Шевченко Р. А., Конев С. В.

Опубликовано в сборнике: Российский форум «Микроэлектроника 2025». 11-я Научная конференция «ЭКБ и микроэлектронные модули». Сборник тезисов. // Научно-технологический университет «Сириус». 21-27 сентября 2025 г. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2025.

В докладе предложены подходы к проектированию технического облика радиомодема, предназначенного для формирования и обработки радиосигнала стандарта спутниковой связи DVB-S2, являющегося составной частью приемо-передающего устройства Ku-диапазона (ППУ-Ku) широкополосной системы связи (ШСС) российской орбитальной станции (РОС).

Ключевые слова: бортовой модем стандарта DVB-S2; широкополосная система связи РОС.

Одним из основных комплексов технических средств, обеспечивающих возможность пилотируемых и беспилотных полетов космических аппаратов, являются радиосистемы управления и передачи информации.
В целях обеспечения функционирования российской орбитальной станции (РОС) ведется разработка бортового радиомодема приемо-передающего устройства Ku-диапазона

Миннебаев В. М.

Гетероструктурные полевые транзисторы на основе нитрида галлия являются самыми перспективными активными элементами СВЧ, однако и они сталкиваются с проблемами надежности. В докладе представлены схемотехнические решения, позволяющие в значительной степени купировать условия, связанные с электрическими механизмами деградации, включая проблемы с неконтролируемым увеличением токов утечки затвора, пиковых превышений напряжения пробоя сток-исток, горячими электронами и фононами.
Ключевые слова: деградация; GaN HEMT; горячий электрон; горячий фонон; ток утечки; коллапс тока; саморазогрев; дефекты с глубокими уровнями; лавинно-инжекционная неустойчивость.

Д.А. Баринов, Н.О. Гурьянов

Ключевые слова: умножитель частоты; варикап; Spice-модель; эксперимент; фазовый шум; спектр; нелинейная
емкость.

Введение
Для современных радиолокационных систем и высокоскоростных устройств дискретизации радиосигналов требуются высокостабильные генераторы опорной частоты СВЧ-диапазона с низким уровнем фазового шума.
В большинстве случаев опорные генераторы строятся по принципу умножения частоты низкочастотных кварцевых генераторов, что приводит к увеличению фазового шума на 20log(N), где N — коэффициент умножения частоты. Наиболее низким уровнем вносимого фазового шума обладают пассивные (диодные) умножители частоты. Диодные умножители обладают такими положительными характеристиками, как простота конструкции и способность работать на очень высоких частотах, что обусловливает широкое применение таких устройств [1]. Простейший умножитель содержит диод, а также цепи согласования и фильтрации по входу и выходу. Работа диодного умножителя основана на свойстве нелинейности вольт-амперной характеристики (ВАХ) диода, которая может быть представлена...

Эксперимент
На основе результатов моделирования был изготовлен макет параметрического умножителя частоты в виде собранной печатной платы из материала FR-4 толщиной 0,5 мм. Размеры печатной платы составили 34×16 мм. Для регулировки напряжения смещения использовался подстроечный резистор.

Аннотация: в докладе представлены примеры проектов многофункциональных МИС, где использование схемы стабилизации затворного смещения активных элементов позволило повысить выход годных кристаллов по критерию коэффициент усиления. Кроме того, приведена модифицированная схема стабилизации смещения с возможностью модуляции напряжения затвора. Все примеры проектов выполнены на основе технологического процесса 0,15 мкм GaAs pHEMT.
Ключевые слова: монолитная интегральная схема, транзистор с высокой подвижностью электронов, векторный модулятор, параметры рассеяния, схема стабилизации затворного смещения, модуляция по затвору, технологический процесс GaAs pHEMT.

Введение
Монолитные интегральные технологии в настоящее время получили широкое распространение, использование электронной компонентной базы (ЭКБ) высокой степени интеграции является трендом при построении приемо-передающих модулей (ППМ). Разработка и применение собственной ЭКБ в проектируемых модулях позволяет решить важную задачу оптимизации технических и экономических показателей всего проекта.
Разработка монолитных интегральных схем (МИС) СВЧ-диапазона частот является сложной и трудоемкой задачей, порой невозможно на этапе расчета учесть все нюансы, например - технологический разброс параметров интегральных элементов на пластине и при серийном производстве. Из-за этого снижается выход годных и, как следствие, ухудшаются экономические показатели проекта. Одним из способов повышения выхода годных производимых МИС на пластине является использование схемы стабилизации затворного смещения для активных элементов усилителей.
В докладе представлены результаты применения схемы стабилизации затворного смещения в GaAs МИС собственной разработки. Кроме того, приведена модифицированная версия схемы, позволяющая осуществить модуляцию напряжения затвора активного элемента усилителя. Работа велась в интересах внутренних подразделений, занимающихся проектированием и производством радиоэлектронных узлов, модулей и систем.

Миннебаев В.М.

Резюме

Цели. Гетероструктурные полевые транзисторы на нитриде галлия (GaN HFET, heterostructural field-effect transistor) являются наиболее перспективными полупроводниковыми устройствами для силовой и сверхвысокочастотной электроники. За последние 10–15 лет GaN HFET прочно заняли место в аппаратуре радиоэлектронных средств передачи, приема и обработки информации, а также в изделиях силовой электроники за счет существенных преимуществ в энергетических и тепловых параметрах. При этом вопросы обеспечения их долговременной надежности стоят не менее остро, чем для приборов на других полупроводниковых материалах. Целью исследования является обзор тепловых и механических механизмов деградаций в GaN HFET, обусловленных физико-химическими особенностями применяемых материалов, ростовыми и пост-ростовыми процессами, и способов купирования этих механизмов при разработке, производстве и эксплуатации.
Методы. Основным методом исследования является аналитический обзор результатов публикаций широкого круга специалистов в области физики полупроводников, технологии производства гетероэпитаксиальных структур и активных приборов на их основе, моделирования и проектирования модулей и аппаратуры, надежности и эксплуатации.
Результаты. Описаны причины снижения показателей качества GaN HFET, вызываемые тепловыми перегревами, механическими деградациями, проблемами с горячими электронами и фононами в нитриде галлия, а также представлен обзор исследований, посвященных этим явлениям и методам снижения их воздействия на технические параметры транзисторов и показатели качества.
Выводы. По итогам исследования отмечено, что сильные электрические поля и высокая удельная тепловая нагруженность мощных GaN HFET вызывают физические, поляризационные, пьезоэлектрические и тепловые явления, способные приводить к перераспределению механических напряжений в активной области, деградации электрических характеристик и снижению надежности транзистора в целом. Установлено, что наличие полевой платы и пассивирующего слоя из нитрида кремния SiN приводят к снижению значений механических напряжений в области затвора в 1.3–1.5 раз, эффекты тепловой деградации в усилителях класса АВ выражены сильнее, чем эффекты воздействия сильных полей в усилителях класса E, при температуре активной зоны GaN HFET более 320–350 °C резко снижается время средней наработки до отказа.
Ключевые слова: GaN HFET, гетероструктура, двухканальный HFET, HFET со связанными каналами, ток, саморазогрев, теплопроводность, деградация, легирование

А. Кищинский, В. Миннебаев

3–4 декабря 2024 года в Москве состоялась научно-техническая конференция «Радиоэлектроника СВЧ – технологии, компоненты, приборы, комплексы», посвященная 20- летию АО «Микроволновые системы». В первую часть статьи, опубликованную во втором номере журнала «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес» за 2025 год, вошли материалы секции 1 и секции 2 конференции. В данном номере обсуждаются доклады секций 3–5, посвященные вопросам проектирования, производства и эксплуатации СВЧ-усилителей, многофункциональных СВЧ-приборов и радиоэлектронных средств, а также изделий твердотельной электроники в составе радиотехнических комплексов СВЧ-диапазона.

Радиоэлектроника СВЧ – движение вперед. Научно-техническая конференция «РЭСВЧ-2024» Часть 1.

Кондратенко А. В., Шишкин Д. А., Сорвачев П. С.

В докладе представлен ряд реализованных проектов GaAs / GaN МИС СВЧ, разработка которых велась с применением различных инструментов проектирования, доступных в текущий момент времени, а также на основе различных подходов, диктуемых степенью характеризации используемого технологического процесса.

Ключевые слова: монолитная интегральная схема; диапазон СВЧ; взаимодействие по методу Foundry; система автоматизированного проектирования; библиотека моделей базовых элементов.

В настоящее время системы автоматизированного проектирования (САПР) являются неотъемлемым инструментом разработки устройств СВЧ в целом и монолитных интегральных схем (МИС) в частности. При этом процесс разработки МИС СВЧ подразумевает наличие моделей базовых элементов, соответствующих используемому технологическому процессу, и, либо напрямую интегрированных в САПР, либо подключаемых в виде отдельных библиотек моделей. Конечно же, функциональный состав САПР, а также полнота описания технологического процесса различными моделями во многом определяют эффективность процесса разработки, но авторы доклада сразу бы хотели сделать два замечания, влияющих (в том числе, с экономической точки зрения) на создание отечественных средств проектирования, идущее параллельно развитию отечественного базиса технологий микроэлектроники, а также решение тактических задач по созданию МИС СВЧ, востребованных в текущий период времени. Во-первых, недопустима абсолютизация инструментов проектирования, которая выражается в заявлениях отдельных коллективов, что функциональный состав создаваемых ими программных продуктов может являться поводом для снижения квалификации разработчиков МИС. Во-вторых, существует баланс между функциональным составом САПР / совершенством отдельных библиотек моделей и подходами к проектированию с использованием предоставленных программных возможностей. Игнорирование вышесказанного ставит под вопрос рациональность использования кадровых и материальных ресурсов, а также полноту решения технических задач, в особенности сегодня, когда в сложившихся геополитических обстоятельствах отечественная отрасль микроэлектроники стремительно меняет свой облик и структуру.

Уже на протяжении нескольких десятилетий подавляющее большинство зарубежных фабрик при создании библиотек моделей, описывающих предоставляемые ими GaAs / GaN-технологические процессы, ориентируются на САПР AWR Design Environment от компании Applied Wave Research (сегодня входит в состав компании Cadence Design Systems, США) и Advanced Design System от компании PathWave Design (подразделение Keysight Technologies, США), являющиеся общепризнанными лидерами на мировом рынке программных продуктов, предназначенных для разработки устройств СВЧ. Данные САПР снискали популярность и в отечественной микроэлектронике СВЧ, как у обладателей технологических процессов, требующих модельной характеризации, так и у дизайн-центров и Fabless-компаний, занимающихся разработкой МИС СВЧ. Однако сегодня, когда российские компании лишились официального доступа, как к части зарубежного технологического базиса, так и к средствам проектирования, в том числе к САПР AWR Design Environment и Advanced Design System, остро строит вопрос о пересмотре как инструментов проектирования МИС СВЧ, так и доступных подходов.

В докладе представлен ряд реализованных проектов МИС СВЧ, разработка которых велась с применением различных инструментов проектирования, доступных в текущий момент времени, а также на основе различных подходов, диктуемых степенью характеризации используемого технологического процесса. При этом авторы доклада попытались провести параллель между ограничениями, с которыми когда-то сталкивались отдельно взятые компании, и той ситуацией, в которой находится сегодня отечественная микроэлектроника СВЧ в целом.

Иванов А. В., Кондратенко А. В., Сорвачев П. С., Щербаков А. С.

Представлены результаты разработки и тестирования функционального блока последовательно-параллельного драйвера управления, выполненного на основе GaAs технологического процесса. Разработанный преобразователь кода можно как интегрировать в состав различных МИС СВЧ, так и реализовать в виде отдельного кристалла, где гибридная сборка более выгодна.

Ключевые слова: монолитная интегральная схема; технологический процесс GaAs pHEMT; последовательно-параллельный интерфейс управления.

Проект последовательно-параллельного драйвера управления реализован на опциональных E/D-транзисторах с длиной затвора 0,5 мкм, которые входят в основной технологический процесс, в основе которого лежат нормально открытые GaAs полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов, имеющие длину затвора 0,15 мкм. Схемотехническая основа последовательно-параллельного драйвера ограничена рядом логических элементов, такими как инвертор, 2Или-Не, 3Или-Не, 2И-Не. Из них собирается входная функциональная схема, состоят D-триггеры и схемы мультиплексоров. Из D-триггеров образуются регистры сдвига и хранения, выполняющие главную функцию — преобразование кода из последовательного в параллельный. Схемы мультиплексоров позволяют выбирать (в зависимости от режима работы прием/передача приемо-передающего модуля (ППМ)) необходимый набор загружаемых бит данных. Все необходимые логические элементы реализованы на основе семейства DCFL-логики на полевых транзисторах (логические схемы с непосредственными связями). Основные преимущества его использования по сравнению с другими логическими семействами, это простота реализации и низкое потребление тока [1, 2].

Реализация цифровых схем управления в технологическом базисе A3B5 имеет как преимущества, так и недостатки. К явному недостатку можно отнести отсутствие полевых транзисторов с дырочным типом проводимости канала (канал p-типа), что ограничивает схемотехнические возможности. В результате, схемы управления, реализованные в GaAs технологическом базисе, получаются больших размеров и имеют большее потребление по сравнению с схемами управления реализованными по Si технологическому процессу, где имеется полноценная комплементарная пара полевых транзисторов. Однако, при рассмотрении задачи с точки зрения интеграции на один GaAs кристалл СВЧ части и цифровой части управления функциональными СВЧ узлами, можно отметить следующие преимущества: уменьшение габаритных размеров всей системы ППМ, исключение большого числа сварных межсоединений по линиям управления, как следствие увеличение технологичности сборки и снижение себестоимости производства.

В докладе представлены результаты разработки, тестирования функционального блока последовательно-параллельного драйвера управления и примеры использования в внутренних проектах компании АО «Микроволновые системы». В одном проекте, разработанный преобразователь используется интегрально на одной монолитной интегральной схеме (МИС) с СВЧ частью векторного модулятора Ku-диапазона частот. Здесь также осуществлена дополнительная функция — в МИС имеется выход переноса, позволяющий осуществить загрузку данных в последовательно соединенные N количество векторных модуляторов за один цикл. Такое решение позволяет сэкономить место в ППМ за счет исключения ряда линий управляющих сигналов. В другом проекте, преобразователь кода выступает как отдельная МИС, предназначенная для совместной работы с МИС векторного модулятора X-диапазона частот с параллельным интерфейсом управления. Проект был выполнен в рамках модернизации уже существующего ППМ для замены достаточно громоздких сдвиговых регистров. Подобное решение позволяет сэкономить место в модернизированном ППМ.

А.В. Кондратенко¹, П.С. Сорвачев¹, А.С. Щербаков^2
1Обособленное подразделение АО «Микроволновые системы» в г. Нижний Новгород
²Обособленное подразделение АО «Микроволновые системы» в г. Саратов

Аннотация: в докладе представлены некоторые особенности схемотехнической и топологической реализации монолитной интегральной схемы управления амплитудой и фазой сигнала Ku- диапазона частот и результаты измерения электрических параметров опытных образцов. Проект выполнен на основе технологического процесса 0,15 мкм GaAs pHEMT. Драйвер управления последовательно-параллельного типа в составе микросхемы реализован на основе опциональных нормально открытых и нормально закрытых транзисторов с длиной затвора 0,5 мкм.
Ключевые слова: монолитная интегральная схема, транзистор с высокой подвижностью электронов, векторный модулятор, параметры рассеяния, последовательно-параллельный драйвер управления, схема стабилизации затворного смещения, технологический процесс GaAs pHEMT

Введение
Разработка собственной электронной компонентной базы (ЭКБ) высокой степени интеграции для применения в приемо-передающих модулях (ППМ) позволяет решить важную задачу оптимизации технических и экономических показателей комплексного проекта.
Проектирование многофункциональных монолитных интегральных схем (МИС) СВЧ-диапазона частот является сложной и трудоемкой задачей, для решения которой необходимо обладать компетенциями в различных областях. В связи со сложностью и порой невозможностью на этапе расчета учесть все нюансы, например, как технологический разброс параметров на пластине и паразитное электромагнитное влияния друг на друга топологически находящихся рядом функциональных узлов тракта, необходимо изготовление опытных образцов и измерение их характеристик. После анализа полученных данных выделяются важные особенности, позволяющие улучшить параметры разрабатываемой МИС, и после взвешивания всех за и против, при необходимости, выполняется корректировка проекта.
В докладе представлены некоторые особенности разработки GaAs МИС управления амплитудой и фазой Ku-диапазона частот MSP010D. Разработка велась в интересах собственных подразделений, занимающихся проектированием и производством радиоэлектронных узлов, модулей и систем.

  Разработано программное обеспечение для восстановления параметров SPICEмоделей с использованием симулятора электрических схем Ngspice с открытым исходным кодом. Для GaN HEMT, разработанного в рамках верифицированного технологического процесса фаундри, восстановлена и интегрирована в коммерческие САПР модель ASM-HEMT. Проведен расчет и сравнение характеристик, полученных с использованием восстановленной модели и модели из состава комплекта средств проектирования, предоставляемого разработчиком технологического процесса.

 Широкое применение GaN HEMT технологии для разработки РЭА приводит к необходимости наличия у разработчиков средств проектирования (PDK), обеспечивающих высокую степень достоверности прогнозирования характеристик СВЧ ИС [1]. Между тем, вследствие особенностей свойств как приборных слоёв, так и используемых подложек, полноценная характеризация GaN структур является трудоемкой задачей, требующей проведения различных видов исследований, не всегда осуществляемых на полупроводниковых фабриках [2]. В состав комплекта PDK, как правило, входят SPICE-модели с ограниченной областью применения, в ряде случаев, не отвечающих требованиям специфики разрабатываемых устройств. Таким образом, на этапах разработки СВЧ ИС, в ряде случаев, возникает необходимость доработки поставляемых фабриками средств проектирования либо разработки собственных [1]. Для отечественных предприятий решение данной задачи усложняется существующим ограничением доступа к необходимому импортному коммерческому измерительному оборудованию и программному обеспечению (ПО). В рамках данной работы разработано ПО для экстракции параметров SPICE-моделей, использующее SPICE-подобный симулятор Ngspice [3] с открытым исходным кодом, и проведена его апробация на примере GaN HEMT.

 Разработанный программный модуль представляет собой библиотеку программных функций, обеспечивающих управление Ngspice с использованием интерфейса языка программирования Python для решения задач анализа влияния значений параметров SPICE-моделей элементов на характеристики электрических эквивалентных схем, включая:

• анализ состава SPICE-моделей, используемых в схеме;
• расчет характеристик эквивалентных схем с использованием указываемыми пользователем значениями параметров SPICE-моделей;
• обработка и визуализация результатов расчета и измерений.

В настоящее время мировой рынок электронной компонентной базы (ЭКБ) предлагает широкую номенклатуру монолитных интегральных схем (МИС) СВЧ, которые могут быть использованы для построения радиотрактов систем и комплексов различного назначения. Однако по-прежнему существуют мотивы для разработки собственных решений, среди которых можно отметить: решение проблемы заградительных барьеров от производителей и поставщиков МИС СВЧ как способа конкурентной и (или) политической борьбы; решение задачи оптимизации технических и экономических показателей комплексного проекта за счет применения специализированных МИС с характеристиками, отличающимися от тех, которыми обладают коммерчески-доступные образцы; удовлетворение потребности обладать интеллектуальными правами на применяемую ЭКБ; а также другие мотивы. В АО «Микроволновые системы» задачи разработки СВЧ МИС не являются эпизодическими, ими занимается отдельное подразделение на постоянной основе. Кроме того, предприятие способно самостоятельно решать задачи проведения зондовых измерений, восстановления моделей активных и пассивных базовых элементов применяемых техпроцессов, организации визуального и электрического контроля серийно выпускаемых микросхем, что позволяет говорить о реализации и внедрении сквозного цикла от проектирования до внедрения в серийное производство. На сегодняшний день портфолио предприятия содержит такие функциональные узлы в интегральном исполнении как диапазонные и широкополосные усилители мощности и малошумящие усилители, а также схемы управления амплитудой и фазой сигнала, как в однофункциональном, так и во многофункциональном исполнении.

[[ MSP003D MSP012D MSP013D MSP101D MSP106V MSD107V MSD108V MSD109V MSP013D MSP101D MSP106D MSP550V MSP560V MSN560V MSN550V ]]

Компания «Микроволновые системы» хорошо известна на отечественном рынке СВЧ-электроники прежде всего, как разработчик и производитель широкополосных и сверхширокополосных СВЧ-усилителей различных диапазонов частот от 0,5–1 ГГц до 22 ГГц. Некоторое время назад предприятие начало разрабатывать собственные СВЧ-компоненты с целью заменить в своих изделиях ключевую импортную электронную компонентную базу и компоненты, в том числе снятые с производства, и сейчас предлагает на рынке услуги по разработке СВЧ ЭКБ в качестве дизайн-центра.

О том, каким видит компания новое направление, насколько востребованы подобные услуги на российском рынке, а также об испытаниях ЭКБ и технологических линиях изготовления СВЧ-кристаллов, доступных российским дизайн-центрам, мы поговорили с заместителем генерального директора по развитию ЭКБ АО «Микроволновые системы», к. т. н. Вадимом Минхатовичем Миннебаевым.

Вадим Минхатович, какие задачи сейчас стоят перед компанией в области разработки ЭКБ?

