CC BY
144ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ INTEGRATED ELECTRONICS ELEMENTS
Научная статья
УДК [621.3.029.6:621.375:621.382.3]:004.94 doi:10.24151/1561-5405-2022-27-2-187-192
Моделирование СВЧ-усилителей мощности на GaN-транзисторах
В. Т. Комаров
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
Аннотация. Эффективное использование GaN-транзисторов предполагает разработку электрической схемы СВЧ-усилителя мощности, которая позволит реализовать максимальные значения выходной мощности, коэффициента усиления по мощности, полосы частот и КПД. Обязательное условие - устойчивая работа СВЧ-усилителя. Для достижения данных целей необходимы электрические параметры эквивалентной схемы реальных транзисторов в режиме большого сигнала. В работе представлена полная модель СВЧ-усилителя мощности Х-диапазона частот на GaN-транзис-торах, в которой элементы согласования, питания и смещения выполнены на микрополосковых отрезках. Рассмотрен метод моделирования СВЧ-усилителей мощности в программной среде Keysight Technologies Advanced Design System (ADS), позволяющей решать вопросы устойчивости усилителя, выбирать компромисс между коэффициентом усиления, выходной мощностью, КПД и полосой рабочих частот, вычислять интермодуляционные составляющие спектра выходного сигнала. В составе СВЧ-усилителя мощности использованы нелинейные модели реальных GaN-транзисторов из библиотеки Modelithics Qorvo GaN, в частности модель TGF2023. Геометрические размеры отрезков вычислены в результате оптимизации согласующих микрополосковых эквивалентных моделей на входе и выходе транзистора на максимум выходной мощности и КПД СВЧ-усилителя в Х-диапазоне частот. Окончательные результаты получены с помощью электромагнитного анализа микрополосковых схем в составе полной модели усилителя мощности в режиме большого сигнала. Моделирование усилителей в программной среде ADS дает возможность определять геометрические размеры полной платы усилителя мощности Х-диапазона частот.
Ключевые слова: GaN-транзистор, усилитель мощности, КПД, коэффициент стабильности
© В. Т. Комаров, 2022
Для цитирования: Комаров В. Т. Моделирование СВЧ-усилителей мощности на GaN-транзисторах // Изв. вузов. Электроника. 2022. Т. 27. № 2. С. 187-192. doi: https://doi.org/10.24151/1561-5405-2022-27-2-187-192
Original article
The simulation of microwave power amplifiers on the GaN transistors
V. T. Komarov
National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia [email protected]
Abstract. Effective use of GaN transistors implies the design of microwave power amplifier's circuit that allows putting into action maximal values of output power, power gain, frequency range and power added efficiency (PAE). Mandatory requirement is steady work of microwave amplifier. In furtherance of hereof, electrical parameters of actual transistors' equivalent circuit at large -signal operation are necessary. In this work, the complete electrical circuit of microwave power amplifier of X frequency range on GaN transistors on lumped elements and microstrip segments is presented. A method of microwave power amplifiers simulation in the Keysight Technologies Advanced Design System (ADS) computer environment allowing to resolve the amplifier stability issues, to compromise between amplifier gain, output power, PAE and frequency range, and to calculate intermodulation products of output spectrum, is considered. Nonlinear models of Qorvo Modelithics GaN transistors, particularly TGF2929 model, were used as part of microwave power amplifier. The segments' physical dimensions were calculated as a result of the optimization of the matching circuits at the input and output of the transistor to the maximum of the amplifier in the frequency range. The end results have been calculated by electromagnetic analysis of microstrip circuits in assembly with complete model of power amplifier at large-signal operation. Amplifier simulation in ADS computer environment makes it possible to define physical dimensions of complete X frequency range power amplifier card.
