Разработка и исследование микросхем высокоэффективных усилителей мощности на базе HEMT GaN-транзисторов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат наук Мьо Мин Тхант

• Мьо Мин Тхант
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Мьо Мин Тхант

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Методы увеличения эффективности монолитных микроволновых интегральных схем усилителей мощности

1.1. Принцип увеличения КПД

1.1.1. Усилители с отсечкой выходного тока и гармоническим выходным напряжением

1.1.2. Ключевые усилители

1.1.3. Полигармонические усилители СВЧ

1.2. Варианты построения выходных цепей высокоэффективных усилителей класса Б и инверсного класса Б

1.3. Зависимость возможности увеличения КПД от частоты, мощности, коэффициента усиления, напряжения питания и материала микросхем

Выводы

Глава 2. Влияние полупроводниковых материалов и конструкции транзисторов на частотные и энергетические свойства усилителей мощности СВЧ

2.1. Структуры НЕМТ - транзисторов

2.2. Разработка компьютерных моделей и определение максимальных частот транзисторов из ОаЛ8 и ОаК

2.3. Сравнение параметров усилителей на транзисторах из ОаЛ8 и GaN

2.4. Исследование возможности увеличения частоты транзисторных усилителей мощности на основе ОаК - транзисторов

2.4.1. Влияние внутренних емкостей транзистора на проходящую мощность

2.4.2. Исследование влияния внутренних параметров транзистора на входную мощность усилителя с помощью компьютерного моделирования

Выводы

Глава 3. Разработка электрической СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ С УВЕЛИЧЕННЫМ КПД

3.1. Основы проектирования усилителей с увеличенным КПД

3.1.1. Выбор полупроводникового материала и типа СВЧ транзистора

3.1.2. Особенности формирования входной и выходной цепей высокоэффективного усилителя мощности

3.2. Методика проектирования электрической схемы высокоэффективного усилителя инверсного класса F в программном комплексе Microwave Office

3.2.1. Проектирование входной схемы усилителя

3.2.2. Проектирование выходной схемы усилителя

3.2.3. Окончательная корректировка схемы

3.3. Характеристики спроектированной схемы усилителя инверсного класса F

3.4. Зависимость КПД от усиливаемой частоты

Выводы

Глава 4. Исследование высокоэффективных усилителей инверсного класса F с увеличенной мощностью

4.1. .Построение схем сложения мощностей усилителей СВЧ

4.2. Усилители с суммированием мощности частоты 4 ГГц

4.3. Усилители с суммированием мощности частоты 10 ГГц

4.4. Усилитель с суммированием мощности на 14 ГГц

4.5. Сравнение характеристик высокоэффективных усилителей, построенных на различных микрополосковых делителях-сумматорах

Выводы

Глава 5. Разработка схем высокоэффективных усилителей классов F и инверсного F БЕЗ дополнительных резонаторов в выходной цепи

5.1. Усилитель инверсного класса F

5.2. Усилитель мощности класса Б

5.3. Улучшение выходного спектра усилителя класса Б

Выводы

Глава 6. Реализация усилителя инверсного класса F в микрополосковом исполнении

6.1. Разработка топологии микросхемы высокоэффективного усилителя мощности инверсного класса Б частоты 10 ГГц

6.2. Характеристики топологической схемы усилителя мощности частоты 10 ГГц, измеренные в комплексе МШО

6.3. Сравнение характеристик и параметров топологической и электрической схем усилителя

Выводы

Заключение..........................................................................Ошибка! Закладка не определена.

Литература

Приложение: Акт использования

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование микросхем высокоэффективных усилителей мощности на базе HEMT GaN-транзисторов»

ВВЕДЕНИЕ

Усилитель мощности (УМ) - основное устройство радиотехнических систем различного назначения: связных, радиолокационных, радионавигационных, систем управления, охранных. Важный параметр усилителя мощности передающих частей радиосистем - коэффициент полезного действия (КПД), то есть коэффициент, показывающий, какая доля электрической энергии источника питания преобразуется активным элементом усилителя в энергию электромагнитных колебаний [1].

В усилителях большой мощности от величины КПД зависит тепловой режим усилителя, определяющий необходимость конструирования теплоотвода. В космических аппаратах, беспилотных летательных объектах, радиолокаторах многоцелевого использования величина КПД дает возможность оценить возможность энергетического потенциала источников питания, что особенно важно при применении автономных источников типа аккумуляторов и батарей.

Подавляющее большинство усилителей мощности радиопередатчиков выполнено на транзисторах, в которых используются стандартные режимы работы с отсечкой выходного тока и гармоническим выходным напряжением. В таких режимах КПД стремится к 100% если уменьшается угол отсечки (класс С), однако при этом выходная мощность стремится к нулю. Компромиссом между выходной мощностью и КПД является режим класса B, в котором угол отсечки выходного тока равен 900. Максимальный теоретический значение КПД в классе B составляет 78,5%, однако практические значения КПД не превышают 60 -70 %.

В последние годы возрос интерес к полигармоническим режимам работы транзистора, в которых и выходной ток, и выходное напряжение содержат высшие гармоники. Для усилителей СВЧ наиболее эффективными являются режимы классов Б и инверсного класса Б. При создании идеальных зависимостей от времени выходного тока и выходного напряжения теоретический КПД стремится к 100 %. Несмотря на обилие публикаций относительно режима работы транзистора в классе Б инверсном Б, многие вопросы, связанные с построением схем и проектированием подобных усилителей, остаются неразрешенными. Много внимания уделено формированию выходного напряжения транзистора, но существенно меньше говорится о формировании тока, неясно влияние значений входной и выходной мощности, частоты

усилителей на величину КПД, не исследованы особенности суммирования мощностей высокоэффективных усилителей СВЧ.