Компания «Микроволновые системы» разрабатывает ЭКБ как дизайн-центр уже несколько лет. Предпосылкой к тому, чтобы заняться этой деятельностью, стало присутствие в плане производства модулей с длительным сроком жизни, разработанным несколько и десятилетий назад. За это время изменившиеся технологические переделы привели к снятию с производства применявшейся в изделиях ЭКБ – возникла необходимость разработать фактические собственную ЭКБ, соответствующую по всем характеристикам выпускавшейся ранее.

Очевидно, что мало разработать ЭКБ, ее необходимо стабильно производить. И здесь нам в определенном смысле повезло: за последнее время не только выросли китайские foundry, но появились и отечественные фабрики, производящие СВЧ ЭКБ и предоставляющие PDK дизайн-центрам.

Далее, по мере развития отечественного радиоэлектронного рынка, обусловленного в том числе и санкционной политикой недружественных государств, возникла потребность в разработке компонентов не просто как составных частей собственных изделий, но и как продуктов, которые могут быть реализованы сторонним заказчикам. Именно это направление АО «Микроволновые системы» и намерено развивать – мы стремимся стать полноценным дизайн-центром, осуществляющим весь комплекс работ по разработке кристаллов, корпусированию СВЧ-компонентов и испытаниям.

Данное направление мы представили на выставке ExpoElectronica в апреле текущего года, чтобы, с одной стороны, заявить себя в качестве разработчика ЭКБ СВЧ-диапазона, а с другой – провести экспресс маркетинговые исследования и понять, что востребовано на рынке в первую очередь.

Насколько успешным вы считаете участие в этой выставке с таким посылом?

Интерес был очень большой: впервые за много лет участия весь подготовленный к выставке рекламный материал разошелся менее, чем за полтора дня. В то же время мы увидели, что далеко не всем потенциальным заказчикам нужны те компоненты и модули, присутствующие в нашем портфеле, которые уже разработаны и поставки которых можно организовать в сжатые сроки. По итогам выставки к нам обратилось достаточно много предприятий, так что я оцениваю участие в данной выставке очень позитивно, и в настоящее время формируется портфель заказов на разработку силами нашего дизайн-центра.

Эти заказы на разработку связаны с заменой тех позиций, которые перестали поставляться в связи с новыми санкциями?

Мы не планируем заниматься прямой заменой зарубежных компонентов. Мы стремимся разрабатывать такие компоненты, которые позволят потребителю создать лучшее по своим техническим и функциональным характеристикам изделие. При этом такая ЭКБ не станет узкоспециализированной, она сможет применяться в широком спектре аппаратуры, поскольку требования к СВЧ-компонентам в определенных частотных диапазонах у различных заказчиков во многом схожи. Поэтому, даже когда компания обращается к нам из-за того, что компонент, который она применяла, оказался недоступен, мы предлагаем разработать не точный аналог, а наиболее подходящее в данном конкретном случае техническое решение.

То есть вы не занимаетесь созданием аналогов pin-to-pin?

Да, именно так. Это связано прежде всего с тем, что импортные корпуса для СВЧ ЭКБ стали сейчас недоступны, а разработанные за последние годы отечественные – отличаются от зарубежных. Стратегически мы планируем поставлять ЭКБ в отечественных корпусах, либо в бескорпусном исполнении.

Как к этому относятся разработчики аппаратуры? Ведь если им нужно заменить некий компонент, а вы предоставляете аналог в другом корпусе, им нужно вносить изменения в конструкцию изделия, топологию платы.

Они относятся к этому с пониманием, особенно с учетом сложившейся ситуации. Вообще говоря, разработчики модулей и блоков и раньше не редко сталкивались с ситуацией, когда при замене на аналог компонента, который по тем или иным причинам стал недоступен, не удавалось обойтись без внесения изменений в конструкцию аппаратуры. Это могло быть связано с различными факторами, например, с тем, что у разных производителей применяются различные технологии, не позволяющие создавать 100-процентно взаимозаменяемые компоненты.

В таких случаях выбор невелик: либо конструкцию изделия нужно изменить, либо оно вообще не будет выпускаться. Я надеюсь, что сложившаяся ситуация всё-таки приведет к тому, что мы – аппаратурщики, радисты и электронщики – начнем видеть и слышать друг друга, и разработчики аппаратуры будут полагаться на ЭКБ от производителя, а не на то, что им удается купить «на радиорынке за три копейки», а потом требовать от электронного предприятия изготовить аналог, который будет также стоить «три копейки», и при этом обеспечивать целый сонм характеристик, которым зарубежное ЭКБ не удовлетворяет.

Является ли для вас конкурентом Китай? Может ли он в условиях ограничений от западных компаний заполнить освободившуюся нишу?

За последние несколько лет Китай вопросе разработки СВЧ ЭКБ вышел на уровень крепкого середняка, в стране существует целый ряд электронных компонентов, которые китайские инженеры спроектировали и изготавливают на своих фабриках с характеристиками, не уступающими западным аналогам. В целом, Китай продвинулся в вопросе производства СВЧ-компонентов, пожалуй, дальше нас. И с технической точки зрения составить конкуренцию отечественным дизайн-центрам и предприятиям микроэлектроники китайские производители могут.

Однако этому мешает то, что Китай остается для российского рынка «загадочной» стороной в плане технического взаимодействия, логистики, выполнения договоренностей. Порой один и тот же китайский производитель по одним вопросам отвечает мгновенно, а по другим – тянет с ответом месяцами. И здесь играет свою роль, в том числе, закрытость китайских производителей.

Понятно, что ответ на следующий вопрос сильно зависит от конкретной ситуации, особенностей задачи, но может быть, можно услышать хотя бы ориентировочные цифры. Сколько времени проходит с того момента, как заказчик обратился к вам с задачей разработки компонента, до того, как он этот компонент получит?

Действительно, здесь много зависит от сложности проекта. Если говорить об относительно простых устройствах, например, о типичном усилителе, то проектирование, как правило, занимает от трех до четырех месяцев, для сложных многофункциональных СВЧ МИС – до восьми-девяти.

Следующий этап – это запуск и производство. На разных фабриках он проходит несколько по-разному, но в среднем этот этап занимает от четырех до семи месяцев. Зависит этот срок также от целого ряда факторов, включая загрузку фабрики и наличие других запускаемых проектов. Первый запуск обычно осуществляется на мультипроектной пластине (MPW – multi-project wafer), на которой размещается несколько кристаллов от разных заказчиков.

Конечно, можно ускорить процесс, заказав изготовление целой пластины уже при первом запуске, но для этого нужно быть достаточно уверенным в проекте: риски в этом случае весьма велики.

А дальше срок определяется логистикой. Если пластина изготавливается за рубежом, добавляются задержки, связанные с транспортировкой и таможенными процедурами.

Итого от начала разработки до получения первых образцов в случае нашего усилителя пройдет не менее девяти месяцев.

Но на этом история не заканчивается. Далее начинается работа, которая при создании новых изделий ЭКБ требует, пожалуй, наибольших временных затрат. Это разного рода электрические, механические и климатические испытания, в особенности – испытания на надежность, которые занимают несколько месяцев, и то при условии, что все идет хорошо и никаких несоответствий при испытаниях не выявляется. Если же заявленные параметры при испытаниях не подтверждаются, то проект нужно корректировать, и весь процесс запускается заново.

А как сейчас обстоят дела с заменой испытаний на моделирование? Ведь это могло бы сильно сократить сроки создания ЭКБ.

Да, этот вопрос обсуждается, но пока соответствующий комплекс стандартов части ЭКБ не принят. В любом случае, такой подход может заработать только тогда, когда появятся аттестованные технологии. Допустим, несколько предприятий в России изготовили изделия по одному технологическому процессу, провели испытания, показали, что данный техпроцесс обеспечивает заданные параметры, и аттестовали его. К такому техпроцессу могут применяться расчетные модели, которые будут в достаточно мере релевантны.

Особенно это касается вопросов надежности. Механические параметры, тепловые режимы, некоторыми другие характеристики можно смоделировать с достаточно высокой точностью, и если соответствующий стандарт будет принят, то он поможет в вопросе сокращения объема испытаний.

Однако, с моей точки зрения, такой стандарт должен быть привязан и к конкретному программному обеспечению – чтобы все участники процесса моделировали одинаково. В противном случае может возникнуть ситуация, когда в разных компаниях, у разработчиков, потребителей, контролирующих организаций расчет будет выполняться с использованием разных моделей и вычислительных методов, и результаты нельзя будет сравнивать между собой. В итоге вопрос перейдет из плоскости разработки ЭКБ в плоскость «спора программистов».

Еще одна дискуссионная тема – испытания в составе аппаратуры. На ваш взгляд, можно ли и имеет ли смысл использовать этот подход для сокращения времени разработки ЭКБ?

С моей точки зрения, этот подход безусловно имеет смысл. Согласно действующим нормам и здравому смыслу, задача испытаний заключается в подтверждении соответствия ЭКБ требованиям к внешним воздействующим факторам. Поэтому, испытав модуль/блок, вы тем самым подтверждаете, что электронные компоненты в его составе не выйдут из строя при данных воздействиях.

Касаемо испытаний, я бы затронул еще одну активно обсуждаемую тему: информационную безопасность. Здесь, на мой взгляд, нужно понимать, что соответствующие проверки должна проходить не вся ЭКБ, а лишь та, которая так или иначе может несанкционированно передавать информацию с использованием имеющихся каналов обмена данными. Твердотельная СВЧ ЭКБ настолько малоразмерна, в ней настолько мало элементов, что просто отсутствует место для физической реализации подобных недокументированных возможностей, а любое изменение ее топологии буквально видно в микроскоп. Поэтому проверять каждый такой компонент на предмет информационной безопасности совершенно нецелесообразно. Это лишнее действие, которое не приводит ни к чему, кроме увеличения сроков разработки и удорожания изделий.

Вы сказали, что хотя ваша компания разрабатывает ЭКБ для конкретных заказчиков, область ее применения может быть достаточно широкой. Работаете ли вы с организациями, которые занимаются в том числе унификацией ЭКБ, такими как ФГБУ «ВНИИР»?

Мы завершили проведение испытаний части уже разработанной нами ЭКБ, выпустили ТУ и осуществляем производство под контролем ОТК. Следующим шагом мы планируем подтвердить результаты испытаний и привести ТУ в соответствие требованиям Минпромторга России. Эта работа как раз предполагает взаимодействие с ВНИИР. Мы ожидаем, что с несколькими такими инициативными работами мы выйдем на этот институт к концу года.

Это комплексная задача, которая придаст новый статус нашей ЭКБ и позволит применять ее в более широком спектре областей, включая те, где требования к качеству и надежности компонентов особенно высоки, например в навигационных приборах авиалайнеров и морских судов.

Из того, что вы планируете выходить на ВНИИР с уже разработанными изделиями в инициативном порядке, можно сделать вывод, что вы не пользуетесь субсидиями на разработку ЭКБ. Это так?

Да, это так. Пока мы не рассматривали для себя вопрос использования субсидий в этой области. К разработке ЭКБ для внешних заказчиков предприятие только приступает. Изначально созданы компоненты только для использования их в основной нашей продукции. Соответственно, наш путь на рынок ЭКБ начинался с того, что у нас были собственные компоненты, которые мы были готовы предложить этому рынку.

Механизм субсидий основан на противоположном подходе: сначала необходимо провести исследование рынка, выявить его потребности, а затем сформировать ТЗ на разработку востребованной рынком ЭКБ.

Более того, для получения субсидии необходимо документально подтвердить соответствующую потребность рынка в ближайшие 7 лет. Как член экспертного совета по отбору заявок на получение субсидий по постановлению Правительства РФ от 24 июля 2021 года № 1252 могу сказать, что опыт работы в рамках постановления в 2021 году показал, как сложно разработчикам ЭКБ предоставить необходимые документы, подтверждающие заинтересованность якорного заказчика в их разработках, и тем самым убедить экспертный совет одобрить их заявку.

Не исключаю, что «Микроволновые системы» воспользуются этим механизмом в будущем. Возможно даже, что по итогам работы на выставке ExpoElectronica – 2022 у нас появятся заказчики, работающие на перспективу, и вхождение в их проекты позволит нам в том числе использовать субсидии в качестве дополнительного финансирования наших разработок.

Вообще, я считаю, что в сфере СВЧ ЭКБ нам как дизайн-центру имеет смысл делать ставку именно на перспективные проекты, а не на частные случаи замены импортного компонента на аналог. Нужно работать вдолгую. Тогда это будет эффективно с точки зрения и прикладываемых усилий, и использования субсидий, и подтверждения результата.

Почему возникают проблемы с подтверждением заинтересованности якорных заказчиков? Разве этот вопрос не должен решаться в рамках сквозных проектов?

Да, идея сквозных проектов и заключается в том, чтобы выстроить и закрепить цепочку кооперации от якорного заказчика по всем технологическим переделам. Но пока эта схема в полной мере не заработала. Нужно понимать, что это очень непростой процесс. Рассмотрим в качестве примера структуру цепочки кооперации некоего проекта из области телекоммуникационного оборудования. Допустим, есть некая компания, оказывающая услуги связи. Она выступает якорным заказчиком проекта. Но она не использует ЭКБ, она использует комплексные программно-аппаратные решения. Интеграторы, предоставляющие такие решения, используют аппаратуру. И только разработчик аппаратуры применяет в ее составе ЭКБ, хотя и это некоторое упрощение: на практике существует еще целый ряд промежуточных звеньев – блоки, суб-блоки, модули…

Каждое из этих звеньев формулирует требования по-своему. Даже между соседними звеньями нужны своего рода толмачи, которые перевели бы требования заказчика на язык разработчика. И, конечно, гораздо сложнее выстроить цепочку требований, сформировать понимание на протяжении нескольких звеньев.

До недавнего времени у заказчика вообще не было стимула тратить время и силы на выстраивание таких цепочек. Ему было проще и выгоднее выбрать из того, что доступно на рынке, чем ставить задачу разработчику. Это происходило на всех переделах.

Сейчас ситуация изменилась из-за введенных ограничений на поставку в Россию как аппаратуры, так и ЭКБ производства западных стран, и выстраивание сквозных цепочек стало необходимым. Плюс к этому государство стало финансово поддерживать заказчиков, внедряющих отечественные решения – это также стимулирует их обращаться к российским разработчикам и, кроме того, позволяет преодолеть проблему высокой цены комплектующих на ранних этапах. Ведь стоимость изделий всегда тем ниже, чем больше объем выпуска, а в области ЭКБ это проявляется особенно остро. И когда российское предприятие создает новый компонент, необходимо простимулировать спрос на него, чтобы он стал выпускаться достаточно большими сериями, что позволит снизить его цену и повысить привлекательность для заказчиков. Это, в свою очередь, еще больше увеличит объем выпуска и т. д.

Резюмируя, сложившаяся ситуация с недоступностью зарубежных компонентов и меры поддержки заказчиков и производителей ЭКБ со стороны государства создают благоприятные условия для запуска процесса организации и реализации сквозных проектов, но нужно еще проделать большую работу по выстраиванию цепочек кооперации.

В свете сказанного насколько актуальной остается проблема доступности информации о разрабатываемой ЭКБ, упомянутых вами справочников, ресурсов в Интернете?

Бесспорно, она остается актуальной. Сквозные проекты, даже при их полноценной реализации, не отменят полностью необходимость подбирать комплектующие по справочным ресурсам. И действительно, в России существует очень острая проблема с доступом к информации о разработках в сфере ЭКБ.

Справедливости ради нужно сказать, что эта проблема есть во всех странах. Другой вопрос, что в мире на несколько порядков больше производителей ЭКБ, чем в России, поэтому в Интернете вы обязательно найдете что-то подходящее для вас.

Но у нас с информацией об ЭКБ ситуация очень сложная, о чем неустанно повторяет Павел Павлович Куцько, генеральный директор АО «НИИЭТ», а в прошлом – руководитель ФГУП «МНИИРИП», и это уже много лет обсуждается на различных площадках. В первую очередь речь идет о новых изделиях, потому что все, что было разработано десятки лет назад, было включено в те или иные справочники. По новым изделиям существует несколько баз данных – у ФГБУ «ВНИИР», у ЦКБ «Дейтон», у других организаций; периодически осуществляются рассылки по производителям с просьбой предоставить данные для этих справочников. Но эти базы, во-первых, разрознены, а во-вторых, не находятся в свободном доступе. Должен существовать единый информационный ресурс, поддерживаемый государством, на котором разработчики ЭКБ могли бы свободно и самостоятельно размещать данные о своей продукции.

Единый реестр российской радиоэлектронной продукции, поддерживаемый Минпромторгом России, тоже не полностью решает данную задачу, потому что для того, чтобы попасть в этот реестр, нужно написать несколько килограммов бумаги, и потом писать столько же каждый год, чтобы оставаться в данном реестре. С одной стороны, это безусловная защита от всякого рода мошенников, но с другой – труднопреодолимая преграда и для честных производителей. Это как начинать строительство гостиницы с глухого забора вокруг: безопасность будет на высшем уровне, но придут ли туда постояльцы? Смогут ли они найти вход?

Эта проблема видна по количеству изделий ЭКБ, которые присутствуют в реестре: их там всего пара десятков. Неоднократно обсуждался вопрос, что в данный реестр должны автоматически вноситься изделия ЭКБ, разработанные за государственный счет. Тогда и у предприятий будет дополнительный стимул обеспечивать производство разработанных изделий, а не класть эти разработки «в долгий ящик», поскольку информация о них уже будет в общем доступе. Хорошая идея была с площадкой «ЭКБ-Маркет» достаточно информативной и бесплатной для пользователей. Но по каким-то причинам она перестала поддерживаться.

Так что сейчас реально работающей, единой, актуальной и удобной для пользователей информационной площадки по ЭКБ в РФ нет.

Еще одна тема, о которой хотелось бы поговорить отдельно, – кристальные производства. Вы сказали, что дизайн-центрам в области СВЧ есть куда обратиться за изготовлением разработанных компонентов. Можно ли считать этот вопрос решенным или все же есть те или иные сложности?

Скажу так: в России достаточное количество предприятий электронной промышленности в сфере СВЧ, но не каждое такое предприятие является тем, что в нашей отрасли принято называть фаундри. Главным отличием фаундри является наличие PDK, доступного любому дизайн-центру. На основе данного пакета дизайн-центр может разработать ЭКБ, которая соответствует технологии этой фабрики и которую без проблем можно будет на ней изготовить.

Большинство отечественных предприятий, обладающих кристальными производствами, не предоставляют PDK и, в основном, изготавливают компоненты собственной разработки. Такой компонент разрабатывается по заказу другой компании, но интеллектуальная собственность остается в руках самого предприятия.

Среди отечественных предприятий электроники лишь единицы предоставляют PDK. Прежде всего, это АО «Микрон» – крупнейшее в стране микроэлектронное предприятие. Но для той области, в которой работают «Микроволновые системы», эта фабрика мало востребована, потому что это – кремниевое производство, а применение кремния в диапазоне выше 4-5 ГГц существенно ограничено.

В области широкозонных технологий в России дальше других продвинулось АО «Светлана-Рост». У предприятия есть ряд технологий, для которых оно предлагает PDK, и этой возможностью пользуется ряд дизайн-центров СВЧ-области, включая и нас. Есть ряд достаточно сильных предприятий, готовых оперативно откликнуться на запросы заказчиков, но только когда речь идет о производстве изделия, разрабатываемого самой компанией или как минимум в тесном сотрудничестве с ней. А фабрик, предоставляющих PDK для дизайн-центров, в СВЧ-области, пожалуй, больше и нет.

Есть еще один важный аспект. Если мы говорим о кристальном производстве именно СВЧ-изделий, то в этой сфере существует очень много различных техпроцессов, и одной или даже нескольким фабрикам сложно перекрыть их все. Поэтому, с моей точки зрения, эта инфраструктура должна быть распределенной. У нас есть производства, которые относятся не только к электронной промышленности, но и к другим отраслям. Что-то есть у «Ростеха», что-то в «Росатоме», что-то у «Роскосмоса», даже в организациях, подведомственных Минобранауки России, например у некоторых вузов, есть технологические линии. Если помочь предприятиям довести имеющиеся у них технологии до промышленного уровня, профинансировать приобретение недостающего оборудование и разработку PDK, можно было бы получить гораздо более целостную и полную производственную базу в масштабах страны.

Поддержка государства в этом направлении крайне важна, потому что современные кристальные технологии довольно дороги, и ни коммерческие, ни даже отдельные государственные предприятия не смогут вложить достаточно средств, чтобы решить задачу запуска таких мини-фаундри.

Почему эти многочисленные производства до сих пор не разработали PDK на отработанные у них процессы? Неужели эта такая сложная задача?

Эта задача действительно непростая. На разработку PDK «с нуля» может потребоваться более двух-трех лет, и к этой работе должны быть привлечены различные специалисты – и технологи, и конструкторы, и радисты, и специалисты по САПР. Но главное то, что на решение такой задачи нужно потратить вполне ощутимые ресурсы, которые мгновенно не окупятся. Для компании инвестиции в разработку собственного PDK – это инвестиции в далекое и неочевидное будущее, если только компания изначально не предполагает зарабатывать на контрактных услугах фаундри. Поэтому, на мой взгляд, создание распределенной инфраструктуры фаундри в Российской Федерации на базе имеющихся производств следует поручить Минпромторгу, в том числе отдельно финансово поддержав разработку PDK.

