GaN-on-SiC mikrohullámú erősítő IC-k
katonai műhold, radar és 5G teljesítményerősítő eszközökben
A félvezetők hőskorában csak az elemi (Si vagy Ge) monokristály-alapanyagok tűntek alkalmasnak félvezető-alkatrészek gyártására. Azóta kiderült, hogy alkalmasan megválasztott ötvözetek is használhatók erre, amelyekből ráadásul az elődeik képességeit messze meghaladó termékek készíthetők. Erre példa a GaN-alapanyag, amely számos értékes tulajdonsággal szolgálja a repülési, űrtechnikai és védelmi iparág extrém igényeit.
A repülési, űripari és védelmi eszközök fejlesztőinek olyan RF-teljesítményerősítőkre van szükségük, amelyek a ma elterjedt eszközöknél sokkal jobb teljesítőképességet nyújtanak az olyan létező és fejlesztés alatt álló alkalmazásokban, mint a védelmi célú 5G- és műholdas kommunikációs berendezések. A rendszerek nagyobb erősítésű megoldásokat igényelnek az eszközök árának, bonyolultságának, méretének vagy tömegének növekedése nélkül. Ahogy a rendszerek egyre magasabb rendű modulációs sémák alkalmazása felé tolódnak el, amelyek még érzékenyebbek a nemlineáris torzításokra, ezt megfelelő linearitású és hatásfokú eszközökkel kell követni. A kártyaméret csökkentése egy másik kritikus szempont a csúcs- és az átlagteljesítmény-arány (Peak-to Average Power Ratio – PAPR) kihívást jelentő körülményei miatt.
A galliumnitrid (GaN) alapanyagú monolitikus mikrohullámú integrált áramkörök (Monolithic Microwave Integrated Circuits – MMIC) formájában kivitelezett teljesítményerősítők egy lehetséges megoldást kínálnak ezekre a kihívásokra, amelyek rendkívüli módon megnehezítik az 5G-hálózati technológia meghonosítását a „harctéri” és „hátországi” alkalmazásokban egyaránt a kihasználatlan milliméterhullámú (mmWave) sávokban, amelyek kevéssé sebezhetők a nagy teljesítményű zavarójelek által.
Új alkalmazások szigorú követelményekkel
A repülés- és űrtechnológiai, valamint a védelmi szektorban az RF-teljesítményerősítők legnagyobb kihívásait és alkalmazási lehetőségeit a műholdas kommunikáció és a radarrendszerek területe jelenti, de ehhez hasonló jelentőségű a fejlődőben levő 5G-kommunikációs megoldások terjedése az éles katonai és civil alkalmazásokban.
Jó példa erre, hogy a NASA lehetővé tette a magánvállalkozói szféra számára, hogy kis pályamagasságú (Low-Earth Orbit – LEO) műholdak ezreit állítsák szolgálatba, amelyek most a Föld körül keringve nyújtanak szélessávú internetelérést, navigációs megoldásokat, tengeri megfigyelést, távérzékelést és más szolgáltatásokat. Az új típusú radarrendszerek iránt is egyre nagyobb az igény (1. ábra). Az ilyen radarrendszerekre példa az az alkalmazás, amely figyelmezteti a pilótákat az ellenséges és idegen radartevékenységre, és a célok „barát vagy ellenség” (Friend or Foe) jelzéssel történő „kiszínezésére” a radarképernyőkön. Ezeket elsődleges vagy másodlagos radareszközöknél is meg lehet valósítani. Egy „elsődleges” radar impulzusszerű RF-hullámokat bocsát ki és a visszavert jeleket használja arra, hogy célokat kövessen, emberi tevékenységet vagy időjárási jelenségeket figyeljen meg. Ezzel szemben a „másodlagos” radarrendszer egyetlen RF-frekvencián bocsát ki jeleket, amelyeket egy antenna fog fel, majd a rendszer dekódolja, végül pedig válaszol arra egy másik frekvencián. Azonkívül, hogy ezzel „barát-ellenség azonosítás” végezhető az 1030 és 1090 MHz-es sávban, a másodlagos radarok távolságmérő berendezésként is alkalmazhatók a 960 és 1090 MHz frekvencián, továbbá általános célú kommunikációt valósíthatnak meg a válaszjeladók (transzponderek) útján.
