СВЧ-транзисторы: характеристики и применение

СВЧ-транзисторы являются неотъемлемой частью современной радиоэлектроники. Их применение позволяет создавать мощные и эффективные усилители и генераторы для систем связи, радиолокации, медицины и многих других областей. В этой статье мы подробно рассмотрим устройство, основные характеристики и особенности СВЧ-транзисторов, а также примеры их использования.

СВЧ диапазон и его особенности

К сверхвысоким частотам (СВЧ) относят диапазон частот от 300 МГц до 300 ГГц. В отличие от более низких частот, СВЧ-сигналы обладают рядом уникальных свойств. Во-первых, такие сигналы распространяются преимущественно по прямой, с минимальным огибанием препятствий. Во-вторых, их можно фокусировать в узкие пучки при помощи специальных антенн. Наконец, СВЧ-излучение обладает высокой проникающей способностью для некоторых материалов. Благодаря этим свойствам, СВЧ-диапазон широко используется в радиолокации, спутниковой связи, медицине и промышленности.

Конструкция и принцип работы СВЧ-транзисторов

Для генерации и усиления СВЧ-сигналов применяются специальные транзисторы. Их конструкция оптимизирована для работы на сверхвысоких частотах.

Биполярные СВЧ-транзисторы чаще всего выполняются по схеме с общим эмиттером. Эмиттер представляет собой решетку тонких полосок, чтобы уменьшить паразитную емкость и индуктивность.

Полевые СВЧ-транзисторы имеют несколько затворов для увеличения коэффициента усиления. Каналы у них выполняются в виде тонких полосок или лепестков.

Принцип работы СВЧ-транзисторов такой же, как и у обычных. Разница в том, что все элементы конструкции оптимизированы для высоких частот. Это позволяет добиться требуемых параметров усиления и генерации в СВЧ диапазоне.

Основные параметры и характеристики СВЧ-транзисторов

Основными параметрами СВЧ-транзисторов являются:

• Коэффициент усиления, измеряемый в децибелах (дБ). Показывает, во сколько раз транзистор может усилить входной сигнал.
• Выходная мощность, измеряемая в ваттах (Вт). Характеризует максимальную мощность, которую может выдать транзистор на нагрузку.
• КПД, измеряемый в процентах (%). Показывает, какая часть поступающей энергии преобразуется в полезный сигнал.
• Рабочая частота, измеряемая в гигагерцах (ГГц). Определяет верхнюю границу частот, на которых может работать транзистор.
• Входное и выходное сопротивление, измеряемое в омах (Ом). Влияют на согласование транзистора с нагрузкой.
• Тепловое сопротивление переход-корпус, измеряемое в градусах на ватт (°С/Вт). Важно для расчета системы охлаждения.

Помимо этих параметров, для СВЧ-транзисторов важны вольт-амперные и вольт-ваттные характеристики, а также S-параметры. СВЧ-транзисторы изготавливаются с использованием различных технологий. Рассмотрим основные из них.

Кремниевые биполярные технологии

Это самые старые технологии, которые до сих пор используются для СВЧ-транзисторов. Они позволяют получить компактные и дешевые устройства, работающие в диапазоне до 3-4 ГГц. Однако у таких транзисторов есть существенные ограничения по мощности и КПД.

Кремниевая LDMOS технология

Эта технология позволяет создавать СВЧ-транзисторы с улучшенными параметрами линейности, КПД и теплоотвода. Они могут работать до 6-8 ГГц. Недостаток - более высокая стоимость по сравнению с биполярными транзисторами.

Нитрид-галлиевые ПВПЭ транзисторы

Это самая передовая технология СВЧ-транзисторов. Она позволяет создавать приборы с рекордной мощностью и КПД до 94-95%. Рабочий диапазон - до 100 ГГц. Нитрид-галлиевые транзисторы способны генерировать мощность до 10 кВт на частотах выше 10 ГГц.

Таким образом, для диапазона ниже 6 ГГц лучше всего подходит LDMOS технология, а для более высоких частот - нитрид-галлиевые ПВПЭ транзисторы. Выбор технологии зависит от требований конкретного применения.

СВЧ-транзисторы для усиления непрерывных сигналов

При усилении непрерывных (CW) СВЧ-сигналов возникает проблема отвода тепла, так как транзистор постоянно находится в открытом состоянии. Поэтому для CW-режима важно выбрать транзистор с низким тепловым сопротивлением и хорошим КПД.

Лучше всего для этих целей подходят LDMOS-транзисторы и нитрид-галлиевые HEMT. Они сочетают высокий КПД с эффективным теплоотводом. Например, CW-усилители мощностью 1 кВт на частоте 2,5 ГГц часто выполняются на паре LDMOS-транзисторов с КПД около 70%.

СВЧ-транзисторы для усиления импульсных сигналов

При усилении импульсных СВЧ-сигналов транзистор периодически открывается и закрывается. Это снижает требования к теплоотводу, но повышает требования к быстродействию.

Для таких применений хорошо подходят биполярные и LDMOS-транзисторы. Они сочетают достаточное быстродействие с умеренной стоимостью. Например, на биполярных СВЧ-транзисторах строятся импульсные усилители мощностью свыше 10 кВт для радиолокаторов.

