eng
Рассмотрены интегральные СВЧ-переключатели на основе арсенид-галлиевых полевых транзисторов. Приведена информация о параметрах и особенностях таких переключателей, выпускаемых рядом производителей.
УДК 621.389 | ВАК 05.27.01
DOI: 10.22184/1992-4178.2018.176.5.152.163
УДК 621.389 | ВАК 05.27.01
DOI: 10.22184/1992-4178.2018.176.5.152.163
Теги: insertion loss microwave switch switching time вносимые потери время переключения свч-переключатель
ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ НА ОСНОВЕ
АРСЕНИД-ГАЛЛИЕВЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
Кремниевые и арсенид-галлиевые pin-диодные переключатели используются во многих радиотехнических изделиях и системах. Однако они требуют применения двух источников питания, больших напряжений и токов в цепях управления. Кроме того, достаточно сложными, габаритными и дорогостоящими в изготовлении оказываются драйверы, обеспечивающие переключение диодов.[1]
Наиболее емкое применение переключателей сегодня – мобильная телефония. Интегральные pin-диодные устройства использовались в этой области только на начальном этапе развития и широкого распространения не получили. Альтернативой им стали полевые транзисторы, способные переключать сигналы малой и большой мощности в диапазонах от нулевых частот до СВЧ при чрезвычайно низких уровнях управляющих токов.
Арсенид-галлиевые полевые транзисторы (Field Effect Transistor, FET) прошли несколько этапов развития. На смену традиционным FET-технологиям пришли технологии MESFET (Metallized Semiconductor Field Effect Transistor – полевой транзистор с барьером Шотки) и pHEMT (pseudomorphic high electron mobility transistor – псевдоморфный транзистор с высокой подвижностью электронов). Последняя из них, в свою очередь, претерпела несколько модернизаций, в результате чего появилась возможность создавать эффективные изделия, в том числе переключатели, обеспечивающие широкий диапазон рабочих частот, включая область нулевых частот, малые вносимые потери, высокую развязку, небольшое время переключения при малых управляющих напряжениях и исключительно низких токах управления. Использование в этих изделиях единственного источника питания обеспечивает им еще одно преимущество перед pin-диодными переключателями.
SPST-переключатели, разработанные на основе арсенид-галлиевых FET-, MESFET-, pHEMT-технологий в 80-е и 90-е годы прошлого века, выпускаются компаниями MACOM, Analog Devices, Isolink, KCB Solutions, Qorvo и др. (табл. 2).
Модели интегральных SPST-переключателей, изготовленных по GaAs pHEMT технологии в герметичном исполнении, представляют компании KCB Solutions и Isolink. Все поглощающие переключатели производства KCB Solutions выполнены по одной схеме (рис. 12) и различаются лишь типом предназначенного для поверхностного монтажа корпуса (рис. 13) и диапазоном рабочих частот. Зависимости вносимых потерь, развязки и мощностей P0,1дБ, P1dB от частоты в диапазоне температур от –54 до 125 °C для переключателя ISO13316 (компания Isolink) проиллюстрированы на рис. 14.
Две модели SPST-переключателей поглощающего типа на базе pHEMT-технологии (RFSW2040 и RFSW2044) для работы в диапазоне частот 0–20 и 0–25 ГГц соответственно выпускаются компанией Qorvo (рис. 15). Микросхемы, поставляемые в QFN-корпусах размером 3 Ч 3 мм, обеспечивают небольшие вносимые потери, хорошую развязку и малое время переключения (см. табл. 2).
Отражательные переключатели ASL8000 и ASL8001 в чип-исполнении (1,5 Ч 0,7 Ч 0,1 мм и 1,73 Ч 1,13 Ч 0,10 мм) для частот 0–20 и 0–35 ГГц соответственно с использованием 150 нм InGaAs pHEMT технологии производит компания Aelius Semiconductors. Микросхемы отличаются малыми вносимыми потерями, большой развязкой и малым временем переключения (см. табл. 2). Эти изделия предназначены для систем широкополосной связи, РЭБ, космического применения, военной и измерительной техники.
Значительных успехов в разработке SPST-переключателей достигли китайские предприятия. Так, компания Bowei предлагает SPST-переключатель BW110 поглощающего типа для диапазона частот 0–20 ГГц при вносимых потерях 1,5–2,0 дБ, развязке 65–38 дБ и времени переключения 5 нс. Размер этого чипа 1,05 Ч 0,84 Ч 0,10 мм. Рабочий диапазон температур –55…125 °C.
