Научная статья на тему 'СВЧ - транзисторы компании Advanced Power Technology для авионики и радаров'

СВЧ - транзисторы компании Advanced Power Technology для авионики и радаров Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
237
210
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Шаропин Юрий

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

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «СВЧ - транзисторы компании Advanced Power Technology для авионики и радаров»

18 www.finestreet.ru компоненты ВЧ/СВЧ-элементы

СВЧ-транзисторы компании Advanced Power Technology

для авионики и радаров

Юрий ШАРОПИН

[email protected]

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 плот-

ность 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-транзис-торов, основанное на технологии, использующей полупроводниковые материалы с широкой 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 ра-

бочего напряжения и более высокую плотность мощности. Новые транзисторы позволят значительно расширить ширину импульса и ширину полосы частот, а также снизить потери, соответственно, повысить КПД и 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 и полевые 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:

Таблица 1. Транзисторы для радиолокационных станций

p . Bbgmm» V Ку m." дБ V КПД, % Длит. имп., мкс Коэф. заполн., % КСВН Tjc, °С/Вт Тип корпуса Наимено- вание

иНР-диапазон 400-450 МГц, класс С, СОЭ 300 33 9,6 40 50 250 10 20:1 0,20 M106 M 32176

500 54 9,7 40 50 250 10 20:1 0,15 M102 M 32200

Р-диапазон 890-1000 МГц класс С, СОБ 60 95 8,0 40 40 150 5 3:1 1,0 55AW-1 0910-60M

300 33 9,6 50 40 150 5 3:1 0,22 55KT-1 0910-300M

Ь-диапазон 1200-1400 МГц, класс С, СОБ 2 0,35 7,5 28 45 НР 100 10:1 14 55LT 1014-2

370 50 8,7 50 50 330 10 2:1 0,29 55ST-1 1214-370M

Ь-диапазон 1480-1650 МГц, класс С, СОБ 20 3,5 8,0 36 40 200 10 3:1 1,0 55LV 1517-20M

250 50 7,0 40 40 200 10 3:1 0,25 55ST-1 1517-250M

Б-диапазон 2700-3100 МГц, класс С, СОБ 100 16 8,0 36 40 200 10 2:1 0,30 55KS-1 2731-100M

170 24 8,5 36 50 100 10 2:1 0,30 55KS-1 2729-170

Б-диапазон 3100-3400 МГц, класс С, СОБ 65 11,5 7,5 36 40 120 10 2:1 0,50 55KS-1 3134-65M

• 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 1200-1400 МГц 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 транзи-

стора 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 ус-

ловия 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. Отдельно-

ВЧ/СВЧ-элементы

Таблица 2. Транзисторы для авионики

КПД, Длит. имп., Коэф. КСВН Tjc, Тип Наимено-

% мкс заполн., % C/Вт корпуса вание

Transponder/Interrogator, 1030/1090 МГц, класс С, СОБ 150 25 7,80 50 40 10 30:1 0,30 MBS MS2393

400 75 7,30 50 40 10 20:1 0,20 55CT-1 TPR400

LDMOS: Transponder/Interrogator, 110 5,5 13,0 32 50 32 2 3:1 0,38 55QZ 1011LDH0

1030/1090 МГц, класс AB, СОИ 300 15 13,0 32 50 32 2 3:1 0,13 55QM 1011LD300

Transponder/1090 МГц, 0,20 0,02 10,00 18 - НР - 30:1 25,0 M115 MS2290

класс A, СОЭ 0,60 0,05 10,90 18 - НР - 30:1 25,0 M115 MS2204

Transponder/1090 МГц, 0,25 9,00 28 35 10 1 - 10 M220 MS2201

класс C, СОБ 1000 208 8,00 50 43 10 1 9:1 0,06 55КТ-1 TPR1000

Interrogator/1030 МГц, 1000 158 8,00 50 45 1 1 4:1 0,08 55SW-I ITC1000

класс C, СОБ 1000 100 10,00 50 50 1 1 4:1 0,08 55SW-I ITC1100

TCAS 1090 МГц, класс C, СОБ 400 63 8,00 50 45 32 2 15:1 0,17 M216 MS2207

TCAS 1030 МГц, 450 100 6,50 45 35 32 2 10:1 0,06 55KT- 1 TCS450

класс C, СОБ 1200 150 9,00 50 45 32 2 4:1 0,02 55TU-1 TCS1200

MODES, 400 90 6,50 45 35 32 1 10:1 0,15 55KT- 1 MDS400

1030/1090 МГц, СОБ 1100 115 9,40 50 40 128 2 4:1 0,02 55TU-1 MDS1100

го 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-транзисто-ров 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-транзисто-ры, 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.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

6. Дидилев С. Мощные LDMOS-транзисторы: преимущества и области применения // Компоненты и технологии. 2002. № 2.

7. http://www.semiconductors.philips.com

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.