Использование GaN транзисторов кВт уровня в радиолокационных и авиационных системах. Часть 1.

I ВВЕДЕНИЕ

Импульсные кремниевые биполярные транзисторы с выходом мощности выше 1 кВт для использования на ГГц частотах были доступны на рынке последние несколько десятилетий. Биполярные транзисторы очень хорошо подходят для данного устройства, а технология хорошо проработана и очень надежна. Биполярные транзисторы предлагают ряд преимуществ по сравнению с LDMOS и GaN HEMT для данного устройства, включая возможность работать только от одного положительного источника напряжения, у них самые простые и дешевые схемы по любой технологии, возможность работать в классе С, что значит, что незначительный дробовой шум вводится на приемник во время выключения импульса, и не происходит снижение эффективности из-за мощности, потребляемой током покоя в период отключения импульса. Однако, биполярные транзисторы также имеют и некоторые недостатки, например, они требуют использования вредных для окружающей среды ВеО корпусов, что является основной причиной удорожания, и они имеют низкий коэффициент усиления, обычно около 9 дБ для устройства мощностью 1 кВт, по сравнению с 18-20 дБ для типичных деталей GaN или LDMOS. Низкий коэффициент усиления означает, что потребуется больше каскадов возбудителя, что увеличивает как стоимость, так и размер усилителя, а также снижает общую эффективность.

Устройства LDMOS с мощностью один кВт доступны около 10 лет. Первые устройства часто ломались из-за тиристорного защелкивания внутреннего паразитного биполярного транзистора в устройстве. Это происходит из-за того, что импульс устройства приводит к очень большому изменению в токе стока в короткий период времени,  и так как этот ток проходит через индуктор в цепи смещения стока, то возникает скачок напряжения через сток транзистора через Ldi/dt действие. Этот скачок может спровоцировать тиристорное защелкивание паразитного биполярного транзистора, что приводит к поломке устройства. Чем выше мощность транзистора, тем выше ток, который ведет к большему скачку напряжения, что делает устройства LDMOS кВт уровня более чувствительными к данному типу нарушения. Хотя сегодняшние LDMOS транзисторы значительно более надежны в преодолении этого скачка напряжения, чем первые устройства, но подобные нарушения до сих пор происходят. Тем не менее LDMOS транзисторы кВт уровня можно приобрести у ряда производителей для авиационных устройств, включая IFF, SSR, и TACAN/DME, а также радар L диапазона. LDMOS транзисторы имеют значительно более высокое усиления около 18-20 дБ по сравнению с 9 дБ у биполярных. Они не требуют использования ВеО корпусов. Оба эти фактора значительно снижают их стоимость. Однако, эффективность LDMOS на 5-10% ниже, чем у биполярных транзисторов, так как первые всегда работают в Классе А/В, тогда как биполярные транзисторы работают в Классе С.

В последние несколько месяцев были представлены GaN транзисторы кВт уровня [1,2] для авиационных устройств и радаров L диапазона. Эти устройства предлагают сходное с LDMOS усиление и имеют сопоставимую цену, но обладают самой высокой эффективностью из трех представленных технологий  - около 80%. Более высокая эффективность является следствием нескольких факторов, включая более низкое сопротивление наклона из-за очень высокой подвижности двумерного электронного газа в эпслое HEMT, и способность представлять оптимизированные импедансы на гармониках из-за гораздо меньшей емкости. Меньшая емкость также приводит к более высокому выходному сопротивлению транзистора, что требует более низкого коэффициента преобразования импеданса в сети согласования выходов, что, таким образом, имеет меньшие потери.

Хотя GaN и LDMOS транзисторы имеют значительные преимущества по сравнению с биполярными транзисторами для авиационных и радиолокационных устройств, оба они имеют один серьезный недостаток, а именно то, что оба они смещены в Класс А/В, что означает, что транзистор будет иметь ток покоя, протекающий через устройство в период выключения. То покоя приблизительно пропорционален выходной мощности, то есть рассеивание этой мощности становится значительной проблемой для транзисторов кВт уровня. Авиационные и радиолокационные устройства обычно используют 10% продолжительность включения, что означает, что транзистор потребляет свой ток покоя в течение 90% времени. Рис.1 показывает влияние этого тока покоя на общую эффективность 1кВт GaN транзистора для IFF/SSR устройств. Эффективность в момент импульса 81,5%, но общая эффективность снижается до 75,2% после учета тока покоя, потребленного во время отключения импульса. Есть еще одна серьезная проблема при использовании GaN или LDMOS, а именно тот факт, что ток покоя в период отключения генерирует дробовой шум [3], выраженный формулой