Millimeter-Wave Amplification için GaN Teknolojisine Giriş
Gallium Nide (GaN) radyo frekansı (RF) güç amplifikasyonu için dönüştürücü yarı iletken bir malzeme olarak ortaya çıktı, özellikle de milimetre- dalga (mWave) frekans grupları (30-300) 5G ve gelecekteki 6G ağlarına doğru iten, kompakt, yüksek verimsiz radar ve uydu sistemleri için ihtiyaç ile birlikte, yüksek gerilimin benimsenmesini hızlandırdı. Geleneksel silikon (Simpozisyon arsenide (GaAs) veya galyon arsenide (GaN) cihazlarının aksine, GaN, yüksek elektronun eşsiz bir kombinasyonunu sunar.
Millimeter- dalga uygulamaları talep eden gereksinimleri ortadan kaldırır: yüksek çıkış gücü (kırık tüpleri) ve birçok sistemde karmaşık modlu dalgalar için lineer olmayan yükselteçler için lineer stabiliteler.Bu makale, GaN yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte transistörlüğün (HEMT) hızlanması ve bu efektdeki etkilerin değiştirilmesi için liderdir.
Arka plan: GaN Material Properties and RF Ampl Evolution
GaN'nin geniş bantgap doğrudan yüksek kritik bir elektrik alanına (yaklaşık 3.3 MV /cm ile 0,4 MV / cm'ye karşı 0,5 MV / cm'ye karşı, GaN'nin mükemmel ısı iletkenliği (PoC substratları üzerinde büyüme) ve iki boyutlu yüksek taşıyıcıda yüksek taşıyıcıya kıyasla yüksek derecede yüksek güç yoğunluğu sağlar.
Erken GaN RF amplifikleri (2000'ler) radar için L- ve S-bandları hedef aldı. 2010'lar boyunca, 100 mm'de epit aksiyel büyüme ve 150 mm SiC substratları ile birlikte, kapı mühendisliğinde (örneğin, T-gates, alan plakaları), Ka-band'a (iki-grup) ve K-band (18-27 GHz'ye doğru) uygulandı.
GaN RF Amplifier Teknolojisindeki Son Gelişmeler
Cihaz Kumaşı ve Epit aksiyel İnovasyonlar
Modern GaN HEMT'ler ince ([Dönetici:0)[Dönemli ve f)MAX[Dönemli: 400 GHz'nin üzerinde) ve alt yüzey uygulamaları için uygun hale getirir.
Reliability ayrıca daha iyi geçiş teknikleri ile geliştirilmiştir. Silikon nitride (Si))) ve Al) [Döneticileri [Dönder) [Düzücükler, geçişleri azaltıp, baskı altında baskı yapan kapı aksanmadan baskıya maruz kalanlar.
Gelişmiş Termal Yönetim Çözümleri Çözümleri
GaN yükselteçleri daha küçük ölmeye daha fazla güç toplarken, termal dağıtım, 200 °C'nin üzerindeki kritik bir şişenck. Junction sıcaklıklar performans ve güvenilirlik gösterebilir. Key termal yönetim ilerlemeleri şunları içerir:
- [FONT=0)Diamond substrat entegrasyonu: [Dönetici elması üzerinde GaN Büyütüp;1500 W/m·K) SiC substratlarına kıyasla 3 × ısı direnci azaltır.
- [FONT:0)Mily kanal soğutma:[Dönetici:0)[Döneticileri doğrudan SiC substratına dönüştürmek, sıvı soğutmayı sağlar, 10 W/mm’yi aşan güç kesintilerine izin verir.
- [FONT:0) Heterogeneous substratı bağını:) GaN HEMT tabakasını inceler ve yüksek-terminant taşıyıcılara (örneğin, bakır veya elmas) bağlanır.
- [FONT:0] ⁇ diziler aracılığıyla:[Döneticiler, alt tabakalar (TSV) ile dolu, altın veya bakır ile dolu, ısıtıcı yollara düşük ısı direnci sağlar.
Bu teknikler, tek kanal sıcaklıklarını korumak ve çok-finger yüksek güç cihazlarında sıcak nokta oluşumunu önlemek için önemlidir.
Monolithic Mikrodalga Entegre Devreler (MMICs)
GaN güç yükselteçlerinin eşleme ağlarıyla, sürücü aşamalarını kullanarak ve tek bir çip üzerinde bloklar kazanır (GaN MMIC) standart bir yaklaşım haline geldi.Son Ka-grup GaN MMIC güç yükselteçleri,% 30-40'a kadar güç katma değer (PAE) 2-3 GHz bant genişliği üzerinde önemli bir gelişme elde etti.