Четыре модели SPST-переключателей поглощающего и отражательного типов выпускает компания Chengdu Ganide Technology. Поглощающие модели GMM1041, GMM0241 предназначены для работы в диапазонах частот 0,5–18,0 и 0–18 ГГц, а отражательный SPST-переключатель (модель GMM0341) может быть использован в диапазоне частот 0–40 ГГц. Размер чипа для всех моделей составляет 1,10 Ч 1,08 Ч 0,10 мм. Рабочий диапазон температур –55…125 °C.
Наибольших успехов в части максимальных рабочих частот достигла английская компания Arralis, рекламирующая SPST-переключатели на арсенид-галлиевой подложке для работы в диапазонах частот 85–94 ГГц (TU-W1401501) и 85–100 ГГц (TU-W1401501-5PS).
SPDT-переключатели оказались весьма востребованы на рынке мобильной телефонии, то есть там, где частота обычно не превышает 3–6 ГГц. Среди основных производителей в первую очередь стоит упомянуть компании Qorvo, MACOM, Skyworks Solutions, CEL, KCB Solutions, Filtronic, Mini-Circuits, Analog Devices, Custom MMIC, Microsemi (в мае 2018 года была приобретена компанией Microchip) и др. (табл. 3).
В линейке продукции компании Qorvo, разработанной с использованием GaAs pHEMT технологии, представлен ряд моделей переключателей отражательного (RF3021, RF3023, RF3024) и поглощающего (RF3025, RFSW6124) типов. Модель RFSW6124 обеспечивает развязку между входом и выходом 70–44 дБ, а между выходами переключателя – 65–44 дБ. В этих переключателях весьма заметна зависимость длительности фронта выходных сигналов от температуры (табл. 4).
Отражательный SPDT-переключатель SKY13587-378LF компании Skyworks Solutions (рис. 16) отличается весьма малыми вносимыми потерями (см. табл. 3). Приведенные для этого устройства в техническом описании графики изменения нормализованной выходной мощности и модуля вектора ошибок (Error Vector Magnitude, EVM) с уровнем мощности входного и выходного сигналов соответственно показывают сильную зависимость этих показателей (особенно EVM) от величины управляющего напряжения (рис. 17).
Японская компания CEL на основе GaAs pHEMT технологии производит SPDT-переключатели для мобильных телефонов (рис. 18). В изделиях удачно сочетаются малые вносимые потери, высокий уровень входной мощности (31,0–37,0 дБм) и очень малые размеры, которые, например, для корпуса SON (X2) (микросхема CG2185X2 на рис. 18г) составляют 1,00 Ч 1,00 Ч 0,37 мм.
Широкий ассортимент конструктивно разных (рис. 19) интегральных SPDT-переключателей производит компания Mini-Circuits. Все они представляют собой законченные изделия с внутренними драйверами. Многие переключатели отличаются высоким уровнем характеристик. Например, в устройстве HSWA2-30DR+ (рис. 20) развязка между входом и выходами составляет 64–44 дБ, а между выходами – 63–48 дБ. Для переключателя CSWA2-63DR+ эти значения равны 60–44 и 76–44 дБ соответственно. Последняя из этих моделей, выпускаемая в герметичном керамическом корпусе, помимо очень хороших электрических характеристик, отличается чрезвычайно высокой надежностью (MTBF = 373 года при рабочей температуре корпуса 85 °C) и низким током потребления (около 18 мкА). Диапазон рабочих температур переключателя составляет –55…125 °C.
Три вида поглощающих SPDT-переключателей компании KCB Solutions (KCB820, KCB821, KCB822) конструктивно ничем не отличаются от SPST-устройств этого производителя (см. рис. 13а, б, в соответственно). Рассчитанные для применения в военных и космических приложениях эти переключатели благодаря выбранным схемотехническим решениям (рис. 21) обеспечивают на низких частотах уровень развязки до 55 дБ, а также малые вносимые потери во включенном состоянии и высокие скорости переключения (см. табл. 3).
Компания MACOM наряду с моделями для диапазона частот 0–3 ГГц выпускает и более высокочастотные SPDT-переключатели, например микросхему MASW‑007107, разработанную для диапазона частот 0–8 ГГц на основе технологии MSAG (Multifunction Self-Aligned Gate), а также модель MASW‑008322, созданную с использованием pHEMT-технологии для диапазона частот 0–20 ГГц.
