרץ ו-18 גיגה-הרץ בהתאמה.
עם ממתח מדרגת AB ופעולת CW ב-3.3 גיגה-הרץ, התקן תא יחיד טיפוסי של 2.2 ממ’ משיג יעילות שיא נוספת (PAE) והספק שיא במוצא של 21.9 ואט. הדבר מתאים לצפיפות הספק של 9.9 ואט/ממ’. זהו בערך פי שלוש מצפיפות ההספק של 3.2 ואט/ממ’ המושגת בממתח קולט מהתקן ללא לוח שדה. עכבות המקור והעומס הממוטבות שוות-ערך לסדר טורי הן Zs=3.8+j10.5 ו-Zl=30+j47 בהתאמה. אלה מראים על קיבולי שער וקולט נמוכים של -0.46pF/W ו-0.07pF/W בהתאמה, שהן כחמישית מהתקני סיליקון מקבילים. על-ידי שימוש בעכבת שוות-ערך-לטורית זו, היחס התיאורטי המרבי עבור הפסד חזרה ניתן לחשב כ-57%. קיבולים נמוכים אלה תורמים לרוחב-הפס היותר גבוה המושג בהשוואה לטכנולוגיות התקן אחרות.
תכנון המעגל
מעגל המגבר (איור 2) משתמש בשני התקנים היקפיים של 22.2 ממ’ המשולבים בעזרת מחלק מתח/מצרף Wilkinson11 במבוא ובמוצא. טופולוגיה זו משיגה רוחב-פס רחב יותר מאשר ניתן היה להשיג על-ידי שימוש בהתקן יחיד של 44.4 ממ’. ביחד עם פונקציית חלוקת ההספק/השילוב, משלבי Wilkinson גם מבצעים את המרות העכבה הדרושות כדי לקבל את עכבת המקור והעומס הממוטבת אל ההתקנים. מדידות מקור התא היחיד ועכבת דחיפת העומס שצוינו קודם שימשו כדי להעריך את העכבות הגדולות של היקפי ההתקן והעומס הממוטב. בשל קיבול השער היותר גדול, המרה דו-שלבית של עכבה שימשה בשער כדי לקבל רוחב-פס יותר גדול. חלק הקולט מורכב מאלמנט השראתי כדי לספק את ההיגב (reactance) הדרוש עבור עומס ממוטב ומשלב/שנאי Wilkinson חד-שלבי. דגמי שדה אלקטרו-מגנטי שימשו במידה נרחבת כדי לדמות את ביצועי התדר של מרכיבי המשלב/שנאי.
נערך ניתוח יציבות נרחב וניתוח לולאת התנודות במוד אי-זוגי. סוג זה של רשת משלבת חשוף ליצירת לולאות תנודה מחוץ לתחום התדרים. התכנון דורש ניתוח משמעותי בתחום תדרים רחב כדי לקבוע אם קיימת תנודה פוטנציאלית במוד האי-זוגי. עבודה קודמת 12 מספקת תיאורים מפורטים על השימוש בניתוח היציבות למגברים רבי-שלבים תוך שימוש באנליזה ליניארית ופרמטרי-S. ניתוח נרחב של לולאות תנודה במוד אי-זוגי כלול במסמך מוקדם המיישם שיטה זו למגברים מבוססי GaN. 13 כדי שלולאת מוד אי-זוגי תיצור בעיות יציבות יש למלא את התנאים הבאים:
כדי לספק שבח לולאה בעל מרווח תכנון מתאים, יש לשמור על פחות מ–2dB בתחום התדרים בו GMAX יותר גדול מ-0dB.
שיטה זו יושמה בשבח ומופע הלולאה של המגבר תוך שימוש ברשתות משלב Wilkinson ללא שימוש בנגד מבודד בין הפתחות. זווית מופע הלולאה עונה לתנאי התנודה בשני תדרים נפרדים, 3.685 גיגה-הרץ ו-8.536 גיגה-הרץ. מופע הלולאה קרוב לתנאי בתדר נמוך. בכל שלושת המקרים דרישת שבח הלולאה איננה ממולאת; אולם גבול שבח הלולאה הוא פחות מהגבול המתאים המוגדר.