1. ábra RF-teljesítményerősítő alkalmazások a katonai kommunikációban a műholdas távközléstől és taktikai platformokon és terminálokon, az akusztikai és optikai platformokon, a kommunikációs infrastruktúrákon és a hálózati adatbiztonságon át a titkosító rendszerekig, a célfelderítő radarokig és zavaró rendszerekig
RF-teljesítményerősítők szükségesek az új generációs, mmWave 5G-kommunikációs megoldásokhoz is, amelyek sebességük révén ultranagy sávszélességet és alacsony latenciaidőt tesznek lehetővé a szélessávú kommunikációban. Ez alapvető meghatározója annak az átvihető információmennyiségnek, amelyen a valós idejű döntéshozatal és más katonai alkalmazások alapulnak. A nagy sávszélességet igénylő 5G-rendszerek sebezhetőek a nagy teljesítményű zavarójelek által, de a zavaróknak most át kell költözniük a milliméterhullámú tartományba ezeknek a rövid hatótávolságú, 5G-alapú rendszereknek a támadásához. A példák között említhetjük a harctéri szenzorhálózatokat, amelyek a parancsnoki és irányító rendszerek részére gyűjtenek adatokat, továbbá azokat a kiterjesztett valóságú (Augmented Reality) megjelenítőket, amelyek megnövelik a helyzetfüggő tájékoztatás képességét a pilóták és a felszínen harcoló katonák számára. Az 5G-megoldások ezenkívül virtuális valóságú megjelenítéssel támogathatják a távvezérelt légi, szárazföldi és tengeri harcjárművek operátorait. A harctértől távol az 5G változatos lehetőségeket nyit az okosraktárak, a távgyógyítás és a csapatszállítás alkalmazásaiban.
Mindezek az alkalmazások jóminőségű RF-teljesítményerősítési megoldásokat igényelnek annak érdekében, hogy eleget tudjanak tenni a video és a szélessávú adatforgalom igényeinek. Az RF-teljesítményerősítők gyártóinak meg kell találniuk az egyensúlyt a számos, ellentmondásos követelmény kielégítéséhez annak érdekében, hogy megnövelt teljesítőképességet és minőséget biztosíthassanak az átviteli út egyik végétől a másikig.
Az RF-teljesítményerősítők követelményei alkalmazásfüggők
A védelmi, repülési és űrtechnikai alkalmazások különféle frekvenciasávokat használnak (2. ábra).
2. ábra Katonai és 5G-alkalmazásokra fenntartott frekvenciasávok
Az alacsony pályamagasságú és a geoszinkron műholdak kommunikációjára a 12 és 40 GHz közötti K-sáv használatos. A barát-ellenség azonosításra, távolságmérésre, követésre és megfigyelésre használt radarrendszerek az 1 és 2 GHz közötti L-sávban működnek. Az S-sáv (2 GHz-től 4 GHz-ig) a szelektíven válaszoló, S-üzemmódú, valamint az időjárási radarrendszerek számára van fenntartva. A repülőgépek fedélzeti radarjai és időjárási radarjai a 8 GHz-től 12 GHz-ig terjedő X-sávot használják, míg a C-sáv (4 GHz-től 8 GHz-ig) az 5G és más, 7 GHz alatti kommunikációs alkalmazások céljára használatos. A legnagyobb sávszélességű és adatsebességű, mmWave 5G a 24 GHz-től felfelé terjedő sávot foglalja el.
Minden alkalmazásnak sajátos igényei vannak. Például az 5G-alkalmazások egyik legfontosabb minőségjellemző adata a teljesítményerősítő lineáris üzemmódú kimenőteljesítménye. A teljesítménysűrűségnek széles frekvenciatartományokon át a lehető legmagasabbnak kell lennie. Az 1. táblázat mutatja azokat a minőségjellemzőket, amelyek a repülési, űrrepülési és védelmi alkalmazások jelenlegi és jövőbeni igényei szempontjából kulcsfontosságúak.
A teljesítményerősítőkkel szemben az egyik legnagyobb követelmény az, hogy a lineáris tartományukban, azaz minimális (nemlineáris) jeltorzítással kell működniük. Ez azonban növeli a bonyolultságot, a költségeket, a méretet és a tömeget, mivel több erősítőfokozatra van szükség az ebben a régióban erősítőfokozatonként elérhető kisebb RF kimeneti teljesítményerősítés ellensúlyozására. Ám még az ilyen megoldásnál is keletkezhet valamilyen torzítás az erősítési folyamat során.
