La stragrande maggioranza dei trasmettitori radar richiede dispositivi attivi in grado di generare una potenza di uscita RF dell'ordine dei kilowatt e persino dei megawatt. I dispositivi basati su tubi a onda progressiva (TWTA) sono comunemente utilizzati per queste applicazioni. Tuttavia, questi dispositivi sono ingombranti, costosi e possono soffrire di problemi di affidabilità. Sebbene gli amplificatori basati su semiconduttori siano teoricamente più efficienti, sono stati finora limitati dalla tensione che poteva essere applicata al dispositivo a causa del campo di rottura critico intrinseco in questi materiali, che richiede correnti molto elevate e dimensioni maggiori. Il funzionamento ad alta corrente riduce l'efficienza a causa delle perdite e del fatto che i dispositivi di grandi dimensioni presentano un'elevata capacità e un'impedenza molto bassa, limitando così la frequenza operativa e la larghezza di banda [1]. La tecnologia GaN è ora in grado di offrire una soluzione a questo problema.
Gli amplificatori a stato solido stanno già sostituendo i TWTA in alcune applicazioni a microonde ad alta potenza. Tuttavia, le basse tensioni operative comportano un circuito associato molto grande, che porta a un dispositivo più complesso e riduce la resa produttiva e l'affidabilità. Le tecnologie a semiconduttore a banda proibita ampia (WBG), come il GaN, possono raggiungere densità di potenza cinque volte superiori a quelle dei transistor convenzionali a effetto di campo e a eterogiunzione bipolare in GaAs. Il vantaggio principale è la riduzione della complessità dei circuiti, l'aumento del guadagno e dell'efficienza, e una maggiore affidabilità. I sistemi radar, in particolare, trarranno beneficio dallo sviluppo di questa tecnologia.
Il GaN è il futuro.
Lo sviluppo di semiconduttori a banda proibita ampia, come il GaN o le leghe a base di GaN, offre la possibilità di realizzare dispositivi RF attivi, in particolare transistor ad alta mobilità elettronica (HEMT), con una potenza di uscita significativamente maggiore. Questo miglioramento nella potenza di uscita RF è dovuto alle proprietà speciali di questo materiale, tra cui un elevato campo di rottura, un elevato valore di saturazione EDV (velocità di deriva elettronica) e, quando si utilizzano substrati di SiC, una maggiore conduttività termica. I dati mostrati nella Tabella 1 [2] consentono un confronto tra i materiali Si, GaAs, SiC e GaN. La maggiore conduttività termica di SiC e GaN riduce l'aumento della temperatura di giunzione dovuto all'autoriscaldamento. Il campo di rottura da cinque a sei volte superiore di SiC e GaN conferisce a questi materiali un vantaggio rispetto a Si e GaAs per i dispositivi di potenza RF [2]. Il SiC è un materiale a banda proibita ampia (3,2 eV) ma ha una bassa mobilità elettronica, che ne ostacola l'uso negli amplificatori ad alta frequenza. Il SiC presenta anche dei limiti dovuti al costo elevato, alle dimensioni ridotte e alla bassa qualità dei suoi wafer.
Sebbene la mobilità dei portatori sia significativamente migliore nei dispositivi GaAs, le elevate velocità di picco e di saturazione dell'EDV nei HEMT GaN compensano la loro mobilità relativamente inferiore, consentendone l'utilizzo ad alte frequenze. Questi vantaggi del GaN, combinati con l'elevata linearità e il basso rumore delle architetture HEMT, rendono questi dispositivi adatti all'impiego nella fabbricazione di amplificatori radar ad alta potenza.
Un ulteriore vantaggio degli HEMT in GaN risiede nell'ampio disallineamento energetico tra la banda di conduzione del GaN e lo strato barriera di AlGaN. Ciò consente un significativo aumento della densità di portatori nel canale degli HEMT a base di GaN rispetto ad altri materiali (fino a 10¹³ cm⁻² e oltre). La possibilità di utilizzare tensioni più elevate aumenta ulteriormente la densità di potenza. La densità di potenza è un parametro cruciale per i dispositivi ad alta potenza, poiché una maggiore densità di potenza consente dimensioni del chip più piccole e semplifica l'adattamento ingresso/uscita. La Figura 1 mostra la rapida progressione della densità di potenza RF nel tempo per un FET (Field-Effect Transistor) in banda X in GaN.
Le elevate tensioni operative e le alte densità di potenza ottenute con i dispositivi RF a banda larga offrono numerosi vantaggi nella progettazione, fabbricazione e assemblaggio di amplificatori di potenza rispetto alle
tecnologie LDMOS (Lateral Double-Diffuse MOS) al silicio o MESFET (Metal Epitaxial Semiconductor Field-Effect Transistor) in GaAs. La tecnologia GaN HEMT offre un'elevata potenza per unità di larghezza del canale, consentendo la realizzazione di dispositivi più piccoli ed economici a parità di potenza di uscita. Ciò non solo ne semplifica la produzione, ma ne aumenta anche l'impedenza. L'elevata tensione di esercizio ottenibile con la tecnologia GaN elimina la necessità di convertitori di tensione e, di conseguenza, riduce il costo complessivo del sistema.
