La grande majorité des émetteurs radar nécessitent des dispositifs actifs capables de générer une puissance de sortie RF de l'ordre du kilowatt, voire du mégawatt. Les dispositifs à tube à ondes progressives (TWTA) sont couramment utilisés pour ces applications. Cependant, ces dispositifs sont volumineux, coûteux et peuvent présenter des problèmes de fiabilité. Bien que les amplificateurs à semi-conducteurs soient théoriquement plus efficaces, leur rendement était jusqu'à présent limité par la tension applicable, en raison du champ de claquage critique inhérent à ces matériaux. Ceci impose un courant très élevé et une taille plus importante. Un fonctionnement à courant élevé diminue le rendement en raison des pertes et du fait que les dispositifs de grande taille présentent une capacité élevée et une impédance très faible, limitant ainsi la fréquence de fonctionnement et la bande passante [1]. La technologie GaN offre désormais une solution à ce problème.
Les amplificateurs à semi-conducteurs remplacent déjà les TWTA dans certaines applications micro-ondes de forte puissance. Toutefois, les faibles tensions de fonctionnement engendrent un circuit associé très volumineux, ce qui complexifie le dispositif et réduit le rendement de production et la fiabilité. Les technologies semi-conductrices à large bande interdite (WBG), telles que le GaN, permettent d'atteindre des densités de puissance cinq fois supérieures à celles des transistors à effet de champ et des transistors bipolaires à hétérojonction GaAs classiques. L'avantage principal réside dans la simplification des circuits, l'augmentation du gain et du rendement, ainsi que dans une fiabilité accrue. Les systèmes radar, notamment, bénéficieront du développement de cette technologie.
Le GaN représente l'avenir.
Le développement de semi-conducteurs à large bande interdite, tels que le GaN ou ses alliages, ouvre la voie à la fabrication de dispositifs RF actifs, notamment des transistors à haute mobilité électronique (HEMT), avec une puissance de sortie nettement supérieure. Cette amélioration de la puissance RF est due aux propriétés spécifiques de ce matériau, notamment un champ de claquage élevé, une valeur de saturation élevée de la vitesse de dérive des électrons (EDV) et, avec des substrats en SiC, une conductivité thermique supérieure. Les données du tableau 1 [2] permettent de comparer les matériaux Si, GaAs, SiC et GaN. La conductivité thermique plus élevée du SiC et du GaN réduit l'élévation de température de jonction due à l'auto-échauffement. Le champ de claquage cinq à six fois supérieur du SiC et du GaN confère à ces matériaux un avantage sur le Si et le GaAs pour les dispositifs de puissance RF [2]. Le SiC est un matériau à large bande interdite (3,2 eV), mais sa faible mobilité électronique limite son utilisation dans les amplificateurs haute fréquence. Le SiC présente également des limitations dues au coût élevé, à la petite taille et à la faible qualité de ses plaquettes.
Bien que la mobilité des porteurs soit nettement supérieure dans les dispositifs GaAs, les vitesses de crête et de saturation élevées de la diode électroluminescente (EDV) dans les transistors HEMT GaN compensent leur mobilité relativement plus faible, permettant leur utilisation à hautes fréquences. Ces avantages du GaN, combinés à la linéarité élevée et au faible bruit des architectures HEMT, rendent ces dispositifs particulièrement adaptés à la fabrication d'amplificateurs radar de forte puissance.
Un avantage supplémentaire des transistors HEMT à base de GaN réside dans le fort décalage énergétique entre la bande de conduction du GaN et la couche barrière d'AlGaN. Ceci permet une augmentation significative de la densité de porteurs dans le canal des HEMT à base de GaN par rapport à d'autres matériaux (jusqu'à 10¹³ cm⁻² et plus). La possibilité d'utiliser des tensions plus élevées accroît encore la densité de puissance. La densité de puissance est un paramètre crucial pour les dispositifs de forte puissance, car une densité de puissance plus élevée permet de réduire la taille des puces et simplifie l'adaptation d'impédance entrée/sortie. La figure 1 illustre la progression rapide de la densité de puissance RF au fil du temps pour un transistor à effet de champ (FET) à bande X en GaN.
Les tensions de fonctionnement et les densités de puissance élevées obtenues avec les dispositifs RF à large bande offrent de nombreux avantages pour la conception, la fabrication et l'assemblage des amplificateurs de puissance, comparativement aux
technologies LDMOS (MOS à double diffusion latérale) en silicium ou MESFET (transistor à effet de champ à semi-conducteur épitaxié métal) en GaAs. La technologie GaN HEMT offre une puissance élevée par unité de largeur de canal, ce qui permet de concevoir des dispositifs plus petits et plus économiques pour une même puissance de sortie. Outre la simplification de leur fabrication, elle augmente également leur impédance. La tension de fonctionnement élevée permise par la technologie GaN élimine le besoin de convertisseurs de tension et réduit ainsi le coût global du système.
