CC BY
130Усилительные паллеты —
элементная база радиопередающей аппаратуры
Разработка и производство современной радиопередающей аппаратуры и ее элементной базы является необходимым условием создания новых систем радиосвязи, передачи данных, радиолокации, теле- и радиовещания. Модульный подход позволяет оптимальным образом решить задачу построения таких перспективных систем. Поэтому несомненный интерес представляет опыт разработки и производства усилительных паллет на предприятии ФГУП «НИИЭТ»( г. Воронеж), которое исторически является одним из ведущих разработчиков ВЧ- и СВЧ-транзисторов и гибридных микросхем.
Валерий АСЕССОРОВ, д. т. н.
Сергей ГРИЩЕНКО Сергей ЖУКОВ, к. т. н. Владимир КОЖЕВНИКОВ, к. т. н. Игорь СЕМЕЙКИН, к. т. н. Андрей НЕКРАСОВ [email protected]
В усилительных трактах АФАР (активная фазированная антенная решетка) широко применяются мощные ВЧ и СВЧ (высокочастотные и сверхвысокочастотные) транзисторы, уровень выходной мощности которых обычно не превышает единиц ватт в Х-диапазоне, 100-200 Вт в Ь-и 8-диапазонах и 300-600 Вт в КВ (короткие волны) диапазоне. Для создания же современных радаров требуются усилители с существенно большим уровнем выходной мощности, чем тот, который позволяет получить дискретный транзистор. Входные и выходные импедансы транзистора рассматриваемого класса обычно составляют доли и единицы ома, поэтому для согласования с 50-омным трактом необходимо проектировать внешние входные и выходные цепи согласования. Такая трансформация необходима для согласованного включения усилителя мощности с другими высокочастотными компонентами системы. Требуемый уровень излучаемой мощности в активных фазированных антенных решетках реализуется использованием принципа модульного наращивания мощности, то есть когда выходная мощность получается путем суммирования мощностей отдельных усилительных модулей в специальных устройствах — сумматорах. Сумматоры должны обладать свойством развязки входов, тогда обеспечивается независимая работа усилительных модулей. Помимо достижения большой мощности одновременно решается проблема реализации широкой полосы пропускания. При этом применение большого числа модулей в усилительном тракте (от десятка до нескольких тысяч) позволяет значительно повысить эксплуатационную надежность РЛС (радиолокационная
станция). Действительно, отказ даже некоторого числа модулей не приводит к отказу работы станции.
Потребность в оперативном решении схемотехнических задач при проектировании новых радиотехнических средств вызвала появление на рынке электронных компонентов PSM (Power Solution Module, иногда называемых pallet). Впервые такие твердотельные электронные компоненты были представлены фирмой Microsemi Corporation.
Усилительные паллеты — это однокаскадные усилители мощности. Главное их достоинство состоит в наличии входных и выходных согласующих цепей, обеспечивающих хорошее согласование с 50-омным трактом в заданной полосе частот. Другое важное достоинство заключается в отсутствии герметизированных корпусов и унифицированных габаритных размеров (рис. 1). Габариты паллет и конфигурация размещения контактных площадок или разъемов определяются техническими требованиями заказчика. Отсюда вытекает ряд преимуществ усилительных паллет: меньшая себестоимость ввиду отсутствия герметизированного корпуса и большая универсальность в применении.
Конструктивно усилительные паллеты состоят из металлического основания — фланца, диэлектрической подложки с необходимой топологией схемы согласующих цепей и смонтированными на ней электронными компонентами, в том числе мощного высокочастотного транзистора. Подложкой служит печатная плата, на которой методом поверхностного монтажа установлены маломощные компоненты, а мощные элементы и транзисторы смонтированы непосредственно на теплоотво-
де-фланце. Фланец из меди или алюминия служит одновременно механическим основанием, теплоотводящим элементом и общей «земляной» шиной. Следует отметить, что в качестве материала печатной платы может применяться стеклотекстолит, ФАФ, ФЛАН, Rogers (роджерс), поликор и другие современные диэлектрики, также должна применяться соответствующая технология исполнения топологии в зависимости от технических требований.