Для полигармонических режимов классов F и инверсного F важно добиться чистоты спектра выходной мощности, поскольку ток стока и напряжение на стоке негармонические: ток содержит, кроме первой, четные гармоники, напряжение -только нечетные и наоборот. В литературе не уделено достаточного внимания способам уменьшения высших гармоник в спектре выходной мощности. Не описана четкая методика проектирования схем высокоэффективных усилителей заданной мощности и частоты.

Для создания элементной базы современных радиосистем существенное внимание уделяется разработке монолитных микроволновых интегральных схем (ММИС). Наиболее широко для создания ММИС применяются полевые транзисторы с гетеропереходом (структуры HEMT), изготовленные на базе арсенида галлия (GaAs) и нитрида галлия ( GaN).

Целью настоящей работы является исследование возможностей построения и создание ММИС высокоэффективных усилителей мощности СВЧ на интегральных HEMT-транзисторах, выполненных на основе GaN. Основные задачи научного исследования:

• Исследование влияния конструкции транзистора и полупроводникового материала на основные параметры ММИС;

• Разработка микросхем усилителей с увеличенным КПД и минимальным содержанием высших гармоник;

• Разработка методик проектирования полигармонических усилителей с использованием комплекса программ Microwave Office;

• Изучение особенностей суммирования мощностей высокоэффективных усилителей мощности;

• Создание топологии ММИС высокоэффективного усилителя мощности на GaN-транзисторе.

Методы исследования.

Результаты получены с помощью пакета программ Microwave Office и использовании аналитической теории нелинейных транзисторных усилителей мощности.

Научная новизна диссертации

1. Показана возможность существенного увеличения граничной частоты GaN-

транзистора с Т-затвором (с 73 до 90 ГГц) путем использования воздушного зазора в качестве подзатворного диэлектрика между затвором и каналом;

2. Разработана методика проектирования электрических схем полигармонического усилителя инверсного класса F в системе Microwave Office, позволившая создать схемы усилителей частот 3 - 14 ГГЦ с КПД ~ на 10 % больше, чем в стандартных классах усилителей с гармоническим выходным напряжением. Благодаря разработанной методике, получен КПД 88 % на частоте 4 ГГЦ при максимальном КПД = 73 % в стандартном усилителе;

3. Предложены схемы двухтактных усилителей классов F и инверсного F (частота 10 ГГц) без формирующих резонаторов, в составе выходного спектра которых мощность высших гармоник на 80 - 100 дБ меньше, чем одиночном усилителе. На защиту выносятся

• Способ увеличения максимальной частоты HEMT-транзистора c Т-структурой на основе GaN;

• Методика проектирования электрической схемы высокоэффективного

усилителя в системе Microwave Office;

• Результаты сравнения вариантов суммирования мощностей высокоэффективных усилителей мощности;

• Способ построения двухтактных схем усилителей мощности классов F и инверсного F без резонаторов в выходной цепи и чистым выходным спектром.

Достоверность полученных результатов.

Результаты диссертационной работы получены путем моделирования электрических схем усилителей мощности СВЧ в программе Microwave Office при использовании различных структур полевых транзисторов и разработанных моделей MATERKA и EEHEMT. Достоверность результатов доказана сравнением результатов моделирования и экспериментов, выполненных на образцах изготовленных транзисторов.

Практическая и теоретическая ценность работы.

Практическая ценность работы состоит создании электрических схем усилителей на GaN-транзисторах - одиночных, балансных и с суммированием мощностей с КПД до 88 % на частотах гигагерцового диапазона.

Теоретическая ценность работы - развитие, создание и обоснование методик проектирования полигармонических усилителей на GaN-транзисторах структуры HEMT.

Реализация полученных результатов.

Основные результаты работы использованы в учебном процессе в институте микроприборов и систем управления МИЭТ:

• в практических занятиях для магистрантов дисциплины «Приемопередающие системы»;

• в лекционном курсе дисциплины «Специальные главы приемопередающих устройств»;

• схемотехнические решения и методики будут предложены предприятиям разработчикам ММИС для создания более эффективных радиотехнических устройств.

Публикации.

Основные результаты диссертационной работы изложены в 11 печатных работах, в том числе 5 в журнале, входящем в список, утвержденный ВАК, и 5 работ в международной реферативной базе данных SCOPUS.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка используемых литературных источников из 63 наименований. Общий объем диссертации 121 стр, включая 114 рисунков, 15 таблиц и приложений.

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ УВЕЛИЧЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ МОНОЛИТНЫХ МИКРОВОЛНОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ

1.1 Принцип увеличения КПД.

Оценкой эффективности усилителя является коэффициент преобразования мощности источника питания Р0 в мощность электромагнитных колебаний PL -

полный КПД транзистора г/ = P~X) . В нелинейном режиме усилителя мощность

/ Ро

n

колебаний на выходе является суммой гармоник входной частоты P~ = ^ Pn , где n -

i

номер гармоники, Рп - выходная мощность n-й гармоники. Высокий КПД суммарной мощности колебаний ^ необходим для обеспечения температурного режима работы транзистора с тем, чтобы не допустить его перегрева. Однако для многих применений важно добиться высокого КПД по первой гармоники этот коэффициент называют КПД стока (для усилителей на полевых транзисторах)

Р/

h = Ур ,

/ ро

где Р1 - выходная мощность первой гармоники усиливаемых колебаний.

Эффективность современных микросхем усилителей обычно оценивают коэффициентом полезного действия добавленной мощности (Power Added Efficiency -PAE)

,, =(P - Щ.

где Рвх - входная мощность усилителя. При достаточно больших коэффициентах усиления мощности величина ]д приближается к электронному КПД ]±. Нелинейные искажения минимальны в линейном режиме работы транзистора, где существует только одна частота, несущая информацию, однако максимальный теоретический электронный КПД линейного усилителя [2] не превышает 50% (на практике существенно меньше). Увеличения КПД достигают использованием высших гармоник несущей частоты, которые появляются в нелинейном режиме работы транзистора.