Вы упомянули об ограничениях применения кремния в области СВЧ. В чем заключаются эти ограничения и какие технологии, по вашему мнению, будут наиболее востребованы среди заказчиков услуг фаундри в данной сфере?

Объемный кремний и даже, наверное, в большей степени SiGe – довольно привлекательные материалы с точки зрения простоты техпроцесса и стоимости конечных изделий. Недавно была публикация о том, что был создан SiGe-транзистор для работы в диапазоне до 150 ГГц. И это при том, что постростовая технология SiGe мало отличается от кремниевой.

Однако на основе этих материалов невозможно получить изделия большой мощности или с малыми шумами. Поэтому востребованность технологий на основе материалов A³B⁵ – арсенида и нитрида галлия будет расти. Тем более что сейчас набирает популярность технология нитрида галлия на кремнии, которая позволяет получить характеристики, такие же как у GaN/SiC, при существенно меньшей стоимости изделия. В мире эта технология уже достаточно широко применяется. Ведутся разработки и в нашей стране, причем в этом направлении работают несколько предприятий и институтов. Будем надеяться, что скоро мы увидим практические результаты этих работ.

Спасибо за интересный рассказ.

С В. М. Миннебаевым беседовал Ю. С. Ковалевский

Методы схемотехнического построения широкополосных усилителей

Развитие телекоммуникационных сетей, поддерживающих различные диапазоны и стандарты передачи информации, послужило причиной поиска технических решений для построения эффективных транзисторных усилителей мощности, перекрывающих максимально возможную непрерывную полосу частот. Расширение полосы частот приводит к значительным трудностям в согласовании транзисторов с 50-Омным трактом. Для достижения требуемых параметров в широкой полосе частот применяют различные известные [1] методы схемотехнического построения усилителей: реактивное согласование (RM), реактивно-диссипативное согласование (LM), применение отрицательной обратной связи (FB), схема бегущей волны (TWA). Схемы RM и LM позволяют реализовать высокие выходную мощность и КПД усилителя, но при этом затруднительно обеспечить хорошее согласование входа и выхода для широкой полосы частот. Схемы FB и TWA, наоборот, позволяют оптимизировать согласование, но ограничивают максимально достижимую эффективность усилителя.

[[ MS010625 MS010620 ms01625 УМ1620C ]]

Компания «Микроволновые системы» была организована в 2004 году. В настоящее время предприятие проектирует, собирает и настраивает современные СВЧ-модули. Продолжая заниматься традиционной для себя тематикой – ​широкополосными СВЧ-усилителями мощности и малошумящими усилителями – ​компания расширяет спектр своей деятельности.

Так, она взялась за разработку АФАР, осваивает цифровую обработку радиолокационных сигналов, производит мощные импульсные СВЧ-транзисторы. Активно развивается и производственная база предприятия. Пережив несколько переездов, центральный офис компании и ее производство обосновались в деловом центре «Сокол» на востоке Москвы, где уже более двух лет расширяют свои площади, вводя в строй новое технологическое и испытательное оборудование.

Мы посетили московскую площадку предприятия, где руководители и специалисты компании познакомили нас с производством и рассказали о достигнутых успехах и планах дальнейшего развития. Первым нас встретил в своем кабинете один из основателей компании, заместитель генерального директора, главный конструктор Андрей Александрович Кищинский.

Андрей Александрович, с нашей последней встречи прошло два года. Какие события в жизни компании, случившиеся за это время, вы бы выделили?

На самом деле, событий произошло достаточно много. Мы решительно расширяем охватываемую компанией тематику, при этом оставаясь в рамках СВЧ-электроники. Если традиционно мы решали узкие задачи – ​занимались разработкой и производством модулей усилителей мощности, малошумящих усилителей, которые, кстати, завоевали большую популярность в нашей стране, то сейчас мы пошли как вглубь, в сторону компонентной базы, так и вверх – ​к конечным изделиям. Так, в начале года мы создали обособленное подразделение в Саратове, которое занимается разработкой мощных миниатюрных импульсных усилителей на наших же СВЧ-элементах, приемо-­передающих модулей радиолокационных диапазонов X и Ku. А этим летом в Нижнем Новгороде было образовано обособленное подразделение – ​дизайн-­центр по разработке СВЧ ИС на основе GaAs и GaN.
Мы взялись за работу в области радиолокации – ​на уровне почти законченного радиолокатора. Осваиваем вопросы первичной цифровой обработки радиолокационных сигналов.

Отдельное направление нашей деятельности, которое также активно развивается, – ​производство мощных импульсных СВЧ-транзисторов, аналогов зарубежных изделий компании Toshiba, которые уже находят применение в отечественной технике. Мы не обладаем собственным кристальным производством, поэтому работаем по схеме fabless, но мы являемся владельцем данных разработок, КД на эти изделия создается полностью у нас.

Кроме того, мы расширяем наши площади. К концу года они увеличатся в полтора раза.
В частности, недавно было выделено новое помещение для испытательной лаборатории электронных компонентов, к обустройству которой мы уже приступили. Там уже введена в эксплуатацию станция зондового тестирования ИС. В отдельно стоящем здании мы разместили вибростенд. Сейчас закупаем камеры влаги. Также в настоящее время выполняется пусконаладка новой установки герметизации ИС вакуумной пайкой, разработанной по нашему заказу. То есть на новых площадях у нас образуется некий «кластер» по производству и испытаниям ИС.

В целом ряде изделий мы уже перешли на использование собственных GaAs-транзисторов. Серийно сейчас применяется пять типов таких приборов, а разработано их порядка 30. На следующий год у нас запланирована работа с ФГБУ «ВНИИР» (ранее ФГУП «МНИИРИП») с тем, чтобы разработке транзисторов придать статус инициативной работы и тем самым дать возможность широкому спектру потребителей применять эти изделия.

Еще одна интересная работа, которая ведется в рамках задания Минпромторга России, – ​создание совершенно новой малогабаритной антенной решетки с 256 элементами размером всего около 15 × 15 см, которую в дальнейшем планируем предложить также и рынку – ​для использования, например, в малой гражданской авиации. Также в наших планах сделать АФАР «эконом-­класса», в разы дешевле тех, которые сейчас применяются в радиолокации.

Вы сказали, что работаете по схеме fabless. А где вы размещаете кристальное производство, в России или за рубежом?

Пока преимущественно за рубежом. На текущий момент мы работаем с тремя фабриками в Юго-­Восточной Азии, однако по некоторым, сравнительно несложным, проектам мы ведем переговоры с АО «Светлана-­Рост» по арсенид-­галлиевым технологиям и с томским НИИПП по диодным технологиям.

Есть ли другие СВЧ-фабрики в России?

Я перечислил, пожалуй, всех, кто сейчас может производить продукцию по заказам fabless-­дизайнеров, за разумные деньги и в разумные сроки. Есть, конечно, и другие производства, но они либо отстали от времени, либо активно развиваются, но еще не наработали достаточных компетенций для работы в качестве foundry.

Нужно отметить, что в области производства СВЧ ЭКБ – ​GaAs- и GaN-технологий – ​намечаются сложности, подобные тем, с которыми столкнулись потребители кремниевых полупроводниковых компонентов. Пока кризиса здесь нет, но тенденция негативная: удлиняются сроки поставки, наблюдается перегрузка отдельных участков. Например, если на фабрике заказываешь полупроводниковую пластину, вероятно, будет желание разложить кристаллы в гель-тару. Эта операция сравнительно недорогая. Но стоит указать её, как срок поставки резко удлиняется.

Есть ли способы производить СВЧ-кристаллы на кремниевом производстве? Может быть, это придало бы некую гибкость и увеличило бы возможности по изготовлению СВЧ ЭКБ в России?

В общем случае, такой возможности нет. Арсенид галлия и нитрид галлия на карбиде кремния на этих линиях делать нельзя совсем. Есть единственная технология, относительно которой существует мнение, хотя и спорное, что это возможно, – ​нитрид галлия на кремнии.
В силовой электронике это совместили: на больших пластинах кремния формируют пленки GaN путем эпитаксии через буферные слои, и на этих пластинах формируют элементы на тех же линиях, что используются для изготовления кремниевых кристаллов по микронным и субмикронным технологиям. Но в области СВЧ организовать промышленное производство ИС нитрида галлия на кремнии удалось лишь нескольким компаниям в мире, и не на стандартном кремниевом производстве, а на специализированных технологических линиях.

В целом, нитрид галлия на кремнии – ​хорошее, перспективное направление. О нем много говорят, в частности у нас, в Зеленограде. Но целесообразно ли ставить эту технологию для производства СВЧ-изделий на существующих кремниевых фабриках – всё же вопрос, на который я бы дал скорее отрицательный ответ.

Как бы вы охарактеризовали рынок СВЧ-электроники в России в целом?

Это одна из «живых» и растущих областей. Хотя существуют определенные сложности, в большей мере касающиеся организационных вопросов, задач для нас становится всё больше, они всё более интересные. Это, конечно, дает стимул для развития нашей компании.

Рассказ Андрея Александровича Кищинского дополнил генеральный директор АО «Микроволновые системы» Сергей Алексеевич Исаев.

Сергей Алексеевич, в условиях активного расширения компании, о котором говорил Андрей Александрович, где вы находите новые кадры?

Кадры – ​это одна из главных проблем нашей отрасли. Особенно сильно мы ее ощущаем здесь, в Москве. К сожалению, хорошие специалисты часто уходят в другие сферы, например в ИТ.

Мы привлекаем к работе специалистов в том числе из регионов. Внимательно отслеживаем, кто покидает ту или иную компанию.

Чем вы заинтересовываете специалистов? Почему они уходят из компаний, где они работали, и приходят к вам?

Прежде всего, отмечу, что мы ни разу не переманили сотрудников у наших коллег: абсолютно все специалисты с опытом, пришедшие к нам, уволились со своего предыдущего места работы сами, и лишь после этого мы предложили им присоединиться к нашей команде. А причины их ухода могут быть разными – ​от неудовлетворительного для них уровня зарплаты до разногласий с технической политикой предприятия.

Конечно, мы заинтересовываем сотрудников материально, и это может выражаться не только в зарплате как таковой. Например, если сильный, зарекомендовавший себя специалист приезжает к нам в Москву из другого региона, мы содействуем его обустройству на новом месте. Но, конечно, это затратный вариант. Поэтому нам интереснее развивать наши региональные подразделения.

И само собой, важным стимулом для настоящего специалиста является профессиональный рост. Хотя решающее слово о том, какую тему брать, а какую нет, остается за центральным офисом, наши региональные подразделения достаточно самостоятельны в создании и разработке новых тематик. Некоторые их сотрудники достаточно быстро набирают компетенции, чтобы стать главными конструкторами направлений.

И для нас это очень важно. Как сказал Андрей Александрович, сейчас много интересных и перспективных задач. Но для их решения всегда не хватает ресурсов, и в нашем случае это не столько финансовые ресурсы, сколько человеческие. Благодаря тому, что новые сотрудники растут профессионально, берут в свои руки новые тематики, наша компания может развиваться и расширять область своей деятельности.

Мы услышали о том, как развивалась компания в последние годы. Расскажете о планах на ближайшее будущее?

Сейчас одна из основных задач – ​усиление наших региональных подразделений. Как уже было сказано, в этом году мы создали два таких подразделения – ​в Саратове и Нижнем Новгороде. На данный момент мы открываем подразделение в Санкт-­Петербурге. Задумываемся о Томске.

По мере развития обособленных подразделений и профессионального роста их команд, я думаю, мы будем наделять их все большей самостоятельностью. Нам важно, чтобы работы, за которые мы беремся, выполнялись вовремя, а сроки заказчики нам устанавливают крайне сжатые. И вероятно, бóльшая самостоятельность наших подразделений послужит повышению эффективности работы, а следовательно, соблюдать сроки станет легче.

Конечно же, в наши планы входит дальнейшее расширение нашего производства и возможностей по испытаниям, поэтому мы расширяем площади и набираем сотрудников и сюда, на московскую площадку.

А что уже удалось сделать здесь, вы сейчас сами увидите.

О начальных этапах создания СВЧ-модулей – ​схемотехническом и конструкторском проектировании – ​нам рассказал ведущий конструктор проектного отдела Сергей Викторович Гармаш.

Сергей Викторович, с чего начинается разработка нового прибора?

С технического задания, которое нам предоставляет заказчик. Конечно, он предварительно согласует с нами проект ТЗ. На этом этапе у нас могут возникнуть замечания, поскольку иные требования заказчика могут вызывать необоснованные проблемы при реализации проекта, а порой бывают просто невыполнимыми технически. Например, в одной работе была задана очень высокая выходная мощность разрабатываемого усилителя. В процессе взаимодействия с заказчиком выяснилось, что от нашего усилителя к антенне проложен длинный кабель, в котором возникают большие потери мощности. Оказалось, его можно сделать короче, и тем самым снизить требуемую выходную мощность.

Вы проектируете электрическую схему изделия. Заказчику важно, что внутри прибора, или его интересует только конечный результат?

В основном его интересуют только параметры самого изделия, но в последнее время также предъявляются требования к используемой компонентной базе. Курс на импортозамещение диктует применение российских компонентов за исключением технически обоснованных случаев, и это требование прописывается в каждом ТЗ.

Каково приблизительное соотношение отечественных и импортных компонентов в ваших модулях?

Ответом на ваш вопрос может служить следующий пример: я только что закончил составлять перечень ЭКБ по одной из работ, и там получилось соотношение примерно 50 / 50. По сравнению с прошлыми годами доля отечественных компонентов становится больше, в нашей стране появляются новые конденсаторы, резисторы, чип-индуктивности, транзисторы, которые мы можем использовать. При этом основная часть отечественной ЭКБ приходится на низкочастотные узлы наших модулей, а вот в СВЧ-части преобладают импортные компоненты.

Но наша компания сама занимается импортозамещением СВЧ ЭКБ: в ее обособленных подразделениях ведется разработка СВЧ-транзисторов на основе базовых структур фабрик, на которых впоследствии эти транзисторы изготавливаются. Хотя производство кристаллов выполняется в Юго-­Восточной Азии, эти приборы признаются отечественными. То же касается СВЧ ИС, которые разрабатываются нашим предприятием и изготавливаются за рубежом.

Насколько помогают симуляция и моделирование при разработке ваших изделий? Позволяют ли они снизить количество итераций изготовления опытных образцов?

Они играют важную роль. Средства моделирования в составе САПР позволяют повышать качество проектирования изделия, сокращая тем самым трудоемкость доводки проекта. Но чтобы их применение было эффективным, конечно, необходимы опыт и понимание того, что проектируешь, как правильно это делать, каким способом.

Моделирование также активно используется нашими коллегами из конструкторского отдела, которые воплощают разработанные нами принципиальные схемы и элементы СВЧ-топологии в конструкции изделий и создают КД, по которой уже выполняется производство продукции. В частности, инструменты CAE очень помогают в расчете тепловых режимов в критичных случаях. Например, в ряде проектов, где применялось сочетание воздушного и жидкостного охлаждения, моделирование очень сильно упростило работу, и его результаты оказались достаточно близки данным, полученным на натурных испытаниях.

Одной из немногих областей, где мы практически не используем моделирование, является расчет экранирования. Просто в этом пока нет необходимости: опыта наших специалистов вполне достаточно, чтобы подобрать параметры экранирования без привлечения специализированных программ.

Также отмечу, что у нас внедрена PDM-система, которая позволяет обмениваться документацией и согласовывать ее в электронном виде, ничего не печатая, а также обеспечивает групповую работу над изделием.

Познакомившись с проектированием СВЧ-модулей, мы отправились на сборочное производство предприятия. Нашим гидом выступил начальник производства Валерий Анатольевич Чиркин.

Валерий Анатольевич, СВЧ-электроника обладает своей спецификой. Предъявляются ли особые требования к коммутационным основаниям, платам, которые применяются в ваших модулях?

В наших модулях используются два типа коммутационных оснований: для низкочастотных частей, таких как, например, источники питания или схемы управления, применяются обычные печатные платы, а в СВЧ-части – ​из высокочастотной керамики, поликора, полуизолирующего арсенида галлия. Низкочастотные узлы также могут содержать отдельные СВЧ-области. В этом случае в их структуру входят слои из высокочастотных материалов типа фторопласта.

Высокочастотная керамика у вас российская?

В основном, да. В нашей стране есть много компаний, обладающих таким производством. Однако для современных приборов нужны платы из поликора толщиной в четверть миллиметра и с зазорами, составляющими десятки, а иногда даже единицы микрометров. Такие зазоры могут обеспечить лишь немногие производители.

Также очень мало предприятий, которые способны выполнять качественную гальваническую металлизацию никелем, серебром, золотом. Выполнить декоративное покрытие могут многие, но найти тех, кто может обеспечить хорошую паяемость – ​непростая задача. Мы заказываем выполнение гальванических, а также лакокрасочных покрытий на одном предприятии в Сергиев-­Посаде. Их качество нас устраивает.

Как осуществляется монтаж компонентов на платы?

Большинство компонентов монтируется по технологии поверхностного монтажа. Это в основном пассивные, а также низкочастотные активные компоненты. Сначала на контактные площадки через трафарет из нержавеющей стали наносится паяльная паста или токопроводящий клей, затем устанавливаются компоненты. Если монтаж производится на паяльную пасту, плата с компонентами отправляется в печь пайки оплавлением.
В случае применения клея, его полимеризация выполняется в шкафах при повышенной температуре. Иногда на низкочастотных платах встречается и монтаж в отверстия, но в очень малых количествах.

SMD-монтаж производится полностью вручную, поскольку партии у нас небольшие и применение автоматического оборудования неоправданно.

Другой вид монтажа, который присутствует в наших изделиях, – ​проволочная разварка. Этим способом устанавливаются бескорпусные кристаллы как непосредственно на платы и подложки, так и на рамки. Здесь речь идет об изделиях очень малых размеров. Например, мы монтируем кристаллы GaAs-транзисторов с размерами всего 0,3 × 0,5 мм, а проволока, обеспечивающая электрические соединения, имеет диаметр 20 мкм.

Отмечу, что SMD-монтаж СВЧ-узлов выполняется в том же помещении, что и монтаж кристаллов с проволочной разваркой, где обеспечен необходимый уровень чистоты, а монтаж низкочастотных плат осуществляется в отдельном цехе.

Также у нас применяется эвтектическая пайка, но в небольших количествах. Ее применение мы будем расширять, поскольку она обеспечивает лучший теплоотвод от кристалла.

Могут ли на одной плате присутствовать компоненты, установленные на пасту и на клей?
Нет, для каждого узла мы выбираем только один способ монтажа SMD-компонентов, исходя из требований к ним, а также нашего опыта. Проход узла и через печь, и через шкаф отверждения клея ухудшает его свой­ства. Да и просто это неэффективно.

На каком оборудовании выполняется проволочная разварка?

Для этого у нас есть два типа установок термозвуковой сварки: методом «клин-клин» и «шарик-клин» соответственно. Одна из них совсем новая – ​ее мы приобрели всего месяц назад. Это тоже не автоматические установки. Но объемы производства у нас растут, и со временем нам придется задуматься о том, чтобы автоматизировать эту операцию.

Мы выполняем различные типы соединений с помощью УЗ-сварки, а не только проволочную разварку между двумя точками. Например, проволока может соединять несколько контактных площадок, «перепрыгивая» через дорожки. Или другой пример: в одном из наших изделий некоторые контактные площадки транзисторов привариваются к балке, выступающей с соседней платы.

Какие операции выполняются после того, как узлы модуля собраны?

Далее осуществляется настройка и регулировка узлов. СВЧ-устройства – ​вещь очень тонкая. Небольшой зазор, изменение длины проволоки или отклонение ширины полоска – ​и параметры могут очень сильно «уплыть». Есть устройства, выход годных которых после сборки составляет всего порядка 60%, а остальные необходимо настраивать.

Настройка и регулировка выполняется на универсальных автоматизированных стендах. Если выявляются отклонения в параметрах, выполняется коррекция путем установки перемычек или их удаления. Это очень кропотливая, ювелирная работа.

Затем выполняется сборка изделия в корпус. Металлические корпуса мы получаем от наших поставщиков, которые изготавливают их на станках с ЧПУ по нашим чертежам. Также выполняется электрический монтаж узлов в корпусе. Иногда плата припаивается к корпусу всей плоскостью, а когда площадь паяного соединения большая, высока вероятность образования пустот. Поэтому при запуске новых изделий мы передаем первые образцы нашему партнеру из Зеленограда, который выполняет рентген-­контроль паяных соединений. А при уже отработанной технологии качество пайки как в рамках узла, так и при монтаже в корпус мы проверяем с помощью микроскопа.

Как модули защищаются от внешних воздействий?

Обычно корпус модуля разделен на две части. Одна из них – ​полностью герметичная, в ней располагается СВЧ-электроника. После установки СВЧ-узлов эта часть закрывается крышкой с уплотнителем из фторопласта. Крышка запаивается по контуру. Уплотнитель нужен для того, чтобы, если изделие потребуется отремонтировать, можно было снять крышку, предварительно удалив припой. Затем из герметичного объема откачивается воздух через специальную трубку, предусмотренную на корпусе, и этот объем заполняется азотом, а трубка пережимается.