La voie est claire.
La figure 2 [2] présente un graphique de la puissance de sortie en fonction de la fréquence pour les dispositifs à semi-conducteurs et les tubes à micro-ondes qui constituent l'état de l'art actuel. 
Historiquement, les amplificateurs à tubes, tels que les amplificateurs commandés par grille, les magnétrons, les klystrons, les tubes à ondes progressives et les amplificateurs à champ croisé (ACC), ont été utilisés comme amplificateurs de puissance dans les émetteurs radar. Ces amplificateurs génèrent une puissance élevée, mais fonctionnent généralement avec un faible rapport cyclique. Les amplificateurs à klystron offrent une puissance supérieure à celle des magnétrons aux fréquences micro-ondes et permettent également l'utilisation de formes d'onde plus complexes. Les tubes à ondes progressives sont similaires aux klystrons, mais avec une bande passante plus large. Les ACC se caractérisent par leur large bande passante, leur faible gain et leur taille compacte.
Les amplificateurs de puissance à semi-conducteurs (APS) supportent les impulsions longues et les formes d'onde à rapport cyclique élevé. Bien que les éléments utilisés dans les APS aient individuellement une faible amplification de puissance, ils peuvent être combinés pour l'atteindre. Les transistors bipolaires au silicium, les MESFET à l'arséniure de gallium et les PHEMT à l'arséniure de gallium (HEMT pseudomorphes) font partie des composants utilisés dans les
à semi-conducteurs (SSPA). L'association de HEMT en GaN permet de créer un SSPA offrant une puissance de sortie moyenne plus élevée et, par conséquent, une portée de détection radar accrue. Comme illustré sur la figure 2, les transistors à semi-conducteurs produisent des niveaux de puissance RF inférieurs à 200 watts en bande S, et leur puissance diminue avec l'augmentation de la fréquence [1]. La puissance de sortie RF des FET en GaAs est proche de 50 watts en bande S et d'environ 1 watt en bande Ka. Cette puissance est principalement limitée par la faible tension de claquage du drain. Les dispositifs semi-conducteurs fabriqués à partir de matériaux à bande interdite plus large, tels que le GaN, offrent des performances nettement supérieures.
Différents critères d'évaluation ont émergé, permettant d'analyser divers semi-conducteurs susceptibles d'être utilisés dans des applications exigeant une puissance élevée à hautes fréquences de fonctionnement. Ces facteurs de mérite visent à combiner les propriétés les plus pertinentes des matériaux en une seule valeur qualitative. Ainsi, le facteur de mérite de Johnson (JFOM = ECR vsat/p) prend en compte le champ de claquage ECR et la tension de saturation EDV Vsat. Comme le montre la figure 3 [3], le facteur de mérite de Johnson pour le GaN est au moins 15 fois supérieur à celui du GaAs.
Aethercomm estime que si la croissance du GaN se poursuit au rythme actuel, les performances attendues des HEMT GaN en 2010 seront celles représentées sur la figure 4. Le GaN surpassera bientôt tous ses concurrents.
L'efficacité est primordiale.
Les systèmes radar modernes utilisés dans les applications militaires imposent de nouvelles exigences aux amplificateurs de puissance RF, en raison de la nécessité de réduire leur taille, leur poids et leur coût. Les principales évolutions des spécifications visent de plus en plus à améliorer le rendement des amplificateurs afin de réduire la consommation d'énergie CC et d'améliorer la fiabilité du système grâce à une dissipation de puissance moindre des composants. Les dispositifs micro-ondes basés sur des technologies à large bande interdite et à haut rendement permettront d'accroître encore
La capacité parasite et la tension de claquage élevée des transistors HEMT GaN les rendent idéaux pour un fonctionnement en modes d'amplification de classe E et de classe F à haut rendement. Ces deux modes présentent un rendement théorique de 100 %. Récemment, certains fabricants de transistors GaN ont mis en œuvre des amplificateurs hybrides de classe E. Les résultats typiques obtenus sont une puissance de sortie de 10 watts en bande L avec des rendements compris entre 80 % et 90 %.
Aethercomm a récemment livré un module amplificateur de classe F pour les applications en bande L. La puissance de sortie souhaitée devait dépasser 50 watts avec un rendement global de l'amplificateur de 60 %. En raison des délais serrés du programme, il a été nécessaire d'utiliser des transistors standard plutôt que de développer une solution hybride sur mesure.