Мощность, потребляемая транзистором из источника питания Р0 , содержит полезную составляющую которая передается в нагрузку, и мощность потерь Ррас ,

рассеиваемую в транзисторе Р0 = Р~ + Ррас , при этом полный КПД

■п = - р7Р

Р

"ас/

о

Для увеличения полного КПД транзистора следует стремиться к уменьшению

и и гр и

средней за период колебаний 1 рассеиваемой мощности

1 т

Ррас = - | *ВЫХ (VВЫХ (№

т

1 о

где Iв ых и ивых - мгновенные ток и напряжение на выходном электроде транзистора (стоке или коллекторе). Если удастся поставить транзистор в режим работы, в котором произведение равно нулю в каждый момент времени, то рассеиваемая

мощность Рра с = 0 и полный КПД ] = 100%. Этого можно добиться, если часть периода колебаний имеется выходной ток и отсутствует выходное напряжение, а в другую часть периода, наоборот, есть напряжение и нет тока. Кроме того, для достижения высокого КПД стока должны отсутствовать высшие гармоники мощности, передаваемой в нагрузку.

Зависимости ив ых ( £) , I в ых ( t) - периодические функции времени периода входных колебаний. Обе физические величины являются суммами гармоник входной частоты

1ВЫХ ^1п 5 иВЫХ .

о о

Выходная мощность будет содержать только первую гармонику, если в спектре тока и напряжения отсутствуют составляющие 1п и ит при т = п (кроме п = т = 0 и п = т =1).

Электронный КПД по первой гармонике определяется выражением [3]:

ГД е ^в ых 1 , ивых 1 - амплитуды, а 1ВЬ1х0 , ^вых0 - постоянные составляющие выходного тока и напряжения, р - фазовый сдвиг между колебаниями ив ых ( t) , I в ых ( t) . На практике не удается добиться равенства Т] 1 = 100%. Для того, чтобы приблизится к идеальному усилителю, устанавливают близкий к угол и разрабатывают схемы

Классы усилителей мощности.

Существует три типа схем, обеспечивающих высокий КПД нелинейных усилителей:

гармоническим выходным напряжением (классы АВ, В, С);

2) в ключевых режимах, когда часть периода колебаний транзистор открыт, в другую часть закрыт, а изменение состояния происходит так быстро, что выходной ток определяется не переходной характеристикой транзистора, а переходными процессами при переключении;

3) усилители в полигармонических режимах, в которых выходная цепь транзистора содержит несколько резонаторов для создания оптимальных временных форм выходного напряжения и тока.

1.1.1 Усилители с отсечкой выходного тока и гармоническим выходным

напряжением

В режимах работы с отсечкой выходной ток представляет собой последовательность импульсов, каждый из которых может быть аппроксимирован отрезком косинусоидальной формы [3]. Такие импульсы определяются двумя параметрами: высотой ^тах и углом отсечки 0 (в современной литературе часто применяют параметр - угол проводимости, равный 20). Работа с отсечкой выходного

(1)

усилителей, в которых максимальны отношения

1) в режимах работы транзисторов с отсечкой выходного тока и

тока позволяет увеличить отношение — , которое зависит от угла отсечки 0.

^стО

Зависимость КПД по первой гармоники от угла отсечки выходного тока показана на рис. 1.1. Максимальный теоретический КПД усилителя с отсечкой выходного тока и выходным гармоническим напряжением стремится к 100% в классе С и 78,5% в классе В.

Рис.1.1. Зависимость КПД по первой гармонике от угла отсечки выходного

тока.

Недостатком этого типа нелинейного усилителя является снижение коэффициента усиления мощности при увеличении КПД и увеличение необходимой амплитуды напряжения входного транзистора, что требует высокого напряжения пробоя затвор-исток (или база-эмиттер). 1.1.2 Ключевые усилители

Ключевые транзисторные усилители переходят из открытого положения в закрытое и наоборот, резко меняя входное напряжение. Примером является усилитель класса Б [4, 5], при этом выходное напряжение и ток транзистора имеют форму меандра, напряжение такой же формы подается на вход транзистора. Полный КПД усилителей класса Б теоретически может достигать 100%, электронный КПД по первой гармонике ] г ~ 80 %. Существенный недостаток ключевых усилителей класса Б - наличие коммутационных потерь, связанных с перезарядкой выходной емкости транзистора, что снижает КПД.

С целью снижения коммутационных потерь предложены варианты усилителей класса Е [6, 7]. Схема усилителя класса Е с резистивной нагрузкой приведена на рис. 1.2,а.

а)

б)

Рис. 1.2. Схема усилителя класса Е (а) и зависимости выходного напряжения и тока от шЬ (б) (1фК, СфК - элементы формирующего контура). Недостатком ключевых усилителей является то, что повышение КПД происходит на относительно низких частотах (до единиц ГГц). На более высоких частотах невозможно создать резкие перепады входного напряжения, оно становится близким к гармоническому и для повышения эффективности переходят к полигармоническим усилителям.

1.1.3 Полигармонические усилители СВЧ

Как следует из (1), увеличения КПД усилителей можно добиться за счет

'Вых1 ивых1 в полигармонических

создания схем с повышенными отношениями

^выхО ^выхО

усилителях сложная выходная цепь, которая имеет несколько резонансов на гармониках входной частоты. К полигармоническим относятся усилители класса Б [8 ,9] и инверсного класса Б [10,11,12].

Оптимальным режимом работы транзистора был бы вариант [8], в котором импульс выходного тока занимал половину периода колебаний, а выходное напряжение имело форму меандра - рис. 1. 3.

а)

/К

Г 1

1

1 1 1 Л

0.5

1.5

> 2

б)

Рис. 1.3. Оптимальные формы колебаний выходных тока (а) и напряжения (б)

транзистора.