Il percorso è chiaro.
La Figura 2 [2] mostra un grafico della potenza di uscita in funzione della frequenza per i dispositivi a stato solido e i tubi a microonde che costituiscono lo stato dell'arte attuale. 
Storicamente, gli amplificatori a tubo, come gli amplificatori controllati da griglia, i magnetron, i klystron, i tubi a onda progressiva e gli amplificatori a campo incrociato (CFA), sono stati utilizzati come amplificatori di potenza nei trasmettitori radar. Questi amplificatori generano un'elevata potenza ma in genere operano con bassi cicli di lavoro. Gli amplificatori klystron offrono una potenza maggiore rispetto ai magnetron alle frequenze delle microonde e consentono anche l'uso di forme d'onda più complesse. I tubi a onda progressiva sono simili ai klystron ma con larghezze di banda più ampie. I CFA sono caratterizzati da ampie larghezze di banda, basso guadagno e dimensioni compatte.
Gli amplificatori di potenza a stato solido (SSPA) supportano impulsi lunghi e forme d'onda con ciclo di lavoro elevato. Sebbene gli elementi utilizzati negli amplificatori di potenza a stato solido (SSPA) abbiano individualmente una bassa amplificazione di potenza, possono essere combinati per ottenerla. I transistor bipolari al silicio, i MESFET all'arseniuro di gallio e i PHEMT all'arseniuro di gallio (HEMT pseudomorfici) sono alcuni degli elementi utilizzati negli SSPA. Gli HEMT al GaN possono essere combinati per creare un SSPA con una potenza di uscita media più elevata e, di conseguenza, una maggiore portata di rilevamento radar.
Come si può vedere nella Figura 2, i transistor a stato solido producono livelli di potenza RF inferiori a 200 watt nella banda S e la loro uscita diminuisce all'aumentare della frequenza [1]. La potenza di uscita RF dei FET al GaAs è vicina a 50 watt nella banda S e circa 1 watt nella banda Ka. La potenza di uscita dei FET al GaAs è limitata principalmente dalla bassa tensione di rottura del drain. I dispositivi a semiconduttore fabbricati con materiali con un band gap maggiore, come il GaN, offrono prestazioni significativamente migliori.
Nel tempo, sono emersi diversi parametri di merito che consentono la valutazione di vari semiconduttori con potenziale di utilizzo in applicazioni che richiedono alta potenza ad alte frequenze operative. Questi parametri di merito mirano a combinare le proprietà più rilevanti dei materiali in un unico valore qualitativo. Pertanto, il parametro di merito di Johnson (JFOM = ECR vsat/p) tiene conto del campo di rottura ECR e della saturazione EDV Vsat. Come si può vedere nella Figura 3 [3], il parametro di merito di Johnson per il GaN è almeno 15 volte superiore a quello del GaAs.
Aethercomm ritiene che, se il trend di crescita del GaN continua al ritmo attuale, le prestazioni previste degli HEMT in GaN nel 2010 saranno quelle rappresentate nella Figura 4. Il GaN supererà presto tutti i suoi concorrenti.
L'efficienza è fondamentale.
I moderni sistemi radar utilizzati in applicazioni militari richiedono nuovi requisiti per gli amplificatori di potenza RF a causa della necessità di ridurre dimensioni, peso e costi. Le principali modifiche alle specifiche si concentrano sempre più sul miglioramento dell'efficienza degli amplificatori per ridurre il fabbisogno di alimentazione CC e migliorare l'affidabilità del sistema attraverso una minore dissipazione di potenza dei componenti. I dispositivi a microonde basati su tecnologie a banda larga e ad alta efficienza aumenteranno ulteriormente le prestazioni del sistema.
La capacità parassita e l'elevata tensione di rottura dei transistor GaN HEMT li rendono ideali per il funzionamento in modalità di amplificazione ad alta efficienza di classe E e classe F. Entrambe le modalità hanno un'efficienza teorica del 100%. Recentemente, alcuni produttori di transistor GaN hanno implementato amplificatori ibridi di classe E. I risultati tipici ottenuti sono 10 watt di potenza di uscita in banda L con efficienze comprese tra l'80% e il 90%.
Aethercomm ha recentemente consegnato un modulo amplificatore di classe F per applicazioni in banda L. La potenza di uscita desiderata doveva superare i 50 watt con un'efficienza complessiva dell'amplificatore del 60%. A causa delle strette scadenze del programma, è stato necessario utilizzare transistor standard incapsulati anziché sviluppare una soluzione ibrida personalizzata.