1. táblázat Katonai minősítésű alkatrészek legfontosabb minőségi jellemzői a műholdas, radar- és 5G-rendszerekben
Az AM/AM- és AM/PM-torzításként is ismeretes paraméter leírja a kimeneti jel fázisváltozását az egységnyi bemenőteljesítményre vonatkoztatva. Ennek okozója gyakran a teljesítményerősítőben használt kondenzátorok nemlineáris jelleggörbéje. Ez akkor válik kritikussá, ha a teljesítményerősítőt a telítés közelében vagy azon túl vezéreljük ki az átalakítás hatásfokának megnövelése érdekében, és olyan nagy teljesítményt állítunk elő vele, amekkora csak lehetséges. Ez nemlineáris üzemmódú működésre vezet, amelynek következtében a jelet „összenyomja” vagy „megvágja”, azaz a növekedése már nem arányos többé a bemeneti teljesítmény növekedésével. Ennek elkerülésére bizonyos kompenzációs módszereket, például digitális előtorzítást használnak.
A fejlesztők a torzítás egy másik jellegzetes megvalósulásával is szembesülnek, amely főként a magasabb rendszámú modulációs eljárásokat alkalmazó műholdas kommunikációs rendszerekben jelent problémát. Ide tartozik a 64/128/256 rendszámú kvadratúra amplitúdómoduláció (QAM), amely rendkívül érzékeny a nemlineáris viselkedésre a feldolgozási jelút mentén. Kihívást jelent az elegendő PAPR-adat (Peak-to-Average Power Ratio), azaz a csúcsteljesítmény és az átlagteljesítmény aránya. Ez mutatja meg a teljesítményerősítő kimeneti teljesítményének elérhető legmagasabb értékét, amit egy adott átlagteljesítmény mellett még előállítani képes. A PAPR az időegység alatt átvihető adatmennyiségtől függ, ezért az átlagteljesítménnyel arányos. Ugyanakkor az ehhez szükséges teljesítményerősítőt elsősorban a kimeneti csúcsteljesítményre kell méretezni.
Ezeknek és más, hasonlóan ellentmondásos követelményeknek jelenleg csak a galliumnitrid (GaN) alapanyagú, monolitikus mikrohullámú integrált áramkörös (MMIC) kivitelű teljesítményerősítők képesek megfelelni, kiváltképpen a műholdas és 5G-alkalmazásokban.
A GaN MMIC teljesítményerősítők előnyei a Ka-sávban működő távközlési műholdas alkalmazásokban
A jelenkor legtöbb alacsony pályamagasságú (LEO) műholdja a 27,5-től 31 GHz-ig terjedő Ka-sávot használja, amely a leginkább védett a video- és más adatintenzív alkalmazások okozta adatforgalmi torlódások hatásával szemben.
Ezeken a frekvenciákon hagyományosan haladóhullámú elektroncsöveket (Travelling Wave Tube – TWT) használnak teljesítményerősítésre. Ezekkel szemben a GaN alkalmazása magasabb hatásfokot tesz lehetővé, és lényegesen alacsonyabb üzemi feszültségek szükségesek a működtetéséhez. A GaN ideális megoldást jelent a geoszinkron pályán működő műholdaknál is, mivel a GaN természetes alaptulajdonsága a sugárzástűrő képesség. A GaN-alapú teljesítményerősítők lényegesen kisebbek a haladóhullámú elektroncsöveknél, és azoknál jobban megfelelnek az aktív fázisvezérelt antennaegységek követelményeinek. A GaN-erősítőkben nincs továbbá szükség bonyolult és nehézkes, nagy teljesítményű sávkombináló (power combiner) eszközökre. A GaN-eszközök a gallium-arzenid (GaAs) megoldásoknál nagyobb RF-teljesítményt képesek leadni kisebb helyszükséglet mellett, miközben magasabb feszültségszinteken működnek.
A GaN MMIC teljesítményerősítők előnyei katonai 5G-hálózatokban
A mmWave 24 GHz-től 100 GHz-ig terjedő frekvenciaspektruma sokkal kevésbé zsúfolt az alacsonyabb frekvenciájú sávoknál, amelyeknek a TV-, a rádió és a 800 MHz-től 3000 MHz-ig terjedő sávban ma is működő 4G LTE-hálózatok forgalmával kell együttélniük. Minél magasabb az alkalmazott frekvencia, annál több adat átvitelére lehet igénybe venni (bár egyre kisebb lefedettségi területen belül). Ezért olyan nagy a katonai alkalmazások igénye erre a sávra az új generációs, rövid hatótávolságú 5G-alapú rendszereik céljára. A mmWave-sáv alkalmas arra, hogy megnövelje az adatsávszélességet kisebb, de sűrűn betelepített harctéri és az attól távolabbi adathálózat-alkalmazások esetén.