Оптимальная форма тока может быть установлена гармоническим входным напряжением, обеспечивающим угол отсечки выходного тока в = 900. Оптимальный вид напряжения на колекторе (или стоке) формируется на основе соотношения

икп = к (пш)\I ш,

где к {п®\ - модуль импеданса нагрузки транзистора на п-й гармонике.

Для реализации оптимальной формы напряжения выходная схема усилителя должна иметь сложный многорезонансный характер: требуются высокие значения модуля ее входного импеданса на нечетных гармониках - 3-й, 5-й, 7-й и т. д. Спектр идеального выходного тока, показанного на рис.1.3, а, содержит только четные гармоники (кроме нулевой и первой). Кроме того, выходной ток должен содержать определенную долю нечетных гармоник входных колебаний. Для того чтобы обогатить ток нечетными гармониками, режим работы транзистора должен быть граничным или с небольшим перенапряжением.

Поскольку импульс тока содержит нулевую, первую и четные гармоники входных колебаний, а напряжение - нулевую, первую и нечетные гармоники, на нагрузку усилителя передается только мощность первой гармоники. Для идеальных

электронный КПД ^ = 100%.

1.2 Варианты построения выходных цепей высокоэффективных усилителей класса F и инверсного класса F

Усилители класса Е

Режим работы транзистора, в котором реализуются формы колебаний, близкие к показанным на рис. 1.3, называют режимом Б [9], [10]. КПД усилителей класса Б может быть более 90%, если используется бесконечное число выходных резонаторов. На практике ограничиваются 2-3 резонаторами, настроенными на нечетные гармоники частоты входных колебаний. На рис. 1.4 показан вариант реализации усилителя класса Б, в котором применено 2 резонатора, настроенных на 1-ю и 3-ю гармоники [3].

временных форм отношения

и, в соответствии с (1),

а)

1 б)

(в)

Рис. 1.4. Электрическая схема (а) и зависимости от времени выходного тока (б)

и выходного напряжения (в) усилителя класса Б. Получения напряжения в виде меандра можно добиться, применив отрезок передающей линии, электрическая длина которой равна 900 на основной частоте [11], [12]- рис. 1.5.

к стоку

Рис. 1.5. Выходная цепь с четвертьволновой линией.

Геометрическая длина линии I = ^, где X - длина волны основных колебаний в

линии. Колебательный контур настроен в резонанс на частоту входных колебаний, при высокой добротности его резонансное сопротивление велико, так что по первой гармонике линия нагружена на сопротивление И н. На высших нечетных гармониках сопротивление выходного контура мало, нагрузкой линии фактически является короткое замыкание и ее входное сопротивление оказывается достаточно большим. Длина волны в линии на частоте третьей гармоники основных колебаний Л. = ^,

поэтому геометрическая длина линии I = . Линия такой длины преобразует малое

сопротивление в большое. Геометрическая длина линии на частоте пятой гармоники

I =, поэтому аналогичное преобразование происходит на пятой (и других

высших нечетных гармониках).

Другой вариант выходной цепи усилителя класса Б с отрезком линии передачи

[6] изображен на рис. 1.6. В этой схеме напряжение питания передается на сток

Я

транзистора через отрезок линии длиной где X - длина волны основной частоты, а

4

между стоком и нагрузкой включен последовательный колебательный контур, настроенный на основную частоту.

Рис. 1.6. Схема усилителя класса Б с параллельной линией передачи.

Поскольку последовательный контур имеет большой входной импеданс на всех высших гармониках, а четвертьволновая линия - низкий имеданс на четных гармониках, транзистор оказывается нагруженным только на нечетные гармоники. Тем самым формируется меандровая форма напряжения на стоке. КПД добавленной мощности усилителей класса Б превышает 80% на частотах 8 - диапазона.

Усилители инверсного класса Е

Если формы колебаний ¿вых(0 и ивых(£), изображенные на рис. 1.3, поменять местами, то будет реализован инверсный режим класса Б [13] - [15]. В идеальном усилителе инверсного класса Б выходной ток транзистора имеет форму меандра, а напряжение - косинусоидальный импульс. Для создания формы выходного тока, близкой к меандру, к входу транзистора следует подводить напряжение достаточно большой амплитуды с тем, чтобы оно изменялось от отсечки до насыщения. Поскольку в составе спектра напряжения, кроме основной частоты, имеются ее четные гармоники, для формирования выходного напряжения выходная цепь усилителя должна иметь высокий импеданс на четных гармониках входных колебаний.

Усилитель инверсного класса Б содержит выходную цепь ФЦ, формирующую напряжение, полосно-пропускающий фильтр ППФ, пропускающий в нагрузку колебания основной частоты и согласующую цепь СЦ - рис. 1.7.

а)

1

б)

Рис. 1.7. Схема (а) и зависимости от времени выходного тока и выходного напряжения (б) усилителя инверсного класса Б.

Формирующая цепь ФЦ содержит несколько резонаторов, настроенных на четные гармоники входной частоты. Полосно- пропускающий фильтр — это, в простейшем случае, последовательный колебательный контур, настроенный на основную гармонику.

Для того, чтобы ток стока содержал основную частоту и ее нечетные гармоники, а напряжение на стоке - основную частоту и ее четные гармоники, модуль входного импеданса формирующей цепи должен быть достаточно велик на частотах 2/0, 4/0, 6/0,... и весьма мал на частотах 3/0, 5/0, 7/0, ....

Вариант схемы усилителя инверсного класса Б показан на рис. 1.8 [16].

Рис. 1. 8. Вариант усилителя инверсного класса Б.

