Усилители мощности диапазона 0.8-2.5 ГГц на SiC-транзисторах
Кищинский А.А.
Доклад опубликован в материалах 16 Крымской конференции "СВЧ техника и телекоммуникационные
технологии", Севастополь, Вебер, 2006 г., стр. 171,172.
Аннотация. В докладе изложены результаты разработки и экспериментального исследования параметров гибридно-интегральных усилительных каскадов на основе новых карбид-кремниевых (SiC) транзисторов CRF24010. Реализованы малогабаритные усилительные элементы в диапазоне 0.8-2.5 ГГц с усилением 9-10 дБ и выходной мощностью 10 и 20 Вт.
I. Введение
Транзисторы на основе широкозонных полупроводниковых соединений (SiC, GaN) привлекают пристальное внимание разработчиков мощных усилителей СВЧ диапазона [1,2]. Это вызвано такими свойствами, как высокая теплопроводность полупроводникового материала (2-4.5 Вт/см*К), высокие рабочие напряжения стока (20-50 В и более), высокая удельная мощность на единицу ширины затвора (3-30 Вт/мм). Сочетание этих свойств позволяет существенно (в 10-20 раз) повысить оптимальный импеданс нагрузки транзистора и реализовать мощные усилительные элементы с более широкой полосой рабочих частот, чем в случае использования GaAs транзисторов равной мощности. Исторически первыми (в 2003 году) на коммерческом рынке полупроводников появились мощные дискретные транзисторы S-диапазона на основе SiC с выходной мощностью 10 и 60 Вт, разработанные фирмой Cree Inc. В настоящей работе исследована возможность создания на основе транзистора CRF24010 мощных усилительных элементов, перекрывающих диапазон частот 0.8-2.5 ГГц с выходной мощностью более 10 Вт для создания на базе этих элементов усилителей с выходной мощностью до 50-100 Вт и более, пригодных для работы в условиях повышенных рабочих температур эксплуатации.
II. Основная часть
Для исследования параметров транзистора и проектирования согласующих цепей усилительных каскадов была разработана упрощенная нелинейная модель транзистора CRF24010, топология которой показана на рисунке 1.
Специальные измерения на образцах транзисторов не проводились. Исходными данными для разработки модели были S-параметры, приведенные фирмой-изготовителем для двух режимов смещения, геометрические размеры кристаллодержателя и перемычек, соединяющих кристалл транзистора с кристаллодержателем, а также ряд данных, приведенных в работе [3], посвященной моделированию этого транзистора. В модели величины емкостей Cgs, Сgd и Cds приняты постоянными и не зависящими от напряжений. Величины паразитных параметров корпуса и монтажа (Lg1, Lg2, C1, Ls, Ld1, Ld2, C2) определялись по резльтатам электродинамического моделирования геометрии соответствующих элементов.
| Тип модели: MATERKA | ||
| Lg1= 0.09 nH | MGS=1 | E=1 |
| Lg2= 0.405 nH | FCC=0.01 | SL=0.35 |
| Ls = 0.06 nH | CF0=0.607 pF | KE=-0.0973 |
| Ld1= 0.405 nH | KF=0 | SS=0.007 |
| Ld2= 0.09 nH | Rg = 1.03 Ohm | KG=0.1 |
| C1 = 1.12 pF | Rs = 1.205 Ohm | IG0=3.43e-9 A |
| C2 = 1.12 pF | Rd = 1.25 Ohm | AFAG=14.98 |
| Cds = 0.74 pF | R10 = 1.03 Ohm | IB0=9.36E-10 F |
| CLVL=1 | KR=0 | AFAB=14.98 |
| С10 = 2.32 pF | IDSS=1.55 A | VBC = 116 V |
| C1S = 0 | VP0=-13.2 V | T=3 ps |
| K1=0 | GAMA=-0.14 | |
Рисунок 1. Нелинейная модель транзистора
Figure 1. Transistor nonlinear model
Величины Cgs, Cgd, Cds, Ri, Rg, Rd, Rsопределены по результатам подгонки S-матриц, приведенной изготовителем и рассчитанной по линеаризованной модели при фиксированных величинах паразитных элементов. Параметры нелинейного источника тока Id получены аппроксимацией статических вольтамперных характеристик, приведенных в [3], модифицированных так, чтобы удовлетворять ряду условий динамического режима (величины динамической выходной проводимости и крутизны, соответствующие полученным из S-параметров) и расширенных в сторону больших напряжений и токов. Параметры аппроксимаций источников Ig и Igd получены из статических измерений [3] и паспортных данных транзистора.
