Потужності та частотні характеристики комерційно доступних нітрид-галієвих (GaN) транзисторів постійно зростають. Ці транзистори доступні в лінійках продукції провідних світових виробників, вони демонструють високі значення коефіцієнта посилення, вихідної потужності і ККД. При вихідної потужності до десятків ват застосуємо корпус для поверхневого монтажу (SMD). Для більш високих значень потужності транзисторів застосовні вже керамічні корпусу з металевою основою, вони з'єднують витік транзистора безпосередньо з теплоотводом корпусу і тому забезпечують великі значення теплопередачі.
У даній статті розглянуто варіант досягнення високих вихідних характеристик підсилювача при використанні недорогого транзистора L-діапазону. Підсилювач оптимізований для роботи в смузі частот 0,96-1,215 ГГц з типовим значенням коефіцієнта посилення в центрі смуги 20 дБ, вихідний потужності P = -3 дБ 51 дБм (125 Вт) при компресії 3 дБ і ККД більше 70%. В основі розробки - серійно випускається транзистор QPD1008 виробництва Qorvo, виготовлений за технологією 0,25 мкм GaN HEMT. Корпус транзистора NI360 з металокераміки, безфланцева версія представлена на рис. 1.
Розробка
Транзистор поміщений на алюмінієвий носій таким чином, щоб висновки розташовувалися на рівні друкованої плати з матеріалу Rogers 4360G2 товщиною 32 міл (0,8128 мм) з металізацією товщиною 35 мкм. Щодо товста підкладка була обрана виходячи з широких можливостей вибору імпедансу для забезпечення необхідних рівнів вихідної потужності на додаток до високого постійної напруги. Постійна напруга для QPD1008 становить 50 В при струмі стоку 260 мА.
Графік залежності коефіцієнта посилення від частоти наведено на рис. 2. Ділянка від 1,4 ГГц до 2,1 ГГц показує зону безумовної стабільності. Робочий діапазон QPD1008, що володіє умовною стабільністю, має максимальний стійкий коефіцієнт посилення 26 дБ. Підсумкове значення буде очевидно менше цієї величини через необхідність забезпечення безумовної стабільності посилення, а також внаслідок впливу ланцюгів зсуву і узгодження. Крім того, настройки на максимальну потужність і ККД краще, ніж узгодження входів і виходів із зовнішніми ланцюгами.
Підсилювач повинен бути безумовно стабільним на всіх робочих частотах при температурах до -40 ° C. Так як власне транзистор є безумовно стабільним тільки в смузі 1,4-1,8 ГГц, на частотах вище цього діапазону стабільність може порушуватися. Це вимагає певних заходів, що стосується і більш низьких частот, де коефіцієнт посилення виявляється в надлишку.
Режим великого сигналу з підключеним навантаженням показав, що на частоті 1,1 ГГц пристрій на базі QPD1008 забезпечує потужність вихідного сигналу +51 дБм при компресії 3 дБ. Необхідний імпеданс по входу склав згідно з розрахунками 0,73 + 0,64j, по виходу 5 + 2j. Діаграма Сміта для характеристичного імпедансу 11,7 Ом показана на рис. 3. Необхідно зауважити, що необхідний вхідний імпеданс дуже близький до ділянки, відповідному короткого замикання на діаграмі Сміта, і це значення також близько до кордону стабільності всієї схеми. Таким чином, необхідний компроміс між умовами безумовної стабільності схеми і хорошої передачі СВЧ-потужності (меншими відображеннями від входу).
Схема підсилювача показана на рис. 4. Всі пасивні компоненти є елементами поверхневого монтажу (SMD), підібрані з розрахунку високих значень постійної напруги і максимальної СВЧ-потужності. Номінали СВЧ-резисторів підібрані виходячи з вимог безумовної стабільності. Вони виготовлені компанією IMS і здатні розсіяти потужність 25 Вт в безперервному режимі при форм-факторі 0805. Ланцюги зміщення як стоку, так і затвора реалізовані відповідними смужками друкованої плати, що закінчуються шунтирующими конденсаторами, що дають коротке замикання в ланцюгах в центрі робочої смуги частот. Ланцюги узгодження по входу і виходу перетворять 50 Ом в низький опір витоку транзистора і навантаження для кращої передачі потужності. Вони реалізовані як навісними елементами, так і розподіленими структурами мікрополоскової лінії. Креслення друкованої плати показаний на рис. 5. Важливо, щоб микрополосковая лінія мала достатню ширину для передачі СВЧ-потужності, інакше при високому рівні сигналу, що передається вузька Полоскова лінія може просто випаруватися.