Известно, что модульный принцип компоновки радиоэлектронной аппаратуры позволяет перейти от сосредоточенных источников СВЧ-мощности к распределенным, при этом облегчаются условия охлаждения, что в наибольшей степени отвечает современным требованиям и представляется наиболее перспективным. Эти источники выгодно выполнять на основе усилительных паллет; из них составляют модули и блоки, мощности которых складываются в многоканальных сумматорах или в пространстве в системе активных фазированных антенных решеток. Использование усилительных паллет и модулей на их основе уменьшает ошибки при проектировании усилительных трактов, сокращает сроки проектирования и подготовки производства. В условиях серийного производства использование паллет как законченных электронных компонентов с гарантированными параметрами снижает временные, материальные затраты на приобретение комплектующих и регулировку схем. Снижаются затраты на техническое обслуживание и ремонт аппаратуры в процессе ее эксплуатации [1]. Таким образом, разработка усилительных паллет наряду с созданием и производством самых совре-
Таблица 1. Энергетические характеристики транзисторов
Тип транзистора Рвых, Вт f, МГц Кур, раз Uпит, В Тип корпуса
2П821А 175 80 28 КТ-83
2П821Б 30 175 40 28 КТ-83
2П979А 60 230 25 28 КТ-56
2П979Б 150 230 20 28 КТ-56
2П819А 300 230 10 28 КТ-82
2П979В 300 230 30 50 КТ-82
2П826АС 6 о о 30 25 50 КТ-102-1
2П978А 500 20 28 КТ-83
2П978Б 10 500 20 28 КТ-81
2П978В 20 500 15 28 КТ-81
2П978Г 40 500 15 28 КТ-81
2П978Д 80 500 12 28 КТ-44
2П977А 150 500 10 28 КТ-82
2П981А 500 10 12,5 КТ-83
2П981Б 10 500 10 12,5 КТ-81
2П981В 20 500 10 12,5 КТ-81
2П980А (LDMOS) 6,5 860 12 28 КТ-55С-1
2П980Б (LDMOS) 150 860 10 32 КТ-103А-1
2П986А 1000 10 12,5 КТ-55С-1
2П986Б 1000 10 12,5 КТ-55С-1
2П986В 10 1000 10 12,5 КТ-55С-1
2П986Г 20 1000 10 12,5 КТ-55С-1
2П986Д 40 650 10 12,5 КТ-55С-1
2П986ЕС 80 650 12,5 КТ-103А-1
ТП02010-12 10 175 12 12,5 КТ-83
ТП02015-12 15 175 12 12,5 КТ-83
ТП02020-12 20 175 12 12,5 КТ-83
ТП02030-12 30 175 12 12,5 КТ-83
ТП02060-12 60 175 12 12,5 КТ-56
ТП02015-28 15 230 80 28 КТ-83
ТП02100-28 100 230 20 28 КТ-56
ТП02200-28 200 230 25 28 КТ-82
ТП02080-50 80 230 40 50 КТ-56
ТП02150-50 150 230 25 50 КТ-56
ТП05006т (LDMOS) 500 50 28 КТ-55С-1
ТП05015т (LDMOS) 15 500 40 28 КТ-55С-1
ТП05035т (LDMOS) 35 500 35 28 КТ-55С-1
ТП05150т (LDMOS) 150 500 30 28 КТ-103А-1-1
Примечание: серия «ТП» — внутрифирменное обозначение.
менных транзисторов стала необходимым условием быстрой реализации новых систем в области радиолокации и связи [2].
Основной элемент, определяющий технические характеристики усилительного паллета, — мощный СВЧ-транзистор, который, в свою очередь, представляет собой сложную гибридную интегральную схему, работающую при предельно допустимых значениях плотности тока и при максимальных напряжениях. Поэтому логично, что разработка и производство усилительных паллет и модулей стали одними из основных направле-
ний развития деятельности ФГУП «НИИЭТ» (г. Воронеж), которое исторически было одним из ведущих предприятий в области разработки и производства мощных ВЧ и СВЧ биполярных [3, 4] и полевых транзисторов [5]. Вместе с тем стремительный рост требований к эффективности, точности и надежности средств загоризонтной радиолокации (ЗГ РЛС КВ-диапазона), РЛС контроля космического пространства (дециметрового диапазона) потребовал создания соответствующей электронной компонентной базы и, в частности, нового поколения кремниевых мощных полевых ВЧ- и СВЧ-транзисторов.
Особенность новых мощных СВЧ полевых транзисторов состоит прежде всего в совершенствовании прецизионной технологии кристального производства. Активные области структуры наиболее мощных транзисторов содержат до нескольких тысяч идентичных элементарных транзисторных ячеек, сформированных в высокоомном кремниевом эпитаксиальном слое и объединенных общей многослойной металлизацией на основе золота. Для формирования контактов к металлизации используется слой силицида платины. Для снижения индуктивности общего электрода исток выведен на плоский золоченый фланец. Посадка кристаллов DMOS (Double-diffused Metal Oxide Semiconductor) транзисторов осуществляется на напаянный к фланцу металлизированный керамический узел из оксида бериллия. LDMOS (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductors) транзисторы не содержат в своей конструкции керамический узел, а кристалл напаивается через эвтектический сплав непосредственно на фланец. Разработанные LDMOS-транзисторы по корпусному исполнению полностью соответствуют международным стандартам. Полевые транзисторы дециметрового диапазона с выходной мощностью более 100 Вт имеют LC-цепи внутреннего согласования по входу. Надежность мощных СВЧ полевых транзисторов обеспечивается использованием прогрессивных конструктивно-технологических решений и применяемых материалов. Энергетические характеристики транзисторов приведены в таблице 1.