Защита второй части модуля осуществляется компаундом.
Отмечу, что перед герметизацией и заливкой компаундом устройства проходят электротермотренировку, где работают непрерывно 96 ч под нагрузкой, а после окончательной сборки они проходят проверку герметичности, термоциклирование в течение 12 ч в камерах тепла и холода, а также испытания на вибростенде.

На каких этапах выполняется контроль качества, кроме конца маршрута, когда изделия практически готовы?

По всему технологическому маршруту есть контрольные точки, в которых проверка является обязательной, но если у нас возникают ­какие-либо сомнения в качестве, то мы осуществляем контроль и вне этих точек. Наш ОТК выполняет большое количество разнообразных проверок – ​от контроля качества пайки до выявления царапин на покрытиях и дефектов золотых проводников. Для этого применяется оптический микроскоп с цифровой матрицей, обеспечивающий большое увеличение и высокое качество изображений. Он позволяет выявлять дефекты, которые в простой микроскоп сложно увидеть, и, кроме того, фотографировать изделия для составления отчетов.

Кстати, здесь стоит вернуться к началу маршрута и поговорить о входном контроле. У нас эта функция закреплена также за отделом ОТК, который тщательно проверяет все поступающие на наше производство изделия – ​и корпуса, и электронные компоненты, и платы.

А недавно мы организовали небольшой участок зондового тестирования, где выполняется контроль параметров кристаллов, в том числе и СВЧ, до их монтажа. Это важная операция, позволяющая отсеивать компоненты, в надежности которых мы не уверены. Ведь надежность наших модулей зависит как от нашей работы, так и от качества комплектующих.

Спасибо за интересный рассказ.

Электроника НТБ. Выпуск #10/2021

С.В. Гармаш

Аннотация: в данной работе рассмотрены возможности использования пассивных интегральных схем на подложках арсенида галлия в схеме усилителя мощности для импульсных передатчиков Х-диапазона частот. Обсуждаются особенности конструкций пассивных ИС. Приведена конструкция и электрические характеристики двухкаскадного предварительного усилителя мощности диапазона частот 8,5 - 9,7 ГГц с выходной мощностью 13 - 15 Вт, использующего описанную технологию.
Ключевые слова: СВЧ усилитель, Х-диапазон, экспериментальные характеристики, импульсный режим.
Введение.
К современным передающим устройствам предъявляются высокие энергетические требования, необходима высокая мощность и КПД при низких массогабаритных параметрах. Обеспечить удовлетворение этих требований позволяет применение в построении усилительного тракта передатчика GaN транзисторов и GaN монолитных интегральных схем, обладающих высокой удельной выходной мощностью. Разработка и производство монолитных интегральных схем (МИС) СВЧ диапазона на нитриде галлия - один из самых быстро и успешно развивающихся секторов мировой электроники, однако, стоимость их изготовления остается весьма высокой. Ориентировочно стоимость 1 мм2 усилительной МИС на GaN подложке в 2-3 раза выше, чем на GaAs подложке и в 5 раз выше GaAs монолитной интегральной схемы, содержащей только пассивные элементы. Как правило, в МИС СВЧ усилителя мощности пассивными элементами цепей питания и согласования занято около 70% площади кристалла. Для решения задачи снижения стоимости GaN усилителей целесообразно размещение пассивной части схемы на более дешевой подложке, отдельно от дискретных кристаллов активных элементов. Целый ряд зарубежных публикаций последних лет представляет примеры комбинированного использования в СВЧ усилителях пассивных схем на GaAs. Например, в работе [1] описан мощный 70-ваттный усилитель диапазона частот 8.4 – 9.8 ГГц, использующий дискретный кристалл GaN транзистора и две платы с согласующими цепями на подолжке GaAs. В работе [2] представлен 45-ваттный усилитель в том же диапазоне частот, входная согласующая цепь и активный элемент которого выполнены на одном кристалле по технологии GaN на Si, а выходная согласующая цепь – отдельно, на подложке GaAs.

[[ М1603В M1603 M1603B ]]

12–13 ноября в Москве состоялся семинар-совещание специалистов российской радиоэлектронной промышленности на тему «Актуальные вопросы разработки и применения СВЧ-компонентов и приборов на основе технологии нитрида галлия (GaN-2020)». Мероприятие было организовано АО «Микроволновые системы» (Москва). Целью мероприятия, которое планируется проводить на регулярной основе, стал обмен опытом и налаживание прямого взаимодействия между руководителями, учеными, специалистами промышленности, представителями вузовской и академической науки в решении задачи становления в России промышленных технологий производства нитрид- галлиевых СВЧ-компонентов (транзисторов и интегральных схем), повышения качества и технического уровня разрабатываемых на основе этих компонентов приборов и радиотехнических систем.

Научно-техническая программа семинара-совещания охватывала широкий круг вопросов – от создания гетероэпитаксиальных структур и разработки соответствующих технологий и оборудования до особенностей проектирования и аппаратуры на основе нитрид-галлиевых компонентов. В некоторой степени данное мероприятие явилось развитием проводившейся в период с 1997 по 2017 годы всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия – структуры и приборы», многие докладчики и участники GaN-2020 были участниками или организаторами тех конференций.В течение двух дней на семи заседаниях, проходивших в пленарном режиме в конгресс-центре гостиничного комплекса «Измайлово», были заслушаны и обсуждены 42 доклада специалистов, представлявших 38 российских и шесть зарубежных предприятий и организаций, в число которых входили предприятия промышленности, научные учреждения академической и вузовской науки, дизайн-центры, коммерческие предприятия. Первое заседание GaN-2020 было посвящено созданию отечественных технологий и оборудования для выращивания гетероэпитаксиальных структур нитрида галлия, а также другого оборудования для производства GaN-транзисторов и интегральных схем.

Посмотреть фотоотчет

Рассказывает заместитель генерального директора, главный конструктор АО «Микроволновые системы» А. А. Кищинский

Компания «Микроволновые системы» отмечает в этом году юбилей – 15 лет. Это частное предприятие прочно занимает нишу разработки и производства широкополосных СВЧ-усилителей для различных диапазонов частот от 0,5–1 до 18–20 ГГц, при этом двигаясь и в другие секторы СВЧ-электроники, в том числе в область разработки AФAP гражданского применения. О том, как создавалась компания, каких успехов достигла за прошедшие годы, а также о современных мировых тенденциях в области СВЧ и возможностях российских компаний в создании передовых решений, конкурентоспособных на глобальном рынке СВЧ-устройств, мы поговорили с одним из основателей компании, заместителем генерального директора, главным конструктором АО «Микроволновые системы» Андреем Александровичем Кищинским.

Андрей Александрович, в этом году вашей компании исполняется 15 лет. Расскажите, пожалуйста, с чего всё начиналось.

Наша компания была организована в 2004  году. В то время я работал в Центральном научно- исследовательском радиотехническом институте (сегодня – АО «ЦНИРТИ имени академика А. И. Берга»), руководил направлением разработки широкополосных СВЧ-усилителей мощности. В Советском Союзе этой тематикой занималось несколько крупных организаций электронной промышленности, работало много компетентных специалистов. Но в 1990-х годах возник вакуум заказов, и большинство этих предприятий сконцентрировалось на других, более востребованных в то время направлениях. А в нашем институте эта тематика продолжала развиваться, мы шли в ногу со временем благодаря сотрудничеству с одним из научно-исследовательских институтов Китая. Однако в 2004 году по определенным причинам я решил покинуть ЦНИРТИ. Так появилось ЗАО «Микроволновые системы» – компания, изначально ориентированная на один-единственный продукт для крупного экспортного контракта. Можно назвать это авантюрой, но так или иначе через год  разработка была завершена, прошла необходимые испытания, и мы начали выпуск изделий, которые успешно поставлялись в течение срока действия нашего первого пятилетнего контракта и, кстати, выпускаются нами до сих пор уже почти 15 лет, найдя свое применение в продукции многих предприятий.

То есть «Микроволновые системы» сразу обладали и возможностями в области разработки, и производством?

Тогда в первую очередь мы ориентировались на производство. К созданию собственного проектного отдела, обеспечению возможности выполнять разработки на заказ мы пришли позже – в 2007 году, когда мы почувствовали интерес потенциальных заказчиков.
В конце 2007 года у нас начался новый период развития компании. Помимо создания проектного отдела, мы переехали из ЦНИРТИ на завод «Плутон», при этом расширив наши площади с 200 до 750 м². Мы готовили новые площади около полугода, а переехали всего за два дня, практически не останавливая производство.
Совсем недавно мы – не по своей воле – снова сменили место дислокации. В конце 2018 года арендова ли 1 100 м² здесь, в бизнес-центре «Сокол». В рекорд но короткие сроки – за полгода от начала проектных работ до ввода в эксплуатацию, усилиями наших новых партнеров – ООО «Рубин» и строительных подрядчиков БЦ «Сокол» – оборудовали производственные и офисные помещения, включая 200 м² чистых комнат класса ISO 7 с инженерными системами. И с 1 июля мы здесь.
К этому моменту у нас разработано более 120 типов СВЧ-приборов, выполнены десятки ОКР, клиентская база превысила 400 предприятий, а по объемам производства мы вышли на стабильный уровень 2,5–3 тыс. сложных СВЧ-изделий в год.
Должен сказать, что, несмотря на значительные финансовые потери и несколько месяцев нервотрепки в связи с передислокацией, мы даже рады случившемуся. В бизнес-центре арендовать площади комфортно, потому что сдача помещений – это их основной бизнес. Мы никому не мешаем, и никто не мешает (а арендодатель активно помогает) нам. Сейчас мы обладаем всем необходимым – от чистых помещений до складов. Но уже на следующий день после переезда мы начали планировать расширение, и, надеюсь, в ближайшее время нам удастся нарастить мощности по выпуску СВЧ-приборов до 5–6 тыс. шт. в год.

Это связано с ростом количества заказов? Вы ожидаете, что рынок СВЧ‑приборов будет расти?
У нас действительно количество заказов растет: в следующем году планами потребителей предусмотрено увеличение объема выпуска изделий более чем в два раза. Расширение производства – это уже сложившаяся необходимость, а не следствие оптимистичных ожиданий.
Но говоря про рынок в целом, я не стал бы утверждать, что он обладает устойчивым ростом. Наш бизнес в большой степени носит ситуативный характер. Мы производим широкую номенклатуру изделий, потребляемых большим количеством предприятий, и при определенных обстоятельствах суммарный объем заказов может вырастать, если, например, у некоторых заказчиков начинается модернизация оборудования, у некоторых – подходит срок капитального ремонта, у некоторых – завершаются ОКР и изделия осваиваются в серийном производстве. Но полагаться на то, что такие благоприятные условия будут всегда, мы не можем.
Нами разработано более 120 типов СВЧ-приборов, выполнены десятки ОКР, клиентская база превысила 400 предприятий

Что входит в номенклатуру изделий, которую вы производите?
Как уже говорилось, начинали мы с широкополосных СВЧ-усилителей мощности. Эти приборы остаются основными нашими продуктами, но их линейка за годы существенно расширилась. Сейчас мы перекрываем все востребованные диапазоны с октавными и сверхоктавными полосами частот от 0,5–1 до 18–20 ГГц. Среди этих изделий есть более востребованные, которые мы производим сотнями в год; есть и менее востребованные, интересные узкому кругу заказчиков. Но в целом это направление у нас очень устойчивое, оно приносит нам основной доход. Я могу сказать, что в данной области у нас нет конкурентов в России. Однако новизна этой тематики уже практически исчерпана, мы получили практически все основные технические решения и сейчас занимаемся «шлифовкой» характеристик: уменьшаем массу изделий, повышаем их КПД, снижаем себестоимость.
Параллельно мы занимаемся и другими направлениями. Одним из наиболее успешных среди них стали импульсные усилители. В этой области у нас есть, я бы сказал, выдающиеся приборы. В частности, нам удалось разработать импульсные усилители со встроенными источниками вторичного питания с очень низким уровнем вносимых фазовых и амплитудных флуктуаций. Это усилители средней мощности – десятки ватт. Но мы также двигаемся в направлении импульсных усилителей спектрально чистого сигнала с мощностью несколько сотен ватт и более. Одна из разработок уже завершена.
Также мы сейчас продвигаем на рынке собственный 50 Вт внутрисогласованный транзистор X-диапазона и гибридную интегральную схему 12 Вт драйвера к нему, разработанные нашими специалистами с применением зарубежных технологий.
Ждем, когда отечественные фабрики смогут обеспечить нужные нам надежность, качество и цену в области приборов на GaN.

Мы видим хорошие перспективы в таком направлении, как разработка монолитных интегральных схем (СВЧ МИС) на арсениде и нитриде галлия, а также дискретных транзисторов на основе этих материалов для наших собственных нужд, выпускаемых на зарубежных полупроводниковых фабриках (фаундри). Мы также осваиваем выпуск однослойных керамических СВЧ-конденсаторов, гермовводов и ряда других пассивных СВЧ-компонентов для использования в собственных модулях и блоках. Разрабатываемые СВЧ дискретные элементы и ИС позволят заменить в наших изделиях ключевые компоненты американских и европейских производителей. В дальнейшем мы планируем предлагать эти компоненты на российском рынке.
Еще одно перспективное направление. Сейчас мы разрабатываем антенную pешеткy для бортового радиолокатора вертолетов патрульно-спасательной службы. Вхождение на рынок AФAP даже сложнее, чем на рынок СВЧ МИС, но тем не менее мы связываем большие надежды с этим направлением, потому что идем к тому, чтобы создать антенну, которая будет сочетать в себе ряд, казалось бы, несочетаемых параметров: относительно низкую цену, высокую надежность, малое энергопотребление, воздушное охлаждение и малые габариты. Не забываем и электрические характеристики. Однако наш опыт и анализ рынка показывают, что у потребителей электрические характеристики обладают меньшим приоритетом, чем цена, надежность и прочие перечисленные выше факторы. Мы ведем эту разработку на собственные средства и рассчитываем на ее востребованность в будущем.

Почему вы производите МИС и транзисторы на зарубежных фаундри?
Мы ждем, когда отечественные фабрики, которых, кстати, достаточно много, выйдут на промышленный уровень в области приборов на нитриде галлия, который будет способен обеспечить нужные нам надежность, качество и, что тоже немаловажно, цену. Мы постоянно следим за достижениями как российской фундаментальной науки, так и производственных предприятий, проводим испытания новых интересных решений в области СВЧ-транзисторов и ИС, консультируем производителей как потенциальные заказчики, понимающие, какие эксплуатационные параметры должны быть у прибора.
Из фабрик  на данный момент я могу отметить две, наиболее близко подошедшие к тому, чтобы начать разговор об обеспечении потребностей российского рынка СВЧ-электроники. Первая – АО «Светлана-Рост». Достоинство этой компаний в том, что они изначально ориентированы не на продукты, а на кристальное производство, на услуги фаундри. Действуя таким образом, они пытаются достичь и зафиксировать стабильные результаты, пусть и достаточно скромные в сравнении с зарубежными.
Вторая компания – АО «НПФ «Mикpан». На мой взгляд, они достигли хороших результатов как раз по электрическим параметрам благодаря долгой и кропотливой работе. Те, кто считает, что в этой области можно получить быстрый результат, ошибаются. Посмотрим, как будет развиваться у «Микрана» производство нитрид-галлиевых компонентов.
Другие компании, к сожалению, не очень активны в области продвижения собственных технологий нитрида галлия на коммерческий рынок. Возможно, в этом есть свой резон, потому что зарубежные производители СВЧ-компонентов ушли далеко вперед, российский рынок захвачен ими, несмотря на активное противодействие со стороны государства, и конкурировать с ними действительно сложно.

Но ведутся же разработки СВЧ‑компонентов в нашей стране.
Ведутся. Но, на мой взгляд, бессистемно. Я часто спрашиваю у представителей компаний, которые этим занимаются: «Зачем вы делаете этот компонент? Какова ваша конечная цель? Кому, в каких объемах и по какой цене вы собираетесь его продавать?» И в ответ слышу: «Нам сказали, что будет востребован „этот диапазон“, поэтому мы разрабатываем для него». Кто и когда сказал, уже не очень помнится; как это соотносится с действительностью – никто критически не анализирует. В результате силы тратятся, получаются невостребованные приборы, а конкуренция иностранным производителям в областях параметров, которые реально нужны, не получается. Это в лучшем случае.
Кроме того, отечественные полупроводниковые СВЧ-компоненты – как, впрочем, и цифровые БИС – зачастую изготавливаются на зарубежных фабриках, поэтому их тоже, строго говоря, нельзя назвать отечественными.

Почему? Ведь сами компоненты разрабатываются у нас.
Если мы говорим об интегральных схемах, там действительно есть существенная российская интеллектуальная составляющая, по крайней мере, в схемотехнике и топологии. Что же касается СВЧ-транзисторов, по сути, это зарубежные решения. В них основную роль играют полупроводниковые структуры и технологии их получения, которые зарубежная фабрика не раскрывает и не позволяет произвольно менять разработчику. Так что, когда говорят, что транзистор разработан у нас, – это определенное лукавство.
Но есть проблема, еще более важная для отечественной СВЧ-электроники. Технологии GaAs и GaN у нас всё же движутся вперед, и есть перспектива того, что в относительно скором будущем компоненты на этих материалах будут полностью российскими. Однако СВЧ-электроника развивается таким образом, что область применения материалов A3B5 становится всё уже. Есть популярная картинка, которую часто показывают на презентациях: плывет маленькая рыбка, на которой написано «GaAs», за ней плывет и пытается ее съесть рыбка побольше с надписью «GaN», за ней охотится рыба «SiGe», а за ней – самая большая рыба, «CMOS», ИС на объемном кремнии. Мировой коммерческий рынок СВЧ устроен сегодня так.
Цена объемного кремния настолько ниже цены материалов A3B5, а диаметры обрабатываемых пластин и степень интеграции субмикронных элементов настолько выше, что он вытесняет их из всех сегментов применения, где может обеспечить приемлемые электрические характеристики – это практически вся техника обработки радиосигнала в интеграции на одном кристалле с АЦП, ЦАП, микропроцессорами, памятью, а сегодня и ПЛИС. Уделом нитрида и арсенида галлия, фосфида индия и всех их вариаций остаются только самые последние каскады передатчиков и первые каскады приемников, где нужны сверхмалошумящие и очень мощные компоненты.
Например, в базовых станциях сотовой связи находит применение традиционная СВЧ-электроника на арсениде или нитриде галлия. Но практически вся СВЧ-составляющая абонентских устройств 5G, высокоскоростной беспроводной Интернет, автомобильные радары – области, для которых характерны наибольшие объемы производства, стремительно мигрируют в объемный кремний либо, в некоторых случаях, в SiGe. Высокоинтегрированные ИС на кремнии захватывают сегодня все востребованные диапазоны частот, включая сантиметровый, миллиметровый до 100 ГГц и более.
Объемный кремний вытесняет материалы A3B5 из всех сегментов применения, где может обеспечить приемлемые электрические характеристики.

Однако простая житейская проблема заключается в том, что кремниевых субмикронных СВЧ-технологий у нас в стране нет, как нет и видимого развития в этом направлении. Да, у нас есть ряд кремниевых производств, но они ориентированы на такие изделия, как микропроцессоры, силовые приборы или низкочастотные аналоговые ИС. СВЧ-кремний – это совершенно другие технологии, которые нужно ставить, отрабатывать. Это иные транзисторные структуры, металлы, необходимость в дополнительных элементах и т. п.

Означает ли это, что нам остро нужна кремниевая СВЧ‑фабрика?
Это зависит от того, по какому пути пойдет отечественная электроника, да и страна в целом.
Если предполагается, что она будет интегрирована в глобальный рынок, то, вероятно, не нужна. В России поднять даже одну крупную субмикронную фабрику, способную конкурировать с такими производствами, как TSMC, GlobalFoundries или TowerJazz, практически невозможно. Не потому что у нас нет специалистов или не хватит денег: и того и другого у нас, на мой взгляд, достаточно. Причина этого уже много раз озвучивалась и на различных отраслевых мероприятиях, и в прессе. Себестоимость продукции фабрики напрямую зависит от объемов производства. Чтобы конкурировать по цене, нужно производить десятки, а то и сотни тысяч пластин большого диаметра в год. Главный вопрос, куда будет продаваться эта продукция в таких объемах. Войти в этот рынок, занять достаточно большую его долю за разумное время, чтобы окупить многомиллиардные инвестиции, которые нужны для строительства такой фабрики, крайне сложно. А производить и поставлять в любых необходимых количествах оригинальные разработки, выпускаемые на отработанных технологиях зарубежных производителей, можно.
Если же предполагать курс на закрытость, то, видимо, такая фабрика нужна, потому что, как я говорил, в любой области применения СВЧ-электроники – от сотовых сетей до радиолокации – преимущественную долю будет занимать кремний. Без него системы будущего построить невозможно.
Но тогда, во-первых, нужно быть готовым к тому, что произведенные на такой фабрике компоненты будут существенно дороже тех, которые доступны на мировом рынке, а во-вторых – это всё равно не будет гарантировать полной независимости. Те зарубежные фабрики, услугами которых мы пользуемся сейчас, тоже зависимы от оборудования, материалов, обслуживания, услуг, предоставляемых компаниями из других государств. Замкнуть этот цикл внутри одной страны в области кремниевых СВЧ-технологий не удалось никому, даже Китаю.
На мой взгляд, целесообразно интегрироваться в мировую электронную промышленность. Наша компания пока именно так и работает. Мы пользуемся услугами различных контрактных производств по изготовлению элементов наших изделий современного уровня, включая тонкопленочные микроплаты, заказные разъемы, транзисторы. Мы включены в международную производственную кооперацию. Пока такая возможность есть. Конечно, это может прекратиться – такой риск существует. Но только так, будучи частью глобального рынка, можно конкурировать на равных с мировыми производителями, пусть и в относительно узких сегментах.

