СВЧ-УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ ДО 100 ВТ НА GАN-ТРАНЗИСТОРАХ В РЕЖИМЕ БОЛЬШОГО СИГНАЛА Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Alexander G. Kamenev - Head of the Separate Division Department, JSC «Izhevskiy Radiozavod» Moscow (Russia, 124460, Moscow, Zelenograd, General Alekseev st., 8), a. kamenev@irz. ru

Stanislav A. Korneev - Head of the Department, JSC «Izhevskiy Radiozavod» (Russia, 426034, Izhevsk, Bazisnaya st., 19), stas@irz.ru

Victor V. Chistyukhin - Cand. Sci. (Eng.), Prof. of the Institute of Microdevices and Control Systems, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), Chistyuhinvv@gmail.com

УДК 621.375:621.3.029.6:621.382.3 DOI: 10.24151/1561-5405-2020-25-1-78-82

СВЧ-усилитель мощности до 100 Вт на GаN-транзисторах в режиме большого сигнала

В.Т. Комаров

Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия valerkomarov@gmail. com

Для эффективного использования GaN-транзисторов в составе усилителя большой мощности на практике требуется точная модель эквивалентной схемы транзистора. Для комплексного исследования усилителя необходим анализ полной электрической схемы, содержащей схемы смещения, питания, согласования на входе и выходе транзистора, который эффективно осуществляется алгоритмами частотного анализа нелинейных схем методом гармонического баланса. В работе проведено исследование высокочастотных усилителей большой мощности с уровнем 100 Вт с использованием нелинейных моделей транзисторов Modelithics GaN компании Qorvo в компьютерной среде Keysight Technologies Advanced Design System. Рассмотрена полная электрическая схема усилителей большой мощности на сосредоточенных и микрополосковых элементах. Элементы схемы вычислены с помощью параметрической оптимизации, целевой функцией которой является комплекс параметров усилителя, а именно: максимальная выходная мощность, максимальный КПД, максимальная полоса рабочих частот, устойчивая работа усилителя. Определена конфигурация схемы согласования на выходе мощного транзистора, которая обеспечивает мощность 100 Вт, КПД не менее 60 % в полосе частот 40 % от центральной частоты 500 МГц. Электрическая схема позволяет формировать гармоники в режиме большого сигнала на выходе транзистора, необходимые для реализации высокого КПД.

Ключевые слова: GaN-транзистор; усилитель мощности; КПД; коэффициент стабильности

Благодарности: автор выражает благодарность компании Mjodelithics за предоставленные модели GaN-транзистора.

Для цитирования: Комаров В.Т. СВЧ-усилитель мощности до 100 Вт на GаN-транзис-торах в режиме большого сигнала // Изв. вузов. Электроника. 2020. Т. 25. № 1. С. 78-82. DOI: 10.24151/1561-5405-2020-25-1-78-82

© В.Т. Комаров, 2020

Amplifier of Power up to 100 Wt Based on GAN Transistors in Large Signal Mode

V.T. Komarov

National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia valerkomarov@gmail. com

Abstract. GaN-transistors have a relatively high input resistance, which permits to design the broad-band chains of concordance, providing high efficiency and high output power. For efficient using the GaN-transistors as a part of the high power amplifier in practice a precise model of the equivalent circuits of the transistor is required. For complex studying the amplifier the estimation of the total electric circuit, containing the circuits of shift, power, matching at the transistor input and output, high power added efficiency (PAE) and greater output power are necessary. Such estimation is efficiently executed by the algorithms of the frequency analysis of non-linear circuits by the harmonic balance method. In the work the investigation of the high-frequency high-power amplifiers with 100 Wt level, based on using the non-linear models of transistors Modelithics GaN of Oorvo Company in the Keysight Technologies Advanced Design System (ADS) computer environment, has been carried out. The complete electric circuit of the high power amplifiers on the concentrated and microstrip elements has been considered. The elements of the circuit have been calculated using the parameters optimization, the purpose function of which is the complex of the amplifier parameters, that is. the maximum output power, the maximum efficiency, the maximum band of operating frequency, the stable operation of the amplifier. As an example, the amplifier based on the 100Wt GaN transistor of Oorvo model TGF2929 Company has been presented. The configuration of the matching circuit at the output of the high power transistor, providing 100Wt power, the efficiency not less than 60% in the frequency band 40% from the central frequency 500 MHz has been determined. The electric circuit permits to form harmonics in the large signal mode at the transistor output, necessary for high efficiency realization.

