Информация по применению серии AN-007 сравнительный обзор полупроводниковых приборов, выполненных на основе GaN, Si и GaAs для ВЧ- и СВЧ-устройств.

|   Статьи А-КОНТРАКТ

Часть 2.

При поддержке А-КОНТРАКТ в журнале «СВЧ-электроника» №2' 2021 опубликована новая статья.

 

Далее

Информация по применению серии AN-007 сравнительный обзор полупроводниковых приборов, выполненных на основе GaN, Si и GaAs для ВЧ- и СВЧ-устройств.

|   Статьи А-КОНТРАКТ

Часть 1.

При поддержке А-КОНТРАКТ в журнале «СВЧ-электроника» №2' 2021 опубликована новая статья.

Далее

Информация по применению серии AN-007 сравнительный обзор полупроводниковых приборов, выполненных на основе GaN, Si и GaAs для ВЧ- и СВЧ-устройств.

|   Статьи А-КОНТРАКТ

Часть 2.

При поддержке А-КОНТРАКТ в журнале «СВЧ-электроника» №2' 2021 опубликована новая статья.

 


Сергей Шихов, технический директор А-КОНТРАКТ:

Полупроводниковые приборы на основе нитрида галлия для высокочастотной техники разработаны относительно недавно. Однако данные приборы, несмотря на их сравнительно более высокую стоимость, уже начинают приобретать все большую и большую популярность в области ВЧ и СВЧ. Полностью заменить транзисторы, выполненные на основе арсенида галлия и тем более кремния, они пока не способны, но, безусловно, каждому из них найдется своя рыночная ниша.


LDMOS против GaAs против GaN: что следует использовать и когда?

Учитывая экстраординарные преимущества технологий GaN, легко предположить, что GaN должен заменить LDMOS и GaAs во всех устройствах. Конечно, в действительности все не так просто, и многие считают, что LDMOS и GaAs будут использоваться еще много лет.

В таблице 1 представлен обзор трех этих технологий. Говоря в целом, GaN является очевидным решением для приложений выше 3 ГГц, требующих выходной мощности более 25 Вт. Вне этих условий выбор между LDMOS, GaAs, и GaN становится более сложным, требующим тщательного анализа компромиссов по производительности и стоимости.

Приложения с высокой мощностью, где необходима работа ниже 3 ГГц, — например, беспроводные базовые станции, зачастую больше выигрывают от использования более дешевых и проверенных LDMOS технологий.

Что касается применения GaAs, здесь также рассматривается диапазон выше 30 ГГц. Нужно учитывать и то, что сегодня уже производится десятое поколение кремния и его выращивают на пластинах 12–18 дюймов. Для сравнения, GaN пока еще находится во втором поколении, и его можно выращивать на пластинах 4 дюйма, тогда как затраты остаются сопоставимыми. Следовательно, в приложениях малой мощности, скорее всего, будут по-прежнему использоваться более дешевые GaAs - устройства, до тех пор пока стоимость GaN не снизится за счет их более широкого распространения в высокочастотной отрасли.

Таблица 1. Характеристики транзисторов GaN-, GaAs- и LDMOS-технологий

Таблица 1. Характеристики транзисторов GaN-, GaAs- и LDMOS - технологий.*

Примечание к таблице:

  • ¹ Зачастую линейность за счет ссылки только на одну точку сжатия Р1дБ неверно интерпретируется и не вполне точно отражает линейную характеристику устройств GaN. Кривая постепенного сжатия, характерная для GaN, даже если реальные характеристики могут отвечать критериям, указанным для данного устройства инженером, обычно приводит к снижению значений Р1дБ. Линейность лучше определять как работу в точке на кривой передачи, где достигается наиболее важный параметр для каждого конкретного устройства. Например, довольно часто можно увидеть приемлемые значения вектора ошибки (EVM) измерения в GaN- устройстве с очень низким значением Р1дБ.
  • ² На 1 мм ширины затвора

Современное практическое применение GaN в усилителях


Как можно видеть из приведенного анализа, транзисторы на основе GaN, выполненные по современной высокочастотной технологии, благодаря значительным улучшениям надежности и высокой удельной плотности мощности считаются наиболее оптимальным выбором для самого широкого спектра приложений. Компания NuWaves Engineering, одной из первых взявшая на вооружение технологию GaN, старается работать в этом направлении и крайне заинтересована в передовых новейших технологиях в сфере ВЧ-усилителей мощности (РА — от англ. power amplifier).

На рис. 2 представлено одно из решений компании, иллюстрирующее ее достижения в области использования технологи GaN — двунаправленный трехдиапазонный усилитель NuPower Xtender SCISR-20 [2]. Семейство твердотельных двунаправленных радиочастотных усилительных модулей NuPower Xtender, или модулей T/R, предназначено для удовлетворения растущих потребностей аэрокосмического и оборонного, промышленного и коммерческого рынков. Основанный на новейшей технологии нитрида галлия (GaN) энергоэффективный и миниатюрный форм-фактор NuPower Xtender стал идеальным вариантом для широкополосных радиочастотных систем телеметрии и тактической связи. NuPower Xtender имеет компактные габариты, небольшой вес и ограничение по мощности. Усилители NuPower Xtender отличают:

  • Высокая производительность: уникальное сочетание широкополосного покрытия, миниатюрных формфакторов и высокой эффективности.
  • Корпус: семейство двунаправленных усилителей NuPower Xtender заключено в алюминиевый корпус с уже встроенными монтажными отверстиями.
  • Предоставленные полные технические характеристики: для семейства твердотельных двунаправленных усилителей NuPower Xtender предоставлены полные технические характеристики по температуре, напряжению и частоте. Эти высокопроизводительные модули представляют значительную ценность для контрактных производителей или системного интегратора.
  • Удобство для пользователя: защита от перенапряжения и тепловое отключение стабилизатора помогают избежать проблем с пользовательским интерфейсом.
  • Высокая надежность: выбор компанией NuWaves Engineering консервативных вспомогательных компонентов обеспечивает усилителю высокую надежность. Каждый NuPower проходит проверку на соответствие стандартам качества IPC-A- 610 Class II. Система управления качеством NuWaves Engineering сертифицирована по стандартам AS9100: 2016 Rev D и ISO 9001: 2015.
  • Приложения: беспилотные авиационные системы (Unmanned Aircraft System, UAS), беспилотные наземные транспортные средства (Unmanned Ground Vehicle, UGV; Unmanned Surface Vehicle, USV), широкополосная радиочастотная телеметрия, радиочастотные системы связи, программно - конфигурируемые радиостанции, испытательные лаборатории.
Рис. 2. Двунаправленный трехдиапазонный усилитель NuPower Xtender SCISR-20 компании NuWaves Engineering

Рис. 2. Двунаправленный трехдиапазонный усилитель NuPower Xtender SCISR-20 компании NuWaves Engineering

Усилитель, предлагаемый компанией NuWaves Engineering, имеет исключительно высокую удельную плотность мощности и широкий диапазон рабочих частот, что характерно для устройств, выполненных на GaN-транзисторах. Модуль двунаправленного трехдиапазонного усилителя NuPower Xtender™ SCISR-20 — это небольшой, легкий и энергоэффективный двунаправленный усилитель (BDA), оптимальный для расширения диапазона связи полудуплексных трансиверов с использованием непрерывной волны (continuous wave, CW) и почти постоянной огибающей формы волны.

В режиме передачи двунаправленный усилитель обеспечивает до 20 Вт в режиме насыщения в диапазонах частот L-, S- и 12 Вт в C-диапазоне и имеет встроенный малошумящий усилитель (МШУ), используемый в режиме приема при работе на общую антенну. Схема усилителя NuPower Xtender SCISR-20 приведена на рис. 3, а его основные технические характеристики представлены в таблице 2. Полные технические характеристики усилителя доступны в [2].

NuPower Xtender SCISR-20 предлагается как отдельный модуль или как часть комплекта, который также содержит радиатор с принудительным охлаждением, адаптер переменного/постоянного тока и интерфейсный кабель с разъемами типа «банан»-джек. Радиатор с вентиляторным охлаждением обеспечивает достаточное охлаждение для работы NuPower Xtender SCISR-20 при комнатной температуре (+25 °C), однако при более высоких температурах окружающей среды для поддержания температуры основания на уровне не выше +60 °C при 100%-ном рабочем цикле передачи может потребоваться дополнительный теплоотвод.

Таблица 2. Основные технические характеристики двунаправленного трехдиапазонного усилителя NuPower Xtender SCISR-20 компании NuWaves Engineering.

Таблица 2. Основные технические характеристики двунаправленного трехдиапазонного усилителя NuPower Xtender SCISR-20 компании NuWaves Engineering.

Заключение

Появление технологий на базе GaN стало серьезным достижением для сообщества ВЧ-/СВЧ-коммуникаций и их бенефициаров. Наибольшая плотность энерговыделения и гибкость рабочих частот, а также прочие преимущества позволили совершить прорыв, результаты которого выходят далеко за пределы возможностей простого модуля усилителя или входного каскада.

В частности, в отрасли авиации распространение GaN способствовало развитию беспилотников меньшего размера с большей дальностью полета. Сфера исследования космоса также получила ряд выгод, поскольку здесь минимизация размера и веса имеет ключевое значение для успеха. И хотя влияние GaN невозможно не учитывать, остается очевидным, что во всех новых технологиях всегда есть место определенным компромиссам между преимуществами и недостатками, которые должны быть тщательно изучены и проанализированы внимательным инженером. В ближайшее время LDMOS и GaAs никуда не исчезнут, однако уже сегодня производители GaN рассчитывают на светлое будущее, и, несомненно, основой завтрашнего дня для ВЧ- и СВЧ-техники станет именно GaN.

По мере того как технология развивается, процессы совершенствуются, а более широкое распространение снижает издержки, можно ожидать, что GaN станет таким же повсеместным, как и электромагнитные волны, которые он усиливает.

Литература

  1. Combs A. Application Note AN-007: A Comparative Review of GaN, LDMOS, and GaAs for RF and Microwave Applicationsby.
  2. USER MANUAL NUPOWER XTENDER SCISR-20 TRI-BAND BIDIRECTIONAL A M P L I F I E R , P A R T N U M B E R : N W - B A - S C I S R - 2 0 - M 0 2 . w w w . n u w a v e s . com/wp-content/uploads/NuPower-XtenderSCISR-20-User-Manual.pdf

Скачать полный текст статьи «Информация по применению серии AN-007 сравнительный обзор полупроводниковых приборов, выполненных на основе GaN, Si и GaAs для ВЧ- и СВЧ-устройств.» в формате pdf

Назад