Для подальших вимірювань до входу підсилювача була підключена демпфуюча ланцюг з високовольтним резистором, включеним паралельно резонатора, що складається з послідовного LC-контура. Розміри схеми і розташування на ній елементів були обрані з міркувань максимального відображення НЧ-сигналу при мінімальному впливі на сигнал всередині робочої смуги (рис. 4). Важливою властивістю цього ланцюга було також позбавлення схеми від небажаних значень імпедансів, які могли б викликати збудження схеми.
Зовнішній вигляд плати і зображення фінального складання схеми підсилювача на базі QPD1008 наведені на рис. 5, 6. Друкована плата з матеріалу Rogers 4360G2 встановлена на носій з алюмінієвого сплаву, який виступає в якості теплопроводу для радіатора. Бічна панель змонтована з краю підстави, і через неї подається напруга зсуву. Синій провід - це зміщення, що подається на затвор транзистора, червоний провід - напруга стоку і чорний провід - загальний. На вході і виході плати розташовуються недорогі з'єднувачі SMA. Збоку плати в підставі розташований отвір для термопари, що дозволяє точно вимірювати температуру підстави транзистора.
виміряні характеристики
Були розглянуті характеристики підсилювача на базі транзистора L-діапазону QPD1008 від Qorvo. Однокаскадний підсилювач на базі даного транзистора досягає максимуму ключових параметрів в смузі 960-1215 МГц, забезпечуючи в середині смуги максимальну вихідну потужність +51 дБм, ККД 70% і коефіцієнт посилення в режимі малого сигналу 20 дБ на рівні компресії 3 дБ.
Значення отриманих S-параметрів говорять про посилення 19 дБ в робочій смузі частот, і це значення змінюється на менш ніж 2 дБ з варіюванням температури в робочому діапазоні -40 ... + 85 ° C. Втрати по входу схеми навряд чи зміняться з температурою і в гіршому випадку складуть 5 дБ в смузі. Щодо погані зворотні втрати на відбиття визначаються узгодженням на необхідний імпеданс з точки зору оптимального режиму роботи ланцюга витоку. Втрати на відбиття по виходу зазвичай складають 7 дБ, що також є результатом узгодження на максимальну потужність, яка краще, ніж узгодження по входу і виходу по відношенню до зовнішніх ланцюгів.
Також були проведені вимірювання схеми при великому сигналі в робочому температурному діапазоні в режимі імпульсного сигналу з тривалістю імпульсу 128 мкс скважностью 10. У даному режимі вхідна потужність була подана на схему з кроком 10 дБ до досягнення рівня, злегка перевищує рівень компресії 3 дБ. В результаті збільшення вхідної потужності розсіює потужність збільшувалася і температура також росла. Результат вимірювання середині частотного діапазону (1,09 ГГц) при різних температурах показаний на рис. 8. Зміна значень коефіцієнта посилення для різних температур відображено на рис. 8a. Як видно, рівень компресії 3 дБ досягається при вхідній потужності +33 дБ для низьких значень температури, +34 дБ для номінальних значень температури і +35 дБ для високих значень. Залежність вихідної потужності від вхідних (рис. 8б) показує, що в середині смуги рівень 3 дБ компресії досягається при значен нях вихідної потужності +51 дБм при розкиді ± 0,3 дБм з варіюванням температури. Частотні залежності даних параметрів наведені на рис. 9.
На межах смуги підсилювач потужності на базі транзистора QPD1008 досягає мінімум 50 дБм (100 Вт) вихідної потужності, ККД більше 50% і коефіцієнта посилення 16,5 дБ в точці 3 дБ компресії. У центрі частотного діапазону ККД досягає більш 70%. Варто зауважити, що дані величини вже включають в себе втрати при узгодженні і в соединителях. Ці значення досягаються на безлічі налагоджувальних плат, що говорить про повторюваності результату.
підсумки
Були розглянуті характеристики підсилювача на базі транзистора L-діапазону QPD1008 від Qorvo. Однокаскадний підсилювач на базі даного транзистора досягає максимуму ключових параметрів в смузі 960-1215 МГц, забезпечуючи в середині смуги максимальну вихідну потужність +51 дБм, ККД 70% і коефіцієнт посилення в режимі малого сигналу 20 дБ на рівні компресії 3 дБ.
Автори: Енді Дірн (Andy Dearn), Роберт Сміт (Robert Smith), Plextek RFI
Переклад: Г.В. Кон - Макро Груп, керівник напрямку ВЧ, силові і оптичні компоненти, [email protected] .