Выходная цепь состоит из двух ветвей: одна включена между стоком транзистора и нагрузкой, а вторая - параллельно нагрузке . Параметры элементов рассчитаны таким образом, что модуль импеданса первой ветви велик на 2-й и 4-й гармониках входной частоты. Модуль входного импеданса второй ветви близок к нулю на частоте 3-й гармоники. КПД добавленной мощности в усилителях с рабочей частотой 3 ГГц превышает 90 %.

1.3 Зависимость возможности увеличения КПД от частоты, мощности, коэффициента усиления, напряжения питания и материала микросхем.

Исследования, направленные на увеличение эффективности усилителей СВЧ, проводились на разных частотах с разными параметрами усилителей - выходной мощностью, коэффициентом усиления, напряжением питания, с ММИС из разных материалов. На рис. 1.9 - 1.11 показана связь максимального РАЕ с рабочей частотой усилителя, напряжением питания, коэффициентом усиления и выходной мощностью,

полученная по материалам работ [6] - [36].

РАЕ %

•

+

» • 1 1

• • 1

1 • > •

• 1 •

• • * • *

1 1 •

0 20 40 60 80 100 120

f. ГГц

Рис. 1.9. КПД добавленной мощности усилителей, полученные на разных частотах.

Из рис. 1.9 видно, что максимальный КПД снижается с ростом рабочей частоты усилителя. Наиболее высокий КПД ~ 8 0 % получен на частотах единиц ГГц, но имеются сведения о достижении довольно высокого КПД (40%) до частот около 100 ГГц.

На рис. 1.10 показаны значения КПД усилителей при различных напряжениях питания.

Рис. 1.10. КПД усилителей при различных напряжениях питания.

Как видим, для получения высоких КПД достаточно установить напряжение питания стока в несколько вольт. Приблизительно такие же значения КПД получаются при увеличении питающего напряжения до 20 - 30 В. Однако увеличения КПД с ростом напряжения питания не заметно.

Рис. 1.11 представляет влияние коэффициента усиления и выходной мощности разных усилителей на максимальный КПД.

а)

б)

Рис. 1.11. Зависимость максимального КПД от коэффициента усиления (а) и

выходной мощности (б). Из рис. 1.11 следует, что коэффициент усиления и выходная мощность практически не влияют на достижение максимального КПД.

Современные усилители мощности СВЧ выполняют в виде монолитных микроволновых интегральных схем (ММИС), изготовленных из различных полупроводниковых материалов. Большинство опубликованных работ описывают усилители на HEMT - транзисторах из GaN и GaAs. Однако приводятся сведения о методах увеличения эффективности ММИС усилителей, выполненных из InP, SiC, SiGe.

В таблице 1.1 приведены примеры наибольших КПД и параметров усилителей, выполненных из различных полупроводниковых материалов на частотах верхней части сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн.

Таблица 1.1. Параметры усилителей с высоким КПД

PAE,% С ГГц X, ГГц РВЬ1Х , дБм Г В ^пит , В Материал Источник

70 68 47,6 13 3,5 GaAs [20]

60 40 24 38 10 GaN [19]

45 15 6,75 47,9 30 GaN [17]

42 60 25,2 24 3,8 № [21]

42 44 18,5 28 5 GaAs [24]

39 28 10,9 33,9 5 GaAs [23]

38 20 7,6 29 5 1пР [18]

28 60 16,8 25 5 GaAs [25]

23 94 21,6 16 2,5 GaAs [26]

19 95 19 26,3 3 1пР [29]

18 38 6,8 18,7 2,2 8Ю [28]

15 90 13,5 19,6 2,3 SiGe [27]

Оценить достижения высокого КПД на наиболее высоких частотах возможно с использованием параметра х = £ • Е, ГГц. Как видно из таблицы, наиболее высокие значения параметра х получены в усилителях, созданных на базе GaAs, 1пР, ОаК

Выводы

В настоящем обзоре описаны методы увеличения эффективности ММИС нелинейных усилителей трех типов.

1. Усилители с отсечкой выходного тока и выходной согласующей цепью, содержат один резонатор, настроенный на входную частоту. На вход таких усилителей поступают гармонические колебания (классы АВ, В, С). Выходные колебания определяются переходной характеристикой транзистора;

2. Ключевые усилители, в которых транзистор играет роль ключа, находясь, то в открытом, то закрытом состоянии при быстром их переключении (классы Б, Е). На вход поступают колебания в виде меандра, выходные колебания определяются переходными процессами при изменении состояний транзистора;

3. Полигармонические усилители, имеющие многорезонаторную выходную цепь, формирующую колебания выходного тока и напряжения, благоприятные для высокого КПД. Входные колебания гармонические.

В нелинейных усилителях первого типа транзистор работает с отсечкой выходного тока в классах В и С. Наибольший КПД получается в граничном режиме по напряженности с углом отсечки выходного тока, < 900 (класс С). Недостатком усилителей класса С является низкий коэффициент усиления мощности и необходимость высокого напряжения пробоя на входе транзистора.

Ключевые усилители (классы D и E) применяются на относительно низких частотах из-за необходимости быстрых переключений состояний транзистора.

Для достижения высоких КПД усилителей СВЧ наиболее благоприятны полигармонические усилители (классы Б и инверсный класс Б). В обзоре приводятся различные варианты выходных цепей полигармонических усилителей, имеющие несколько резонансов на гармониках входных колебаний, позволяющие получить выходное напряжение в форме меандра, а выходной ток в виде отрезка косинусоиды (класс Б) или наоборот (инверсный класс Б). В качестве резонаторов выходной цепи описаны варианты контуров на сосредоточенных параметрах и отрезки передающих линий. Возможность увеличения КПД не зависит от выходной мощности, коэффициента усиления транзистора, напряжения питания и полупроводникового материала ММИС.