СВЧ-транзисторы для сверхвысоких частот

Для СВЧ диапазона выше 10 ГГц особенно актуальны транзисторы на основе нитрида галлия (GaN). Этот материал обеспечивает рекордные значения подвижности электронов и высокую теплопроводность.

GaN HEMT-транзисторы способны генерировать рекордную выходную мощность на частотах до 100 ГГц. Например, модель CGH40010F от Cree при частоте 10 ГГц имеет выходную мощность 10 Вт. Это в 10 раз выше, чем у кремниевых аналогов.

Схемотехнические решения

Для компенсации недостатков GaN-транзисторов, таких как необходимость импульсного управления затвором, применяются специальные схемы сдвига импульсов по времени - gate pulse timing and sequencing (GTS). Эти схемы позволяют упростить систему питания и управления СВЧ усилителем.

Применение

GaN СВЧ-транзисторы широко используются в мощных передатчиках для радиолокации, спутниковой связи, а также в СВЧ-генераторах для ускорителей заряженных частиц. Например, на их основе построена активная фазированная антенная решетка радиотелескопа ALMA.

Примеры применения СВЧ-транзисторов

В радиолокационных станциях широко используются мощные СВЧ-передатчики на транзисторах. Например, в системе обзора аэропорта применяются биполярные транзисторы, выдающие импульсную мощность до 15 кВт на частоте 1 ГГц. А вот в современных радиолокаторах с АФАР уже используются GaN HEMT-транзисторы мощностью до 10 Вт.

Спутниковая связь

Мощные СВЧ-передатчики необходимы в спутниковых транспондерах для ретрансляции сигналов с Земли на спутник и обратно. Здесь требуется стабильность параметров и долговечность, поэтому часто применяют надежные LDMOS-транзисторы с КПД около 65%.

Медицина

В медицине СВЧ-излучение используется для физиотерапии и хирургических операций. СВЧ-генераторы для этих целей мощностью до 100 Вт строятся на основе отечественных биполярных транзисторов серии СБ1010. А для более компактных генераторов применяют импортные MMIC-чипы на основе GaN.

Производители СВЧ-транзисторов

Существует множество компаний, выпускающих СВЧ-транзисторы различных типов. Рассмотрим некоторых крупнейших производителей.

• NXP Semiconductors. Компания NXP (ранее Philips) выпускает СВЧ-транзисторы по LDMOS и GaN HEMT технологиям мощностью до 225 Вт. Используются в радиолокации, системах связи, медтехнике.
• Qorvo. Компания Qorvo специализируется на GaN-транзисторах до 40 Вт на частотах до 18 ГГц. Поставляет компоненты для радаров, спутников, базовых станций 5G.
• Микран. Российская компания Микран производит СВЧ-транзисторы до 8 ГГц по кремниевым и GaN-технологиям. Изделия поставляются на предприятия радиоэлектронной промышленности России.
• Тенденции развития СВЧ-транзисторов. Совершенствование СВЧ-транзисторов идет по нескольким направлениям. Рассмотрим основные тенденции.

Расширение рабочего диапазона частот

Создание транзисторов для терагерцового диапазона (0,1-10 ТГц) - актуальная задача. Для этих целей разрабатываются новые гетероструктуры на основе нитрида галлия и арсенида галлия. Ведутся работы по созданию терагерцовых генераторов и усилителей малой мощности.

• Повышение выходной мощности. Применение новых конструкций кристаллов позволяет наращивать выходную мощность GaN HEMT-транзисторов. Ожидается появление изделий на 1 кВт на частоте 35 ГГц. Это важно для радиолокации и систем связи следующего поколения.
• Улучшение линейности и КПД. Для повышения линейности СВЧ-транзисторов применяются новые схемотехнические решения, такие как предыскажение с помощью цифровой обработки сигналов. А применение алмазных подложек позволяет улучшить теплоотвод и повысить КПД.

Создание монолитных интегральных схем

Перспективным направлением является создание полностью интегральных СВЧ монолитных интегральных схем (МИС, MMIC). В них на одном кристалле объединены усилительные каскады, смесители, умножители частоты и другие функциональные блоки. Это позволяет уменьшить габариты и повысить надежность.

• Освоение новых материалов. Ведутся работы по созданию СВЧ-транзисторов на основе новых полупроводниковых материалов, таких как нитрид алюминия-галлия (AlGaN) и карбид кремния (SiC). Они обещают дальнейшее улучшение характеристик приборов.
• Применение СВЧ-транзисторов в перспективных областях. Помимо традиционных областей, СВЧ-транзисторы находят применение в новых перспективных направлениях.

Беспроводная зарядка устройств

Разрабатываются системы беспроводной СВЧ-зарядки смартфонов и других гаджетов. Для их передатчиков требуются компактные твердотельные генераторы мощностью до 100 Вт на частотах 2-5 ГГц.

• СВЧ-оружие. Ведутся работы по созданию оружия, использующего направленное СВЧ-излучение для поражения целей. Для него нужны импульсные генераторы на мощных СВЧ-транзисторах.
• Космическая энергетика. Предлагаются проекты орбитальных СВЧ-электростанций, передающих энергию на Землю узконаправленным лучом.

Для них потребуются гигаваттные передатчики на транзисторах нового поколения.