Как вы оцениваете уровень вашей компании в сравнении с глобальными игроками?
Мы второй год участвуем в выставке European Microwave Week. В прошлом году она проходила в Мадриде, в этом – в Париже. Главный результат от этого участия для меня в том, что я стал понимать: мы занимаемся тем же, чем и наши зарубежные коллеги на сравнимом техническом уровне. Мы говорим с ними на равных, перед нами стоят одни и те же технические проблемы, и способы их решения близки.
И мы не единственные. Есть еще российские компании, выпускающие СВЧ-оборудование и устройства, которые выглядят очень достойно в палитре международного рынка.

«Микроволновые системы» участвуют в этих выставках со своей продукцией? Удается что‑то поставлять на экспорт?
Мы разработали специальную серию экспортных приборов с учетом того, что может быть востребовано на зарубежных рынках – не только в Европе, но и в других регионах. Эти изделия похожи на те, которые мы продаем в России, но у них другие разъемы, источники питания и т. п. Кроме того, за рубежом нет таких жестких требований в отношении массы изделия. На российском рынке по соотношению выходной мощности широкополосных усилителей к единице массы мы можем дать фору многим известным производителям. При разработке экспортных изделий мы не ставили перед собой такую задачу.
Эту серию мы продвигаем за рубежом второй год, но не очень активно: фактически, только на наших стендах на выставках. Продажи уже были, но совсем небольшие. Пока успехом это назвать нельзя.
Тем не менее мы видим, что можем работать на зарубежных рынках. Это заметно в том числе по тому, что уже на второй выставке интерес к нам вырос, было больше переговоров. Однако запросы от зарубежных компаний больше касаются совместных разработок, чем поставок предлагаемой нами продукции. В мире достаточно много компаний – европейских, индийских, турецких, израильских и др., которым нужны специализированные разработки. И, я думаю, у нас в плане экспорта больше перспектив по созданию заказных продуктов для конкретных проектов, которые уже впоследствии найдут промышленное применение. Такие переговоры мы уже ведем.

Возвращаясь к полупроводниковым материалам, сейчас много говорится о перспективности карбида кремния. Его участь в будущем такая же, как у арсенида и нитрида галлия?
Карбид кремния – это в первую очередь не СВЧ, а силовая электроника. У нас был период, когда мы им увлекались, даже разработали несколько изделий полностью на карбид-кремниевых транзисторах, но практически сразу сняли их с производства – и не без оснований. Сегодня мировая промышленность карбид-кремниевые СВЧ-транзисторы не производит из-за непреодолимого проигрыша в КПД и частотных свойствах по сравнению с нитрид-галлиевыми приборами.

Вы уже затронули тематику СВЧ‑электроники гражданского применения: сети 5G, автомобильные радары. Как вы считаете, в каких секторах гражданского рынка хорошие шансы у российских производителей СВЧ‑устройств?
В гражданской электронике сейчас очень много областей, где находит применение СВЧ-техника. У нас, например, есть работы в области базовых станций для железных дорог. AФAP, которыми мы сейчас занимаемся, – тоже гражданского назначения.
Я думаю, что и у нас, и у других компаний, занимающихся СВЧ-электроникой, могло бы быть больше возможностей в области коммерческого телекоммуникационного оборудования, но для этого нужны крупные государственные проекты. Без защиты отечественных производителей конкурировать с зарубежными телекоммуникационными гигантами невозможно. Если на этом рынке появляется новый производитель, предлагающий что-то новое, опасное для крупных корпораций, у них всегда найдутся ресурсы, чтобы его подавить на ранней стадии – просто-напросто ценой. В лучшем для такой новой компании случае ее купят, в худшем – разорят. Да и те же операторы связи не станут обращать на нее внимание и в какой-то мере будут правы: у них уже всё есть от крупных проверенных поставщиков. Поэтому если что-то у некоторых компаний и получается, то это лишь отдельные специализированные решения, которые не дают серьезного развития.
Поэтому и нужны большие государственные проекты. У нас не так много успешных примеров такого рода. Можно вспомнить разве что цифровое телевидение.
Если говорить о тех же сетях 5G, в абонентский сектор войти, на мой взгляд, невозможно в принципе. Это уже пробовали – не получилось ни разу. Но в область базовых станций войти можно, если содействовать приобретению отечественного оборудования операторами. Здесь в России достаточно компетенций, и если такой проект будет, я особых проблем не вижу.
Всё то же самое касается любых других видов связи: релейной, космической… Сейчас есть очень интересный проект по обеспечению устойчивой связью Арктики, всего северного побережья. Там из-за угла наклона орбит космическая связь практически не работает, а построение сети наземных станций нецелесообразно, поэтому обсуждаются проекты сети тропосферной связи. Для этого требуется большое количество различной аппаратуры, и вся она может быть отечественной – от активных антенн и СВЧ-оборудования до модемов.
Другая перспективная область – гражданская локация. Здесь тоже имеется множество потенциальных приложений для отечественной СВЧ-техники, например мониторинг воздушного пространства для обеспечения безопасности полетов и отслеживания малых беспилотных летательных аппаратов, которых становится всё больше.
У российских компаний, занимающихся СВЧ-электроникой, могло бы быть больше возможностей в области коммерческого телекоммуникационного оборудования, но для этого нужны крупные государственные проекты.

К этой же теме относятся и упомянутые автомобильные радары. Этим тоже можно заниматься, но здесь необходима международная кооперация, потому что это массовое производство, миллиметровый диапазон и объемный кремний, а такое сочетание нам одним не по силам. Помимо отсутствия собственных кремниевых СВЧ-фабрик, у нас, мягко говоря, не так много специалистов в области разработки устройств миллиметрового диапазона на объемном кремнии.

Неужели у российских компаний вообще нет шансов в области абонентского телекоммуникационного оборудования? Допустим, с собственными смартфонами действительно есть негативный опыт. Но, может быть, возможно войти в цепочку поставок мирового бренда со своими модулями или МИС?
В принципе, такую возможность исключить нельзя. Но это очень долгий путь. Чтобы туда войти, нужно заработать репутацию, приобрести достаточную известность. Вас должны заметить одни, другие, третьи… Это займет много лет.
Кроме того, придется конкурировать с разработчиками СВЧ-модулей и МИС из других стран, а их очень много, во много раз больше, чем у нас. В том же Китае, например, только в одной компании СЕТС-13 (HSRI), занимающейся этой тематикой, работает несколько сотен дизайнеров только СВЧ МИС. Во всей электронной промышленности России их едва наберется сотня.
У нас всё-таки исторически другая ниша: сложные уникальные изделия. Пока конкурировать в сфере потребительской техники будет очень сложно.

Для традиционной ниши российской СВЧ‑электроники специалистов хватает? Испытываете ли вы острую потребность в квалифицированных кадрах?
Потребность испытываем. У нас несколько открытых вакансий, мы постоянно ищем хороших специалистов. Изначально наш коллектив составляли в основном выходцы из таких крупных организаций, как ЦНИРТИ, НПП «Исток» и др. За годы много людей сменилось. Брали выпускников и студентов старших курсов вузов, но мало кто из них оставался. Сейчас предпочитаем всё-таки брать людей с опытом.
Направление полупроводниковой СВЧ-электроники развивается очень быстро, и отстать проще простого

Из‑за риска, что студент не останется на предприятии, или из‑за качества подготовки?
Прежде всего из-за качества подготовки. К сожалению, ситуация такова, что если выпускник профильной специальности знает, что такое децибелы или коэффициент стоячей волны, можно считать, что вам повезло. Я почти не преувеличиваю. По крайней мере, так в центральном регионе. Подальше от центра, например, в ТУСУР, по нашим наблюдениям, подготовка лучше.

Может быть, эту ситуацию могло бы испра вить сотрудничество с вузами, ведение студентов с ранних курсов, чтение лекций вашими специалистами?
Это, наверное, правильный подход, но у нас недостаточно ресурсов для этого. Все наши разработчики заняты текущими проектами. Им просто некогда читать лекции. Каждый из них выполняет в год по пять таких задач, только одну из которых обычно решает за год инженер в государственном НИИ. Число ОКР, одновременно выполняемых разработчиками, часто заметно превышает число самих разработчиков.
Но, конечно, мы не отвергаем перспективных студентов. Так, в этом году у нас будет защищать диплом студент, который пришел к нам на производство еще на втором курсе.

Помогают ли в решении такого большого объема задач средства автоматизации? Насколь ко, по вашему опыту, САПР позволяют ускорить разработку?
Современные твердотельные СВЧ-приборы в принципе невозможно разработать без использования САПР. Если говорить о разработке МИС, изредка бывают случаи, когда проект, созданный в САПР, получается с первого раза. Чаще – со второго. Если же рассматривать всю цепочку от МИС до модуля или блока, ситуация существенно сложнее. Нет сегодня таких САПР СВЧ, которые реально, а не в демонстрациях производителей САПР обеспечивали бы весь процесс конструирования сложного изделия. В модуле или блоке можно промоделировать тепловой режим, устойчивость к определенным механическим воздействиям, оценить те или иные электрические параметры в условиях идеальных блок-схем. Экспериментальную отработку вопросов надежности, ЭМС, влияния элементов конструкции САПР уже не заменяет: слишком много влияющих факторов.
Кроме того, всегда нужно помнить, что САПР – это инструмент, который приносит пользу только в руках мастера. Умения пользоваться средствами САПР недостаточно: специалист по СВЧ должен не просто овладеть софтом, он должен понимать физику изделия, его окружение, где и как оно будет использоваться, критически оценивать адекватность и границы применимости моделей компонентов, влияние конструкции и технологии. Достаточно сказать, что небольшая ошибка в приклейке мощной МИС может привести к изменению ее характеристик относительно результатов расчета САПР на 50% и более. Так что «чистых» расчетчиков мы у себя не держим, каждый проходит через практику экспериментальной отработки изделий. САПР – хороший помощник специалиста. А чтобы стать специалистом по разработке СВЧ-устройств, нужно прочитать сотни статей по своей теме за последние лет двадцать, постоянно знакомиться с новыми публикациями – а это десятки полезных книг в год, издаваемых как за рубежом, так и в нашей стране. Направление полупроводниковой СВЧ-электроники развивается очень быстро, и отстать проще простого. И, конечно же, нужно постоянно заниматься практическими проектами, вникая в их суть и понимая, как устройство работает в реальном взаимодействии с окружающими объектами.

Спасибо за интересный рассказ.
С А.А.Кищинским беседовали Ю.С.Ковалевский и Г.А.Логинова

Аннотация: Представлены результаты разработки и исследования параметров образцов усилителей мощности с выходной непрерывной мощностью 150-200 Вт в диапазонах частот 3,4–3,9 и 7,3–7,6 ГГц, построенных по схеме суммирования мощностей 8-ми гибридно-интегральных модулей с нитрид-галлиевыми транзисторами.

[[ УМ-135 УМ-160 ]]

Твердотельные усилители мощности СВЧ
диапазона со сверхоктавной полосой

Кищинский А.А.

Аннотация: Представлен анализ технических и технологических решений, применяемых при конструировании сверхширокополосных транзисторных усилителей мощности СВЧ диапазона. Рассмотрены современные технологии и схемы построения монолитных интегральных усилителей мощности, достигнутые в промышленности и в разработках параметры, обсуждаются конструкции высо комощных усилителей. Приведены результаты ряда практических разработок, выполненных под руководством автора.
Ключевые слова: Усилитель мощности, нитрид галлия, монолитная интеграль-
ная схема, сверхширокополосный.
Введение
Интерес к применению усилителей мощности с полосой частот более октавы (такую полосу для определенности будем называть сверхширокой полосой частот) не ослабевает. Это связано с активным развитием технологии активных фазированных антенных решеток (АФАР), как ра 
диолокационных, так и противорадиолокационных, применением корот коимпульсных и шумоподобных сигналов, требующих большой мгновенной полосы передающего тракта, переходом к многофункциональным и многодиапазонным радиосистемам.
Успех в создании высокоэффективных сверхширокополосных усилителей мощности (СШУМ) определяется сочетанием оптимальной схемотехнической реализации, рациональной конструкции и передовой технологии активных приборов. Технические решения и параметры приборов в данной работе рассматриваются применительно к диапазону частот 2 – 18 ГГц, охватывающему все основные радиолокационные (S-, C-, X-, Ku-) диапазоны и наиболее востребованные (2-6 ГГц, 6-18 ГГц, 4-18 ГГц) противорадиолокационные диапазоны частот.

Аннотация: В докладе описана конструкция и приведены характеристики сверхширокополосного твердотельного усилителя СВЧ мощности на основе современных монолитных интегральных схем, обеспечивающего в рабочем диапазоне частот от 5 до 18 ГГц выходную мощность более 12 – 16 Вт и КПД от 14 до 20%

Введение.
Необходимость уменьшения массогабаритных характеристик, снижения потребляемой мощности широкополосных радиопередающих устройств толкают разработчиков модулей СВЧ к применению в выходных каскадах усилителей мощности современных интегральных компонентов на основе технологии нитрида галлия [1]. Такое решение существенно упрощает конструкцию усилителя по сравнению с решениями на основе дискретных GaAs транзисторов [2] при одновременном улучшении основных параметров усилителя.

[[ УМ1710Б ]]

Сверхширокополосный транзисторный усилитель диапазона 6-18 ггц с выходной мощностью 6 вт

Радченко А.В.

ar@mwsystems.ru

I. Введение

 В данном докладе рассматривается сверхширокополосный транзисторный усилитель диапазона частот 6-18 ГГц и выходной мощностью в линейном режиме более 6 Вт. Усилитель обладает уникальными характеристиками и не имеет аналогов в отечественном производстве. Главной проблемой при разработке усилителя стало создание мощного выходного каскада шириной менее 28 мм для возможности его размещения в корпусе усилителя шириной 35 мм.

Выходные усилительные ячейки, как и в [1], выполнены по квазимонолитной технологии [2]. В докладе приведены результаты измерений характеристик усилителей с коммерчески-доступными транзисторами фирмы Excelics, а также с транзисторами собственной разработки.

Особенностями разработанного усилителя являются: цифровое 5-разрядное управление, температурная компенсация усиления, детектор выходной мощности, скоростной модулятор питания (100 нс), встроенный датчик температуры и входной ограничитель мощности.

 II. Основная часть

 Для получения выходной мощности более 6 Вт в диапазоне 6-18 ГГц был спроектирован выходной усилительный каскад (рис. 1), построенный по схеме суммирования трех балансных усилителей с предварительными каскадами, обеспечивающих мощность не менее 2,2 Вт в линейном режиме.

Рис. 1. Выходной усилительный каскад.

Fig. 1. Output amplifier chain

Для суммирования мощности использовался специально разработанный трехканальный цепочечный сумматор/делитель мощности на мостах Ланге, фазовый сдвиг у которого между плечами подобран таким образом, чтобы максимально компенсировать отраженные сигналы и в середине диапазона соответствующий 60 градусам.

В балансных схемах использовались квадратурные мосты Ланге выполненные на отдельных подложках из поликора толщиной 250 мкм, ширина зазора 12 мкм и толщиной металлизации 5 мкм. Для упрощения монтажа мосты изготовлены с интегральными перемычками [3] с расположенным под ними диэлектриком-полиимидом, обеспечивающим эффективную защиту от замыкания и механических воздействий (рис. 2).

Рис. 2. Интегральные перемычки мостов Ланге с защитным диэлектриком.

Fig. 2. Integral interconnects of Lange coupler with protective isolator

На рис. 3 показана структурная схема разработанного усилителя, включающая в себя:

-        входной малошумящий усилительный каскад (МШУ);

балансный электрически управляемый аттенюатор на p-i-n диодах для плавной компенсации температурного дрейфа коэффициента усиления

Рис. 3. Структурная схема усилителя.

Fig. 3. Block diagram of the amplifier

в диапазоне температур от -60 до +75 ºС и цифровой 5-разрядный аттенюатор (АТ);

-        предварительный усилитель мощности, корректор АЧХ и ФЧХ усилительного тракта (ПУМ);

-        предварительный усилительный каскад (ГИС-120), построенный по квазимонолитной технологии с использованием GaAs p-HEMT транзисторов с затвором 0,3 х 1200 мкм, обеспечивающий выходную мощность в линейном режиме не менее 1 Вт и усиление около 7-8 дБ;

-        трехканальный цепочечный сумматор/делитель мощности на мостах Ланге (ДС-618) с минимальным зазором между проводниками 13 мкм;

-        предвыходной усилительный каскад (УК-160) реализованный по гибридной технологии с использованием одного GaAs p-HEMT транзистора с затвором 0,3 х 1600 мкм, обеспечивающий выходную мощность не менее 1 Вт в линейном режиме и усиление около 7-8 дБ;

-        выходной квазимонолитный балансный каскад (ГИС-240) выполненный на двух GaAs p-HEMT транзисторах с затвором 0,3 х 2400 мкм;

-        направленный детектор выходной мощности (НО);

-        стабилизаторы питания, быстродействующий модулятор питания; буферные ТТЛ-логические элементы управления цифровым аттенюатором, схему управления аттенюатором термокомпенсации, датчик температуры, устройство защиты (Устройство питания и управления).

Фотография конструкции разработанного усилителя, а также усилителя мощности 2 Вт диапазона 8-18 ГГц (для сравнения габаритов), рассмотренного в [1], показана на рис. 4.

Рис. 4. Усилители РМ618-4 и РМ818-1.

Fig. 4. Amplifiers PM618-4 and PM818-1

В ходе исследовательских работ были проведены измерения выходной мощности усилителя РМ618-4 с использованием GaAs p-HEMT транзисторов с затвором 0,3 х 2400 мкм собственной разработки, которые показали существенный прирост линейной мощности (около 1 Вт по всей полосе). На рис. 5 приведены результаты измерения мощности и максимального тока потребления для образца РМ618-4 №1 на транзисторах собственной разработки и образца №2 на транзисторах фирмы Exelics.

Рис. 5. Выходная мощность и максимальный ток потребления усилителей РМ618-4.

Fig. 5. Output power-frequency characteristics and current consumption of PM618-4

На рис. 6 приведены типовые АЧХ трех усилителей РМ618-4. Температурный дрейф АЧХ в диапазоне температур от -60 ^oC до +75^oC составляет не более 4 дБ.

Рис. 6. АЧХ усилителей РМ618-4.

Fig. 6. Amplitude-frequency characteristics

Усилитель имеет габариты 35x118x21 мм и массу не более 200 г.

Коэффициент усиления в полосе частот 6-18 ГГц составляет от 39 до 47 дБ при неравномерности не более 5 дБ. Ток потребления по цепи "+9В" менее
6 А, фазовая неидентичность составляет не более ±25 градусов, а КПД от 14 до 20 процентов.

III.    Заключение

Разработан сверхширокополосный транзисторный усилитель РМ618-4 диапазона 6-18 ГГц с выходной мощностью более 6 Вт на транзисторах собственной разработки, который может использоваться в качестве канального усилителя мощности активной ФАР. Показана эффективность применения трехканальных схем суммирования для построения мощных выходных усилительных каскадов.

Список литературы

[1]   Кищинский А.А., Радченко А.В. Квазимонолитный транзисторный усилитель диапазона 8...18 ГГц с выходной мощностью 2 Вт. Материалы 19-й Международной Крымской конференции "CВЧ техника и телекоммуникационные технологии", 2009г, том 1, стр.53-54.

[2]   Гармаш С.В. и др. Применение технологии пассивных схем на арсениде галлия в изготовлении широкополосных усилителей мощности СВЧ. Материалы 9 Крымской микроволновой конференции, Севастополь, Вебер, 1999, стр.5-8.

[3]   Applied Thin-Film Products. Polyimide Supported Bridges and Solder Dams. http://www.thinfilm.com/bridges.htm

6 WATT 6-18 GHz BROADBAND POWER AMPLIFIER

A.Radchenko

Microwave Systems JSC

Nizhnyaya Syromyatnicheskaya str., 11

105120 Moscow Russia

phone: +7-495-917-21-03

e-mail: ar@mwsystems.ru

Abstract - The results of the development and an experimental investigation of (6...18) GHz range of broadband transistor amplifier with output power in continuous mode 6 Watt at 2 dB gain compression are presented. The experimental characteristics with different transistors, design features and assembly technology of the manufactured amplifiers are discussed.

В совершенствование конструкций СВЧ усилителей мощности на основе транзисторов и монолитных интегральных схем (МИС), а также в развитие необходимых для этого полупроводниковых технологий в течение последних десятилетий вкладывались значительные средства и интеллектуальные силы ведущих мировых электронных компаний и университетов. Этот класс устройств во многих радиотехнических системах определяет важнейшие тактико-технические параметры системы, такие, как излучаемую и потребляемую мощность, ширину полосы рабочих частот, габариты и массу, надежность и стоимость. Твердотельные СВЧ усилители мощности вообще, а широкополосные приборы в особенности, часто являются «критическим звеном» аппаратуры, возможность реализации параметров которого позволяет (либо не позволяет) реализовать систему в целом. В настоящей работе рассмотрены мировой уровень и направления развития специфической, но очень интересной группы СВЧ усилителей - широкополосных транзисторных усилителей мощности непрерывного режима.