Anahtar devre tasarımı yenilikleri şunları içerir:
- Güç verimli bir şekilde birleştirmek için aktif transformatör (DAT) mimarileri
- GaN ana ve üst yükselteçli yükselteçli konfigürasyonlar geri çekilme (beşG için kritik ve radar olmayan zarf modülasyonları) için.
- Non-uniform, su amplifikatörleri (NPDAs) için dağıtılmış güç yükselteçleri (NPDAs)
- Düşük ahşap dalga kılavuzunu (CPW) ve SiC veya elmas substratlarında mikrostrip iletim hatları kullanın.
Daha sonra
Daha sonra GaN HEMT'ler, düşük kapasiteli ve daha iyi yüksek frekanslı performansları nedeniyle mmWave uygulamaları için baskın kalır. Ancak, dikey GaN güç cihazları (örneğin, yüzücükler, mevcut aperture dikey elektronlar veya CAVETs) ünite başına daha yüksek bozulma gerilimi ve mevcut kullanım sağlar. mmWave için, daha sonra cihazlar tercih edilir, ancak dikey yapılar yüksek güçli radarlar için yüzlerce hatanın nerede çıktı gücü gerekli olduğunu gösterir.
Linearity ve Verimlilik Teknikleri
Linear işlem, yüksek zirveye sahip olan sinyallerin (PAPR) ile devre dışı bırakmak ve giriş gücü ile faz geçişine yol açan hataların nedeni ile bozulmak önemlidir. Teknikler lineerity şunları içerir:
- [FONT=0)Device- seviye optimizasyonu:[Dönetici:[Dönetici: 0) Kapıyı yeniden ölçeklendirmek ve AlGaN bariyer kalınlığını transkondüktör profili şekillendirmek için şekillendirmek.
- [FONT:0)Analog önceden belirlenmiş:[Dönetici:[Dönetici:0) Bir diyot tabanlı veya transistöre dayalı bir ön-tavasyon lineerizer kullanılarak yükseltilebilir ve yükselticilerin AM-AM ve AM-PM özellikleri için.
- [FOD: [FOD: [FOD: [DÜDÜDÜDÜDÜSTRİYE) 10-20 dB tarafından, 5G baz istasyonlarında ortak bir uygulama için temel bant DPD algoritmaları uygulayın.
- [FONT:0)En Geliştirme:[Dönetici:[Dönetici: 0) Dinamik olarak daha düşük çıktı seviyelerinde verimliliği korumak için drenaj tedarik gerilimi ayarlama.
Kombine, bu teknikler GaN yükselteçlerinin sıkı EVM (terör vektör büyüklüğü) 64-QAM ve 256-QAM mmWave sinyalleri ile tanışmalarına izin verir.
Millimeter-Wave Uygulamaları Üzerine Etkisi
5G ve Next-Generation Kablosuz Ağlar
5G Yeni Radyo (5G NR), soğutma gereksinimlerini azaltmak için frekans aralığı 2 (FR2) kullanıyor ve GaN'nin yüksek güç yoğunluklarını gerektiren yoğun dağıtımlarla, her elementin daha küçük, daha sıkı paketleme gücü sağlar. Son GaN tabanlı 28 GHz güçlendiricileri, Psat ile% 40'ı (% 0, 128 veya daha fazla elementin yararlandığı için, %37'lik yüksek güçlendiricileri birleştirmektedir.
6G araştırması için, 100 GHz'nin üzerindeki frekanslar (D-band, W-band) incelenir. GaN HEMTs ile birlikte )T) > 300 GHz şimdi 140 GHz transceivers vaat ediyor, ancak çıktı gücü ve PAE daha düşük mmWave bantlarından daha düşük kalır.
Radar Sistemleri
Askeri ve otomotiv radar sistemleri yüksek tepeli güç, geniş anlık bant genişliği ve F-15 için yüksek çözünürlükte bir radar, X-band, Ku-band ve K-band radarı, TWTs'i birçok yeni aşamadan (örneğin, 300 metre) ve 1'lik bir çözünürlükte 1'i daha yüksek çözünürlükte 1'i arttırarak, 75'i daha yüksek çözünürlükte 1'i arttırarak, 75'i daha yüksek çözünürlükte 75'e ulaştırıyor.
Yüksek çözünürlüklü görüntüleme radarları (94 GHz, 140 GHz), GaN güç yükselteçleri birkaç watt'ın çıktı gücü ile kompakt ön uçlara izin veriyor, daha önce sadece TWTs ile mümkün ancak şimdi daha uzun bir yaşam, daha düşük gerilim operasyonu ve anlık sıcak-up sunuyor.