Отражательные и поглощающие SPDT-переключатели для диапазонов частот 0–20, 0–26 и 16–40 ГГц выпускают также компании Filtronic, Custom MMIC и Aelius Semiconductors (см. табл. 3).
Компания Analog Devices, использующая в своих изделиях арсенид-галлиевые технологии MESFET и pHEMT, разработала поглощающий и отражательный переключатели для диапазонов частот 0–28 и 0–50 ГГц соответственно (модели HMC547LP3E и HMC986A c характеристиками, приведенными в табл. 3). Эти же технологии применяют компании UMS, Custom MMIC, Microsemi и др.
Многие переключатели тестируются производителями в целях подтверждения необходимого уровня линейности. Сведения о таких характеристиках, как IIP2, IIP3, P1дБ, уровни 2-й и 3-й гармоник, EVM, часто приводятся в технических условиях. IIP2 и IIP3 обычно измеряются с использованием двухтоновой методики. При этом мощность каждой из двух гармонических составляющих выбирается обычно в пределах от 5 до 15 дБм. Некоторые производители, например Analog Devices, приводят сведения о поведении этих параметров в диапазоне температур (рис. 22).
Благодаря схемотехническим решениям (рис. 23 а, б) широкий диапазон рабочих частот наряду с другими высокими характеристиками обеспечивается в микросхемах CSW0118-BD (Mimix Broadband) и USD30SDC (Microsemi).
Определенный интерес представляют также переключатели, при изготовлении которых используется индий. Так, компания Aelius Semiconductors производит по технологии 150 нм InGaAs pHEMT SPDT-устройство ASL8007 (см. табл. 3). Его диапазон частот составляет от 16 до 40 ГГц, вносимые потери – 3,5 дБ, развязка – 37 дБ, размер микросхемы – 2,5 Ч 2,1 Ч 0,1 мм. Еще один SPDT-переключатель InP1012-40 (см. табл. 3), выпускаемый компанией Teledyne Relays по технологии InP HEMT, обеспечивает низкие вносимые потери, хорошую развязку и высокую скорость переключения (100 нс) в диапазоне частот от 300 кГц до 40 ГГц. Реализованная во flip-chip исполнении (3 Ч 3 Ч 1 мм) эта микросхема отличается высокой надежностью в тяжелых условиях эксплуатации, а также стойкостью к вибрациям и ударам.
Относительно небольшие вариации вносимых потерь и развязки при изменении рабочей частоты в пределах 75–100 ГГц (рис. 24) характерны для микросхемы SDH148 компании Northrop Grumman (см. табл. 3).
Интерес к многопозиционным интегральным переключателям (табл. 5) связан с разработкой переключаемых многоканальных фильтров и развитием мобильных систем связи, работающих по разным стандартам и использующих различные виды модуляции. Размеры корпусов этих изделий, как правило, очень малы. Например, микросхема SP3T-переключателя (модель RFSW6131, компания Qorvo) размещается в 8-выводном DFN-корпусе размером 1,50 Ч 1,50 Ч 0,65 мм.
Для военного и космического применения предназначены микросхемы HMC641ALC4, HMC641LP4E, реализованные с использованием GaAs pHEMT технологии. Для управления работой этих SP4T-переключателей требуются две шины с управляющими напряжениями 0–5 В. Во всем диапазоне рабочих частот развязка между входным и четырьмя выходными портами превышает 36 дБ (рис. 25). Эти микросхемы размером 4 Ч 4 Ч 1 мм поставляются в керамических и пластиковых 24-выводных корпусах для поверхностного монтажа.
Использование схемотехнических (рис. 26) и конструктивных решений позволило компании KCB Solutions создать серию многопозиционных SP4T-переключателей (KCB825, KCB826, KCB828), удовлетворяющих всем требованиям, предъявляемым военными и космическими стандартами, включая требования по радиационной стойкости для дозы до 1 Мрад.
Ряд компаний производит широкую линейку многопозиционных переключателей для систем мобильной связи. К их числу относятся Qorvo (SP3T, …, SP8T) и Skyworks Solutions (SP3T, …, SP16T). Приведенные в описании на микросхему RFSW6131 графики свидетельствуют о существенном влиянии на их характер напряжения питания (рис. 27).
С использованием технологий FET, MESFET, pHEMT были созданы SP4T-переключатели (см. табл. 5) для диапазонов частот 0–18 ГГц (GMM0541, Ghengdu Ganide Technology), 0–20 ГГц (CMD203, Custom MMIC), 23–26 ГГц (CHS2411-QDG, UMS), 23–30 ГГц (HMC1084LC4, Analog Devices). Переключатель SP8T поглощающего типа HMC321LP4, рассчитанный на диапазон частот 0–8 ГГц, выпустила компания Analog Devices.
