СВЧ транзисторы компании Advanced Power Technology для авионики и радаров

Целью настоящей статьи, является обзор СВЧ-транзисторов, применяемых в авиационной электронике и радиолокационных станциях. Здесь рассматриваются основные особенности и параметры СВЧ-транзисторов компании Advanced Power Technology, дано краткое сравнение этих транзисторов с аналогами, производимыми другими фирмами.

Введение

Высокочастотное отделение компании Advanced Power Technology (APT-RF) было сформировано в 2002 году после приобретения и объединения компаний GHz Technology Inc. и Microsemi RF. Дополнив собственные разработки продуктами этих компаний, APT-RF сейчас выпускает для СВЧ как биполярные, так и полевые транзисторы по технологиям VDMOS и LDMOS. Все выпускаемые транзисторы кремниевые и охватывают диапазон частот от 1 МГц до 3,5 ГГц и диапазон напряжений от нескольких вольт до 300 В. Продукция соответствует международному стандарту качества ISO 9001, производится по военным стандартам и имеет космическую приемку. Производственные линии компании и линии тестирования продукции сегодня являются одними из самых современных в мире. Выпускаемая продукция подразделяется на несколько категорий, соответствующих различным применениям и коммерческим нишам: радио- и телевещание, авиационная электроника, радиолокационные станции (РЛС) различных диапазонов частот, радиорелейные, широкополосные средства связи (ШПС) и другие [1].

Технологии производства СВЧ-транзисторов компании APT

Биполярная кремниевая технология — традиционная технология производства транзисторов, которая постоянно совершенствуется компанией APT. Данная технология наиболее распространена, отработана, и продукты на ее основе получаются более дешевыми. Большинство СВЧ-транзисторов компании APT являются биполярными.

Технология VDMOS (Vertical Diffusion Metal Oxide Semiconductors) — двухдиффузионная технология с вертикальной МОП-структурой. Для данной технологии характерны лучшая термостабильность и плотность мощности транзисторов, чем для биполярной. Благодаря объединению традиционной VDMOS-технологии со специфической ВЧ-технологией компании удалось расширить диапазон рабочих напряжений ВЧ-транзисторов до 300 В.

По данной технологии изготавливаются транзисторы для СВЧ-связи, индустриального, научного и медицинского применений (ISM). Они предназначены для работы в широком диапазоне частот (2–175 МГц) в непрерывном режиме и обеспечивают выходную мощность от 30 до 300 Вт.

Технология LDMOS (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductors) — кремниевая технология МОП с боковой диффузией, обладающая наилучшими характеристиками, такими как линейность, усиление, термостабильность, устойчивость к рассогласованию, высокий КПД, запас по рассеиваемой мощности, надежность [2]. В статье «Высокочастотные полупроводниковые приборы» [3] отмечено, что LDMOS-транзисторы целесообразно применять для работы на постоянную нагрузку и в ограниченном диапазоне мощностей. По данной технологии изготавливаются мощные транзисторы для работы в авиационной электронике на частотах от 1030 до 1090 МГц, обеспечивающие мощность в нагрузке 100, 200 и 300 Вт в импульсном режиме работы.

Технологии будущего. В настоящее время компанией APT разрабатывается новое поколение полупроводниковых СВЧ-транзисторов, основанное на технологии, использующей полупроводниковые материалы сширокой областью запрещенной зоны: карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN). Эти транзисторы будут проектироваться в первую очередь для РЛС, ШПС и авиационной электроники.

Новое поколение транзисторов будет иметь значительные преимущества по сравнению с транзисторами, изготовленными из традиционных материалов (Si и GaAs). Они смогут обеспечить большее соотношение мощности и рабочего напряжения и более высокую плотность мощности. Новые транзисторы позволят значительно расширить ширину импульса и ширину полосы частот, а также снизить потери, соответственно, повысить КПДи устойчивость обычных транзисторных усилителей.

Работа опытного образца на основе SiC уже была продемонстрирована в июле 2005 года [4]. Он обладал максимальным коэффициентом усиления 18 дБ на частоте 500 кГц, а на частоте 1 ГГц – 12,4 дБ.

Прототипы новых транзисторов будут доступны в 2006 году.

Особенности производства транзисторов компании APT

• Биполярные иполевые транзисторы (LDMOS, VDMOS) спроектированы для работы в непрерывном (НР) и импульсном режимах.
• Выводы транзисторов имеют золотое покрытие.
• Транзисторы реализованы в стандартных герметичных корпусах.
• Полностью автоматизированная сборка, обеспечивающая контроль над продукцией, и повторяемость параметров транзисторов от партии к партии.
• Предварительная подгонка для лучшей производительности во всем диапазоне рабочих частот.
• Автоматическое тестирование изделий в рабочем диапазоне и сверх него, гарантирующее рабочие характеристики.