Проектирование выходной согласующей цепи (СЦ) однотранзисторного усилительного каскада (CRF-1)выполнялось по методу [4] исходя из принятой величины оптимального нагружающего сопротивления в плоскости источника тока Id, равного 47 Ом и с учетом всех паразитных реактивных элементов модели. Входная согласующая цепь оптимизировалась по критерию максимального и равномерного усиления в полосе частот 0.8-2.5 ГГц. Пассивные элементы реализованы на двух платах из керамики «поликор», изготовленных по тонкопленочной технологии, разделительные и блокировочные конденсаторы применены из серии 600Lфирмы АТС. Конструкция каскада показана на рисунке 2.
Рисунок 2. Фото усилительного каскада CRF-1
Figure 2. CRF-1 amplifier chain.
Сравнение расчетных и измеренных частотных характеристик выходной мощности каскада, приведенных на рисунке 3, показывает их хорошее соответствие, что подтверждает корректность использования разработанной упрощенной нелинейной модели транзистора.
Рисунок 3. Мощностные АЧХ каскада CRF-1
Figure 3. СRF-1 power-frequency characteristics
Выходная мощность макета CRF-1 при компрессии усиления 1 дБ в полосе рабочих частот 0.8-2.5 ГГц составила 8.5-12.5 Вт, выходная мощность в режиме насыщения (при уровне входной мощности 4 Вт) находится в пределах 10.8-14 Вт. Малосигнальный коэффициент усиления составляет 9-11 дБ. КПД по добавленной мощности в режиме компрессии усиления 1 дБ (ток стока 0.7-0.78 А) составил от 19 до 31%. Все измерения и расчеты по нелинейной модели проводились при начальном токе стока 0.6 А и напряжении стока 48 В. Снижение начального тока стока до рекомендованных изготовителем 0.25-0.5 А сохраняет выходную мощность насыщения и позволяет несколько повысить КПД, однако, значительно изменяет форму динамической характеристики и снижает уровень линейной мощности.
Конструкция балансного усилителя (CRF-2) показана на рисунке 4. Два канала усиления, идентичных CRF-1 обьединены в балансную схему при помощи мостов Ланге. Параметры усилителя приведены в таблице 1, иллюстрирующей также параметры, полученные на этом транзисторе другими авторами [5,6]. Выходная мощность насыщения каскада составила 20.5-30 Вт, КСВН входа не превышал 1.8, КСВН выхода менее 2.1 на нижнем краю диапазона и 1.5 выше частоты 1 ГГц.
Рисунок 4. Фото усилительного каскада CRF-2
Figure 4. CRF-2 balanced amplifier chain.
Таблица 1.
III. Заключение
Показана возможность создания и исследованы характеристики миниатюрных ГИС усилителей мощности на базе корпусных карбид-кремниевых транзисторов, обеспечивающих выходную мощность 10 и 20 Вт в полосе частот 0.8-2.5 ГГц. Полученные технические решения могут служить базой для разработки сверхширокополосных усилителей L-S диапазона с выходной мощностью 50-100 и более Ватт.
IV. Список литературы
1. W.L.Pribble et al. Application of SiC MESFETs and GaN HEMTs in Power Amplifier Design // IEEE MTT-S Digest, 2002, p.1819-1822.
2. J.W.Palmour et al. SiC and GaN Based Transistor and Circuit Advances // Proc. On 12-th GAAS Symposium, 2004, p. 555-558.
3. A.Sayed, G.Boeck. An Empirical Large Signal Model for Silicon Carbide MESFETs // Proc. On 13-th GAAS Symposium, 2005, p. 313-316.
4. C.S.Cripps. A theory for the prediction of GaAs FET load-pull
power contours//1983 IEEE MTT-S Digest, p.221-223.
5. T. W. Nichols. Broadband Amplifier Design Using SiC MESFETs // Microwave Product Digest, 2002, October, p.22,52
6. A.Sayed, G.Boeck. Two-Stage Ultrawide-Band 5-W Power Amplifier Using SiC MESFET // IEEE Trans. MTT, Vol. 53, No. 7, July 2005, p. 2441 - 2449.
A 0.8-2.5 GHZ SiC POWER AMPLIFIERS
А.Кistchinsky
Microwave Systems JSC
20, Novaja Basmannaja street, Moscow, 105066,Russia
phone: +7(095) 263-96-29
e-mail: ak@mwsystems.ru
Abstract - Presented are the results of elaboration of 0.8-2.5 GHz SiC-based amplifiers with output power 10 & 20 W at 1dB gain compression. There are also efficient nonlinear model of CRF24010 (Cree Inc.) transistor, results of modeling, constructions and experimental characteristics of two amplifier chains (single-ended and balanced). Both amplifiers has ultra-small sizes (4.8 and 9.6 cm2) and good electrical performances.
#FOTO1#