Интегральные GaAs pHEMT DPDT-переключатели предназначены для использования в мобильных системах связи, работающих на частотах до 6 ГГц при допустимых мощностях менее 5–10 Вт (табл. 6). Эти устройства, обеспечивающие подключение приемника и передатчика к двум антеннам (рис. 28), обычно имеют очень малые размеры.
Верхняя граничная частота DPDT-переключателей обычно не превосходит 6 ГГц (см. табл. 6). Исключение составляют две модели: HMC427ALP3E компании Analog Devices и MASWGM0001-DIE компании MACOM, верхние значения рабочих частот которых равны 8 и 14 ГГц соответственно. Эти DPDT-устройства реализованы с использованием технологий pHEMT и MESFET соответственно.
Полнее всего DPDT-переключатели представлены в продуктовых линейках компаний Skyworks Solutions и MACOM. Skyworks Solutions выпускает наиболее широкую линейку DPDT-устройств, удовлетворяющих требованиям мобильной телефонии, спутниковых систем связи, автомобильной электроники, тестового и измерительного оборудования. Предлагаются как отражательные, так и поглощающие DPDT-переключатели с высоким уровнем мощности, малыми вносимыми потерями и большой развязкой (см. табл. 6). Для одного из этих DPDT-устройств (модель SKY13355-374LF) в техническом описании приведены представляющие интерес для разработчиков зависимости P1дБ и P0,1дБ от управляющего напряжения Vу (рис. 29).
Многие из производимых на основе pHEMT-технологии DPDT-переключателей требуют применения внешних блокировочных конденсаторов, а некоторые из них и внешних драйверов. Так, для модели MASWGM0001-DIE (см. ее топологию на рис. 30), предназначенной для использования в X-диапазоне в составе трансивера, рекомендуются драйверы MA03502 и MA03503.
Компания Filtronic выпускает четыре модели DPDT-переключателей. Для одной из них (модель FMS2017) в техническом описании приводятся зависимости вносимых потерь IL от входной мощности Pвх и управляющего напряжения Vу (рис. 31).
Отметим, что все микросхемы на арсенид-галлиевых подложках чувствительны к воздействию электростатического напряжения и при несоблюдении надлежащих мер быстро могут выйти из строя.
Анализ научных работ, опубликованных в периодической печати, показывает, что при создании переключателей с предельными характеристиками применяются технологии MESFET и pHEMT. С использованием этих технологий и сочетанием стандартных (последовательная, параллельная, последовательно-параллельная) конфигураций с концепцией «бегущая волна», методом переключения ВЧ / НЧ-фильтров, применением резонансных цепей или с преобразованием импедансов были разработаны и экспериментально исследованы SPST- и SPDT-переключатели для диапазонов частот 59–61, 53–61, 50–70, 40–85, 15–80, 0–60, 0–80, 38–80 ГГц [6, 7]. Кроме того, с использованием концепции «бегущая волна» разработан SPST-переключатель для диапазона частот 0–110 ГГц [8]. Исключительно высокий уровень развязки (больше 82 дБ) удалось получить в SPST-устройстве на основе метода переключения ВЧ / НЧ-фильтров [9].
В целом же можно констатировать, что количество публикаций после 2008 года по арсенид-галлиевым переключателям на полевых транзисторах очень сильно сократилось, что свидетельствует о развитии более перспективных технологий. К их числу можно отнести SiGe HBT, BiCMOS, InGaP и InGaAs pHEMT, которые компания Arralis использует при создании переключателей (см. табл. 2, 3, 5) для диапазонов частот 85–94, 85–100, 92–96 и 98–104 ГГц.
Продолжение следует
ЛИТЕРАТУРА
6. Lin K.-Y., Tu W.-H., Chen P.-Y., et al. Millimeter-Wave MMIC Passive HEMT Switches Using Travelling-Wave Concept // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2004. V. 52. № 8. PP. 1798–1808.
7. Mizutani H., Iwata N., Takayama Y., et al. Design Considerations for Travelling-Wave Single-Pole Multithrow MMIC Switch Using Fully Distributed FET // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2007. V. 55. № 4. PP. 664–671.
