Разработка и исследование широкополосного усилителя мощности в диапазоне частот 2-32 ГГц на гетероструктурах нитрида галлия
Е.М. Хеглунд, И.Л. Хеглунд, Б.В. Калинин
ООО «Микровейв АйСи»
Статья размещена в журнале «Электрлоника СВЧ»№ 2-2026г
1.Введение
С развитие современной радиоэлектроники всё больше требований предъявляется к габаритам, диапазону частот и выходной мощности передающих трактов СВЧ модулей. Усилитель с распределенным усилением – специализированный тип СВЧ усилителя позволяет усиливать сигналы в сверхшироком диапазоне частот, работающий по принципу распределённого сложения высокочастотных сигналов, в отличие от классических усилителей с синфазным сложением сигналов.
Гетероструктуры AlGaN/GaN широко используются при создании усилителей мощности СВЧ диапазона. Высокая критическая напряженность электрического поля позволяет увеличить рабочее напряжение стока и пробивное напряжение. А в сочетании с высокой удельной плотностью тока это обеспечивает выходную мощность усилителей на основе таких гетероструктур.
В данной статье представлены результаты разработки и исследования образцов однокаскадного неоднородного усилителя с распределённым усилением (УРУ), работающего в диапазоне 2–32 ГГц. Усилитель был изготовлен на гетероструктурах AlGaN/GaN на подложке SiC по технологии 150 нм.
- Схемотехническое моделирование
- Принципы работы распределенного усилителя
Принцип работы усилителя с распределенным усилением заключается в использовании входных и выходных ёмкостей транзисторов в качестве элементов искусственных линий передачи, что позволяет добиться согласования входа и выхода усилителя в сверхширокой полосе. Входной сигнал распространяется вдоль искусственной линии передачи в затворной цепи, последовательно возбуждая затворы (базы) транзисторов. Усиленные сигналы от каждого транзистора поступают в выходную линию передачи. Отрезки линий передач подбираются таким образом, чтобы усиленные сигналы от разных транзисторов складывались синфазно на выходе, что позволяет получить хорошее согласование в исключительно широком диапазоне частот. Схематичное представление изображено на рисунке 1.
Рис. 1. Схематичное представление УРУ
Платой за такую ширину полосы является более низкий КПД по сравнению с традиционными широкополосными усилителями из-за того, что часть мощности рассеивается в согласующих нагрузках на «холостых» концах линий передачи.
Т.к. входная ёмкость полевого транзистора довольно существенна, использование только искусственной линии передачи не всегда позволяет добиться необходимой ширины рабочей полосы разрабатываемого устройства. В таких случаях прибегают к добавлению емкостного делителя на входах транзисторов.
Количество транзисторных ячеек, состоящих из транзисторов и отрезков искусственных линий передач, может быть различное. Для каждого усилителя мощности с распределенным усилением оно подбирается индивидуально для обеспечения необходимых характеристик в заданном диапазоне частот.
- Принципиальная схема УРУ
Рис. 2. Принципиальная схема УРУ
В ходе разработки оптимальным схемотехническим решением была выбрана схема усилителя, основанная на неоднородной восьмизвенной структуре усилителя мощности с распределенным усилением.
Ключевым отличием неоднородного УРУ является то, что параметры элементов плавно меняются вдоль структуры, что позволяет оптимально согласовать каждую транзисторную ячейку. В данном усилителе ширины транзисторов выбраны различные, так же, как и номиналы конденсаторов на затворах транзисторов. Также были подстроены длины отрезков входной и выходной искусственной линии передач усилителя. Это схемотехническое решение позволило получить равномерное усиление во всем диапазоне частот, а также максимальную выходную мощность и КПД. Принципиальная схема широкополосного усилителя мощности представлена на рисунке 2, где RFin-вход, RFout-выход, Zd, Zg- искусственная линия передачи, Rg — нагрузочный резистор входной линии.
Топология широкополосного усилителя мощности представлена на рисунке 3.
Рис. 3. Топология УРУ АК206
- Проведение и результаты измерений
Для измерений характеристик на малом сигнале был собран измерительный стенд, представленный на рисунке 4. Измерения проводились на зондовой станции в рабочем диапазоне частот 2-32 ГГц. Итоговые характеристики были измерены в режиме малого и большого сигнала (рисунок 5). Измерения в обоих режимах проводились непосредственно в плоскости кристалла с использованием зондовой станции для получения максимально точных результатов. В режиме большого сигнала для обеспечения достаточного уровня входного сигнала до уровня 20 и 30 дБм на входе измеряемого устройства были использованы два аналогичных образца исследуемого усилителя в качестве предусилителей. С целью получения равных значений входной мощности на каждой частоте перед началом измерений была произведена калибровка входной мощности DUT во всем диапазоне частот.