L'étage final de l'amplificateur de puissance a été réalisé à l'aide d'une paire équilibrée de transistors HEMT encapsulés dans du GaN fonctionnant en classe F. Les réseaux d'adaptation, incluant les terminaisons harmoniques nécessaires au fonctionnement en classe F, ont été initialement conçus à partir d'un modèle de transistor idéal. Les inductances et capacités parasites du boîtier du transistor ont ensuite été introduites, et les réseaux d'adaptation ont été modifiés afin de maintenir les terminaisons harmoniques requises au niveau du transistor considéré. Par la suite, l'amplificateur a été simulé à l'aide d'un modèle de transistor non linéaire, et les réseaux d'adaptation ont été modifiés pour optimiser le rendement et la puissance.
Un prototype asymétrique a été construit pour l'étage de sortie en classe F. Un rendement de drain de 75 %, une puissance de sortie de 40 watts et un gain de 16 dB ont été obtenus avec un réglage minimal. Les résultats étaient très similaires à ceux obtenus par simulation. Des dispositifs GaN basse consommation adaptés n'étant pas disponibles pour l'étage de commande, un étage de commande à trois étages a été conçu à l'aide de MESFET GaAs fonctionnant en classe A. Initialement, on pensait que les étages de commande devaient fonctionner en mode haut rendement pour atteindre le rendement d'amplification de puissance (PAE) requis. L'analyse a toutefois indiqué qu'avec un dimensionnement approprié des transistors, un fonctionnement en classe A était possible. Le circuit de commande présentait un gain de 40 dB et une consommation de 10 watts.
La configuration finale de l'amplificateur de puissance affichait un rendement d'amplification de puissance (PAE) maximal de 63 % et une puissance de sortie de 75 watts. L'amplificateur délivrait une puissance de sortie de 65 watts et un PAE de 61 % à P2dB. Le tableau 2 présente les caractéristiques de l'amplificateur pour différentes valeurs de puissance de sortie. L'étage final de classe F étant polarisé par seuil, sans courant de drain, l'amplificateur offre une large plage de fonctionnement à faible puissance. Le gain de l'amplificateur atteint un pic, puis diminue lorsque la puissance de sortie maximale est atteinte. Le tableau 2 présente le rendement de cette conception pour différents niveaux de puissance de sortie.
Aethercomm a également développé un transistor HEMT GaN de 200 watts sur substrat SiC, conçu pour maximiser le PAE et maintenir une puissance de sortie élevée pour une fréquence de fonctionnement de 1215 MHz à 1390 MHz. Des rendements supérieurs à 56 % ont été observés tout en maintenant des niveaux de puissance de sortie supérieurs à 205 watts à P3dB.
De nombreux amplificateurs de puissance à semi-conducteurs (SSPA) destinés aux applications radar sont conçus avec des dispositifs semi-conducteurs RF configurés pour fonctionner en classe C. Ce type de polarisation offre un fonctionnement très efficace pour un étage à transistor unique ; cependant, le transistor de classe C présente un gain si faible, typiquement de 6 dB, que l’avantage en termes de rendement est annulé, car de nombreux étages de gain supplémentaires sont nécessaires pour atteindre la puissance de sortie souhaitée.
Conclusion :
Les futurs systèmes radar, tels que ceux basés sur le radar à antenne active à réseau de phase, nécessiteront de plus en plus d’amplificateurs de capteur (SSPA) plus performants et plus compacts. La nécessité d’effectuer des balayages extrêmement rapides, d’accroître la portée de détection, de localiser et de suivre un grand nombre de cibles, de minimiser la probabilité d’interception et de pouvoir servir de brouilleur exigera une technologie de transistors innovante et économique. Les récents progrès dans le domaine des transistors HEMT GaN (transistors micro-ondes à haut rendement) ont permis de concevoir des amplificateurs à haut rendement fonctionnant aux fréquences micro-ondes. Les HEMT GaN offrent un courant de crête élevé avec une faible capacité de sortie, ainsi qu’une tension de claquage et une densité de puissance extrêmement élevées. Cette combinaison unique de caractéristiques permet aux concepteurs de réaliser des amplificateurs aux performances globales bien supérieures à celles obtenues avec des dispositifs basés sur les technologies alternatives actuellement disponibles.
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Références
[1] RJ Trew, « Amplificateurs à transistors à large bande interdite pour des applications de puissance micro-ondes et radar aux performances améliorées », 15e
Conférence internationale sur les micro-ondes, le radar et les communications sans fil, MIKON 2004, vol. 1, 17-19 mai 2004, p. 18-23.
[2] CE Weitzel, « Dispositifs de puissance RF pour les communications sans fil », IEEE MTT-s Digest, vol. 1, 2-7 juin 2002, p. 285-288.
[3] T. Kikkawa, K. Imanishi, M. Kanamura et K. Joshin, « Progrès récents des transistors GaN-HEMT haute fiabilité pour la production de masse », Conférence CS MANTECH, 24-27 avril 2006, p. 171-174.
Département technique d'Altaix Electronics, SAL.
