АО «Микроволновые системы»
Разработка и производство твердотельных модулей СВЧ
(495) 917-21-03, (495) 917-25-62
 
Публикации Публикации
20 Декабря 2017
Автор: С.Гармаш, А.Кищинский, Е.Маркинов, А.Радченко, Д.Суханов
 

СОВРЕМЕННЫЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ СВЧ-МОДУЛИ. НОВЫЕ РАЗРАБОТКИ КОМПАНИИ "МИКРОВОЛНОВЫЕ СИСТЕМЫ"

 
 
С.Гармаш, А.Кищинский, Е.Маркинов, А.Радченко, Д.Суханов
 
 
Рассмотрены успехи компании "Микроволновые системы" в разработке широкого спектра СВЧ-изделий, в том числе широкополосных твердотельных СВЧ-усилителей с привлекательным соотношением цена/качество, по своим параметрам не уступающих мировым аналогам, а также перспективные многофункциональные СВЧ-модули.
Теги:   gan transistor   gan-транзистор   integrated microwave module   transmit-receive module   ultra-wideband microwave power amplifier   интегральный свч-модуль  приемопередающий модуль   сверхширокополосный свч-усилитель мощности
Новый литерный ряд сверхширокополосных
СВЧ-усилителей мощности

Разработка и производство широкополосных транзисторных усилителей СВЧ-мощности в сантиметровом диапазоне длин волн – ключевое направление деятельности компании "Микроволновые системы". Одной из последних разработок в этом направлении является литерный ряд усилителей средней мощности непрерывного режима с мультиоктавными полосами рабочих частот (рис.1, табл.1). Усилители, работающие в диапазонах 1...4 ГГц, 1...6 ГГц, 2...8 ГГц, 4...12 ГГц и 8...18 ГГц, построены на основе современных нитрид-галлиевых (GaN) и арсенид-галлиевых (GaAs) транзисторов и монолитных интегральных схем.

Ключевые особенности новых усилителей:

•мгновенная полоса частот 1,25–2,5 октавы;
•цифровое 5-разрядное управление усилением;
•встроенные узлы, расширяющие функциональные возможности усилителей и обеспечивающие контроль работы и управление характеристиками прибора, в том числе детекторы контроля выходной мощности, скоростные модуляторы питания, датчики температуры; •температурная стабилизация усиления;
•устройства синхронизации питания;
•нормированные ФЧХ, позволяющие применять приборы данного ряда в многолучевых антенных системах со сканированием луча;
•тонкопленочная технология гибридных интегральных схем (ГИС) и монолитных интегральных схем (МИС);
•наличие миниатюрных разъемов питания и управления, исключающих необходимость пайки при монтаже в аппаратуру.
В конструкции усилителей данного ряда реализованы технические решения, которые обеспечивают устройствам высокую надежность. Корпус усилителя изготовлен из алюминиевого сплава, СВЧ-тракт расположен в гермообъеме, который заполнен инертным газом под избыточным давлением. Внутренний объем корпуса сконструирован так, чтобы устранить возможность обратной связи по электромагнитному полю в СВЧ-тракте. Для уменьшения внутреннего объема корпуса и создания в нем запредельного волновода на рабочих частотах корпус разделен на отсеки, а кроме того, используются экранирующие крышки и металлические вкладыши.

СВЧ-тракт усилителей содержит предварительные каскады, узлы аналогового и цифрового управления амплитудой, транзисторные выходные каскады, схемы суммирования мощности и встроен­ный детектор контроля выходной мощности. СВЧ-узлы созданы на основе гибридно-интегральной и квазимонолитной технологии.

В усилителях используется комбинированный низкочастотный разъем для цепей питания и управления, который содержит сигнальные и силовые контакты в едином конструктиве. С обратной стороны корпуса усилителя расположены печатные платы блоков управления и синхронизации питания, которые залиты компаундом для обеспечения защиты от повышенной влажности. В ряде случаев применяют многослойные и двухуровневые платы для уменьшения занимаемого объема. Для соединения узлов применяются удобные для монтажа гибкие полиимидные шлейфы.

Сверхширокополосные усилительные элементы выходных каскадов построены по балансной схеме реактивно-диссипативного согласования на двух дискретных бескорпусных транзисторах. Выходная мощность одного элемента (балансного каскада) составляет от 2,5 до 4 Вт при применении арсенид-галлиевых (GaAs) транзисторов и от 10 до 15 Вт и более при использовании нитрид-галлиевых (GaN) транзисторов. В выходных элементах цепей согласования широко применяется технология пассивных интегральных схем на арсениде галлия [1].

Выходной балансный каскад Ku-диапазона (входит в состав усилителя литеры 3) содержит интегральные микросхемы на GaAs с пассивными элементами (интегральными конденсаторами, резисторами, распределенными элементами) и кристаллы дискретных транзисторов (рис.2). Кристаллы микросхем и транзисторов, а также поликоровые платы с расположенными на них цепями деления-суммирования мощности установлены на металлическое основание.

