CC BY
65
АА. Коколов, Л.И. Бабак. Разработка копланарного монолитного усилителя Ka-диапазона 101
УДК 621.375.4
А.А. Коколов, Л.И. Бабак
Разработка копланарного монолитного усилителя Ka-диапазона со сложением мощности
Рассматривается проектирование двухкаскадного копланарного монолитного усилителя Ка-диапазона с использованием схем сложения мощности 4 транзисторов в выходном каскаде. Усилитель выполняется на основе отечественной гетероструктурной 0,13 мкм GaAs mHEMT-технологии. Описывается применение при проектировании комплекса программ автоматизированного синтеза СВЧ транзисторных усилителей и пассивных цепей.
Ключевые слова: СВЧ монолитные интегральные схемы, копланарный усилитель, Ка-диапазон, mHEMT, сложение мощности, автоматизированный синтез.
Введение. Одной из главных тенденций развития современных радиоэлектронных и телекоммуникационных систем является расширение полосы частот и освоение все более высокочастотных диапазонов (до нескольких десятков и в перспективе сотен гигагерц) с целью повышения емкости каналов, скорости и качества передачи данных. В связи с этим актуальной задачей является разработка монолитных интегральных схем (МИС) мм-диапазона волн и, в частности, усилителей мощности (УМ).
Для получения высокого уровня выходной мощности транзистор в оконечном каскаде УМ должен иметь значительную ширину затвора, это противоречит требованию достижения высоких рабочих частот. Поэтому в оконечных каскадах монолитных УМ часто используется суммирование мощности нескольких транзисторов с меньшей шириной затвора [1, 2]. В настоящей работе рассматривается проектирование двухкаскадного монолитного УМ диапазона 30-37,5 ГГц со сложением мощности, который выполняется на базе 0,13 мкм GaAs mHEMT-технологии ИСВЧПЭ РАН (г. Москва). Описывается применение при разработке УМ комплекса программ автоматизированного синтеза СВЧ транзисторных усилителей, пассивных корректирующих (КЦ) и согласующих (СЦ) цепей [3,4].
Построение модели транзистора и оценка выходной мощности. К усилителю предъявлялись следующие требования: коэффициент усиления G не менее 18 дБ; неравномерность АЧХ не более ±1 дБ; выходная мощность Pout не менее 250 мВт (24,0 дБм); модули входного и выходного коэффициентов отражения |вц| < 0,316 (-10 дБ), IS22I < 0,316 (-10 дБ); усилитель должен быть безусловно устойчивым во всем частотном диапазоне (k>1).
В качестве базового активного элемента для разработки УМ выбран mHEMT-транзистор с шириной затвора 4x60 мкм. Его нелинейная табличная модель построена на основе измерения S-параметров в различных рабочих точках по методике [5], она использована для проектирования УМ. Фотография и выходные ВАХ транзистора представлены на рис. 1.
1'0
50
0
V
-2 В
0
10
Г а, В
а б
Рис. 1. Фотография (а) и выходные ВАХ (б) 0,13 мкм GaAs тНЕМТ-транзистора
с шириной затвора 4x60 мкм
Для обеспечения требований была выбрана рабочая точка Vds = 5 В, Vgs= -1,2 В, обеспечивающая линейный режим работы транзистора. По ВАХ можно оценить максимальную выходную мощность, которую транзистор может отдать в нагрузку:
Pout -
-1 ■ max 'mm
)-(U
- u ■ )
max ^mrn I
8
(1)
Принимаем, что /тах - !тт = 65 мА, а Umin - Umax = 9 В. Подставляя эти значения в (1), получаем, что выходная мощность равна = 73 мВт = 18,6 дБм. Несмотря на то, что оценка по ВАХ является грубой и обычно выходная мощность транзистора падает с ростом частоты, данный простой расчет позволяет заключить, что для достижения требуемых параметров необходимо суммировать мощности от 4 транзисторов (Ро^=4х73 мВт = = 292 мВт). Максимальное усиление транзистора на частоте 37 ГГц в данном режиме равно 12,8 дБ, следовательно, два усилительных каскада обеспечат требуемое усиление 18 дБ.
Описание процедуры проектирования. На рис. 2 представлена структурная схема двухкаскадного УМ со сложением мощности от 4 транзисторов. Для удобства и простоты практической реализации выбрана схема сложения с параллельным включением усилительных каскадов, в которой цепи деления и сложения мощности образованы путем «разделения» СЦ и выполняют также функцию согласования импедансов [1, 2].
Рис. 2. Структурная схема двухкаскадного УМ
50 П
50 П
Проектирование УМ со сложением мощности выполнено на основе подхода [1, 2]. На первом этапе осуществляется расчет УМ в одном суммируемом канале (канального усилителя). Особенностью является то, что сопротивления генератора и нагрузки канального усилителя должны быть взяты равными NZq = 4x50 = 200 Ом, где Zq= 50 Ом - сопротивление тракта; N = 4 - число суммируемых каналов [1].
Порядок проектирования двухкаскадного канального УМ с использованием интерактивных «визуальных» процедур аналогичен рассмотренному в [6]. Проектирование начинается с синтеза выходной СЦ оконечного каскада. Для этого путем load-pull моделирования транзистора в среде Microwave Office (MWO) на нескольких частотах рабочего диапазона (30, 34, 37 ГГц) были получены области допустимых значений (ОДЗ) коэффициента отражения нагрузки, в пределах которых выходная мощность составляет не менее 17,5 дБм. По найденным областям с помощью программы «визуального» проектирования LOCUS [3] синтезирована выходная СЦ на идеальных элементах (рис. 3, а). Для удобства последующей реализации сумматора мощности выходная СЦ была модифицирована в среде MWO (рис. 3, б).