Lo stadio finale dell'amplificatore di potenza è stato realizzato utilizzando una coppia bilanciata di transistor HEMT incapsulati in GaN operanti in classe F. Le reti di adattamento, comprese le terminazioni armoniche necessarie per il funzionamento in classe F, sono state inizialmente progettate utilizzando un modello ideale del transistor. Sono state quindi introdotte le induttanze e le capacità parassite del package del transistor e le reti di adattamento sono state modificate per mantenere le terminazioni armoniche richieste al livello del transistor considerato. Successivamente, l'amplificatore è stato simulato utilizzando un modello non lineare del transistor e le reti di adattamento sono state modificate per ottimizzare l'efficienza e la potenza.
È stato realizzato un prototipo single-ended per lo stadio di uscita in classe F. Con una messa a punto minima, sono stati ottenuti un'efficienza di drain del 75%, una potenza di uscita di 40 watt e un guadagno di 16 dB. I risultati sono stati molto simili a quelli ottenuti nella simulazione. Non essendo disponibili dispositivi GaN a bassa potenza adatti per lo stadio di pilotaggio, è stato progettato un driver a tre stadi utilizzando MESFET GaAs operanti in classe A. Inizialmente, si riteneva che gli stadi di pilotaggio dovessero operare in modalità ad alta efficienza per raggiungere l'efficienza di potenza aggiunta (PAE) richiesta; tuttavia, l'analisi ha indicato che con un dimensionamento appropriato dei transistor, era possibile operare in classe A. Il driver aveva un guadagno di 40 dB e un consumo energetico di 10 watt.
La configurazione finale dell'amplificatore di potenza aveva un PAE di picco del 63% e una potenza di uscita di 75 watt. L'amplificatore aveva una potenza di uscita di 65 watt e un PAE del 61% a P2dB. La Tabella 2 mostra le caratteristiche dell'amplificatore per diversi valori di potenza di uscita. Poiché lo stadio finale in classe F è polarizzato in soglia, senza corrente di drain, l'amplificatore offre un ampio intervallo operativo per bassi livelli di potenza. Il guadagno dell'amplificatore raggiunge un picco e poi inizia a comprimersi quando viene raggiunta la potenza di uscita massima. La Tabella 2 mostra l'efficienza di questo progetto per diversi livelli di potenza di uscita.
Aethercomm ha inoltre sviluppato un dispositivo GaN HEMT da 200 watt su un substrato di SiC progettato per massimizzare l'efficienza di potenza (PAE) e mantenere un'elevata potenza di uscita per una frequenza operativa da 1215 MHz a 1390 MHz. Sono state osservate efficienze superiori al 56% mantenendo livelli di potenza di uscita superiori a 205 watt a P3dB.
Molti amplificatori di potenza a stato solido (SSPA) per applicazioni radar sono progettati con dispositivi a semiconduttore RF configurati per operare in classe C. Questa forma di polarizzazione fornisce un funzionamento molto efficiente per uno stadio a singolo transistor; tuttavia, il transistor in classe C ha un guadagno così basso, tipicamente 6 dB, che il vantaggio in termini di efficienza viene perso perché sono necessari molti stadi di guadagno aggiuntivi per raggiungere la potenza di uscita desiderata.
Conclusione:
I futuri sistemi radar, come quelli basati su radar a schiera di fase attiva, richiederanno sempre più amplificatori sensore-sensore (SSPA) più efficienti e di dimensioni ridotte. L'esigenza di scansioni estremamente rapide, portate di rilevamento maggiori, la capacità di localizzare e tracciare un gran numero di bersagli, una bassa probabilità di intercettazione e la capacità di funzionare come disturbatore richiederanno tecnologie a transistor innovative ed economicamente vantaggiose. I recenti sviluppi nel campo dei transistor GaN HEMT (High-Efficiency Microwave Transistors) hanno reso possibile la progettazione di amplificatori ad alta efficienza alle frequenze delle microonde. I GaN HEMT offrono un'elevata corrente di picco con una bassa capacità di uscita, nonché una tensione di rottura e una densità di potenza estremamente elevate. Questa combinazione unica di caratteristiche consente ai progettisti di realizzare amplificatori con prestazioni complessive di gran lunga superiori a quelle ottenute con dispositivi basati su tecnologie alternative attualmente disponibili.
Maggiori informazioni o un preventivo
Riferimenti
[1] RJ Trew, “Amplificatori a transistor a banda larga per applicazioni di potenza a microonde e radar con prestazioni migliorate”, 15a
Conferenza internazionale su microonde, radar e comunicazioni wireless, MIKON 2004, Volume 1, 17-19 maggio 2004 Pagine: 18-23 Vol. 1.
[2] CE Weitzel, “Dispositivi di potenza RF per comunicazioni wireless”, IEEE MTT-s Digest, Volume 1, 2-7 giugno 2002 Pagine: 285-288.
[3] T. Kikkawa, K. Imanishi, M. Kanamura e K. Joshin, “Recenti progressi di GaN-HEMT altamente affidabili per la produzione di massa”, Conferenza CS MANTECH, 24-27 aprile 2006 Pagine: 171-174.
Dipartimento Tecnico di Altaix Electronics, SAL.