В конструкции выходных элементов, построенных на GaN-транзисторах, для обеспечения приемлемого теплового режима кристалла применяют специальные технические решения, в том числе распределители тепла из меди или металлизированного поликристаллического алмаза и электропроводящие клеи с теплопроводностью не менее 60 Вт/м · К. Проблемы избыточного тепла вызываются высокой плотностью тепловой мощности (10–15 Вт/мм2), генерируемой GaN-транзисторами в непрерывном режиме при невысоком (из-за широкой полосы частот) минимальном КПД или при работе на рассогласованную нагрузку.

Повышение уровня выходной мощности достигается с помощью схем бинарного или трехканального суммирования на основе сверхширокополосных квадратурных мостов различных конструкций [2]. Применение достаточно сложных квадратурных схем вызвано необходимостью достижения сверхширокой полосы частот, в которой такие сумматоры способны обеспечить эффективное подавление отраженных волн, низкие значения КСВН входа и выхода приборов, а также малые габариты устройства. Однако следует отметить, что широкая полоса частот в данном случае достигается за счет относительно низкой величины КПД, высокой сложности и, соответственно, стоимости этих устройств.

Сверхширокополосные приемопередающие модули с несущими печатными платами

Наряду с "классическими" усилителями мощности, выполненными по тонкопленочной гибридно-интегральной технологии, компания "Микроволновые системы" разрабатывает для нужд конкретных заказчиков малогабаритные многоканальные сверхширокополосные приемопередающие модули (ППМ) или усилительные модули непрерывного режима. В качестве подложки-носителя в них используется многослойная печатная плата, на которой размещены активные элементы в корпусах для поверхностного монтажа.

Примером такого типа изделий может служить приемопередающий модуль диапазона 1...6 ГГц (рис.3), который содержит по два идентичных усилительных передающих и приемных канала.

Основные электрические характеристики ППМ диапазона 1...6 ГГц:

•диапазон рабочих частот: 1...6 ГГц;
•выходная непрерывная мощность передающего канала: 2...4,5 Вт;
•коэффициент усиления передающего канала: 43...46 дБ;
•неидентичность фазочастотных характеристик: 20 град.;
•коэффициент усиления приемного канала: 26...29 дБ;
•динамический диапазон приемного канала: 56 дБ;
•время переключения между режимами "прием" и "передача": 150 нс;
•КПД: 10–20%;
•габаритные размеры: 123 × 59 × 15 мм;
•масса: 190 г.
Каждый передающий канал модуля имеет дискретный аттенюатор с диапазоном регулировки 0...30 дБ с шагом 1 дБ, схему температурной стабилизации усиления, схему скоростной модуляции питания, направленный детектор выходной мощности, выходной переключатель и встроенную согласованную нагрузку. Выходной усилитель передающего канала представляет собой усилитель бегущей волны, выполненный на нитрид-галлиевых транзисторных структурах. Каждый приемный канал имеет дополнительный переключатель "антенна/тест-сигнал", ограничитель входного СВЧ-сигнала, фильтры верхних и нижних частот, дискретный аттенюатор адаптации с диапазоном регулировки 0...20 дБ, схему скоростной модуляции питания и направленный детектор выходной мощности.

Гибридно-монолитные усилители
средней мощности в металлокерамических корпусах

Сегодня одна из задач компании "Микроволновые системы" – поиск технических решений, направленных на миниатюризацию и снижение себестоимости разрабатываемых приборов. Для освоения этого направления в 2013–2015 годах конструкторами предприятия совместно со специалистами компании Kyocera был разработан и освоен в производстве ряд типов герметичных металлокерамических корпусов для фланцевого и поверхностного монтажа на печатные платы СВЧ-модулей с рабочими частотами до 25 ГГц.

Оценить эффективность применения такого типа корпусов для снижения массо-габаритных показателей аппаратуры можно, если сравнить размеры "классического" усилительного модуля РМ618–1 и усилителя УР-2 в герметичном фланцевом корпусе (рис.4). Диапазон рабочих частот модуля РМ618–1 составляет 6...18 ГГц, выходная мощность 1,2 Вт, габаритные размеры 83 × 38 × 18 мм, масса 100 г. Усилитель УР-2 работает в диапазоне частот 5...18 ГГц, его выходная мощность составляет более 1,3 Вт, габариты – 34 × 8,4 × 3,5 мм, масса – не более 6 г.

В корпусах для фланцевого монтажа разработаны и поставляются две модели усилителей – УР-1 и УР-2. Первый усилитель работает в диапазоне частот 0,8...6 ГГц, второй – 5...18 ГГц. Выходная мощность УР-1 составляет от 3,6 до 6,1 Вт при входной мощности 4 мВт, а выходная мощность усилителя УР-2 – от 1,3 до 2,3 Вт при компрессии коэффициента усиления 2 дБ. Напряжения питания усилителя УР-1: +27 В, +9 В и –5 В, а усилителя УР-2: +8,2 В и –5 В. КПД каждого усилителя составляет 18–20%.