Keywords: GaN transistor, power amplifier, power added efficiency, stability coefficient
For citation. Komarov V. T. The simulation of microwave power amplifiers on the GaN transistors. Proc. Univ. Electronics, 2022, vol. 27, no. 2, pp. 187-192. doi: https://doi.org/10.24151/1561-5405-2022-27-2-187-192
Введение. На основе современных технологий освоено массовое производство высокочастотных GaN-транзисторов [1]. Следующая ступень развития СВЧ-электроники -создание интегральных схем СВЧ-усилителей на GaN-транзисторах [2]. Эффективное использование GaN-транзисторов предполагает разработку электрической схемы усилителя, позволяющей реализовывать максимальные значения выходной мощности, коэффициента усиления по мощности, полосы частот и КПД. Для устойчивой работы СВЧ-усилителя необходимы электрические параметры эквивалентной схемы реальных транзисторов в режиме большого сигнала [3, 4]. При наличии модели эквивалентной
схемы транзистора для достижения оптимальных выходных параметров СВЧ-усилителя мощности эффективным является применение компьютерных программ анализа нелинейных электрических схем. Кроме того, для работы СВЧ-усилителя необходимо использование программ ЕМ-анализа микрополосковых схем.
В работах [5, 6] представлен процесс проектирования СВЧ-усилителя мощности с использованием моделей GaN-транзисторов и программы машинного анализа электрических схем в режиме большого сигнала. На первом этапе определяют оптимальные комплексные нагрузки (load / source-pull) на входе и выходе транзистора в целевых областях диаграммы Смита. На втором - проектируют выходную цепь методом эквивалентных параметров, позволяющим создать схему на основе идеальных сосредоточенных элементов и преобразовать ее в распределенную схему.
Получение высокого КПД усилителей мощности - сложная задача для разработчиков вследствие влияния высших гармоник тока и напряжения на выходе транзистора. Контроль нагрузочных импедансов высших гармоник значительно усложняет процесс проектирования. В работах [7, 8] предложен метод машинного моделирования усилителей мощности на GaN-транзисторах в составе полной электрической схемы на сосредоточенных элементах. Согласно результатам моделирования усилителей большой мощности [5-8] КПД в оптимальных схемах Z-диапазона частот равен 80 %, на частотах ^-диапазона - 48 %, на частотах ^-диапазона в интегральных схемах [2] составляет 25 %.
Цель настоящей работы - создание модели высокоэффективного СВЧ-усилителя с увеличенной полосой пропускания для Х-диапазона частот в программной среде Keysight Technologies Advanced Design System (ADS).
Электрическая модель СВЧ-усилителя мощности Х-диапазона частот. Для моделирования СВЧ-усилителя мощности в качестве активного элемента усилителя из библиотеки Modelithics Qorvo GaN выбран GaN-транзистор TGF2023 с предполагаемой мощностью 20 Вт. Электрическая схема СВЧ-усилителя мощности Х-диапазона частот на GaN-транзисторе представлена на рис. 1.
Fre(<1J=FREC G№ Ordern ]-5
MURI...........■=......i HM r^QOR^TOF2Q23-_2_05_101_M DfcJCQorvoGaN
Cond=1.CE*50.................X2...............
rtj=1e+33mm VJ3SQ=28V
T=0 n»n I ^ I-l 8Wremoval=0 - Bend wire effect in model
TanC)=0 it} I HARMONIC BALANCE I s«r_heat_factor=01
Rough=0 mm I | | Temperatures5
Bbase= ... HamonicBalance..........................
W»aKs= . . FREQH61...........................
Fret<1J=FREC G№ Ordeitl]=5
Рис. 1. Электрическая схема усилителя мощности Х-диапазона частот на GaN-транзисторе Fig. 1. Electrical diagram of a high-power amplifier ofX frequency range on a GaN transistor
Микрополосковые отрезки на входе транзистора обеспечивают согласование входного импеданса транзистора с импедансом высокочастотного источника 50 Ом, а также подачу напряжения на затвор транзистора. На выходе транзистора микрополосковые отрезки обеспечивают согласование оптимальной нагрузки транзистора с внешней нагрузкой 50 Ом, а также питание транзистора по постоянному току. Элементы R2 и R4
обеспечивают устойчивость режима работы транзистора. Максимальные значения выходной мощности и КПД в широкой полосе частот реализуются за счет выбора больших питающих напряжений и выбора напряжения смещения на затворе транзистора. На рис. 2 представлены зависимости выходной мощности усилителя и КПД от частоты.