8. Mizutani H., Takayama Y. DC–110-GHz MMIC Travelling-Wave Switch // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2000. V. 48. № 5. PP. 840–845.
9. Mizutani H., Ishikawa R., Honjo K. InGaAs MMIC SPST Switch Based on HPF / LPF Switching Concept With Periodic Structure // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2016. V. 64. № 9. PP. 2863–2870.
АРСЕНИД-ГАЛЛИЕВЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
Кремниевые и арсенид-галлиевые pin-диодные переключатели используются во многих радиотехнических изделиях и системах. Однако они требуют применения двух источников питания, больших напряжений и токов в цепях управления. Кроме того, достаточно сложными, габаритными и дорогостоящими в изготовлении оказываются драйверы, обеспечивающие переключение диодов.[1]
Наиболее емкое применение переключателей сегодня – мобильная телефония. Интегральные pin-диодные устройства использовались в этой области только на начальном этапе развития и широкого распространения не получили. Альтернативой им стали полевые транзисторы, способные переключать сигналы малой и большой мощности в диапазонах от нулевых частот до СВЧ при чрезвычайно низких уровнях управляющих токов.
Арсенид-галлиевые полевые транзисторы (Field Effect Transistor, FET) прошли несколько этапов развития. На смену традиционным FET-технологиям пришли технологии MESFET (Metallized Semiconductor Field Effect Transistor – полевой транзистор с барьером Шотки) и pHEMT (pseudomorphic high electron mobility transistor – псевдоморфный транзистор с высокой подвижностью электронов). Последняя из них, в свою очередь, претерпела несколько модернизаций, в результате чего появилась возможность создавать эффективные изделия, в том числе переключатели, обеспечивающие широкий диапазон рабочих частот, включая область нулевых частот, малые вносимые потери, высокую развязку, небольшое время переключения при малых управляющих напряжениях и исключительно низких токах управления. Использование в этих изделиях единственного источника питания обеспечивает им еще одно преимущество перед pin-диодными переключателями.
SPST-переключатели, разработанные на основе арсенид-галлиевых FET-, MESFET-, pHEMT-технологий в 80-е и 90-е годы прошлого века, выпускаются компаниями MACOM, Analog Devices, Isolink, KCB Solutions, Qorvo и др. (табл. 2).
Модели интегральных SPST-переключателей, изготовленных по GaAs pHEMT технологии в герметичном исполнении, представляют компании KCB Solutions и Isolink. Все поглощающие переключатели производства KCB Solutions выполнены по одной схеме (рис. 12) и различаются лишь типом предназначенного для поверхностного монтажа корпуса (рис. 13) и диапазоном рабочих частот. Зависимости вносимых потерь, развязки и мощностей P0,1дБ, P1dB от частоты в диапазоне температур от –54 до 125 °C для переключателя ISO13316 (компания Isolink) проиллюстрированы на рис. 14.
Две модели SPST-переключателей поглощающего типа на базе pHEMT-технологии (RFSW2040 и RFSW2044) для работы в диапазоне частот 0–20 и 0–25 ГГц соответственно выпускаются компанией Qorvo (рис. 15). Микросхемы, поставляемые в QFN-корпусах размером 3 Ч 3 мм, обеспечивают небольшие вносимые потери, хорошую развязку и малое время переключения (см. табл. 2).
Отражательные переключатели ASL8000 и ASL8001 в чип-исполнении (1,5 Ч 0,7 Ч 0,1 мм и 1,73 Ч 1,13 Ч 0,10 мм) для частот 0–20 и 0–35 ГГц соответственно с использованием 150 нм InGaAs pHEMT технологии производит компания Aelius Semiconductors. Микросхемы отличаются малыми вносимыми потерями, большой развязкой и малым временем переключения (см. табл. 2). Эти изделия предназначены для систем широкополосной связи, РЭБ, космического применения, военной и измерительной техники.
Значительных успехов в разработке SPST-переключателей достигли китайские предприятия. Так, компания Bowei предлагает SPST-переключатель BW110 поглощающего типа для диапазона частот 0–20 ГГц при вносимых потерях 1,5–2,0 дБ, развязке 65–38 дБ и времени переключения 5 нс. Размер этого чипа 1,05 Ч 0,84 Ч 0,10 мм. Рабочий диапазон температур –55…125 °C.