Keywords: GaN transistor; power amplifier; power added efficiency (PAE); K factor

Acknowledgments: the author expresses his gratitude to Mjodelithics for the GaN transistor models provided.

For citation: 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. DOI: 10.24151/1561-54052020-25-1-78-82

Направления развития СВЧ транзисторных усилителей мощности непрерывного режима рассмотрены в работе [1]. Усилители мощности на GaN-транзисторах представляют собой дальнейшее развитие технологии высокочастотных полевых транзисторов с барьером Шоттки. Основные преимущества GaN-транзисторов по сравнению с транзисторами из других материалов (например, GaAs) - большая плотность съема мощности с единицы площади кристалла и относительно высокие входное и выходное сопротивления, что позволяет проектировать широкополосные цепи согласования, обеспечивающие высокий КПД и большую выходную мощность. В работе [2] рассмотрены программный комплекс Advanced Design System компании Keysight и компьютерные модели мощных GaN-транзисторов компании Modelithics [3]. Базой исследуемых транзисторов служат реальные транзисторы компании Qorvo, которые позволяют реализовывать высокочастотную мощность более 100 Вт с одного транзистора. В [2] предложена методика проектирования усилителей мощности, заключающаяся в предварительном моделировании режима большого сигнала усилителя при заданных входной мощности усилителя и

напряжениях смещения и питания транзистора. Вместо схем согласования на входе и выходе транзистора содержатся нагрузочные комплексные сопротивления. Результатом моделирования являются контуры нагрузок на диаграмме Смита на входе и выходе транзистора на основной частоте и частотах гармоник, соответствующие значениям максимальной колебательной мощности и максимальному КПД. Проектирование конструкции усилителя предполагает этап синтеза реальных цепей согласования, эквивалентных вычисленным оптимальным нагрузкам. Синтез реальной схемы в микрополосковом исполнении реализован в работе [4]. Методика проектирования [2, 4] требует значительных временных затрат для вычислительных процессов в случае реализации максимальной мощности, высокого КПД, зависящей от влияния высших гармоник основной частоты на полосу пропускания усилителя. Полученные результаты должны быть подтверждены устойчивой работой усилителя. В работе [5] представлена электрическая схема усилителя, содержащая цепи согласования усилителя на сосредоточенных элементах и отрезках длинной линии, предложена конфигурация схемы усилителя с выходной мощностью 10 Вт и КПД = 75%.

Цель настоящей работы - создание схемы мощного высокоэффективного усилителя на GaN-транзисторе с увеличенной полосой пропускания. Активным элементом усилителя выбран транзистор компании Qorvo TGF2929 с предполагаемой мощностью 100 Вт. На рис.1 представлена электрическая схема усилителя мощности.

Элементы схемы О, L12 на входе транзистора обеспечивают согласование входного импеданса транзистора с импедансом высокочастотного источника 50 Ом, элементы L5, ^3, L11, 04 на выходе транзистора - согласование оптимальной нагрузки транзистора с внешней нагрузкой 50 Ом. Микрополосковый отрезок обеспечивает питание транзистора по постоянному току, элементы R4 и - устойчивый режим работы транзистора. Большая высокочастотная мощность реализуется на стоке GaN-транзистора за счет больших питающих напряжений и выбора напряжения смещения на затворе транзистора, обеспечивающего максимальный ток. На рис.2 представлены зависимости выходной мощности усилителя P и КПД от частоты.

Оптимальные параметры элементов согласования схемы определялись параметрической оптимизацией. Режим работы с максимальными показателями прошел проверку на стабильность. На рис.3 приведены результаты исследования устойчивости усилителя мощности. При выборе смещения -1,5 В реализуются максимальная крутизна тока стока и максимальный коэффициент усиления в режиме малого сигнала, что позволяет вычислить критерии стабильности усилителя (коэффициенты устойчивости): StabFact > 1; StabMeas > 0. Максимальный КПД усилителя достигается в режиме насыщения тока на выходе транзистора, при котором проявляется влияние гармоник на формы тока и напряжения на стоке транзистора. Из графиков следует, что в полосе частот от 100 MГц до 4 ГГц усилитель сохраняет абсолютную устойчивость.