К категории широкополосных усилителей будем относить приборы, имеющие относительную ширину полосы рабочих частот более 40% (перекрытие по частоте - отношение верхней и нижней границ диапазона от 1,4:1 и более, вплоть до нескольких декад). От своих более узкополосных собратьев широкополосные приборы отличаются следующими конструктивными особенностями:

• сложная схема построения выходного каскада. Возможности широкополосного согласования активного элемента (транзистора) существенно ухудшаются с ростом его выходной мощности (и как следствие – ширины затвора, емкостей активной структуры), что часто приводит к необходимости применения многоканальных сумматоров мощности, усложняющих конструкцию прибора и вносящих дополнительные потери.
• использование в качестве активных элементов транзисторов с малыми дополнительными реактивностями (кристаллов дискретных транзисторов и МИС в средней и верхней части сантиметрового диапазона и МИС в миллиметровом диапазоне, и корпусных транзисторов в дециметровом и нижней части сантиметрового диапазона).
• необходимость применения дополнительных мер (и схем) подавления отраженных волн. При согласовании в широкой полосе невозможно получить низкий уровень отраженной от входа транзистора волны использованием реактивных согласующих цепей (СЦ). Приходится применять схемные «излишества» в виде реактивно-диссипативных СЦ, уменьшающих усиление каскада, обратных связей, ухудшающих и усиление, и выходную мощность, и КПД каскада, квадратурных схем сложения, увеличивающих габариты и усложняющих конструкцию прибора, схем распределенного усиления, ухудшающих КПД.

Названные особенности приводят к тому, что электрические параметры широкополосных приборов оказываются заметно хуже таковых у узкополосных усилителей, а габариты и стоимость – заметно (иногда в разы) выше.

Тем не менее, имеется целый ряд систем, в которых применение широкополосных усилителей необходимо. Это системы радиоэлектронного подавления (РЭП), сверхширокополосная локация, аппаратура тестирования на электромагнитную совместимость, специальные системы передачи данных, измерительная техника.

В силу своей сложности, широкополосные усилители мощности являются и определенным «двигателем» полупроводниковых технологий в попытках создать все более мощные и широкополосные интегральные «кирпичики» для построения этих приборов.

Из имеющегося спектра современных полупроводниковых технологий и материалов [1,2] при промышленном производстве мощных СВЧ дискретных и монолитных компонентов непрерывного режима, пригодных для использования в широкополосных усилителях используются следующие (таблица 1):

Таблица 1 Промышленные технологии мощных СВЧ транзисторов и МИС

В таблице не приводятся данные о выходных мощностях внутрисогласованных транзисторов, содержащих внутри корпуса цепи согласования на тот или иной конкретный участок диапазона частот и не пригодные для построения широкополосных усилителей мощности, а также приборов на фосфиде индия, которые пока трудно отнести к категории мощных. Рассмотрим возможности применения этих кандидатов в «кирпичики».

Кремниевые полевые транзисторы с боковой диффузией (Si LDMOS) прочно заняли нишу базовых элементов в широкополосных усилителях с частотами до 1000 МГц. Приборы по данной технологии выпускаются компаниями Freescale Semiconductor, Sirenza Microdevices, PolyFET, NXP и другими. Отличаются низкой ценой при массовом производстве, высоким КПД, высокой допустимой рабочей температурой кристалла (200ºС). В то же время имеют низкие предельные рабочие частоты (до 3,5 ГГц) и существенно более высокие (на порядок и более), чем приборы других технологий, удельные емкости активной структуры, что создает серьезные трудности их ши-рокополосного согласования.

Арсенидгаллиевые полевые транзисторы с однородным легированием (GaAs MESFET), бывшие в прошлом веке наиболее массовым строительным материалом широкопо-лосных усилителей СВЧ диапазона, постепенно утратили свои позиции, вытесненные арсенидгаллиевыми псевдоморфными гетероструктурными полевыми транзисторами (GaAs pHEMT). Кристаллы дискретных MESFET-транзисторов в настоящее время выпускаются компаниями Sumitomo Electric (традиционные серии FLC, FLX, FLK фабрики Fujitsu), Excelics, остаются в производстве несколько серий корпусных транзисторов нижней части сантиметрового диапазона (например – популярные модели MGF0910A, MGF0911A компании Mitsubishi Electric), широкая номенклатура МИС мощных широкополосных усилителей, выпускавшихся ранее компанией M/A Com (серия MAAPGM-xxx), снята с производства в связи с ликвидацией самого производства. Отличаются высокой надежностью, высокой линейностью передаточной характеристики, но уступают pHEMT-транзисторам по частотному диапазону, КПД, усилению. Имеют рабочие температуры кристалла до 175ºС и удельную выходную мощность 0,4-0,6 Вт/мм. Мощные транзисторы и МИС по этой технологии выпускаются и рядом российских производителей (ФГУП «НПП «Пульсар», ФГУП «НПП «Исток», ОАО «Октава»).

Отдельной веточкой некогда могучего дерева MESFET технологии является достаточно редкая технология высоковольтных (с рабочими напряжениями до 28 В) арсенид-галлиевых MESFET полевых транзисторов, здесь основным серийным производителем приборов является компания AMCOM Communications. В силу высоковольтности и малых емкостей активной структуры хорошо подходят для использования в широкополосных усилителях, но частотный диапазон ограничен значениями 2,5-3 ГГц.

GaAs pHEMT-транзисторы до середины текущего десятилетия были (и пока остаются) самым массовым строительным материалом в классе широкополосных приборов. Существенное снижение стоимости приборов, изготавливаемых по этой технологии с размерами затвора 0,1 - 0.25 мкм ставшее следствием промышленного освоения процессов обработки пластин диаметром до 150 мм [3] и достижения высокого процента выхода годных схем, распространило эти приборы практически во все сектора применения, от мобильных телефонов и базовых станций до радаров, систем РЭП и систем связи миллиметрового диапазона. Эта технология стала стандартной и предоставляется практически всеми фирмами, выполняющими услуги по контрактному производству (foundry) МИС СВЧ. Использование этой технологии позволило наладить серийный выпуск моно-литных усилителей в диапазонах до 32 ГГц с мощностями до 4-7 Вт. Ведущими компа-иями (TriQuint Semiconductor, Excelics, Agilent Technologies, Hittite Microwave, Sumitomo Electric, RFMD, Mimix Broadband, UMS, Transcom и рядом других) выпускаются сотни типов мощных транзисторов и МИС сантиметрового и миллиметрового диапазонов в виде кристаллов, являющихся сегодня основным «кирпичиком» для построения широкополосных усилителей мощности на частотах выше 2 ГГц. Имеют высокое усиление и КПД, высокие граничные частоты, пригодны для работы в классе АВ. Рабочая температура кристалла до 150 ºС, удельная выходная мощность до 1 Вт/мм.

Индий-галлий-фосфорные гетеробиполярные транзисторы и МИС (GaInP HBT) от-дельными «вкраплениями» дополняют картину промышленных технологий мощных при-боров. В сантиметровом диапазоне компанией United Monolithic Semiconductors (UMS) выпускаются два типа специализированных МИС 10-Ваттных усилителей диапазона 8,5-11 ГГц для радаров с активной фазированной решеткой (CHA7010 и CHA8100), остальное присутствие этой технологии концентрируется на универсальных трактовых усилителях (gain-blocks) диапазона 0-6 ГГц с мощностями менее Ватта.

Революционным направлением развития мощных компонентов СВЧ, родившимся в прошедшем десятилетии, и перешедшим в фазу промышленного производства в середине текущего, стало направление широкозонных полупроводниковых материалов (карбида кремния SiC и нитрида галлия GaN) и приборов на их основе [4-6]. Физические основы новых технологий и их особенности, уже достаточно широко освещенные в литературе вообще и в нашем журнале, в частности, мы повторять не будем. Остановимся на промышленных аспектах их применения.

Карбид-кремниевые полевые транзисторы с однородным легированием (SiC MESFET) по частотному диапазону применения вклиниваются между Si LDMOS приборами и приборами на арсениде галлия и нитриде галлия. Их основные преимущества – рабочие температуры кристалла до 255 ºС, высокое рабочее напряжение, очень малые удельные емкости активной структуры. Удельная выходная мощность 2-3 Вт/мм. Недостатки - не очень высокий КПД, низкие предельные частоты, обусловленные малой подвижностью электронов в канале и высокая цена. Выпускаются единственным производителем – компанией CREE Inc. (серия CRF24-xxx) в виде кристаллов и в универсальных малогабаритных фланцевых корпусах. Являются подходящим «кирпичиком» для создания широкопо-лосных усилителей мощности с высокими техническими характеристиками в диапазонах до 2,5 ГГц с выходной мощностью до 100-150 и более Ватт, предназначенных для тяжелых условий эксплуатации. Частотная характеристика выходной мощности одного из разработанных в ЗАО «Микроволновые системы» экспериментальных усилителей с выходной мощностью более 100 Вт и КПД более 26% в диапазоне частот 0.8 – 1.6 ГГц [7], приведена на рисунке 1.

Рис.1. Частотные характеристики выходной мощности и КПД усилителя РМ0816

Нитрид-галлиевые гетероструктурные полевые транзисторы (GaN HEMT) и МИС на их основе, освоенные к сегодняшнему дню в серийном производстве компаниями Cree Inc., TriQuint Semiconductor, Sumitomo Electric, Nitronex, RFMD открывают новую страницу в развитии параметров мощных широкополосных усилителей СВЧ диапазона. В этой технологии соединяются преимущества, важные для проектирования приборов - высокое напряжение питания (28 – 50 В); высокий КПД (более 60%); возможность работы в классе АВ с малой начальной рассеиваемой мощностью; частотный диапазон до 20 ГГц (в лабо-раторных образцах с шириной затвора 0,1 мкм – до 150 ГГц); высокое усиление, малые емкости активной структуры, максимальная из существующих технологий удельная выходная мощность на единицу ширины затвора (более 5 Вт/мм2). К разряду недостатков серийных приборов, пожалуй, можно отнести «затянутую» динамическую характеристику (снижение коэффициента усиления транзистора начинается при выходной мощности существенно меньшей, чем максимальная) и несколько большую цену на единицу мощности, чем у хорошо освоенных GaAs приборов. В качестве иллюстрации полученных (и предельных для промышленных образцов) сочетаний параметров полоса частот-выходная мощность, на рисунках 2 и 3 приведены конструкции МИС усилителей мощности: CMPA0060025 фирмы Cree Inc. [8] и TGA2570 фирмы TriQuint Semiconductor [9]. Полученные уровни выходной мощности по меньшей мере на порядок превышают те, что демонстрирует в этих диапазонах частот GaAs-технология.

Рис.2 Конструкция и характеристики монолитного усилителя TGA2570

Рис.3 Конструкция и характеристики монолитного усилителя TGA2570

Параметры и габариты некоторых типов промышленно выпускаемых МИС, иллюстрирующие основные классы усилительных устройств и диапазоны частот применения, приведены в таблице 2.

Таблица 2 Параметры широкополосных монолитных усилителей на нитриде галлия.

Таким образом, на рынке «кирпичиков» для построения широкополосных (да и всех других) усилителей мощности сантиметрового диапазона складывается напряженная конкурентная ситуация между GaAs pHEMT и GaN HEMT технологиями, в которой техническими преимуществами владеет вторая, а производственными - пока первая.

Для оценки и сравнения возможностей применения GaN и GaAs транзисторов в схемах широкополосных усилителей мощности, а также возможностей «миграции» технических решений с одного материала на другой, проведем простой анализ их удельных (т.е., отнесенных к 1 мм ширины затвора транзистора) параметров. Воспользуемся известными [10] оценками для усилителя класса А максимальной выходной мощности Р_max и оптимального (для достижения этой мощности) сопротивления нагрузки транзистора R_opt :

где V_ds – напряжение питания стока, I_max – максимальный ток канала открытого транзистора.

Из приведенных выражений несложно получить формулу для нового параметра - удельного оптимального сопротивления нагрузки (R_x):

где P_x – удельная выходная мощность транзистора – параметр, которым широко оперируют в литературе. Типовые удельные параметры GaN и GaAs НЕМТ транзисторов, полученные из анализа линейных эквивалентных схем транзисторов, приведенных в литературе и справочных материалах фирм-изготовителей, а также указанный выше параметр R_x сведены в таблицу 3. Здесь же даны параметры двух конкретных типов транзисторов фирмы TriQuint Semiconductor, близких по конструкции, но различных по технологии.

Таблица 3 Сравнение типовых удельных параметров GaAs и GaN транзисторов

Из анализа приведенных данных можно сделать следующие выводы:

• удельные емкость затвор-исток и крутизна GaN транзисторов (одновременно) в 1.5-2 раза ниже, чем у GaAs транзисторов, что является скорее преимуществом первых с точки зрения широкополосного согласования, так как требует меньших коэффициентов трансформации в согласующих цепях. Достижимое усиление в режиме малого сигнала можно считать достаточно близким;
• удельная емкость сток-исток, шунтирующая оптимальную нагрузку транзистора и затрудняющая построение выходной широкополосной согласующей цепи на частотах выше некоторой граничной частоты, у обоих классов транзисторов примерно одинакова.
• удельные оптимальные нагрузки транзистора (Rx) также оказываются близкими (несколько выше для GaN-транзисторов).

Приведенные соображения позволяют сделать обоснованные (и важные) предположение о том, что

а)свойства GaAs и GaN транзисторов с одинаковыми размерами затвора с точки зрения проектирования усилительных «кирпичиков» очень близки;
б)многие проекты и технические решения в части схем и конструкций согласующих цепей, разработанные для GaAs-транзисторов и МИС, могут быть с минимальными изменениями применены для GaN-транзисторов с равной, или на 20-50% большей шириной затвора, при этом в случае близкой длины затвора обоих типов активных структур, будут получены те же полосовые, усилительные и массогабаритные параметры, но при выходной мощности в несколько раз большей и с большим КПД.

Эксперименты и разработки, проведенные в ЗАО «Микроволновые системы», подтверждают это предположение.

Различия становятся видны при более детальном рассмотрении параметров «второго эшелона» (динамика уровней гармоник, фазовых и интермодуляционных искажений, способы отвода тепла, форма динамической характеристики и т.д). В качестве примера на рисунке 4 показаны динамические характеристики двух мощных усилителей диапазона 2-4 ГГц с выходной мощностью 20 Вт и усилением 43 дБ в линейном режиме – серийно выпускаемого ЗАО «Микроволновые системы» GaAs усилителя типа РМ24-С8 (синие кривые) и разработанного в 2009 году экспериментального GaN - усилителя типа РМ24-G2 (красные кривые).

Рис.4 Сравнение динамических и интермодуляционных характеристик GaAs и GaN усилителей мощности диапазона 2-4 ГГц.

Усилитель на GaN транзисторах имеет более плавное «вхождение» в режим насыщения и на 5-10 дБ более низкий уровень интермодуляции третьего порядка (IM3) при максимальной выходной мощности, однако, при выходной мощности в 2-3 раза меньшей, чем максимальная уже GaAs усилитель становится явным лидером с точки зрения линейности. Отличаются усилители и по характеру фазоамплитудных характеристик, и по тепловым режимам и по ряду других параметров. Так что отличия проявляются в системных тонкостях применения приборов, в целом же сходство преобладает.

Сложность кристаллов МИС СВЧ диапазона, по-видимому, уже достигла предела, связанного с ограничением максимальной площади кристалла (25-30 мм2), при которой он (при толщине 50-100 мкм) становится очень сложным для монтажных манипуляций, и процент выхода годных при монтаже МИС резко падает. Физическая ширина кристалла транзистора или МИС (что определяется физической шириной транзистора выходного каскада) при этом составляет 4-6 мм. Максимальная мощность, снимаемая с кристалла (имеющего максимальную физическую ширину в своем классе приборов), таким образом, может быть оценена величинами, приведенными в таблице 4.

Таблица 4. Максимальная выходная мощность, снимаемая с кристалла МИС

Если принять максимальной физическую ширину кристалла, равную 8 мм, то мак-симальная выходная мощность, снимаемая с кристалла МИС, конструктивно ограничена величинами, приведенными в последней колонке таблицы 4. Оценка, конечно, достаточно грубая, плотность компоновки кристалла зависит и от сложности согласующих цепей, и от длины «пальца» встречно-штыревой структуры транзистора, оптимальной для конкретного диапазона частот, и от достигнутой удельной мощности, но представляется корректной.

Следующий шаг в наращивании выходной мощности транзисторных СВЧ усилителей - разработка эффективных многоканальных сумматоров мощности. Для построения мощных широкополосных усилителей применяются разнообразные конструкции сумма-торов, начиная от традиционных ответвителей Ланге и тандемных мостов, и заканчивая многоканальными конструкциями на основе радиальных сумматоров [11] и «сверхразмерного коаксиального волновода» [12,13] с числом каналов 24-32 и эффективностью суммирования мощности 70-75%. Последний под торговой маркой SpatiumTM успешно применяется компанией CAP Wireless для построения усилителя типа CHPA0618-2 [13] с полосой 6-18 ГГц и выходной мощностью 45 Вт на базе GaAs монолитных «кирпичиков» с мощностью 2 Вт (рисунок 5).

Рис.5. Конструкция и характеристики усилителя CHPA6018-2 на основе «сверхразмерного коакси-ального волновода»

«Миграция» в конструкции такого типа с GaAs на GaN компоненты при решении задачи отвода соответствующего количества тепла от активных элементов должна вывести в ближайшее время широкополосные твердотельные приборы на уровень мощности, достигнутый широкополосными вакуумными усилителями на базе ламп бегущей волны непрерывного режима (100 – 400 Вт), что также будет являться знаковым моментом, который не мог быть достигнут ранее никакими схемными ухищрениями разработчиков твердотельных приборов.

Широкополосные усилители высокой мощности (от 10 Вт выходной мощности и выше) применяются в системах радиоэлектронного подавления, системах испытаний на электромагнитную совместимость, а также в некоторых новых радиолокационных системах, использующих широкополосные сигналы или сигналы с широкоим диапазоном перестройки частоты. Производством таких приборов за рубежом занимаются специализированные или частично-специализированные на усилительной тематике компании, в числе которых Aethercomm, AML Communications, Amplifier Research, CAP Wireless, Cernex, CTT, EMPower RF Systems, Keragis, MilMega, Ophir RF, QuinStar Technology, RFCore, Stealth Microwave и некоторые другие. В России единственной компанией, специализирующейся на разработке и производстве таких приборов является ЗАО «Микроволновые системы» (г. Москва), несколько типов мощных широкополосных усилителей выпускают ФГУП «НПП «Исток» (г. Фрязино) и ОАО «Октава (г. Новосибирск).

Параметры некоторых наиболее мощных промышленных образцов широкополосных усилителей приведены на диаграмме рисунка 6.

Выходная мощность, Вт

Рис.6. Уровень выходной мощности непрерывного режима современных широкополосных тран-зисторных усилителей

На диаграмме приведены данные усилителей, имеющих различный конструктивный облик. Это и традиционные СВЧ модули компактных габаритов, и описанные выше экзотические конструкции на основе объемных многоканальных сумматоров, и агрегаты, собранные в стационарные блоки с питанием от промышленной сети путем суммирования мощностей большого числа модулей.

Вместе с развитием технологий GaAs МИС за десятилетие выходная мощность сверхширокополосных усилителей диапазона 6-18 ГГц выросла в 10-20 раз при одновременном росте КПД с 3-5% до 10-15%. Освоение технологии GaN МИС в ближайшие годы позволит в этом популярном диапазоне сделать еще один скачок в уровне мощности в 3-4 раза и поднимет КПД приборов до 25% и более. В диапазоне от 1 до 4 ГГц использование GaN транзисторов дает уже сегодня существенное сокращение габаритов и массы усилительных модулей, например, уже упоминавшийся ранее экспериментальный GaN-усилитель РМ24-G2 разработки ЗАО «Микроволновые системы» имеет по отношению к своему GaAs «собрату» РМ24-С8 в 2 раза меньшие габариты и массу (см. рисунок 7), на 40% меньшую себестоимость (несмотря на относительно высокие цены на сами GaN транзисторы) и на 30-40% меньшую мощность потребления от источника питания. При этом остальные параметры обоих приборов очень близки (за исключением «затянутой» динамики).

Рис.7. Сравнение габаритов усилителей РМ24-С8 (GaAs) и РМ24-G2 (GaN)

С появлением на рынке корпусных GaN транзисторов многие фирмы-производители мощных усилителей (Aethercomm, EMPower RF Systems, Ophir RF) вывели на рынок широкий спектр моделей в диапазонах 0,8-2,5 ГГц, 1-3 ГГц, 0,5-2,5 ГГц с выходными мощностями 50-100 Вт и габаритами, сравнимыми с более старыми GaAs приборами, имевшими в этих диапазонах мощности 20-25 Вт. Усилители в диапазоне выше 3 ГГц появились на рынке немедленно после освоения фирмой Cree Ind. МИС 25-Ваттного усилителя в диапазоне частот 2,5-6 ГГц (см. таблицу 2). «В ближайшие часы» вслед за освоением МИС TGA2570 и транзисторов TGF2023 должны быть разработаны и вскоре появятся мощные широкополосные усилители верхней части сантиметрового диапазона. Высокие темпы развития этого направления могут быть проиллюстрированы [14] диаграммой рисунка 8, на которой показана динамика развития GaN МИС, предназначенных для использования в качестве выходного усилителя в приемо-передающих модулях АФАР диапазона 8-12 ГГц [15 – 21] .