На следующем шаге рассчитана параллельная RC-цепь на входе транзистора оконечного каскада (см. рис. 1), обеспечивающая его устойчивость и выравнивание АЧХ. Затем с помощью программы GENESYN, базирующейся на генетических алгоритмах [4], последовательно синтезированы входная и межкаскадная СЦ канального усилителя. При этом критерием являлось достижение минимального уровня отражений в заданной поло-
АА. Коколов, Л.И. Бабак. Разработка копланарного монолитного усилителя Ка-диапазона 103
се частот. Наконец, полученная схема канального усилителя оптимизирована в среде MWO для реализации комплекса требуемых характеристик.
Рис. 3. ОДЗ и годографы на плоскости коэффициента отражения нагрузки для выходной СЦ, синтезированной при помощи LOCUS (а) и модифицированной в MWO (б)
Pout r^ain kill ,^22|, дБ
Частота, ГГц б
Рис. 4. Топология (а) и результаты моделирования (б) монолитного УМ
На втором этапе проектирования УМ (см. рис. 1) выполнен расчет цепей деления и суммирования мощности в обоих каскадах путем преобразования СЦ канального усилителя [1, 2]. На заключительном этапе идеальные пассивные элементы в схеме УМ заменены моделями монолитных элементов, выполненных на копланарных линиях, добавлены цепи питания и проведена окончательная параметрическая оптимизация усилителя в среде MWO. Разработанная топология монолитного УМ на копланарных линиях показана на рис. 4, а (размеры кристалла 2,0x2,7 мм).
Результаты моделирования малосигнальных характеристик усилителя, а также выходной мощности Pout и коэффициента усиления Gls при входной мощности Pin=5 дБм показаны на рис. 4, б (V^s=5 В). В полосе частот 30-37,5 ГГц усилитель обеспечивает коэффициент усиления G = 18 дБ, выходную мощность Pout=22,5 дБм (180 мВт) и согласование по входу и выходу не хуже -10 дБ. Снижение выходной мощности по сравнению с приведенной ранее оценкой обусловлено в основном потерями в суммирующей цепи.
Работа выполнялась при поддержке РФФИ в рамках проектов 08-07-99034-р_офи и 09-07-99020-р_офи, а также в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по направлениям «Нанотехнологии и нано-материалы», «Создание электронной компонентной базы», «Микроэлектроника» (мероприятия 1.1, 1.2.1, 1.2.2, 1.3.1 и 1.3.2, государственные контракты П1418, П1492, П2188, П669, П499, 16.740.11.0092 и 14.740.11.0135).
Литература
1. Marsh S. Practical MMIC design. - London; Boston: Artech House, 2006. - 358 p.
2. Hek A.P. Design, Realization and Test of GaAs-based Monolithic Integrated X-band High-Power Amplifier: PhD thesis. - Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven, 2002. -322 p.
3. Комплекс программ «визуального» проектирования транзисторных СВЧ-усилите-лей и пассивных цепей / Л.И. Бабак, М.В. Черкашин, Д.А. Зайцев и др. // Сб. докл. междунар. науч.-практ. конф. «Электронные средства и системы управления». - Томск: В-Спектр, 2007. - Ч. 2. - С. 113-115.
4. Бабак Л.И. Программа синтеза согласующих цепей на основе генетического алгоритма / Л.И. Бабак, В.А. Вьюшков // Сб. трудов 16-й Междунар. Крымской конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». - Севастополь: Вебер, 2006. -Т. 1. - С. 209-210.
5. Дмитриенко К.С. Построение табличной нелинейной модели pHEMT-транзистора / К.С. Дмитриенко, Л.И. Бабак // Сб. трудов 19-й Междунар. Крымской конф. «СВЧ-тех-ника и телекоммуникационные технологии». - Севастополь: Вебер, 2009. - Т. 1. -С. 119-120.
6. Проектирование монолитного усилителя мощности диапазона 8-12 ГГц с помощью программ автоматизированного синтеза / Ф.И. Шеерман, Л.И. Бабак, А.А. Баров, В.А. Вьюшков // Сб. докл. междунар. научн.-практ. конф. «Электронные средства и системы управления». - Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2005. - Ч. 1. - С. 154-159.
Коколов Андрей Александрович
Мл. науч. сотрудник каф. компьютерных систем в управлении и проектировании (КСУП) ТУСУРа
Тел.: +7-923-405-93-59
Эл. почта: kokolovaa@gmail.com
Бабак Леонид Иванович
Канд. техн. наук, зам. директора НОЦ «Нанотехнологии», доцент каф. КСУП ТУСУРа
Тел.: +7 (382-2) 41-47-17
Эл. почта: leonid.babak@rambler.ru
A.A. Kokolov, L.I. Babak
Design of Ka-band coplanar MMIC amplifier with power combining
The design of Ka-band two-stage coplanar MMIC amplifier with four transistors power combining in the output stage is considered. The amplifier is manufactured with the use of the domestic 0,13 |m GaAs mHEMT technology. The application of software tools for automated synthesis of microwave transistor amplifiers and passive circuits is described.
Keywords: MMIC, coplanar amplifier, Ka-band, mHEMT, power combining, automated synthesis.