A GaN képes kiterjeszteni az 5G New Radio (NR) femto- és pikocella-alapú bázisállomások lehetőségeit a katonai alkalmazások kiszolgálásához a mmWave-sávokra is, ahol ezek képesek a szükséges sávszélességet és adatsebességet biztosítani.
A laterális diffúzióval gyártott MOS-tranzisztorok (LDMOS) képességei nem elégségesek a 3,5 GHz-nél magasabb frekvenciájú alkalmazásokhoz, a GaAs pedig nem képes elegendően nagy teljesítményt előállítani a mmWave-sávban, legalábbis elfogadható csipfelületen belül. A GaN-alapanyag adja a megfelelő egyensúlyt a magas frekvencia és a nagy teljesítmény, a nagy sávszélesség és a megkövetelt termikus tulajdonságok, az erősítés, az alacsony latenciaidő és a nagysebességű kapcsolás ellentmondásos követelményrendszerében.
Ahhoz, hogy a GaN MMIC-teljesítményerősítők valóra tudják váltani ezeket az ígéretes képességeket, szilíciumkarbid (SiC) hordozólemezre (szubsztrátumra) kell azokat felépíteni ahhoz, hogy annak a szilíciumszeletekét (waferekét) meghaladó hővezető képességével elegendően nagy teljesítménysűrűség legyen elérhető.
A SiC-szubsztrátum használatának hatásai
A SiC-alapanyagú hordozólemez megnöveli a GaN MMIC-teljesítményerősítőkkel elérhető teljesítménysűrűséget, mivel sokkal jobb a hővezető képessége annál, amit a Si-waferekkel lehetne elérni. További előnyt jelent a magasabb kihozatalú (alacsonyabb selejtarányú) szeletgyártás, mivel a SiC kristályrácsszerkezete jobban illeszkedik a GaN-monokristályéhoz, ezért az LDMOS-technológiához viszonyítva 20%-kal kisebb méretű tokozatok valósíthatók meg, ráadásul jobb hatékonyságú tulajdonságokkal. A légköri és űrrepülési rendszerek ezáltal optimális kombinációját adják a nagy teljesítménysűrűségnek, a gyártás kihozatalának, a kisebb NyÁK-helyigénynek, a lehető legjobb energiaellátásnak, a kiváló hatásfoknak és a nagyfeszültségű működés támogatásának egy olyan működési megbízhatósággal és tartóssággal együtt, amely legalább egymillió üzemórányi élettartamot ígér 255 °C réteghőmérséklet mellett.
Az alkatrészgyártók a GaN MMIC-teljesítményerősítőket többféle üzemi frekvenciára optimalizált kivitelben, és számos tokozási változatban állítják elő a tokozatlan csipektől a tokozott MMIC-teljesítményerősítőkig. Ezek az ajánlatok – a komplementer, diszkrét, nagy elektronmozgékonyságú tranzisztorokkal (High Electron Mobility Transistor – HEMT) és más alkatrészekkel kiegészítve – új tervezési lehetőségeket nyitnak meg a katonai rendszerek fejlesztői előtt annak érdekében, hogy megfeleljenek a radarrendszerek következő generációja, a műholdas kommunikáció és a mmWave 5G-hálózatok által támasztott különleges követelményeknek. A GaN MMIC-teljesítményerősítők segítenek eleget tenni azoknak a komoly kihívásoknak, amelyek a magasabb rendszámú modulációs rendszerek linearitási és hatásfok-követelményeiből erednek, és lehetővé teszik, hogy a fejlesztők elkerülhessék a GaAs-, az LDMOS- és a TWT-alapú megoldások buktatóit, elérhessék a kívánatos magasabb erősítési szintet a repülés- és űrtechnika, valamint a védelmi alkalmazások terén anélkül, hogy kompromisszumokat kellene kötniük a költség, a méret, a tömeg, a bonyolultság vagy a PAPR-követelmények területén.
Szerzők: Michael Ziehl – marketingigazgató és
Baljit Chandhoke – termékmenedzser, Microchip Technolog, Inc.