Большинство работ по увеличению КПД относятся к усилителям относительно низких частот. На частотах S - диапазона наибольший КПД добавленной мощности приближается к 90 %, однако имеются сообщения об усилителях с КПД около 70 % на частотах миллиметрового диапазона длин волн. Возможность достижения увеличения КПД на все более высоких частотах оценивается параметром х, который равен произведению частоты на КПД добавленной мощности. Наибольшее значение х (19 -47 ГГц) получено в ММИС на GaAs и 1пР, GaN. Проведенный обзор позволяет наметить пути продолжения попыток увеличить КПД на все более высоких частотах с применением новых полупроводников и структур транзисторов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мьо Мин Тхант, 2022 год

Литература

1. Paolo Colantonio, Franco Giannini, and Ernesto Limiti. High Efficiency RF and Microwave. Solid State Power Amplifiers. 2009 John Wiley & Sons.

2. М.С. Нейман. Курс радиопередающих устройств. М, «Советское радио», 1965,

594 с.

3. В.А. Романюк. Аналоговые устройства приемопередатчиков. Москва. СОЛОН-Пресс, 2018, 144 с.

4. Лившиц, И. И. Транзисторные усилители в режиме D. — Л.: Энергия, 1973. —

128 с.

5. Алипов А.С., Козырев В.Б. Систематизированная классификация транзисторных усилителей мощности. Электросвязь, 2006, №10, с. 37-43.

6. Zoya Popovic. High-Efficiency Microwave Power Amplifiers with Dynamic Power Supplies. University of Colorado, Boulder. ECEN 5014, Spring 2009.

7. J. S. Moon, H. Moyer, P. Macdonald, D. Wong, M. Antcliffe, M. Hu, P. Willadsen, P. Hashimoto, C. McGuire, M. Micovic, M. Wetzel, and D. Chow/High Efficiency X-band Class-E GaN MMIC High-Power Amplifiers//2012 IEEE Topical Conference on Power Amplifiers for Wireless and Radio Applications, 15-18 Jan. 2012.

8. Andrei Grebennikov /High-efficiency power amplifiers: turning the pages of forgotten history// https://www.researchgate.net/publication/242282964/// September 2008.

9. Woo Y, Yang Y. Analisis and Experiments for High Efficiency Class-F and Inverse Class-F Power Amplifiers. IEEE Trans. Microw. Theory and Tech., 2006, v.54, № 5, 1969-1974.

10. Сечи Ф., Буджати М. Мощные твердотельные СВЧ-усилители. - М.: ТЕХНОСФЕРА,. 2016. - 416 с.

11. V. J. Tyler, "A New High-Efficiency High-Power Amplifier," Marconi Review, vol. 21, pp. 96-109, Fall 1958.

12. F. H. Raab, "FET Power Amplifier Boosts Transmitter Efficiency," Electronics, vol. 49, pp. 122-126, June 1976.

13. Воронович. В.В. Исследование полигармонического усилителя мощности с высоким импедансом нагрузки на 2-й гармонике/ Воронович. В.В, А.Ю. Потапов, В.А. Кузьмин//Электросвязь. -2015. - № 8. - С. 25-29.

14. Воронович, В.В. Энергетические характеристики усилителя мощности инверсного класса F при ограничении числа гармоник / В.В. Воронович, А.Ю. Потапов, Н.В. Рогов // Электросвязь. -2013. - № 8. - С. 40-43.

15. Yang Wang ; Taijun Liu ; Yan Ye ; Qian Xu ; Ruiyang Li ; Yaqin Guo ; Tianyi PanDesign and linearization of high-efficiency inverse class-F RF power amplifiers/ 2014 IEEE International Wireless Symposium (IWS 2014)// X'ian, China.

16. Yasuyuki Abe, Ryo Ishikawa and Kazuhiko Honjo. Inverse Class-F AlGaN/GaN HEMT Microwave Amplifier Based on Lumped Element Circuit Synthesis Method. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 56, NO. 12, DECEMBER 2008, p. 2748 - 2752.

17. Kazuhisa Yamauchi, Hifumi Noto, Hiroyuki Nonomura, Satoshi Kunugi, Masatoshi Nakayama and Yoshihito Hirano/A 45% power added efficiency, Ku-band 60W GaN power amplifier//Information Technology R&D Center, Mitsubishi Electric Corp.5-1-1 Ofuna, Kamakura-city, Kanagawa 247-8501, Japan.

18. Michael V. Aust, Arvind K.Sharma, Alex T. Chau, AugustoL. Gutierrez-Aitken/A High Efficiency and High Linearity 20 GHz InP HBT Monolithic Power Amplifier for Phased Array Applications//2008 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest (15-20 June 2008)

19. Charles F. Campbell, Sabyasachi Nayak, Ming-Yih Kao and Shuoqi Chen Qorvo, Infrastructure and Defense Products Division/Design and performance of 16-40GHz GaN distributed power amplifier MMICs utilizing an advanced 0.15^m GaN process//2016 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS) (22-27 May 2016)

20. Chuang Wang, Vincent F. Fusco/43-68 GHz broad band low noise MMIC medium power amplifier//2008 11th IEEE International Conference on Communication Technology Proceedings

21. O. S. Andy Tang, Member, IEEE, S. M. Joseph Liu, Pane C. Chao, Senior Member, IEEE, Wendel M. T. Kong, K. C. Hwang, Kirby Nichols, and John Heaton, Member, IEEE/Design and fabrication of a wideband 56- to 63-GHz monolithic power amplifier with very high power-added efficiency//IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 35, NO. 9, SEPTEMBER 2000

22. Yasuhiro Hamada, Member, IEEE, Masahiro Tanomura, Member, IEEE, Masaharu Ito, Member, IEEE, and Kenichi Maruhashi, Member, IEEE/A High Gain 77 GHz Power Amplifier

Operating at 0.7 V Based on 90 nm CMOS Technology//IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS, VOL. 19, NO. 5, MAY 2009.