ניתן להגדיל את יציבות הלולאה על ידי הוספת נגד מבודד למשלב Wilkinson ומיטוב תסדיר נגדי הבידוד של התקן ניטריד הגליום. נגדי הבידוד במבוא ובמוצא שימשו בין שני ההתקנים כדי למתן תנודות במוד האי-זוגי.
ההתקנים באים במארז 15×17 ממ’ (איור 2). המשלבים/מחלקים מומשו במצעים בעלי קבוע דיאלקטרי גבוה כדי להשיג את הממדים הקטנים הדרושים עבור המארז. המרות רבע הגל תוכננו כדי לקבל עכבה של 35 אוהם במארז. כרטיס ההערכה המשמש לבדיקה בהמשך ממיר את העכבה ל-50 אוהם.
ביצועי הספק הפולסים
ביצועי ה-RF הוערכו לאחר מיטוב ההתאמה על הכרטיס. המגבר קיבל ממתח במוד מדרגת AB במתח קולט סופי של 65 וולט וזרם קולט של 440 מילי-אמפר. מבוא ה-RF הומר לפולסים תוך שימוש בפולס ברוחב 100 מיקרו-שניות עם מחזור של 1 מילי-שנייה. הספק המוצא נמדד במרכז הפולס. צורת הגל של זרם הקולט נמדדה כדי לחשב את יעילות הקולט. המגבר נבדק בתחום תדרים של 2.9 גיגה-הרץ עד 3.5 גיגה-הרץ.
איור 3 מראה את הספק המוצא הנמדד בנקודת האמצע של הפולס, יעילות הקולט ושבח ב-3.4 גיגה-הרץ כפונקציה של הספק המבוא. הספק מוצא-שיא של 434 ואט הושג ב-3.4 גיגה-הרץ עם יעילות קולט של 52.6%. איור 7 מראה את הספק המוצא הנמדד עבור תחום של הספק מבוא, ומציג את יכולת ההספק של הפס הרחב.
איור 5 מראה את הספק המוצא ברוויה בשיא ויעילות הקולט בתחום התדרים וטבלה 1 מסכמת את הנתונים. הספק מוצא מעל 401.5 ואט הושג בכל התחום, עם יותר מ-48.4% יעילות קולט.
צניחת הפולס בהספק מוצא של dBm56.4 מראה כ-0.25 dB צניחה בכל פולס ה-100 מיקרו-שניות, ופחות מ-0.15 dB באמצע 50% של הפולס. הדבר מאשר את היכולת התרמית המצוינת של ה-GaN על פיסות SiC במארז, גם צפיפות ההספק הגבוה בה הם פועלים.
סיכום
RFMD הציגה מגבר הספק רחב-פס קומפקטי HEMT AlGaN/GaN מעל 400 ואט הפועל ב-65 וולט עם יעילות קולט טובה מ-48.4% בתחום 600 מגה-הרץ מ-2.9 גיגה-הרץ עד 3.5 גיגה-הרץ, בתנאי פולסים בעלי מחזור פעולה של 10% ורוחב פולס של 100 מיקרו-שניות. RFMD גם הציגה בהצלחה מגבר הספק מעל 400 ואט רחב-פס AlGaN/GaN HEMT הפועל ב-65 וולט עם יעילות קולט מעל 48.4% התחום של 600 מגה-הרץ מ-2.9 עד 3.5 גיגה-הרץ בתנאי פולסים עם 10% מחזור פעולה ורוחב פולס של 100 מיקרו-שניות. השילוב של טכנולוגיית התקן GaN HEMT וטופולוגיית התאמת עכבה משיג הספק גבוה ופס רחב במארז קטן. מגברים אלה מתאימים היטב ליישומי פולסים הכוללים מערכות מכ”ם מתקדמות.
*הכתבה באדיבות חברת STG, נציגתה הבלעדית של חברת RFMD בישראל