Рисунок 4. Стенд для измерений в режиме малого сигнала
Рисунок 5. Стенд для измерения в режиме большого сигнала
Рисунок 6. Фотография измерений на зондовой станции
Кристалл расположен на металлической подложке, питание подается через тестовую плату.
По результатам исследования усилителя мощности с распределенным усилением является безусловно устойчивым во всей полосе рабочих частот. Исследования проводились на анализаторе спектра до 44 ГГц.
Результаты измерений в режиме малого сигнала и итоговое сравнение с расчетными характеристиками представлены на рисунке 7.
Рисунок 7. Результаты расчетов и результаты измерений в режиме малого сигнала
Результаты измерений в режиме большого сигнала и итоговое сравнение с расчетными характеристиками представлены на рисунке 8.
Рисунок 8. Результаты расчетов и результаты измерений в режиме большого сигнала
Полученный усилитель мощности с распределенным усилением можно считать сверхширокополосным, так как он охватывает 4 октавы в рабочем диапазоне частот.
КПД усилителя мощности с распределенным усилением ниже каскадного или балансного усилителя мощности. Такая особенность наблюдается из-за существенно различающихся нагрузок выходных цепей отдельных транзисторов и избыточности числа транзисторов, используемых в схеме. На практике реализуются УРУ с КПД 10-20%. Данный УРУ имеет КПД по добавленной мощности (PAE) более 16% в измеренном диапазоне частот. Измерения проведены до 13 ГГц в непрерывном режиме.
Также были проведены исследования уровня интермодуляционных искажений 3-го порядка (IMD3) при выходной мощности 20 дБм на тон. Результаты представлены на рисунке 9.
Рисунок 9. Результаты измерений IMD3
Таблица 1. Параметры УРУ
| Наименование параметра | Буквенное обозначение параметра | Мин | Типовое значение | Макс | Ед. изм. |
| Диапазон частот | F | 2 | 32 | ГГц | |
| Напряжение стока | Uс | 28 | В | ||
| Напряжение затвора | Uз | -1.8 | В | ||
| Ток покоя | I | 350 | мA | ||
| Коэффициент усиления в режиме малого сигнала | Ку | 9 | дБ | ||
| Коэффициент усиления в режиме большого сигнала | Ку | дБ | |||
| Выходная мощность насыщения | Pнас | 36 | дБм | ||
| PAE | PAE | 16 | 20 | % | |
| КСВН входа | КСВНвх | 1.6 | — | ||
| Диапазон температур | -30 | +55 | °C | ||
| Корпус | |||||
| ESD (HBM) | Класс 1A | ||||
- Заключение
В данной работе представлены результаты моделирования и экспериментального исследования сверхширокополосного усилителя мощности с распределенным усилением в диапазоне рабочих частот 2-32 ГГц. Усилитель мощности безусловно устойчивый. Результаты демонстрируют типичное усиление на малом сигнале 8 – 10.5 дБ. В диапазоне 2–32 ГГц, КПД по добавленной мощности (PAE) составляет 16 – 30%, выходная мощность 35— 37.5 дБм. Размер кристалла 4.4х1.8 мм. По результатам измерений можно сделать вывод, что измеренные характеристики расходятся с расчетными значениями незначительно, хоть коэффициент усиления УРУ получился ниже расчетного. Данное расхождение может быть связано как с особенностями экспериментального исследования (особенности подачи питания УРУ), так и с возможными несовершенствами моделей транзисторов, используемых в САПР. Точное определение причины данного расхождения требует дополнительного исследования.
Размещение статей в журнале: leonid.chanov@ecomp.ru
Реклама в журнале: anton.denisov@ecomp.ru
подписка: https://mediagruppa-elektronika.timepad.ru/event/2633200/
Список литературы
- Кищинский А.А., Джуринский К.Б., Твердотельные усилители СВЧ – диапазона. Новые радиочастотные соединители. – 2022. – С.11-51.
- Narendra Kumar, Andrei Grebennikov. Distributed Power Amplifiers for RF and Microwave Communications. –2015. – С. 54-430.
- Tongyao Luan,Yongqing Leng, Xin Qiu, Xingli Cui, Aizhen Hu, Bo Xu, Yatao Peng. Design of 2–16 GHz Non-Uniform Distributed GaN HEMT MMIC Power Amplifier with Harmonic Suppression Network. –2022. – С. 1-13.
- H. Ladbrooke, Large Signal Criteria for the Design of GaAs FET Distributed Power Amplifier. //IEEE Trans. Electron Devices, Vol. ED-32, No. 9, pp. 1745–1748, Sep. 1985.
- О.В.Алексеев. Усилители мощности с распределенным усилением/Ленинград.Энергия,1968.
Источник: elcomdesign.ru