23. Mansoor K. Siddiqui, Arvind K. Sharma,Senior Member, IEEE,Leonardo G. Callejo, and Richard Lai/A high-power and high-efficiency monolithic power amplifier at 28 GHz for LMDS applications//IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 46, NO. 12, DECEMBER 1998.

24. A. Dadello, A. Fattorini, S. J. Mahon, A. Bessemoulin, and J. T. Harvey/44-GHz High Power and Driver Microstrip Amplifier MMICs using 6-inch 0.15-p.m PHEMTs//Proceedings of the 1 st European Microwave Integrated Circuits Conference.

25. R. E. Kasody, Member, IEEE, G. S. Dow, Member, IEEE, A. K. Sharma, SeniorMember, IEEE, M. V. Aust, D. Yamauchi, R. Lai, M. Biedenbender, Member, IEEE, K. L. Tan, and B. R. Allen, Member, IEEE/A high efficiency V-band monolithic HEMT power amplifier//IEEE MICROWAVE AND GUIDED WAVE LE'ITERS, VOL. 4, NO. 9, SEF'EMBER 1994.

26. R. Lai, G. I. Ng, D. C. W. Lo, T. Block, H. Wang, M Biedenbender, D. C. Streit, P. H. Liu, R. M. Dia, E. W. Lin, and H. C. Yen/A high-efficiency 94-GHz 0.15-^m InGaAs/InAlAs/InP monolithic power HEMT amplifier//IEEE MICROWAVE AND GUIDED WAVE LETTERS, VOL 6, NO. 10, OCTOBER 1996.

27. Michael Chang(University of Michigan, Ann Arbor, MI 48109) and Gabriel M. Rebeiz (University of California, San Diego, La Jolla, CA 92093)/ A wideband high-efficiency 7997 GHz SiGe linear power amplifier with >> 90 mW output//2008 IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting(13-15 Oct. 2008).

28. Wei Tai (Department of Electrical and Computer Engineering Carnegie Mellon University, Pittsburgh, PA 15213, USA) and David S. Ricketts (Department of Electrical and Computer Engineering North Carolina State University, Raleigh, NC 27695, USA / A Q-band power amplifier with high-gain pre-driver and 18.7 dBm output power for fully integrated CMOS transmitters //2014 IEEE Topical Conference on Power Amplifiers for Wireless and Radio Applications (PAWR) (19-23 Jan. 2014).

29. Y. C. Chen,Member, IEEE,D. L. Ingram,Member, IEEE,R. Lai, M. Barsky,R. Grunbacher, T. Block, H. C. Yen,Member, IEEE,and D. C. Streit,Senior Member, IEEE/A 95-GHz InP HEMT MMIC amplifier with 427-mW power output//IEEE MICROWAVE AND GUIDED WAVE LETTERS, VOL. 8, NO. 11, NOVEMBER 1998.

30. Inkwon Ju, Hong-gu Ji, In-Bok Yom ,Satellite & Wireless Convergence Research Department, Electronics and Telecommunications Research Institute, 218 Gajeong-ro, Yuseong-gu,

Daejeon, 305-700, South Korea/Ku-band GaAs MMIC High Power Amplifier with High Efficiency and Broadband//2015 Conference on Microwave Techniques (COMITE)(22-23 April 2015).

31. Y. Hwang, J. Lester, G. Schreyer, G. Zell, S. Schrier, D. Yamauchi, G. Onak, B. Kasody, R. Kono, Y. C. Chen, and R. Lai/60 GHz high-efficiency HEMT MMIC chip set development for high-power solid state power amplifier//TRW Inc., Electronic Systems and Technology Division One Space Park, Redondo Beach, CA 90278.

32. S. Dellier, T. Dehaene and E. Peragin/GaN High-Efficiency S-band Power Amplifier with Power Flexibility from 1 to 10 Watts//2014 IEEE Topical Conference on Power Amplifiers for Wireless and Radio Applications (PAWR) 19-23 Jan. 2014.

33. Lei Dong, Songbai He, Fei You, and Qi Lei ,Department of circuit and system, University of Electronic,Science and Tech. of China, ,Chengdu, 611731, China/High-Efficiency Class-F Power Amplifier Design with Input Harmonic Manipulation//2012 IEEE Topical Conference on Power Amplifiers for Wireless and Radio Applications (15-18 Jan. 2012)

34. J. S. Moon, H. Moyer, P. Macdonald, D. Wong, M. Antcliffe, M. Hu, P. Willadsen, P. Hashimoto, C. McGuire, M. Micovic, M. Wetzel, and D. Chow/High Efficiency X-band Class-E GaN MMIC High-Power Amplifiers//2012 IEEE Topical Conference on Power Amplifiers for Wireless and Radio Applications (15-18 Jan.

35. To-Po Wang and Che-Yi Chiang (Department of Electronic Engineering and Graduate Institute of Computer and Communication Engineering, National Taipei University of Technology, Taipei, 10608, Taiwan, R.O.C.)/ A high-PAE high-gain 24-GHz fully integrated 0.18-|im CMOS power amplifier using micromachined inductors//2011 IEEE International Conference of Electron Devices and Solid-State Circuits (17-18 Nov. 2011)

36. Philipp Pahl, Sandrine Wagner, Hermann Massler, Sebastian Diebold,Arnulf Leuther, Ingmar Kallfass, and Thomas Zwick/A 50 to 146 GHz Power Amplifier Based on Magnetic Transformers and Distributed Gain Cells/IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS, VOL. 25, NO. 9, SEPTEMBER 2015.

37. Н.А. Торхов, В.Г. Божков, И.М. Добуш и др. Мощные AlGaN/GaN HEMT X- и Ku-диапазонов. Доклады ТУСУРа, № 1 (35), март 2015.

38. П.А. Туральчук , В.В. Кириллов , П.Э. Осипов , И.Б. Вендик, О.Г. Вендик , М.Д. Парнес. Усилитель мощности X-диапазонас высоким КПД на основе технологии AlGaN/GaN. Письма в ЖТФ, 2017, том 43, вып. 17 , с.20 -26.