Рис. 2. Зависимости выходной мощности усилителя (а) и КПД (б) от частоты Fig. 2. Dependences of the output power of the amplifier (a) and power added efficiency (b) on the frequency
Оптимальные параметры элементов согласования схемы определяли с помощью параметрической оптимизации микрополос-ковых отрезков и ЕМ-анализа микрополос-ковой схемы. Режим работы с максимальными показателями прошел проверку на стабильность. На рис. 3 представлены результаты исследования устойчивости усилителя мощности в режиме малого сигнала, что позволяет вычислить критерии стабильности усилителя StabFact > 1. Из графика следует, что в полосе частот от 1 до 12 ГГц усилитель сохраняет абсолютную устойчивость. Максимальный КПД усилителя достигается в режиме насыщения тока на выходе транзистора, при котором проявляется влияние гармоник на формы тока и напряжения на стоке транзистора (рис. 4).
Рис. 3. Частотная характеристика коэффициента стабильности усилителя мощности Fig. 3. Frequency response of the stability coefficient of a power amplifier
Рис. 4. Временные зависимости тока стока (а) и напряжения стока (б), определяющие
максимальный КПД усилителя Fig. 4. Time dependences of the drain current (a) and drain voltage (b) that determine the maximum power added efficiency of the amplifier
Г1_2вее4 TLStepI TL7
1мм
Cojn3 Оотб
TL5 CUn1
СоТ.1 _ С-ГП2
CLK2 TL6 Соп«5 СттА
i_n>fci
Рис. 5. Конфигурация микрополосковой схемы усилителя мощности Х-диапазона частот Fig. 5. Configuration of the microstrip schema of the power amplifier ofX range of frequency
Характеристики усилителя, представленные на рис. 2-4, получены в результате параметрической оптимизации схемы усилителя мощности (см. рис. 1). Входная цепь представлена напряжением смещения Vdc = -2,7 В, входной мощностью Pin = 3,3 Вт, сопротивлениями R2 = 10 Ом, R4 = 6 Ом и микрополосковой схемой согласования, выходная цепь - напряжением питания Vdc = 28 В и микрополосковой схемой согласования (рис. 5). Материал подложки - Rogers R04003, толщина положки 0,2 мм, диэлектрическая проницаемость 3,55, высота экрана корпуса 3 мм.
Заключение. В результате исследования определена конфигурация микрополосковой схемы СВЧ-усилителя мощности Х-диапазона частот на GaN-транзисторе, обеспечивающая мощность 20 Вт в полосе частот 1 ГГц. Электрическая схема позволяет формировать гармоники в режиме большого сигнала на выходе транзистора, необходимые для реализации высокого КПД (не менее 50 %). Режим максимальной мощности обеспечивает устойчивость СВЧ-усилителя.
Моделирование СВЧ-усилителей на GaN-транзисторе в программной среде ADS дает возможность в одном процессе определять геометрические размеры полной платы усилителя мощности Х-диапазона частот.
Литература
1. Тарасов С., Дикарев В., Цоцорин А. Мощные GaN СВЧ-транзисторы для применения в перспективных системах связи и радиолокации // СВЧ-электроника. 2016. № 1. С. 26-29.
2. Янг Т., Вай Д. Преимущества электромагнитного анализа в проектировании усилителя мощности К-диапазона для систем навигации // СВЧ-электроника. 2019. № 4. С. 42-45.
3. Альварес К. Р. Компьютерное моделирование для оценки безусловной устойчивости трехкаскад-ного СВЧ-усилителя мощности: пер. В. Рентюк // СВЧ-электроника. 2021. № 2. С. 48-53.