Транзисторы для радиолокационных станций (РЛС)

Транзисторы для РЛС изготавливаются для определенных частотных диапазонов, соответствующих рабочим частотам РЛС. Рабочие диапазоны частот регламентированы американским стандартом [5], который присваивает каждому диапазону буквенное обозначение:

• UHF-диапазон: 400–450 МГц;
• P-диапазон: 890–1000 МГц;
• L-диапазон: 1,2–2 ГГц;
• S-диапазон: 2,7–3,1 ГГц и 3,1–3,4 ГГц.

Все транзисторы для РЛС изготовлены на основе кремния по биполярной технологии, но в ближайшем будущем APT планирует выпустить транзисторы, основанные на карбиде кремния (SiC) и нитриде галлия (GaN). Все транзисторы рассчитаны на работу в классе усиления С.

Для UHF-диапазона выпускаются две модели транзисторов (MS2176 и MS2200), рассчитанные на минимальную гарантированную выходную мощность 400 и 500 Вт. Эти транзисторы имеют коэффициент усиления по мощности 9,6 дБ, рабочее напряжение 40 В и спроектированы для работы в импульсном режиме в схеме с общим эмиттером (СОЭ). При коэффициенте заполнения 10% и ширине импульса 250 мкс КПД транзисторов составляет 50%. Транзисторы устойчиво работают при рассогласовании с нагрузкой, определяемой коэффициентом стоячей волны (КСП) 20:1.

Для работы РЛС в P-диапазоне частот компанией APT выпускаются три разновидности транзисторов: 0910-60M, 0910-150M и 0910-300M, на различные уровни мощности — 60, 150 и 300 Вт соответственно.

Эти транзисторы спроектированы для работы с СВЧ-импульсами средней длительности (150 мс) и минимальным коэффициентом заполнения 5%. Например, высокоэффективный 300-ваттный транзистор при усилении в классе С в схеме с общей базой (СОБ) обеспечивает уникальные технические характеристики: коэффициент усиления по мощности — 9,6 дБ, КПД коллекторной цепи — 50% и чрезвычайно низкий спад импульса — 0,5 дБ или менее при длительности импульса 150 мс. Эти характеристики достигнуты благодаря использованию самой последней технологии изготовления кремниевых плоскостных мощных транзисторов.

Самой большой группой транзисторов для РЛС являются транзисторы L-диапазона. Транзисторы диапазона частот 1200–1400МГц выпускаются различной мощности — от 2 до 370 Вт. Маломощные транзисторы (2, 6, 12 Вт) предназначены для работы в непрерывном режиме. Транзисторы средней мощности (30–140 Вт) могут работать с длительностью модулирующего импульса до 5000 мкс при коэффициенте заполнения 20%, а транзисторы большой мощности (220–370 Вт) — с длительностью импульса от 100 до 330 мкс при коэффициенте заполнения 10%. Для работы в более высоком L-диапазоне частот 1480–1650 МГц выпускаются три транзистора, рассчитанные на различные уровни мощности: 20, 110 и 250 Вт. Мощные транзисторы имеют достаточно маленькое температурное сопротивление кристалл-корпус: от 0,5 до 0,1 °С/Вт.

Транзисторы S-диапазона составляют группу из пяти приборов. Для диапазона частот 2700–3100 МГц выпускаются четыре транзистора мощностью 100–170 Вт, а для диапазона частот 3100–3400 МГц — один транзистор мощностью 65 Вт. Они спроектированы для работы в схеме с общей базой в классе С.

Все транзисторы S- и L-диапазонов имеют коэффициент усиления от 7 до 8,7 дБ. Основные модели транзисторов для РЛС сведены в таблицу 1.

Транзисторы для авиационной электроники

Все транзисторы, разработанные для авиационной электроники, нацелены на конкретные применения.

• Дальномерное оборудование (distance measuring equipment — DME), диапазон частот 960–1215 МГц;
• Системы опознавания «свой — чужой» (identification friend or foe — IFF);
• Системы распределения общей тактической информации (Joint Tactical Information Distribution System — JTIDS), диапазон частот 960–1215 МГц
• Радионавигационная система ближнего действия (tactical air navigation system — TACAN), диапазон частот 960–1215 МГц;
• Системы предотвращения столкновений воздушных судов, системы диспетчеризации (traffic collision avoidance systems — TCAS), частоты 1030 и 1090 МГц;
• Авиационные РЛС опроса самолетов с выборочным и адресным опросом (MODE-S). Такой режим улучшает качество обнаружения. Недавно был введен Европейской организацией безопасности авиационной навигации.
• Ответчики (Transponder) и опросные устройства (Interrogator), частоты 1030 и 1090 МГц;

Для каждого отдельного применения транзисторы выпускаются на различную мощность от самой минимальной (единицы ватт) до максимальной (сотни ватт). Мощные транзисторы выгоднее применять там, где необходимы минимальные размеры и вес, заменяя одним транзисторным каскадом несколько маломощных каскадов.

Все транзисторы тестированы на весь заявленный диапазон частот и заявленные условия работы для полной уверенности в их работоспособности в конечном устройстве пользователя и для минимизации настройки на заводе-изготовителе.