Четыре модели SPST-переключателей поглощающего и отражательного типов выпускает компания Chengdu Ganide Technology. Поглощающие модели GMM1041, GMM0241 предназначены для работы в диапазонах частот 0,5–18,0 и 0–18 ГГц, а отражательный SPST-переключатель (модель GMM0341) может быть использован в диапазоне частот 0–40 ГГц. Размер чипа для всех моделей составляет 1,10 Ч 1,08 Ч 0,10 мм. Рабочий диапазон температур –55…125 °C.
Наибольших успехов в части максимальных рабочих частот достигла английская компания Arralis, рекламирующая SPST-переключатели на арсенид-галлиевой подложке для работы в диапазонах частот 85–94 ГГц (TU-W1401501) и 85–100 ГГц (TU-W1401501-5PS).
SPDT-переключатели оказались весьма востребованы на рынке мобильной телефонии, то есть там, где частота обычно не превышает 3–6 ГГц. Среди основных производителей в первую очередь стоит упомянуть компании Qorvo, MACOM, Skyworks Solutions, CEL, KCB Solutions, Filtronic, Mini-Circuits, Analog Devices, Custom MMIC, Microsemi (в мае 2018 года была приобретена компанией Microchip) и др. (табл. 3).
В линейке продукции компании Qorvo, разработанной с использованием GaAs pHEMT технологии, представлен ряд моделей переключателей отражательного (RF3021, RF3023, RF3024) и поглощающего (RF3025, RFSW6124) типов. Модель RFSW6124 обеспечивает развязку между входом и выходом 70–44 дБ, а между выходами переключателя – 65–44 дБ. В этих переключателях весьма заметна зависимость длительности фронта выходных сигналов от температуры (табл. 4).
Отражательный SPDT-переключатель SKY13587-378LF компании Skyworks Solutions (рис. 16) отличается весьма малыми вносимыми потерями (см. табл. 3). Приведенные для этого устройства в техническом описании графики изменения нормализованной выходной мощности и модуля вектора ошибок (Error Vector Magnitude, EVM) с уровнем мощности входного и выходного сигналов соответственно показывают сильную зависимость этих показателей (особенно EVM) от величины управляющего напряжения (рис. 17).
Японская компания CEL на основе GaAs pHEMT технологии производит SPDT-переключатели для мобильных телефонов (рис. 18). В изделиях удачно сочетаются малые вносимые потери, высокий уровень входной мощности (31,0–37,0 дБм) и очень малые размеры, которые, например, для корпуса SON (X2) (микросхема CG2185X2 на рис. 18г) составляют 1,00 Ч 1,00 Ч 0,37 мм.
Широкий ассортимент конструктивно разных (рис. 19) интегральных SPDT-переключателей производит компания Mini-Circuits. Все они представляют собой законченные изделия с внутренними драйверами. Многие переключатели отличаются высоким уровнем характеристик. Например, в устройстве HSWA2-30DR+ (рис. 20) развязка между входом и выходами составляет 64–44 дБ, а между выходами – 63–48 дБ. Для переключателя CSWA2-63DR+ эти значения равны 60–44 и 76–44 дБ соответственно. Последняя из этих моделей, выпускаемая в герметичном керамическом корпусе, помимо очень хороших электрических характеристик, отличается чрезвычайно высокой надежностью (MTBF = 373 года при рабочей температуре корпуса 85 °C) и низким током потребления (около 18 мкА). Диапазон рабочих температур переключателя составляет –55…125 °C.
Три вида поглощающих SPDT-переключателей компании KCB Solutions (KCB820, KCB821, KCB822) конструктивно ничем не отличаются от SPST-устройств этого производителя (см. рис. 13а, б, в соответственно). Рассчитанные для применения в военных и космических приложениях эти переключатели благодаря выбранным схемотехническим решениям (рис. 21) обеспечивают на низких частотах уровень развязки до 55 дБ, а также малые вносимые потери во включенном состоянии и высокие скорости переключения (см. табл. 3).
Компания MACOM наряду с моделями для диапазона частот 0–3 ГГц выпускает и более высокочастотные SPDT-переключатели, например микросхему MASW‑007107, разработанную для диапазона частот 0–8 ГГц на основе технологии MSAG (Multifunction Self-Aligned Gate), а также модель MASW‑008322, созданную с использованием pHEMT-технологии для диапазона частот 0–20 ГГц.
Отражательные и поглощающие SPDT-переключатели для диапазонов частот 0–20, 0–26 и 16–40 ГГц выпускают также компании Filtronic, Custom MMIC и Aelius Semiconductors (см. табл. 3).