4. Angelov I., Zirath H., Rosman N. A new empirical nonlinear model for HEMT and MESFET devices // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1992. Vol. 40. No. 12. P. 2258-2266. https://doi.org/ 10.1109/22.179888
5. Dunleavy L., Morales H., Suckling C., Tran K. Device and PA circuit level validations of a high power GaN model library // Microwave Journal: электрон. журн. 2016. Vol. 59. URL: https://www.microwavejournal.com/articles/26878-device-and-pa-circuit-level-validations-of-a-high-power-gan-model-library (дата обращения: 25.11.2021).
6. Браннинг Дж., Рэйт Р. Проектирование широкополосного усилителя мощности радиочастотного диапазона на основе GaN при помощи NI AWR Design Environment // СВЧ-электроника. 2018. № 2. С. 42-47.
7. Фирас М. А. А.-Р. Усилитель мощности класса F c новой конфигурацией схемы согласования нагрузки // СВЧ-электроника. 2017. № 2. С. 49-57.
8. Комаров В. Т. СВЧ-усилитель мощности до 100 Вт на GаN-транзисторах в режиме большого сигнала // Изв. вузов. Электроника. 2020. Т. 25. № 1. С. 78-82. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2020-25-1-78-82
Статья поступила в редакцию 16.09.2021 г.; одобрена после рецензирования 16.09.2021 г.;
принята к публикации 22.02.2022 г.
Информация об авторе
Комаров Валерий Терентьевич - кандидат технических наук, доцент Института микроприборов и систем управления Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), [email protected]
References
1. Tarasov S., Dikarev V., Tsotsorin A. The high-power GaN microwave transistors for the applications in perspective systems of radar and communication. SVCh-elektronika = Microwave Electronics, 2016, no. 1, pp. 26-29. (In Russian).
2. Young Th., Vye D. Leveraging EM analysis: K-band satcom GaN HPA design success. MWEE, 2019, vol. 9, pp. 10-11.
3. Alvarez K. R. Simulating the stability of a three-stage microwave power amplifier. Microwaves & RF. 21.07.2021. Available at: https://www.mwf.com/technologies/software/article/21170193/simulating-the-stability-of-a-threestage-microwave-power-amplifier (accessed: 25.11.2021).
4. Angelov I., Zirath H., Rosman N. A new empirical nonlinear model for HEMT and MESFET devices. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1992, vol. 40, no. 12, pp. 2258-2266. https://doi.org/ 10.1109/22.179888
5. Dunleavy L., Morales H., Suckling C., Tran K. Device and PA circuit level validations of a high power GaN model library. Microwave Journal, 2016, vol. 59. Available at: https://www.microwavejournal.com/ articles/26878-device-and-pa-circuit-level-validations-of-a-high-power-gan-model-library (accessed: 26.11.2021).
6. Brunning J., Rayit R. Designing a broadband, highly efficient, gallium nitride, RF power amplifier (RFPA) using NI AWR Design Environment software platform. New-Tech Europe. 11.07.2018. Available at: https://www.new-techeurope.com/2018/07/11/designing-broadband-highly-efficient-gallium-nitride-rf-power-amplifier-rfpa-using-ni-awr-design-environment-software-platform/ (accessed: 29.11.2021).
7. Firas M. A. A.-R. Class-F RF power amplifier with a new load network configuration. High Frequency Electronics. 2017. Available at: https://www.highfrequencyelectronics.com/index.php?option= com_content&view=article&id=1689 (accessed: 29.11.2021).
8. Komarov V. T. Amplifier of power up to 100 Wt based on GaN transistors in large signal mode. Proc. Univ. Electronics, 2020, vol. 25, no. 1, pp. 78-82. (In Russian). https://doi.org/10.24151/1561-5405-2020-25-1-78-82
The article was submitted 16.09.2021; approved after reviewing 16.09.2021;
accepted for publication 22.02.2022.
Information about the author
Valery T. Komarov - Cand. Sci. (Eng.), Assoc. Prof. of the Institute of Microdevices and Control Systems, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]