Разработанные мощные ВЧ и СВЧ полевые транзисторы имеют пиковые значения выходных параметров в рассмотренном классе отечественных приборов.
Изначально на предприятии была поставлена задача разработки и производства моду-
лей по техническим требованиям заказчиков, а не воспроизводство зарубежных аналогов. ФГУП «НИИЭТ» разработало и выпускает более 50 типов гибридных модулей УМ (усилитель мощности), потребителями которых стали отечественные производители аппаратуры связи и радиовещания — от малых предприятий до крупных радиозаводов с серийным производством [1].
Отдельным направлением, получившим в настоящее время на предприятии большой импульс развития, стало создание ВЧ и СВЧ усилительных паллет. Усилительные паллеты, как и модули, согласованы по входу и выходу с линиями передачи с волновым сопротивлением 50 Ом. Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) по входу не хуже 1,5 в полосе рабочих частот. Модули работают без самовозбуждения при КСВН нагрузки до 10 при всех фазовых углах. Неравномерность коэффициента усиления по мощности в полосе рабочих частот не более +1 дБ.
В качестве активных компонентов используются ВЧ и СВЧ полевые ^М08, LDMOS) мощные транзисторы нового поколения, внешний вид которых приведен на рис. 1. В зависимости от конструктивных особенностей применяются транзисторы как с фланцем, так и без него, что позволяет уменьшить габаритные размеры паллета и оптимизировать технологию его сборки.
Энергетические характеристики разработанных и выпускаемых паллет усилителей мощности для применения в различных диапазонах длин волн приведены в таблице 2.
Таблица 2. Энергетические характеристики усилительных паллет
Тип паллеты Рвых, Вт f, МГц Кур, раз Uпит, В КПД, %
УМ0628-300 300 6-28 100 50 50
УМ3570-300 300 35-70 90 50 50
УМ88108-300 300 88-108 100 50 50
УМ4344-300 2x150 430-440 20 28 65
УМ3843-60 60 380-430 20 28 55
УМ0330-1000 1000 3-30 100 50 50
На рис. 2 представлены типичные серийные образцы паллет УМ3843-60, УМ4344-300.
Одна из последних разработок — усилительный паллет УМ0330-1000, обеспечивающий непрерывную выходную мощность 1 кВт в полосе частот 3-30 МГц с коэффици-
КТ-44 КТ-55С-1 ^і КТ-56 КТ-81 КТ-82 КТ-83
Рис. 1. Внешний вид корпусов транзисторов
ентом усиления не менее 20 дБ и КПД (коэффициент полезного действия) не менее 50%. Паллет построен на основе двух транзисторов 2П826АС.
При разработке усилительных паллет применяются современные лицензионные системы автоматического проектирования Microwave Office, T-Cad, P-Cad. Примене-
ние современного аппаратно-программного комплекса позволяет сократить до минимума время проектирования. Тесное взаимодействие разработчиков транзисторов, схемотехников и технологов в рамках единого конструкторско-технологического структурного подразделения позволяет не только быстро разработать новые типы паллет, но так же быстро организовать их серийное производство. ■
Литература
1. Стоянов А., Асессоров В., Кожевников В., Глухов А., Грищенко С., Семейкин И. Модули ВЧ усилителей мощности // Компоненты и технологии. 2006. № 9.
2. Аронов А., Евстигнеев А. А., Евстигнеев А. С. Транзисторные передающие модули L- и S-диапазонов // Электроника: НТБ. 2005. № 4.
3. Асессоров В. В., Кожевников В. А., Дикарев В. И., Асессоров А. В. Мощные СВЧ транзисторы для связной радиоаппаратуры // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 1999.
4. Асессоров В. В., Кожевников В. А., Косой А. Я. Тенденция развития мощных СВЧ-транзисто-ров // Радио. 1994. № 6.
5. Асессоров В., Кожевников В., Дикарев В., Цоцо-рин А. Мощные ВЧ и СВЧ полевые транзисторы для аппаратуры средств радиосвязи // Компоненты и технологии. 2006. № 5.