Рис.8 Динамика роста выходной мощности GaN МИС усилителей диапазона 8-12 ГГц

За 5 лет интенсивных разработок мощность, снимаемая с кристалла МИС в этом диапазоне выросла в 10 раз, при этом выходная мощность GaAs МИС аналогичного назначения, серийно выпускаемых фирмами TriQuint Semiconductor, UMS, RFMD, Mimix Broad-band, остается эти годы на достигнутом достаточно давно уровне 6 -11 Вт.

Наблюдение (и посильное участие) в процессе смены поколений мощных транзисторов и МИС СВЧ диапазона дает основание ожидать в предстоящем десятилетии следующих изменений на рынке разработок и производства широкополосных усилителей мощности.

Начнется активное вытеснение транзисторными усилителями широкополосных ЛБВ из класса приборов с выходной мощностью 10-100 Вт. Появятся разработки компактных твердотельных усилителей в популярных частотных диапазонах 1-4 ГГц, 2-6 ГГц, 4-12 ГГц, 6-18 ГГц, 2-20 ГГц с выходной мощностью до 100 Вт и КПД, габаритными размерами, надежностью и ценой, составляющими в совокупности серьезную конкуренцию ЛБВ в большинстве радиотехнических систем.

Параметры надежности GaN транзисторов и МИС будут доведены за счет совершенствования технологии и материалов до уровня, характерного для традиционных GaAs-технологий, появятся приборы, аттестованные для использования в условиях по-вышенной радиации, что расширит и закрепит GaN технологию на рынке военных и космических систем.

GaN МИС заменят своих GaAs собратьев в приемопередающих модулях АФАР трехсантиметрового и двухсантиметрового диапазонов, подняв выходную мощность последних до 50-100 Вт и КПД до 45-50%, чего давно и пока безуспешно добивались разработчики радарных систем от традиционных технологий.

Будет создаваться «проектная инфраструктура», необходимая для эффективного проектирования GaN и дальнейшего расширения применения устройств – у производителей появятся нелинейные модели выпускаемых транзисторов, расширится количество фабрик и технологий изготовления заказных микросхем (foundry), расширится число производителей приборов, будут постепенно снижаться экспортные ограничения на поставки компонентов.

Будут реализованы в конкретных транзисторах и МИС, разработанных, необходимым образом испытанных и освоенных в производстве, наработки российских организаций промышленности и науки (среди них – ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН, ОАО «Светлана-Рост», ФГУП «НПП «Пульсар», ФГУП «НПП «Исток», ЗАО «Элма-Малахит», ИСВЧПЭ РАН, ФГУП «Гиредмет», ИФП РАН и ряд других организаций [23]), проводящих при поддержке государства исследования в области материалов и технологий мощных GaN приборов.

Смена технологических поколений мощных СВЧ транзисторов сантиметрового диапазона, обеспечивающая качественный скачек в параметрах мощных усилительных устройств, началась и проходит ускоренными темпами. Кто не успел – тот опоздал. На очереди алмазный транзистор [22]? Ждем…

[1]  И.Шахнович. Твердотельные СВЧ-приборы и технологии. Состояние и перспективы. – ЭЛЕКТРОНИКА – НТБ, 2005, №5, стр. 58-64.
[2]  В.Майская. Высокочастотные полупроводниковые приборы. Не кремнием и арсенидом галлия единым. – ЭЛЕКТРОНИКА – НТБ, 2004, №8, стр. 16-21.
[3]  M.F.O’Keefe et al. GaAs pHEMT-based technology for microwave application in a volume MMIC production environment on 150-mm wafers. - IEEE Trans. on SM, v.16, 2003, №3, p.p.376-383.
[4]  W.L.Pribble et al. Application of SiC MESFETs and GaN HEMTs in power amplifier Design. - IEEE MTT-S Int. Microwave Symposium Digest, 2002, p.p.1819-1822
[5]  А.Васильев и др. Новое поколение полупроводниковых материалов и приборов. Через GaN к алмазу. – ЭЛЕКТРОНИКА - НТБ, №4, 2007, с. 68-76.
[6]  И.Викулов, Н.Кичаева. GaN – технология - новый этап развития СВЧ-микросхем. - ЭЛЕКТРОНИКА - НТБ, 2007, №4, с. 80-85.
[7] В. Баранов и др. Широкополосные усилители мощности дециметрового диапазона на SiC-транзисторах. - Материалы 16-ой Международной Крымской конференции “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”, Севастополь, Вебер, 2009, стр. 55 - 56.
[8]  <s

Аннотация. В докладе изложены результаты разработки и экспериментального исследования квазимонолитного транзисторного усилителя диапазона 8-18 ГГц с выходной мощностью в линейном режиме более 2 Вт. Приведены экспериментальные характеристики изготовленных образцов усилителей, рассматриваются особенности их построения, конструкция и технология сборки.

I. Введение

В качестве альтернативы усилителям мощности, выполненным по монолитной технологии, могут рассматриваться гибридно-интегральные или квазимонолитные интегральные усилители, на основе псевдоморфных GaAs-транзисторов с высокой подвижностью электронов (р-НЕМТ).

Выходные усилительные каскады рассматриваемого в данной статье усилителя мощности выполнены по квазимонолитной технологии [1]. Они включают в себя кристаллы коммерчески-доступных дискретных р-НЕМТ транзисторов с требуемыми удельными параметрами и согласующе-трансформирующие цепи на подложках из полуизолирующего арсенида галлия, на которых оптимальным образом расположены сосредоточенные и распределенные элементы.

II. Основная часть

Для получения выходной мощности более 2 Вт в диапазоне 8-18 ГГц был разработан балансный усилительный каскад с квадратурными мостами Ланге (ГИС-240) на основе GaAs p-HEMT транзисторов с грибовидным затвором 0.3 х 2400 мкм. Предварительный усилительный каскад с выходной мощностью более 1 Вт в диапазоне 8-18 ГГц (ГИС-120) был реализован по той же схеме, но на транзисторах с затвором 0.3 х 1200 мкм.

При расчете согласующих цепей для транзистора с затвором 0.3 х 2400 мкм использовалась разработанная для него нелинейная модель, параметры которой были получены обработкой результатов измерений S-параметров этих транзисторов, и измерений импульсных ВАХ. Методика определения параметров моделей описана в [2]. Параметры нелинейной модели для транзистора с шириной затвора 1200 мкм были получены методом масштабирования имеющейся модели транзистора с затвором 2400 мкм.

На рисунке 1 представлена фотография изготовленного квазимонолитного выходного балансного каскада. Входные и выходные согласующе-трансформирующие цепи транзисторов выполнены попарно на подложках из полуизолирующего GaAs той же толщины (100 мкм), что и кристаллы транзисторов. Это снижает трудоемкость монтажа, упрощает конструкцию, а также позволяет минимизировать индуктивности выводов затвора. Для уменьшения влияния паразитных параметров включения мощных транзисторов и облегчения согласования,

Рисунок 1. Выходной балансный каскад.

Figure 1. Output balanced QMIC amplifier chain

на затворных выводах вместо проволочных соедини-тельных перемычек были применены специальные плоские золотые балочные выводы. Они изготовляются по технологии, описанной в [3], и имеют толщину 8-12 мкм. Применение таких балочных выводов позволяет значительно уменьшить последовательную паразитную индуктивность соединений (особенно в коротковолновой части сантиметрового диапазона длин волн), а также обеспечить хорошую повторяемость монтажа цепей.

В балансной схеме квадратурные мосты Ланге выполнены на отдельных подложках из поликора толщиной 250 мкм, ширина зазора 12 мкм, толщина металлизации 5 мкм. Для упрощения монтажа мосты изготовлены с "воздушными" интегральными перемычками [4], фотография которых показана на рисунке 2. На рисунке 3 приведены расчетные и измеренные потери на деление/суммирование «встык» пары таких мостов. При измерениях не учитывались потери в коаксиальных переходах контактного устройства, составляющие от 0.5 до 0.8 дБ в исследуемом диапазоне. Расчет моста Ланге, а также согласующих цепей для транзисторов производился с помощью программ 3D-электродинамического моделирования.

Рисунок 2. Интегральные перемычки мостов Ланге.

Figure 2. Lange coupler's integral interconnects

Основные измеренные и расчетные электрические параметры разработанных каскадов приведены в таблице 1. На рисунке 4 приведены результаты

Рисунок 3. Потери на деление/суммирование квадратурных мостов Ланге.

Figure 3. Lange coupler's division-combining loss

измерений и расчета мощности насыщения первой опытной партии ГИС-240.

Рисунок 4. Мощность насыщения ГИС-240.

Figure 4. Saturated output power of QMIC-240

Таблица 1

На основе описанных квазимонолитных каскадов был разработан широкополосный усилитель, структурная схема которого показана на рисунке 5.

Рисунок 5. Структурная схема усилителя

Figure 5. Block diagram of the amplifier

Усилитель включает в себя:

- входной малошумящий усилительный каскад с низким уровнем собственных шумов (МШУ);

- балансный электрически управляемый аттенюатор на p-i-n диодах для плавной компенсации температурного дрейфа коэффициента усиления в диапазоне температур от -60 до +70 ºС и цифровой 5-разрядный аттенюатор (АТ);

- предварительный усилитель мощности, корректор АЧХ и ФЧХ усилительного тракта (ПУМ);

- предвыходной и выходной усилительные каскады, рассмотренные выше (ГИС-120 и ГИС-240);

- направленный детектор выходной мощности (НО);

- стабилизаторы питания, быстродействующий модулятор питания; буферные ТТЛ-логические элементы управления цифровым аттенюатором, схему управления аттенюатором термокомпенсации, устройство защиты (устройство питания и управления).

Разработанный усилитель имеет габариты 91 х 38 х 17 мм и массу не более 80 г. Коэффициент усиления в полосе частот 8-18 ГГц составляет от 34 до 43 дБ при неравномерности не более 6 дБ, выходная мощность 1,9 - 2,8 Вт. Ток потребления по цепи "+9В" не более 2,35 А. Фазовая неидентичность не более ±25 градусов.

III. Заключение

Разработан транзисторный усилитель мощности диапазона 8-18 ГГц с выходной мощностью 2 Вт, показана эффективность применения квазимонолитной технологии для построения сверхширокополосных усилителей в верхней части см-диапазона. 

Список литературы

1. Гармаш С.В. и др. Применение технологии пассивных схем на арсениде галлия в изготовлении широкополосных усилителей мощности СВЧ. Материалы 9 Крымской микроволновой конференции, Севастополь, Вебер, 1999, стр.5-8.

2. Кищинский А.А. и др. Комплекс программных средств для быстрого получения нелинейных моделей ПТШ на основе результатов измерений S-параметров и импульсных вольтамперных характеристик. Материалы 8-й Международной Крымской конференции "CВЧ техника и телекоммуникационные технологии" 1998г, стр.362-365.

3. Иовдальский В.А., Пчелин В.А., Моргунов В.Г. Совершенствование технологии соединений ГИС СВЧ. Материалы IV Международной конференции. СевКавГТУ, Ставрополь, 2002.

4. American Technical Ceramics Corp. Thin-Film Products. Air Bridge. http://www.atceramics.com/products/tf_air_bridge.asp

Аннотация. В докладе изложены результаты разработки и экспериментального исследования широкополосных усилителей дециметрового (0.5-2.5 ГГц) диапазона с выходными мощностями в непрерывном режиме от 20 до 200 Вт, выполненных на основе карбид-кремниевых полевых транзисторов.

I. Введение

При создании широкополосных усилителей мощности в дециметровом диапазоне с выходной мощностью более 20 Вт целесообразно применение карбид-кремнивых (SiC) полевых транзисторов. Выбор данных транзисторов обусловлен рядом преимуществ [1,2]. Одним из них является высокое (28-50В) напряжение питания стока, что при равных с GaAs-транзисторами отдаваемых в нагрузку мощностях приводит к значительному (на порядок) увеличению оптимального импеданса нагрузки стока и значительному облегчению согласования транзистора с нагрузкой. SiC-транзисторы обладают пробивным напряжение стока более 100 В, высокой удельной мощностью (2-4 Вт/мм), малыми удельными входной (0.5 пФ/мм) и выходной емкостями (0.15 пФ/мм), высокой допустимой рабочей температурой кристалла (до +255 ?C). Недостатками SiC-транзисторов является то, что их рабочие частоты не превышают 2.5-3.5 ГГц из-за малой подвижности основных носителей заряда, а также высокая стоимость приборов.

II. Основная часть

Для проектирования мощных широкополосных усилителей были использованы упрощенные нелинейные модели транзисторов CRF24010F и CRF24060F. Нелинейная модель транзистора CRF24010F получена на основе данных, приведенных в работах [3,4]. Модель транзистора CRF24060F (содержащего внутри корпуса шесть активных структур, аналогичных структуре транзистора CRF24010) получена путем масштабирования (х6) его нелинейной модели с уточнением паразитных параметров корпуса.

При конструировании усилителей был принят ряд мер, которые позволили получить высокий уровень выходной мощности в широкой полосе частот. Снижение омических потерь удалось получить утолщением металлизации на микрополосковых платах. Применялись толстопленочная технология на основе серебросодержащих паст толщиной 20 мкм, и тонкопленочная технология с вакуумным напылением толстых (18-25 мкм) слоев меди. В выходной согласующей цепи были применены распределенные трансформаторные согласующие цепи, обеспечившие минимальные потери и хорошую равномерность выходной мощности насыщения (1-2 дБ) в октавной полосе частот. Для снижения тепловой нагрузки транзисторов был использован режим класса АВ с начальным током 20-25% от максимального тока канала, что также позволило повысить КПД в динамическом диапазоне. Для лучшего теплоотвода от активных элементов были использованы теплораспре-дилительные основания из меди толщиной 4 мм. Размещение низкочастотной части усилителей в отсеке над высокочастотной частью так же позволило уменьшить тепловую нагрузку за счет сброса тепла стабилизаторов напряжения через боковые стенки.

Параметры исследованных макетов усилителей приведены в таблице 1

Таблица 1.

Выходной каскад усилителя в диапазоне частот 0,5-1 ГГц (РМ051) построен по четырехканальной балансной схеме суммирования на транзисторах CRF24060F. Сумматоры первой ступени выполнены на подложках из поликора толщиной 1 мм, сумматор второй ступени - на симметричных полосковых линиях с лицевой связью. Собственные потери мощности в сумматоре первой ступени составили 0.25-0.3 дБ, в сумматоре второй ступени - 0.12-0.21 дБ. Фрагмент конструкции одного из выходных балансных каскадов показан на рисунке 1.

На макете усилителя РМ051 исследована возможность изменения питания транзисторов выходного каскада для управления выходной мощностью насыщения. Установлено, что снижение выходной напряжения питания стока с 48 В до 24 В практически не искажает частотные характеристики усилителя. Выходная мощность при напряжении 24 В составила 100-130 Вт. Усилитель показал свою работоспособность при увеличении КСВН нагрузки до 6 и безотказность в ситуациях обрыва нагрузки.

Рисунок 1. Фото усилительного каскада 0.5-1 ГГц

Figure 1. 0.5-1 GHz balanced amplifier chain.

Выходной каскад усилителя в диапазоне 0.8-1.6 ГГц (РМ0816) построен по балансной схеме на транзисторах CRF24060F c сумматором на подложке из поликора. Особенностью данного усилителя является низкие уровни второй и третей гармоник, которые составили -26 дБ и -23 дБ соответственно, и высокий КПД (26-33%) при питании напряжением 48 В. Так же усилитель способен работать на рассогласованную нагрузку (КСВН = 2...5).

На рисунке 2 показана мощностная АЧХ и КПД усилителя.

Рисунок 2. Мощностная АЧХ и КПД макета РМ0816

Figure 2. РМ0816 power-frequency and efficiency characteristics

Выходной каскад макета усилителя в диапазоне 0.8-2.5 ГГц (РМ0825-1) построен по балансной схеме на транзисторах CRF24010F. Конструкция каскада показана на рисунке 3. Согласующие платы и квадратурные спиральные мосты выполнены на подложках из поликора толщиной 0.5 мм по тонкопленочной технологии. Воздушные промежутки между платами и транзисторами являются элементами согласующих контуров, имеющих структуру ФНЧ.

Проблемой, ухудшающей параметры SiC-усилителей, является отсутствие широкополосных транзисторов или монолитных интегральных усилителей с напряжением питания 48 В на уровни мощности меньше 10 Вт. В качестве предварительного усилителя в исследованных макетах применена микросхема АМ012335-ММ-ВМ с напряжением питания 20 В и выходной мощностью 2 Вт, что существенно снизило общий КПД, в частности, усилителя РМ0825-1.

Рисунок 3. Фото усилительного каскада 0.8-2.5 ГГц

Figure 3. 0.8-2.5 GHz balanced amplifier chain.

III. Заключение

Использование современных SiC-транзисторов и описанных в работе конструктивных подходов позволяет простыми схемотехническими решениями получить выходные мощности усилителей дециметрового диапазона 100-200 и более Ватт в непрерывном режиме в октавной и сверхоктавной полосе частот, с КПД 20-30 % и высокой равномерностью АЧХ.

IV. Список литературы

1. W.L.Pribble et al. Application of SiC MESFETs and GaN HEMTs in Power Amplifier Design // IEEE MTT-S Digest, 2002, p.1819-1822.

2. J.W.Palmour et al. SiC and GaN Based Transistor and Circuit Advances // Proc. On 12-th GAAS Symposium, 2004, p. 555-558.

3. A.Sayed, G.Boeck. An Empirical Large Signal Model for Silicon Carbide MESFETs // Proc. On 13-th GAAS Symposium, 2005, p. 313-316.

4. А.А.Кищинский. Усилители мощности диапазона 0.8-2.5 ГГц на SiC-транзисторах. Материалы 16-ой Международной Крымской конференции "СВЧ-техника и телеком-муникационные технологии", 2006, стр.171-172.

Аннотация. В докладе изложены результаты разработки и экспериментального исследования параметров гибридно-интегральных усилительных каскадов на основе новых карбид-кремниевых (SiC) транзисторов CRF24010. Реализованы малогабаритные усилительные элементы в диапазоне 0.8-2.5 ГГц с усилением 9-10 дБ и выходной мощностью 10 и 20 Вт.

I. Введение

Транзисторы на основе широкозонных полупроводниковых соединений (SiC, GaN) привлекают пристальное внимание разработчиков мощных усилителей СВЧ диапазона [1,2]. Это вызвано такими свойствами, как высокая теплопроводность полупроводникового материала (2-4.5 Вт/см*К), высокие рабочие напряжения стока (20-50 В и более), высокая удельная мощность на единицу ширины затвора (3-30 Вт/мм). Сочетание этих свойств позволяет существенно (в 10-20 раз) повысить оптимальный импеданс нагрузки транзистора и реализовать мощные усилительные элементы с более широкой полосой рабочих частот, чем в случае использования GaAs транзисторов равной мощности. Исторически первыми (в 2003 году) на коммерческом рынке полупроводников появились мощные дискретные транзисторы S-диапазона на основе SiC с выходной мощностью 10 и 60 Вт, разработанные фирмой Cree Inc. В настоящей работе исследована возможность создания на основе транзистора CRF24010 мощных усилительных элементов, перекрывающих диапазон частот 0.8-2.5 ГГц с выходной мощностью более 10 Вт для создания на базе этих элементов усилителей с выходной мощностью до 50-100 Вт и более, пригодных для работы в условиях повышенных рабочих температур эксплуатации.

II. Основная часть

Для исследования параметров транзистора и проектирования согласующих цепей усилительных каскадов была разработана упрощенная нелинейная модель транзистора CRF24010, топология которой показана на рисунке 1.

Специальные измерения на образцах транзисторов не проводились. Исходными данными для разработки модели были S-параметры, приведенные фирмой-изготовителем для двух режимов смещения, геометрические размеры кристаллодержателя и перемычек, соединяющих кристалл транзистора с кристаллодержателем, а также ряд данных, приведенных в работе [3], посвященной моделированию этого транзистора. В модели величины емкостей Cgs, Сgd и Cds приняты постоянными и не зависящими от напряжений. Величины паразитных параметров корпуса и монтажа (Lg1, Lg2, C1, Ls, Ld1, Ld2, C2) определялись по резльтатам электродинамического моделирования геометрии соответствующих элементов.

Рисунок 1. Нелинейная модель транзистора

Figure 1. Transistor nonlinear model

Величины Cgs, Cgd, Cds, Ri, Rg, Rd, Rsопределены по результатам подгонки S-матриц, приведенной изготовителем и рассчитанной по линеаризованной модели при фиксированных величинах паразитных элементов. Параметры нелинейного источника тока Id получены аппроксимацией статических вольтамперных характеристик, приведенных в [3], модифицированных так, чтобы удовлетворять ряду условий динамического режима (величины динамической выходной проводимости и крутизны, соответствующие полученным из S-параметров) и расширенных в сторону больших напряжений и токов. Параметры аппроксимаций источников Ig и Igd получены из статических измерений [3] и паспортных данных транзистора.