Компания Analog Devices, использующая в своих изделиях арсенид-галлиевые технологии MESFET и pHEMT, разработала поглощающий и отражательный переключатели для диапазонов частот 0–28 и 0–50 ГГц соответственно (модели HMC547LP3E и HMC986A c характеристиками, приведенными в табл. 3). Эти же технологии применяют компании UMS, Custom MMIC, Microsemi и др.
Многие переключатели тестируются производителями в целях подтверждения необходимого уровня линейности. Сведения о таких характеристиках, как IIP2, IIP3, P1дБ, уровни 2-й и 3-й гармоник, EVM, часто приводятся в технических условиях. IIP2 и IIP3 обычно измеряются с использованием двухтоновой методики. При этом мощность каждой из двух гармонических составляющих выбирается обычно в пределах от 5 до 15 дБм. Некоторые производители, например Analog Devices, приводят сведения о поведении этих параметров в диапазоне температур (рис. 22).
Благодаря схемотехническим решениям (рис. 23 а, б) широкий диапазон рабочих частот наряду с другими высокими характеристиками обеспечивается в микросхемах CSW0118-BD (Mimix Broadband) и USD30SDC (Microsemi).
Определенный интерес представляют также переключатели, при изготовлении которых используется индий. Так, компания Aelius Semiconductors производит по технологии 150 нм InGaAs pHEMT SPDT-устройство ASL8007 (см. табл. 3). Его диапазон частот составляет от 16 до 40 ГГц, вносимые потери – 3,5 дБ, развязка – 37 дБ, размер микросхемы – 2,5 Ч 2,1 Ч 0,1 мм. Еще один SPDT-переключатель InP1012-40 (см. табл. 3), выпускаемый компанией Teledyne Relays по технологии InP HEMT, обеспечивает низкие вносимые потери, хорошую развязку и высокую скорость переключения (100 нс) в диапазоне частот от 300 кГц до 40 ГГц. Реализованная во flip-chip исполнении (3 Ч 3 Ч 1 мм) эта микросхема отличается высокой надежностью в тяжелых условиях эксплуатации, а также стойкостью к вибрациям и ударам.
Относительно небольшие вариации вносимых потерь и развязки при изменении рабочей частоты в пределах 75–100 ГГц (рис. 24) характерны для микросхемы SDH148 компании Northrop Grumman (см. табл. 3).
Интерес к многопозиционным интегральным переключателям (табл. 5) связан с разработкой переключаемых многоканальных фильтров и развитием мобильных систем связи, работающих по разным стандартам и использующих различные виды модуляции. Размеры корпусов этих изделий, как правило, очень малы. Например, микросхема SP3T-переключателя (модель RFSW6131, компания Qorvo) размещается в 8-выводном DFN-корпусе размером 1,50 Ч 1,50 Ч 0,65 мм.
Для военного и космического применения предназначены микросхемы HMC641ALC4, HMC641LP4E, реализованные с использованием GaAs pHEMT технологии. Для управления работой этих SP4T-переключателей требуются две шины с управляющими напряжениями 0–5 В. Во всем диапазоне рабочих частот развязка между входным и четырьмя выходными портами превышает 36 дБ (рис. 25). Эти микросхемы размером 4 Ч 4 Ч 1 мм поставляются в керамических и пластиковых 24-выводных корпусах для поверхностного монтажа.
Использование схемотехнических (рис. 26) и конструктивных решений позволило компании KCB Solutions создать серию многопозиционных SP4T-переключателей (KCB825, KCB826, KCB828), удовлетворяющих всем требованиям, предъявляемым военными и космическими стандартами, включая требования по радиационной стойкости для дозы до 1 Мрад.
Ряд компаний производит широкую линейку многопозиционных переключателей для систем мобильной связи. К их числу относятся Qorvo (SP3T, …, SP8T) и Skyworks Solutions (SP3T, …, SP16T). Приведенные в описании на микросхему RFSW6131 графики свидетельствуют о существенном влиянии на их характер напряжения питания (рис. 27).
С использованием технологий FET, MESFET, pHEMT были созданы SP4T-переключатели (см. табл. 5) для диапазонов частот 0–18 ГГц (GMM0541, Ghengdu Ganide Technology), 0–20 ГГц (CMD203, Custom MMIC), 23–26 ГГц (CHS2411-QDG, UMS), 23–30 ГГц (HMC1084LC4, Analog Devices). Переключатель SP8T поглощающего типа HMC321LP4, рассчитанный на диапазон частот 0–8 ГГц, выпустила компания Analog Devices.