Усилитель УР-2 состоит из входных усилительных каскадов на основе двух арсенид-галлиевых интегральных схем (построенных по схеме распределенного усиления), фазового корректора, монолитного усилителя средней мощности и выходного каскада (рис.5). Выходной каскад содержит гибридно-монолитный балансный каскад с согласующими цепями на основе полуизолирующей GaAs-подложки толщиной 100 мкм и суммирующие квадратурные мосты, также изготовленные на GaAs-подложке. В качестве активных элементов используются два pHEMT-транзистора, ширина их затворов 1600 мкм. Управление усилителя осуществляется с помощью схемы модуляции и питания.

Кроме того, разработан ряд усилительных интегральных схем в герметичных металлокерамических SMD-корпусах с высокой теплопроводностью, которые предназначены для установки на многослойные печатные платы методом поверхностного монтажа с использованием стандартного оборудования (рис.6, табл.2). Размеры такого корпуса составляют всего 16,5 × 8,2 × 3,5 мм при массе не более 3 г. SMD-корпус, выполненный по технологии компании Kyocera, обеспечивает функционирование смонтированных узлов вплоть до рабочей частоты 26 ГГц. Особенностью конструкции корпуса является наличие интегрированного теплоотвода, выполненного из сплошного металла (сплав медь-молибден) и впаянного в керамическую рамку с выводами – СВЧ-гермопереходами.

В 2015 году линейка гибридно-монолитных усилителей в металлокерамических корпусах была дополнена тремя моделями, работающими в популярных в отрасли С- и Х-диапазонах, с выходной мощностью от 0,5 до 6 Вт (рис.7, табл.3). Самый миниатюрный вариант корпуса для этих усилителей разработан специалистами Томилинского электронного завода, два других изготавливаются в компании Kyocera.

Освоение производства описанных интегральных схем и усилительных модулей на их основе плани­руется завершить в 2016 году.

Широкополосные
гибридно-интегральные усилители мощности непрерывного режима с повышенным КПД

Особое внимание при создании новых СВЧ-приборов компания "Микроволновые системы" уделяет работам по повышению КПД. В 2014 и 2015 годах специалистами предприятия разработаны и осваиваются в производстве унифицированные интегральные усилительные модули с уникальными (для модулей с октавной полосой частот и непрерывным режимом работы) характеристиками энергопотребления (рис.8, табл.4). Они предназначены для эксплуатации в условиях ограниченного энергопотребления, например на борту автономных беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), и в составе более мощных усилительных устройств с выходными мощностями 200–300 Вт и выше в непрерывном режиме.

Модули этого типа разработаны по трехкаскадной схеме на бескорпусных GaN HEMT-транзисторах. Входной усилительный каскад построен по схеме с обратной связью. Предвыходной и выходной усилительные каскады созданы на основе балансной схемы. В балансных каскадах используются квадратурные сумматоры-делители "свернутого" типа [2]. Для более эффективного отвода тепла транзисторы установлены на пьедесталах медного основания, а керамические платы – на промежуточные пластины из псевдосплава МД-40 (на рисунке не видны), которые, в свою очередь, закреплены на медном основании.

Новые унифицированные модули с октавной полосой частот, построенные на GaN-транзисторах, демонстрируют практически вдвое более высокий КПД (рис.9) при той же выходной мощности, что и октавные усилители на GaAs-транзисторах (типа РМ12-С8, РМ24-С8).

Для применения в аппаратуре, размещаемой на БПЛА, на основе унифицированных модулей разработан литерный ряд усилителей (рис.10) со встроенным преобразователем вторичного питания и радиатором. Такие модули предназначены для работы в потоке воздуха (скорость потока не менее 40 м/с) и имеют небольшую массу.

* * *

В статье описана лишь часть новых разработок компании "Микроволновые системы". На предприятии ведутся работы по созданию многорежимных (длительность импульса от 0,1 до 42 000 мкс, скважность от 2 до 64 000) импульсных усилителей мощности для радиолокации (с уровнем выходной мощности до 400 Вт в Х-диапазоне), широкополосных импульсных усилителей Х-диапазона с малым уровнем вносимых фазовых и амплитудных флуктуаций вблизи несущей, приемо-передающих модулей L-диапазона с выходной импульсной мощностью до 1 кВт, высоколинейных малошумящих широкополосных усилителей, усилителей непрерывного режима мощностью до 200–300 Вт с октавной полосой частот и коммутируемой фильтрацией гармоник, кристаллов GaAs-транзисторов и монолитно-интегральных схем, а также ряда других изделий. В следующих статьях мы расскажем читателям об этих разработках.

ЛИТЕРАТУРА

1.Гармаш С., Кищинский А., Лапин В., Рогожникова М. Применение технологии пассивных интегральных схем на арсениде галлия в изготовлении широкополосных усилителей мощности СВЧ // Материалы 9-й Международной Крымской микроволновой конференции. – КрыМиКо, 1999. С. 5–8.
2.Кищинский А., Радченко В., Радченко А. Широкополосные квадратурные делители/сумматоры для применения в усилителях СВЧ-мощности // Материалы 23-й Международной Крымской конференции. – КрыМиКо, 2013. Т. 1. С. 6–10.
 
Электроника НТБ. Выпуск #6/2015

<< Все статьи