Проектирование выходной согласующей цепи (СЦ) однотранзисторного усилительного каскада (CRF-1)выполнялось по методу [4] исходя из принятой величины оптимального нагружающего сопротивления в плоскости источника тока Id, равного 47 Ом и с учетом всех паразитных реактивных элементов модели. Входная согласующая цепь оптимизировалась по критерию максимального и равномерного усиления в полосе частот 0.8-2.5 ГГц. Пассивные элементы реализованы на двух платах из керамики «поликор», изготовленных по тонкопленочной технологии, разделительные и блокировочные конденсаторы применены из серии 600Lфирмы АТС. Конструкция каскада показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Фото усилительного каскада CRF-1

Figure 2. CRF-1 amplifier chain.

Сравнение расчетных и измеренных частотных характеристик выходной мощности каскада, приведенных на рисунке 3, показывает их хорошее соответствие, что подтверждает корректность использования разработанной упрощенной нелинейной модели транзистора.

Рисунок 3. Мощностные АЧХ каскада CRF-1

Figure 3. СRF-1 power-frequency characteristics

Выходная мощность макета CRF-1 при компрессии усиления 1 дБ в полосе рабочих частот 0.8-2.5 ГГц составила 8.5-12.5 Вт, выходная мощность в режиме насыщения (при уровне входной мощности 4 Вт) находится в пределах 10.8-14 Вт. Малосигнальный коэффициент усиления составляет 9-11 дБ. КПД по добавленной мощности в режиме компрессии усиления 1 дБ (ток стока 0.7-0.78 А) составил от 19 до 31%. Все измерения и расчеты по нелинейной модели проводились при начальном токе стока 0.6 А и напряжении стока 48 В. Снижение начального тока стока до рекомендованных изготовителем 0.25-0.5 А сохраняет выходную мощность насыщения и позволяет несколько повысить КПД, однако, значительно изменяет форму динамической характеристики и снижает уровень линейной мощности.

Конструкция балансного усилителя (CRF-2) показана на рисунке 4. Два канала усиления, идентичных CRF-1 обьединены в балансную схему при помощи мостов Ланге. Параметры усилителя приведены в таблице 1, иллюстрирующей также параметры, полученные на этом транзисторе другими авторами [5,6]. Выходная мощность насыщения каскада составила 20.5-30 Вт, КСВН входа не превышал 1.8, КСВН выхода менее 2.1 на нижнем краю диапазона и 1.5 выше частоты 1 ГГц.

Рисунок 4. Фото усилительного каскада CRF-2

Figure 4. CRF-2 balanced amplifier chain.

Таблица 1.

III. Заключение

Показана возможность создания и исследованы характеристики миниатюрных ГИС усилителей мощности на базе корпусных карбид-кремниевых транзисторов, обеспечивающих выходную мощность 10 и 20 Вт в полосе частот 0.8-2.5 ГГц. Полученные технические решения могут служить базой для разработки сверхширокополосных усилителей L-S диапазона с выходной мощностью 50-100 и более Ватт.

IV. Список литературы

1. W.L.Pribble et al. Application of SiC MESFETs and GaN HEMTs in Power Amplifier Design // IEEE MTT-S Digest, 2002, p.1819-1822.

2. J.W.Palmour et al. SiC and GaN Based Transistor and Circuit Advances // Proc. On 12-th GAAS Symposium, 2004, p. 555-558.

3. A.Sayed, G.Boeck. An Empirical Large Signal Model for Silicon Carbide MESFETs // Proc. On 13-th GAAS Symposium, 2005, p. 313-316.

4. C.S.Cripps. A theory for the prediction of GaAs FET load-pull

power contours//1983 IEEE MTT-S Digest, p.221-223.

5. T. W. Nichols. Broadband Amplifier Design Using SiC MESFETs // Microwave Product Digest, 2002, October, p.22,52

6. A.Sayed, G.Boeck. Two-Stage Ultrawide-Band 5-W Power Amplifier Using SiC MESFET // IEEE Trans. MTT, Vol. 53, No. 7, July 2005, p. 2441 - 2449.

A 0.8-2.5 GHZ SiC POWER AMPLIFIERS

А.Кistchinsky

Microwave Systems JSC

20, Novaja Basmannaja street, Moscow, 105066,Russia

phone: +7(095) 263-96-29

e-mail: ak@mwsystems.ru

Abstract - Presented are the results of elaboration of 0.8-2.5 GHz SiC-based amplifiers with output power 10 & 20 W at 1dB gain compression. There are also efficient nonlinear model of CRF24010 (Cree Inc.) transistor, results of modeling, constructions and experimental characteristics of two amplifier chains (single-ended and balanced). Both amplifiers has ultra-small sizes (4.8 and 9.6 cm²) and good electrical performances.

#FOTO1#

А.А. Кищинский

ak@mwsystems.ru

mwsystems@mwsystems.ru

Аннотация. В докладе рассмотрен мировой технический уровень и тенденции развития направления транзисторных усилителей мощности СВЧ сантиметрового и миллиметрового диапазонов, транзисторов и монолитных интегральных схем.

I. Введение

В совершенствование конструкций СВЧ усилителей мощности на основе транзисторов и монолитных интегральных схем (МИС), а также в развитие необходимых для этого полупроводниковых технологий в течение последнего десятилетия вкладывались значительные средства и интеллектуальные силы ведущих мировых электронных компаний и университетов. Целью настоящей работы является анализ достигнутых технических параметров транзисторных усилителей высокого уровня мощности (10-100 Вт и более) и основных тенденций развития этого класса СВЧ устройств.

II. Основная часть

Двигателем развития полупроводниковых технологий мощных СВЧ транзисторов является рост рынка дискретных приборов и МИС. Этот рынок обусловлен ростом разнообразия и количества развертываемых систем (в первую очередь - систем связи). В свою очередь, совершенствование параметров и снижение себестоимости транзисторов и МИС существенно расширяет возможности их применения в аппаратуре, возможности создания и продвижения на рынок новых систем. Этот круг замкнут и в течение последнего десятилетия эффективно работал на развитие технологий, предоставляя в распоряжение разработчиков новые возможности, иногда принципиально изменяющие подход к проектированию. К системным применениям, наиболее активно стимулировавшим развитие СВЧ полупроводниковых технологий, и бурно развивавшимся за счет них в последние годы, можно отнести системы широкополосной связи миллиметрового диапазона (LMDS и аналогичные), системы «третьего поколения» (3G) широкополосной сотовой связи, системы спутниковой связи (в первую очередь - VSAT), радиолокационные системы на основе активных фазированных антенных решеток (АФАР).

Современные полупроводниковые технологии, используемые при производстве мощных дискретных и монолитных компонентов, приведены в таблице 1. Темным цветом выделены частотные диапазоны эффективного применения промышленных технологий, как успешно использующихся многие десятилетия (Si RF BJT, MESFET), так и освоенных в производстве уже в новом столетии (0.1 um InP HEMT). Светлым выделены новые перспективные технологии, их переход в статус промышленных ожидается в ближайшие годы.

Таблица 1.

Кремниевые технологии дискретных мощных СВЧ транзисторов развиваются эволюционно, разделив области применения между биполярными (импульсные радиолокаторы) и MOSFET-транзисторами (системы сотовой связи). Высокие достигнутые параметры MOSFET-транзисторов (высокая линейность при усилении многочастотных сигналов при высоком КПД и мощностях до 150 Вт в диапазоне 2.1 ГГц) практически вытеснили биполярную технологию из наиболее массовых применений в базовых станциях сотовой связи.

В развитии базовых для микроволнового диапазона A₃B₅-полупроводниковых технологий можно выделить следующие основные тенденции:

- постепенный уход с арены классической технологии полевых транзисторов с однородным легированием канала (MESFET). Эта технология остается в производстве традиционных и хорошо освоенных высокомощных внутрисогласованных и отдельных типов универсальных дискретных транзисторов сантиметрового диапазона и серии МИС усилителей сантиметрового диапазона компании M/A Com [1].

- существенное снижение стоимости приборов, изготавливаемых по технологии превдоморфных транзисторов с высокой подвижностью электронов (pHEMT) с размерами затвора 0.25 мкм, за счет промышленного освоения процессов обработки пластин диаметром до 150 мм [2] и обеспечение высокого (более 50%) процента выхода годных схем. Эта технология стала стандартной и предоставляется практически всеми фирмами, выполняющими услуги по контрактному производству (foundry) МИС СВЧ. Использование этой технологии позволило наладить серийный выпуск монолитных усилителей в диапазонах до 32 ГГц с мощностями до 4 Вт [3].

- освоение в производстве технологий МИС СВЧ на фосфиде индия с размерами затвора 0.1 мкм, что дает возможность продвижения транзисторных МИС усилителей мощности в диапазон 90-200 ГГц [4].

Обозначенные выше процессы эволюционны и обусловлены потребностями массового производства недорогих МИС миллиметрового диапазона. Революционным же направлением развития мощных компонентов СВЧ, родившимся в прошедшем десятилетии, стало направление широкозонных полупроводниковых материалов (карбида кремния SiC и нитрида галлия GaN) и приборов на их основе [5,6]. Это направление, активно поддерживаемое военными, в ближайшем будущем должно позволить в несколько раз повысить выходную мощность транзисторов и МИС сантиметрового диапазона. Не останавливаясь подробно на деталях отметим, что за счет существенно большей теплопроводности как эпитаксиальных пленок, так и подложки-носителя, а также за счет втрое большей ширины запрещенной зоны в транзисторах на основе нитрида галлия реализованы удельные мощности транзисторной структуры 4-8 Вт/мм и более, что на порядок превышает удельную мощность арсенидгаллиевых транзисторов. Для промышленного освоения GaN-транзисторов и МИС требуется еще решение ряда проблем, в числе которых:

- долговременная стабильность параметров и подтверждение надежности;

- эффекты «памяти» и низкочастотные нестабильности;

- относительно высокая цена;

Одним из принципиальных преимуществ GaN и SiC-транзисторов является высокое (20-50 В) напряжение питания стока, что при равных с GaAs транзисторами отдаваемых в нагрузку мощностях приводит к значительному (на порядок) увеличению оптимального импеданса нагрузки стока и значительному облегчению согласования транзистора с нагрузкой. Сказанное иллюстрируется данными таблицы 2, в которой приведены оценки оптимального импеданса нагрузки для трех типов транзисторов с выходной мощностью 10 Вт на частоте 2 ГГц.

Таблица 2.

Сравнительные данные о выходной мощности наиболее мощных серийных транзисторов СВЧ диапазона приведены на диаграмме рисунка 1. Область применения мощных внутрисогласованных транзисторов заканчивается на частотах 15-17 ГГц, дискретных широкополосных транзисторов - на частотах 25 ГГц, далее усилители строятся на основе кристаллов и корпусированных МИС.

Монолитные усилители за прошедшее десятилетие совершенствовались быстрыми темпами. Выходная мощность, снимаемая с кристалла МИС выросла более, чем в 10 раз, при

Рис.1. Параметры дискретных СВЧ транзисторов

Fig.1 Discrete microwave transistors parameters

этом цена изделий уменьшилась в 3-8 и более раз. Двигателями развития выступают системы коммерческой связи миллиметрового диапазона и военные системы на основе АФАР. Важнейшей задачей и тех и других является снижение цены аппаратуры. Основные параметры (полоса-мощность), полученные в лабораторных и промышленных образцах МИС СВЧ, приведены на диаграмме рисунка 2.

Рис.2.Параметры МИС усилителей СВЧ диапазона

Fig.2 Microwave MMIC amplifiers parameters

В сантиметровом диапазоне выходная мощность GaAs МИС, по-видимому, уже достигла предела (10-20 Вт), связанного с ограничением максимальной площади кристалла (25-30 мм²), при которой он (при толщине 50-75 мкм) становится предельно хрупким, и процент выхода годных при монтаже МИС резко падает. Площади кристаллов МИС миллиметрового диапазона составляют 12-16 мм²), что оставляет еще некоторый простор для наращивания мощности до 5-10 Вт. Дальнейшее наращивание энергетики связано напрямую с успехами в отработке новых широкозонных материалов (GaN в первую очередь) и совершенствованием технологии гетеробиполярных транзисторов (HBT) на основе материалов группы А₃В₅, обеспечивающих значительно большие плотности мощности и меньшие размеры кристаллов МИС. По сообщению компании Cree, Inc., уже разработана технология GaN транзисторов с плотностью мощности 30 Вт/мм на частоте 8 ГГц [19].

Конструкции современных мощных МИС усилителей (рисунок 3) отличаются следующим характерными особенностями:

- полная симметрия схемы;

- очень высокая плотность компоновки;

- использование максимально простых входных и межкаскадных согласующих цепей на сосредоточенных элементах;

- разбиение выходной транзисторной структуры на большое (4,8,16) число отдельных структур с реализацией т.н. «корпоративных» согласующих цепей (обьединение индивидуальных согласующих цепей субтранзисторов в общую синфазно-связанную распределенную цепь);

- относительно широкие, с применением распределенных элементов, выходные согласующие цепи;

- использование толстых (до 12 мкм) гальванических линий.

Рис.3. Конструкции МИС усилителей

Fig.3 Microwave MMIC amplifiers layouts

Бурное развитие цифровых систем связи со сложными методами модуляции потребовало разработки новых подходов к проектированию мощных усилителей для таких систем, введения и оптимизации новых параметров многочастотного режима, разработки разнообразных методов линеаризации усилителей и повышения КПД активных приборов. Эти направления развития схемотехники усилителей мощности, хорошо освещенные в работе [20], здесь не рассматриваются, тем более, что в промышленных конструкциях усилителей высокой мощности они пока находят весьма ограниченное применение (за исключением передатчиков базовых станций сотовой связи). Здесь хочется отметить только практическую реализацию усилительного каскада L-диапазона класса F [21] с добавленным КПД более 65% при выходной мощности 10Вт с линейной передаточной характеристикой, выполненного на базе HBT-транзистора.

Одним из важных направлений исследований, непосредственно определяющих возможности наращивания выходной мощности транзисторных СВЧ усилителей является разработка эффективных многоканальных сумматоров мощности. Здесь необходимо отметить прекрасные работы группы авторов из Калифорнийского университета [22,23]. Разработаны широкополосные пространственные сумматоры мощности на основе прямоугольного волновода [22] и «сверхразмерного коаксиального волновода» [23] (рисунок 4) с полосами 40-100%, числом каналов 24-32 и потерями на деление-суммирование 1.3-2.4 дБ и эффективностью суммирования мощности 70-75%. Конструкции сумматоров предусматривают непосредственную интеграцию МИС усилителей.

Рис.4. 32-канальный сумматор Х-Ku диапазона [23]

Fig.4 X-Ku-band 32-channel combiner [23]

На образцах усилителей, собранных авторами на основе указанных типов сумматоров и коммерческих МИС фирмы TriQuint Semiconductor, получены уровни мощности 60-129 Вт в диапазоне 8-11 ГГц, и 20-50 Вт в диапазоне 6-17 ГГц. Существенные результаты также получены в области квазиоптических и пространственных сумматоров миллиметрового диапазона, они более подробно рассмотрены в работе [24].

Наиболее мощные транзисторные усилители традиционно разрабатываются для передатчиков радиолокационной аппаратуры (не АФАР) S- и X-диапазонов импульсного режима. Это уникальные изделия на основе многоканальных (как правило - волноводных) суммирующих схем с импульсной выходной мощностью до 10-30 кВт [25]. Разработана конструкция транзисторного передатчика подсвета цели в Х-диапазоне [26], имеющего выходную мощность в непрерывном режиме 2 кВт при компрессии усиления 1 дБ. Передатчик построен на основе коммерческих внутрисогласованных транзисторов с мощностью 15 Вт. Использована трехступенчатая (13 - 4 - 4) волноводная схема суммирования мощности 208 усилительных модулей с общие эффективностью суммирования около 70%. Электронный КПД передатчика составил 15%.

Для наземных и бортовых передатчиков систем космической связи разработаны усилители мощности с пиковой мощностью в сотни Ватт в сантиметровом и десятки Ватт в миллиметровом диапазонах. Параметры некоторых наиболее мощных промышленных образцов таких усилителей приведены на диаграмме рисунка 5.

Рис.5. Параметры усилителей для систем связи

Fig.5 Communication amplifiers parameters

Для систем повышенной надежности разрабатываются резервированные системы, общий вид двухканального резервированного усилителя УМ5765-100Р фирмы РАДИС [27] с мощностью 100 Вт в С-диапазоне показан на рис. 6.

Рис.6. Резервированный усилитель С-диапазона

Fig.6 С-band redundant amplifier system

Широкополосные усилители высокой мощности применяются в системах радиоэлектронного подавления, системах испытаний на электромагнитную совместимость, а также в некоторых новых радиолокационных системах, использующих широкополосные сигналы или сигналы с широкоим диапазоном перестройки частоты. Строятся такие усилители на основе кристаллов дискретных широкополосных транзисторов (до С-диапазона) и на основе МИС (начиная с Х-диапазона). Параметры некоторых наиболее мощных промышленных образцов таких усилителей приведены на диаграмме рисунка 7. Вместе с развитием технологий МИС за десятилетие выходная мощность сверхширокополосных усилителей С-X-Ku-диапазонов выросла в 10-20 раз при одновременном росте КПД с 3-5% до 10-15%.

Рис.7. Параметры широкополосных усилителей

Fig.7 Wideband amplifiers parameters

При построении усилителей мощности для радиолокационных систем с АФАР основное внимание уделяется не столько выходной мощности элемента (она составляет сейчас в Х-диапазоне от 3 до 15 Вт), сколько КПД, габаритам, возможности интеграции в антенное полотно, стоимости элемента. Эти очень интересные вопросы выходят за рамки данной работы и здесь не рассматриваются.

Ближайшие годы интерес к широкополосным усилителям мощности будет нарастать в связи с активными разработками новых принципов и систем связи и локации на основе сверхширокополосных сигналов.

III. Заключение

Таким образом, проведенный анализ десятилетнего периода развития технологий, компонентов и конструкций транзисторных усилителей большой мощности сантиметрового и миллиметрового диапазонов показал высокую и устойчивую динамику роста как главного показателя качества данного типа устройств - выходной мощности (10-кратное увеличение за 10 лет), так и разнообразия применений и рынка систем, особенно в миллиметровом диапазоне. Транзисторные усилители практически вытеснили электровакуумные СВЧ приборы из мощностного диапазона 1-10 Вт, заканчивается вытеснение вакуумных приборов из ниши 10-100 Вт в сантиметровом диапазоне (кроме сверхширокополосных) и начинается наступление на диапазон 100-1000Вт, темпы которого в ближайшие годы усилятся с прохождением барьера промышленного освоения приборов на широкозонных полупроводниках.

IV. Список литературы

MICROWAVE SOLID-STATE POWER AMPLIFIERS - STATE-OF-THE-ART AND FUTURE TRENDS

A.Kistchinsky

phone: +7(495) 917-21-03

e-mail: ak@mwsystems.ru

Annotation - Considered are the world technical achievements and tendencies in the development of microwave and millimeter-wave transistor high power amplifiers, microwave transistors and MMICs.

I. Introduction

The purpose of the work is to analyze the most advanced technical parameters of high power microwave transistor amplifiers (10-100 Watt and greater) as well as the main tendencies in the development of this class of microwave devises.

II. The Main Part

The systems that have actively stimulated the development of microwave technologies include wideband millimeter-wave communication systems (LMDS and other similar systems), the wideband "third generation" (3G) mobile systems, the space communication systems (primarily VSAT), and modern radar systems based on active phased array antennas.

Modern semiconductor technologies used for producing power discrete transistors and MMICs are presented in Table 1.

One can distinguish the following tendencies in the development of traditional A₃B₅ technologies:

- gradual disappearance of MESFET technology;

- considerable decrease of the cost of devises produced in accordance with 0.25 um pHEMT-technology;

- further production development of 0.1 um InP-technologies;

Revolutionary developments are observed in the technology of devises created on the basis of widebandgap semiconductor materials (SiC и GaN) [5,6].

Data on the outcome strength of the most effective commercially available power microwave transistors are given in Fig.1.

For the last decade the MMICs output power has grown 10 times, while the price of these devises has dropped by 3 to 8 and more times. The main parameters of modern microwave MMICs are given in Fig.2.

One more important tendency is the working out of effective multichannel power combiners. Here we should mention the excellent works of a group of authors from the University of California [22, 23].

As for transmitters of space communication, amplifiers with the power of hundreds of Watt in the centimeter- and tens of Watt in the millimeter ranges have been created. Parameters of such amplifiers are presented in the diagram of Fig.5.

Parameters of broadband amplifiers are given in the diagram of Fig.7. For the last decade the output power of С-X-Ku wideband power amplifiers has increased 10 to 20 times with a simultaneous growth of PAE from 3-5% to 10-15%.

In the coming years the interest to broadband amplifiers will grow due to the newest developments of new principles and systems of communications and radars on the basis of ultrawideband signals.

Transistor amplifiers begin their attack on the power ranges of 100 to 1000 Watt, and in the nearest future this process will accelerate due to the development of widebandgap microwave semiconductors and devices.