Для авиационной электроники выпускаются транзисторы по двум технологиям: стандартной биполярной и LDMOS.

Большой группой транзисторов (15 приборов) для авионики являются транзисторы диапазона частот 1090 МГц. Три из них маломощные (MS2290, MS2203, MS2204), предназначены для непрерывной работы (НР) в классе А в схеме с общим эмиттером, при этом их коэффициент усиления составляет 10–10,90 дБ. Напряжение питания этих транзисторов — 18 В. Другие 12 приборов предназначены для работы в импульсном режиме в классе С, в схеме с общей базой. Они изготавливаются на уровень выходной мощности от 2 до 1000 Вт. Самые мощные транзисторы имеют температурный коэффициент сопротивления от 0,10 до 0,06 °С/Вт. Коэффициент усиления составляет для маломощных 10 дБ, для мощных транзисторов — 6,80 дБ. Напряжение питания большинства транзисторов — 50 В. Длительность входного импульса для всех транзисторов составляет 10 мкс при коэффициенте заполнения 1%.

Другой большой группой (26 приборов) является аналогичная группа транзисторов другого частотного диапазона 1025–1150 МГц для применения в бортовых системах измерения дальности. Один из этих транзисторов (1000MP) предназначен для непрерывной работы и обеспечивает мощность в нагрузке 0,6 Вт. Остальные рассчитаны на импульсный режим работы (параметры некоторых из них приведены в таблице 2).

Помимо приборов для авионики и радаров, APT производит СВЧ-транзисторы и для других приложений. Большая группа транзисторов (порядка 100) выпускается для СВЧ-средств связи различных диапазонов частот. Также выпускаются СВЧ-транзисторы для радио- и телевещания, для радиорелейных систем, для широкополосных средств связи, и, естественно, есть группа маломощных транзисторов общего назначения. Отдельного внимания заслуживают следующие две группы: транзисторы, предназначенные для линейного режима работы в классе усиления А на частотах от 1 МГц до 2,3 ГГц, и высоковольтные транзисторы для промышленных, научных, медицинских применений и высокочастотных коммуникаций. Это небольшая группа мощных полевых ВЧ-транзисторов (30–130 МГц, 85–750 Вт) с рабочим напряжением на стоке от 50 до 300 В.

Сравнение транзисторов APT и Philips

В заключение сравним транзисторы фирмы APT с другими транзисторами, имеющимися на нашем рынке. Например, выберем фирму Philips Semicoductors, являющуюся лидером в разработке и производстве СВЧ-транзисторов по технологии LDMOS [2, 6].

Транзисторы для РЛС. Для L-диапазона Philips выпускает только два транзистора, мощностью 25 и 250 Вт, тогда как компания APT — 14 приборов различного назначения.

Для S-диапазона Philips выпускает несколько большее число транзисторов — 8, но мощностью не боле 110 Вт (у APT верхняя модель транзистора рассчитана на мощность 175 Вт).

Транзисторы для авионики. Компания Philips выпускает всего 10 видов транзисторов для авионики, из них 5 — по технологии LDMOS, другие 5 — по биполярной технологии [7]. Диапазон мощностей транзисторов компании Philips: 2–375 Вт. Остальные параметры транзисторов схожи. Компания APT выпускает 82 модели транзисторов для авионики, из которых 19 рассчитаны на мощности более 400 Вт.

Заключение

Хотя Philips и является «законодателем мод» в технологии LDMOS-транзисторов, компания APT сумела выпустить на рынок значительно большее число биполярных и LDMOS-транзисторов для различных применений, в том числе и с уникальными параметрами, не имеющих аналогов у других фирм-разработчиков. Так, СВЧ-транзисторы, рассчитанные на выходную мощность более 500 Вт Philips не производит в принципе, а для APT этот уровень мощности — не предел. Компания APT постоянно совершенствует свою технологию производства СВЧ-транзисторов и разрабатывает новые технологии. Результатов этих разработок можно ожидать уже этом новом году.

Литература

1. Каталог СВЧ-транзисторов компании APT. www.advancedpower.com
2. Захаров В. Мощные СВЧ-транзисторы Philips Semiconductors. http://www.radioradar.net/spravka/ philips_svch_power.php.
3. Майская В. Высокочастотные полупроводниковые приборы // Электроника НТБ. 2004. № 8.
4. Feng Zhao, Ivan Perez-Wurfl, Chih-Fang Huang, John Torvik, Bart Van Zeghbroeck. First Demonstration Of 4H-SiC RF Bipolar Junction Transistors On A Semi-insulating Substrate With fT/fMAX Of 7/5.2 GHz. IEEE MTT-S 2005 International Microwave Symposium.
5. IEEE Standard for Letter Designations for Radar-Frequency Bands. The Institute of Electrical and Electronic Engineers, Inc. New York. January 8, 2003.
6. Дидилев С. Мощные LDMOS-транзисторы: преимущества и области применения // Компоненты и технологии. 2002. № 2.
7. http://www.semiconductors.philips.com