39. Ф. Сечи, М. Буджатти. Мощные твердотельные СВЧ усилители. Техносфера, Москва, 2016.

40. MWO/AO Element Cаtаlog > Nonlinear > FET.

41. HengShuang Zhang, PeiJun Ma*, Yang Lu и др. Extraction Method for Parasitic Capacitances and Inductances of HEMT Models. Solid-State Electronics, December

42. AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistor (HEMT) Reliability.Dimitris Pavlidis1,2, Pouya Valizadeh2 and S. H. Hsu3.13th GaAs Sympjsium, Paris, 2005, p.265 - 268

43. Innovative Solid State Amplifier Technology in the 21st century. By CPI SMP Satcom Products Group. WWW.cpii.com/satcom/

44. Jack Browne. What's the Difference Between GaN and GaAs? Microwaves & RF Jul 07, 2016.

45. Олег Колотун. Усилители СВЧ на основе технологий GaN и GaAs, эволюция технологии Diamond FETs. CHIP NEWS Украина, #2 (122), март, 2013, www.chipnews.com.ua.

46. Junghwan Moon, Seunghoon Jee, Jungjoon Kim and others. Behavior of Class-F and Class-F Amplifiers. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQU , VOL. 60, NO. 6, JUNE 2012.

47. Гадзиковскй А.Г. Усилители мощности инверсного класса F - эффективное средство улучшения энергетических характеристик радиопередатчиков. Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». 2018. Т.18, №1, стр. 7582.

48. Y.V. Rassokhina, V.G. Krizhanovski , Paolo Colantonio, Rocco Giofre. Invearse class-F power amplifier using slot resonators as a harmonic filter. International Journal of Microwave and Optical Technology 9(1), • June 2014. 49-53

49. П.А. Туральчук , В.В. Кириллов, П.Э. Осипов, И.Б. Вендик,О.Г. Вендик, М.Д. Парнес. Усилитель мощности X-диапазона с высоким КПД на основе технологии AlGaN/GaN. . Письма в ЖТФ, 2017, том 43, вып. 17 12 сентября 07.

50. Иван Бошнаков, Малколм Эдвардс, Ларри Данливи, Изабелла Дельгадо. Проектирование и моделирование широкополосного усилителя мощности на нитрид-галиевом транзисторе. Современная электроника №1 2017, с. 58-62.

51. Ефимович А.П. Развитие методик расчета и построения усилителей класса F с ограниченным числом гармоник.. Диссертация кандидата технических наук. 2017.

52. Крыжановский В.Г. Транзисторные усилители с высоким КПД. Алекс. 2004.

53. С.А. Бахвалова, В.А. Романюк. Основы моделирования и проектирования радиотехнических устройств Microwave Office. Москва, СОЛОН-Пресс, 2016.

54. Alexander N. Stameroff; Hai H. Ta; Anh-Vu Pham; Robert E. Leoni III Wide-Bandwidth Power-Combining and Inverse Class F GaN Power Amplifier at X-band 2013 IEEE

Transactions on Microwave Theory and Techniques ( Volume: 61, Issue: 3, March 2013) 1291 -1300.

55. Воронович В.В., Гадзиковский А.Г., Потапов А.Ю. Исследование усилителя мощности инверсного класса F с формирующей линией. Электросвязь, № 5, 2020, с. 65 - 70.

56. Е. Петров, В.А. Романюк. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Москва, «Высшая школа», 1989 г.

57. А. А. Глубоков, Д. Б. Бондарь, Б. Н. Шелковников. Широкополосные трансформаторы для интегральных схем в технологии LTCC. Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2006, № 3, с. 26 - 31.

58. Kehrer D., Simbürger W., Wohlmuth H.-D., Scholz A. L. Design of monolithic lumped transformers in silicon-based technologies up to 20 GHz // IEEE Custom Integrated Circuits Conference CICC 2001.. San Diego.. 2001.. P. 401.404.

59. Bakalski W., Simbürger W., Thüringer R. et al. A fully integrated 4.8-6 GHz power amplifier with on-chip output balun in 38 GHz-fT Si-bipolar // Ibid.. 2003.. P. 695.698.

60. Wu P.-S., Tseng C.-H., Huang T.-W., Wang H. A singly balanced millimeter-wave mixer using a compact transformer // Proc. Asia Pacific Microwave Conf.. Seoul, Korea.. 2003.

61. https://www.awr.com/resource-library/successful-gaas-mmic-design-examples-featuring-awr-software

62. Steve Marsh /Practical MMIC Design//ISBN-10: 1-59693-036-5

63. Harold A. Wheeler/ Simple Inductance Formulas for Radio Coils

Приложение: Акт использования

Акт использования результатов диссертационной работы Мьо Мин Тханта «РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСХЕМ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ НА БАЗЕ НЕМТ баМ-ТРАНЗИСТОРОВ»

на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности

05.27.01. Комиссия в составе:

председатель - заместитель директора института МПСУ к.ф,-м.н., доцент К.С.Лялин, члены- к.т.н., доцент С.А. Бахвалова; к.т.н., доцент В,Т. Комаров составила настоящий акт в том, что результаты диссертационной работы Мьо Мин Тханта - способы формирования монолитных микроволновых интегральных схем полигармонических усилителей с повышенным КПД,

- двухтактные и балансные микросхемы высокоэффективных усилителей,

- сравнение методов суммирования мощностей полигармонических усилителей используются в учебном процессе НИУ МИЭТ в лекциях и практических занятиях дисциплин «Приемопередающие системы» и «Специальные главы приемопередающих устройств».

Председатель комисси

К.С. Лялин

Члены комиссии

С.А. Бахвалова

В.Т.Комаров