Разработка и оценка GaN-усилителя L-диапазона для уровня выходной мощности 125 Вт

Мощностные и частотные характеристики коммерчески доступных нитрид-галлиевых (GaN) транзисторов постоянно растут. Эти транзисторы доступны в линейках продукции ведущих мировых производителей, они демонстрируют высокие значения коэффициента усиления, выходной мощности и КПД. При выходной мощности до десятков ватт применим корпус для поверхностного монтажа (SMD). Для более высоких значений мощности транзисторов применимы уже керамические корпуса с металлическим основанием, они соединяют исток транзистора непосредственно с теплоотводом корпуса и потому обеспечивают большие значения теплопередачи.

В данной статье рассмотрен вариант достижения высоких выходных характеристик усилителя при использовании недорогого транзистора L-диапазона. Усилитель оптимизирован для работы в полосе частот 0,96–1,215 ГГц с типичным значением коэффициента усиления в центре полосы 20 дБ, выходной мощности P =–3 дБ 51 дБм (125 Вт) при компрессии 3 дБ и КПД более 70%. В основе разработки — серийно выпускаемый транзистор QPD1008 производства Qorvo, изготовленный по технологии 0,25 мкм GaN HEMT. Корпус транзистора NI360 из металлокерамики, бесфланцевая версия представлена на рис. 1.

Разработка

Транзистор помещен на алюминиевый носитель таким образом, чтобы выводы располагались на уровне печатной платы из материала Rogers 4360G2 толщиной 32 мил (0,8128 мм) с металлизацией толщиной 35 мкм. Относительно толстая подложка была выбрана исходя из широких возможностей выбора импеданса для обеспечения необходимых уровней выходной мощности в дополнение к высокому постоянному напряжению. Постоянное напряжение для QPD1008 составляет 50 В при токе стока 260 мА.

График зависимости коэффициента усиления от частоты приведен на рис. 2. Участок от 1,4 ГГц до 2,1 ГГц показывает зону безусловной стабильности. Рабочий диапазон QPD1008, обладающий условной стабильностью, имеет максимальный устойчивый коэффициент усиления 26 дБ. Итоговое значение будет очевидно меньше данной величины из-за необходимости обеспечения безусловной стабильности усиления, а также вследствие влияния цепей смещения и согласования. Кроме того, настройки на максимальную мощность и КПД предпочтительнее, чем согласование входов и выходов с внешними цепями.

Усилитель должен быть безусловно стабильным на всех рабочих частотах при температурах до –40°C. Так как собственно транзистор является безусловно стабильным только в полосе 1,4–1,8 ГГц, на частотах выше этого диапазона стабильность может нарушаться. Это требует определенных мер, что касается и более низких частот, где коэффициент усиления оказывается в избытке.

Режим большого сигнала с подключенной нагрузкой показал, что на частоте 1,1 ГГц устройство на базе QPD1008 обеспечивает мощность выходного сигнала +51 дБм при компрессии 3 дБ. Необходимый импеданс по входу составил согласно расчетам 0,73+0,64j, по выходу 5+2j. Диаграмма Смита для характеристического импеданса 11,7 Ом показана на рис. 3. Необходимо заметить, что необходимый входной импеданс очень близок к участку, соответствующему короткому замыканию на диаграмме Смита, и это значение также близко к границе стабильности всей схемы. Таким образом, необходим компромисс между условиями безусловной стабильности схемы и хорошей передачи СВЧ-мощности (меньшими отражениями от входа).

Схема усилителя показана на рис. 4. Все пассивные компоненты являются элементами поверхностного монтажа (SMD), подобранные из расчета высоких значений постоянного напряжения и максимальной СВЧ-мощности. Номиналы СВЧ-резисторов подобраны исходя из требований безусловной стабильности. Они изготовлены компанией IMS и способны рассеять мощность 25 Вт в непрерывном режиме при форм-факторе 0805. Цепи смещения как стока, так и затвора реализованы соответствующими полосками печатной платы, оканчивающимися шунтирующими конденсаторами, дающими короткое замыкание в цепях в центре рабочей полосы частот. Цепи согласования по входу и выходу преобразуют 50 Ом в низкое сопротивление истока транзистора и нагрузки для лучшей передачи мощности. Они реализованы как навесными элементами, так и распределенными структурами микрополосковой линии. Чертеж печатной платы показан на рис. 5. Важно, чтобы микрополосковая линия имела достаточную ширину для передачи СВЧ-мощности, иначе при высоком уровне передаваемого сигнала узкая полосковая линия может просто испариться.