Uydu İletişim (SatCom)
Uydu zemin terminalleri ve potansiyel olarak uydu-dönüşüm vericiler Q-band (33-50) ve V-band (40-75) takımyıldızlar, şimdi 10-20 W ve PAE'nin çıktı gücü ile yüklenmiş olan Ka-band SatCom için mevcut olan 10-20 W ve PAE'nin düşük Dünya-veyabit (LEO) düşük seviyeli yükselteçim noktaları için toplantı gereksinimlerine göre, GaN'nin amplitübasyonuna göre, son gelişmelerden dolayı yüklediği yüksek orandaki değişikliklerle ilgili olarak, son gelişmelerin yüksek orandaki artışlar için GaN Doherty yükselticileri içerir.
Elektronik Savaş ve Countermeasures
Elektronik savaş (EW) sistemleri, yüksek lineer güç yoğunluğuyla 6-18 GHz (veya daha geniş) kapsayan geniş bant yükselteçleri gerektirir. GaN yükselteçleri bu uygulamalar için daha uygun hale getirir.For mmWave EW, GaN cihazları 35 GHz ve 94 GHz bandı için geliştirilir.
Future Outlook ve Gelişen Trendler
5G'nin Ötesinde: 6G ve Terahertz
6G iletişimin amacı, 450 GHz'nin ötesinde veri oranları elde etmektir, ancak bu frekanslarda yükseltici güç 100 mW. Future atılımları GaN HEMT'nin gelişmiş cihazlarla, InP tabanlı yüksek çözünürlükte entegrasyon ile aynı zamanda yüksek çözünürlükte (PRT:1) yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte de bulunur.
Roman Malzemeler ve Yapılar
GaN ekosistemi, AlGaN /GaN süperlattices gibi malzemeleri daha yüksek elektron hareketliliği için gelişmiş yük devreleri için genişletmektedir.P-grupları için GaN tabakaları geliştirme-mode (E-mode) HEMTs, normal olarak şarj devrelerini basitleştirmek ve normal olarak şarj etmek için kritiktir. E-mode GaN HEMTs with 0.10 μm kapılar için mevcuttu.
Bir başka umut verici trend, GaN ve CMOS'un ortak bir substrat üzerinde eş-integrasyonudur, GaN güç aşamaları ve CMOS kontrol mantığı ile karışık-imza transceivers etkinleştirir. Silikon interposers ve 3D entegrasyon teknikleri her iki teknolojinin en iyilerini bir araya getirmek için araştırılır.
Endüstrileşme ve Maliyet Azaltımı
GaN RF ampliflerinin benimsenmesi, 100 mm'den 150 mm'ye kadar (duygunluk altında 200 mm'ye kadar) daha iyi epit aksiyel üniforma ile birlikte, GaN-on-Si for RF uygulamaları (PoC'den daha düşük maliyetli bir substrat sunuyor) için, soğutmanın daha az kısıtlayıcı olduğu uygulamalar için, GaN-on-Sidesi üniforması ile bir araya gelebilir.
Yüksek-Voltage GaN for Beam-Steering Fazd Dizileri
Gelişen bir alan, yüksek gerilim GaN (50-100 V) doğrudan sürücü fazlı antenler için kullanılıyor.En son gösterilerde güç yükselticisi, şu anki elementin azaltılması, anten besleme ağının %45'inde ohmik kayıpları azaltabiliyor. Bu yaklaşım Ku-band uydu antenleri ve hava ile yarı-grup uydu antenleri ve hava ile radar dizileri için inceleniyor.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Gallium Nitrin RF yükselteçleri son on yılda hızlı bir evrim geçirdi, araştırma yöntemlerinden üretime hazır bileşenlere geçiş, milimetre- dalga sistemleri için ilerlemeler.Entaxy, cihaz tasarımı, termal yönetim ve devre entegrasyonu, daha önceden gelen güç yükselteçleri ile, verimlilik, lineerlik ve güvenilirlik ile desteklenecek.Bu doğrudan 5G baz istasyonları, radar sistemleri, uydu iletişim ve elektronik savaş platformları.
[FONT=0)Dönetici:[Dönemli)
- [0]IEEE: GaN HEMT'lerin mmWave Uygulamaları için İncelenmesi[Dönem: 1)
- [FONT=0)Electronics Journal: GaN Power Amplifiers for 5G mmWave)
- [FONT=0]Ansys Blog: GaN mmWave Amplifiers ).