Рис.1. Электрическая схема усилителя большой мощности на GaN-транзисторе Fig.1. Electrical diagram of a high-power amplifier on a GaN transistor

Рис.2. Зависимости выходной мощности усилителя P (а) и КПД (б) от частоты Fig.2. Dependence of the output power of the amplifier P (a) and the efficiency of PAE (b) on the frequency

Рис.3. Частотная характеристика коэффициентов устойчивости усилителя мощности: а - StabFact; б - StabMeas Fig.3. Frequency response of the stability coefficient of a power amplifier: a - StabFact; b - StabMeas

Спектральный анализ мощности показывает наличие на стоке транзистора гармоник основной частоты (рис.4,а) и основной гармоники на выходе усилителя (рис.4,б). Характеристики усилителя, приведенные на рис.2-4, получены в результате параметрической оптимизации схемы усилителя мощности (см. рис.1). Параметры входной цепи: напряжение смещения VDC = -1,55 В; входная мощность P = 5 Вт; R2 = 7 Oм; R4 = 7 Oм; C1 = 14 пФ; L2 = 2,2 нГн; L12 = 7,6 нГн. Параметры выходной цепи: напряжение питания VDC = 28 В; длина микрополос-ковой линии L = 21,5 мм; ширина W = 0,6 мм; толщина положки 0,5 мм; диэлектрическая проницаемость Er = 3,4; L5 = 4,3 нГн; C13 = 33 пФ; L11 = 10,3 нГн; C14 = 10 пФ.

Рис.4. Спектральный анализ мощности на стоке транзистора (а), на выходе усилителя (б) Fig.4. Amplifier power spectrum at the drain of the transistor (a), at the output of the amplifier (b)

В результате исследования высокочастотных усилителей большой мощности определена конфигурация схемы согласования на выходе транзистора, которая обеспечивает мощность 100 Вт в полосе частот 40 % от центральной частоты 500 МГц. Электрическая схема позволяет формировать гармоники в режиме большого сигнала на выходе транзистора, необходимые для реализации высокого КПД. В полосе частот КПД составляет не менее 60 %, максимальный КПД равен 75 %. Схема обеспечивает фильтрацию гармоник в нагрузке усилителя. Режим максимальной мощности обеспечивает устойчивость усилителя. Моделирование усилителя в программной среде ADS позволяет решать задачу реализации реального усилителя на основе схемы, представленной на рис.1, используя замену сосредоточенных индуктивностей схемы эквивалентными микрополосковыми конфигурациями.

Литература

1. Кищинский А Широкополосные транзисторные усилители мощности СВЧ-диапазона - смена поколений // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2010. № 2. С. 11-16.

2. Dunleavy L., Morales H., Suckling C., Kim Tran. Device and PA circuit level validations of a high power GaN model library // Microwave Journal. 2016. Vol. 59. P. 33-38.

3. Angelov, Zirath H., Rorsman 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.

4. Brunning J., Rayit R. Designing a broadband, highly efficient, GaN RF power amplifier // Microwave Journal. 2018. Vol. 61. Iss. 6. P. 72-82.

5. Али Аль-Райм М. Усилитель мощности класса F c новой конфигурацией схемы согласования нагрузки // СВЧ электроника. 2017. № 2. С. 49-57.

Поступило в редакцию 06.11.2019 г.; после доработки 06.11.2019 г.; принято к публикации 19.11.2019 г.

Комаров Валерий Терентьевич - кандидат технических наук, доцент Института микроприборов и систем управления Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шохина, д. 1), valerkomarov@gmail.com

References

1. Kiszczynski A. Broadband transistor power amplifiers of microwave power-generation. Elektronika: Nauka, Tekhnologiya, Biznes = Electronics: Science, Technology, Business, 2010, no. 2, pp. 11-16. (in Russian).

2. Dunleavy L., Morales H., Suckling C., Kim Tran. Device and PA Circuit Level Validations of a High Power GaN Model Library. Microwave Journal, 2016, vol. 59, pp. 33-38.

3. Angelov, Zirath H., Rorsman 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.

4. Brunning J., Rayit R. Designing a broadband, highly efficient, GaN RF power amplifier. Microwave Journal, 2018, vol. 61, iss. 6, pp. 72-82.

5. Ali Al-Raim M. Class F power amplifier with new load matching circuit configuration. SVCH elektronika = Microwave Electronics, 2017, no. 2, pp. 49-57. (in Russian).

Received 06.11.2019; Revised 06.11.2019; Accepted 19.11.2019.

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), valerkomarov@gmail.com