Для дальнейших измерений к входу усилителя была подключена демпфирующая цепь с высоковольтным резистором, включенным параллельно резонатору, состоящему из последовательного LC-контура. Размеры схемы и расположение на ней элементов были выбраны из соображений максимального отражения НЧ-сигнала при минимальном влиянии на сигнал внутри рабочей полосы (рис. 4). Важным свойством данной цепи было также избавление схемы от нежелательных значений импедансов, которые могли бы вызвать возбуждение схемы.

Внешний вид платы и изображение финальной сборки схемы усилителя на базе QPD1008 приведены на рис. 5, 6. Печатная плата из материала Rogers 4360G2 установлена на носитель из алюминиевого сплава, выступающий в качестве теплопровода для радиатора. Боковая панель смонтирована с краю основания, и через нее подается напряжение смещения. Синий провод — это смещение, подаваемое на затвор транзистора, красный провод — напряжение стока и черный провод — общий. На входе и выходе платы располагаются недорогие соединители SMA. Сбоку платы в основании расположено отверстие для термопары, позволяющее точно измерять температуру основания транзистора.

Измеренные характеристики

Были рассмотрены характеристики усилителя на базе транзистора L-диапазона QPD1008 от Qorvo. Однокаскадный усилитель на базе данного транзистора достигает максимума ключевых параметров в полосе 960–1215 МГц, обеспечивая в середине полосы максимальную выходную мощность +51 дБм, КПД 70% и коэффициент усиления в режиме малого сигнала 20 дБ на уровне компрессии 3 дБ.

Значения полученных S-параметров говорят об усилении 19 дБ в рабочей полосе частот, и это значение изменяется на менее чем 2 дБ с варьированием температуры в рабочем диапазоне –40…+85 °C. Потери по входу схемы вряд ли изменятся с температурой и в худшем случае составят 5 дБ в полосе. Относительно плохие обратные потери на отражение определяются согласованием на необходимый импеданс с точки зрения оптимального режима работы цепи истока. Потери на отражение по выходу обычно составляют 7 дБ, что также является результатом согласования на максимальную мощность, которое предпочтительнее, чем согласование по входу и выходу по отношению к внешним цепям.

Также были проведены измерения схемы при большом сигнале в рабочем температурном диапазоне в режиме импульсного сигнала с длительностью импульса 128 мкс скважностью 10. В данном режиме входная мощность была подана на схему с шагом 10 дБ до достижения уровня, слегка превышающего уровень компрессии 3 дБ. В результате увеличения входной мощности рассеиваемая мощность увеличивалась и температура также росла. Результат измерения середине частотного диапазона (1,09 ГГц) при различных температурах показан на рис. 8. Изменение значений коэффициента усиления для различных температур отражено на рис. 8a. Как видно, уровень компрессии 3 дБ достигается при входной мощности +33 дБ для низких значений температуры, +34 дБ для номинальных значений температуры и +35 дБ для высоких значений. Зависимость выходной мощности от входной (рис. 8б) показывает, что в середине полосы уровень 3 дБ компрессии достигается при значе- ниях выходной мощности +51 дБм при разбросе ±0,3 дБм с варьированием температуры. Частотные зависимости данных параметров приведены на рис. 9.

На границах полосы усилитель мощности на базе транзистора QPD1008 достигает минимум 50 дБм (100 Вт) выходной мощности, КПД более 50% и коэффициента усиления 16,5 дБ в точке 3 дБ компрессии. В центре частотного диапазона КПД достигает более 70%. Стоит заметить, что данные величины уже включают в себя потери при согласовании и в соединителях. Эти значения достигаются на множестве отладочных плат, что говорит о повторяемости результата.

Итоги

Были рассмотрены характеристики усилителя на базе транзистора L-диапазона QPD1008 от Qorvo. Однокаскадный усилитель на базе данного транзистора достигает максимума ключевых параметров в полосе 960–1215 МГц, обеспечивая в середине полосы максимальную выходную мощность +51 дБм, КПД 70% и коэффициент усиления в режиме малого сигнала 20 дБ на уровне компрессии 3 дБ.

 

Авторы: Энди Дирн (Andy Dearn), Роберт Смит (Robert Smith), Plextek RFI

 

Перевод: Г.В. Кон - Макро Групп, руководитель направления ВЧ, силовые и оптические компоненты, George.Cohn@macrogroup.ru.