Интегральные GaAs pHEMT DPDT-переключатели предназначены для использования в мобильных системах связи, работающих на частотах до 6 ГГц при допустимых мощностях менее 5–10 Вт (табл. 6). Эти устройства, обеспечивающие подключение приемника и передатчика к двум антеннам (рис. 28), обычно имеют очень малые размеры.
Верхняя граничная частота DPDT-переключателей обычно не превосходит 6 ГГц (см. табл. 6). Исключение составляют две модели: HMC427ALP3E компании Analog Devices и MASWGM0001-DIE компании MACOM, верхние значения рабочих частот которых равны 8 и 14 ГГц соответственно. Эти DPDT-устройства реализованы с использованием технологий pHEMT и MESFET соответственно.
Полнее всего DPDT-переключатели представлены в продуктовых линейках компаний Skyworks Solutions и MACOM. Skyworks Solutions выпускает наиболее широкую линейку DPDT-устройств, удовлетворяющих требованиям мобильной телефонии, спутниковых систем связи, автомобильной электроники, тестового и измерительного оборудования. Предлагаются как отражательные, так и поглощающие DPDT-переключатели с высоким уровнем мощности, малыми вносимыми потерями и большой развязкой (см. табл. 6). Для одного из этих DPDT-устройств (модель SKY13355-374LF) в техническом описании приведены представляющие интерес для разработчиков зависимости P1дБ и P0,1дБ от управляющего напряжения Vу (рис. 29).
Многие из производимых на основе pHEMT-технологии DPDT-переключателей требуют применения внешних блокировочных конденсаторов, а некоторые из них и внешних драйверов. Так, для модели MASWGM0001-DIE (см. ее топологию на рис. 30), предназначенной для использования в X-диапазоне в составе трансивера, рекомендуются драйверы MA03502 и MA03503.
Компания Filtronic выпускает четыре модели DPDT-переключателей. Для одной из них (модель FMS2017) в техническом описании приводятся зависимости вносимых потерь IL от входной мощности Pвх и управляющего напряжения Vу (рис. 31).
Отметим, что все микросхемы на арсенид-галлиевых подложках чувствительны к воздействию электростатического напряжения и при несоблюдении надлежащих мер быстро могут выйти из строя.
Анализ научных работ, опубликованных в периодической печати, показывает, что при создании переключателей с предельными характеристиками применяются технологии MESFET и pHEMT. С использованием этих технологий и сочетанием стандартных (последовательная, параллельная, последовательно-параллельная) конфигураций с концепцией «бегущая волна», методом переключения ВЧ / НЧ-фильтров, применением резонансных цепей или с преобразованием импедансов были разработаны и экспериментально исследованы SPST- и SPDT-переключатели для диапазонов частот 59–61, 53–61, 50–70, 40–85, 15–80, 0–60, 0–80, 38–80 ГГц [6, 7]. Кроме того, с использованием концепции «бегущая волна» разработан SPST-переключатель для диапазона частот 0–110 ГГц [8]. Исключительно высокий уровень развязки (больше 82 дБ) удалось получить в SPST-устройстве на основе метода переключения ВЧ / НЧ-фильтров [9].
В целом же можно констатировать, что количество публикаций после 2008 года по арсенид-галлиевым переключателям на полевых транзисторах очень сильно сократилось, что свидетельствует о развитии более перспективных технологий. К их числу можно отнести SiGe HBT, BiCMOS, InGaP и InGaAs pHEMT, которые компания Arralis использует при создании переключателей (см. табл. 2, 3, 5) для диапазонов частот 85–94, 85–100, 92–96 и 98–104 ГГц.
Продолжение следует
ЛИТЕРАТУРА
6. Lin K.-Y., Tu W.-H., Chen P.-Y., et al. Millimeter-Wave MMIC Passive HEMT Switches Using Travelling-Wave Concept // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2004. V. 52. № 8. PP. 1798–1808.
7. Mizutani H., Iwata N., Takayama Y., et al. Design Considerations for Travelling-Wave Single-Pole Multithrow MMIC Switch Using Fully Distributed FET // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2007. V. 55. № 4. PP. 664–671.
8. Mizutani H., Takayama Y. DC–110-GHz MMIC Travelling-Wave Switch // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2000. V. 48. № 5. PP. 840–845.
9. Mizutani H., Ishikawa R., Honjo K. InGaAs MMIC SPST Switch Based on HPF / LPF Switching Concept With Periodic Structure // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2016. V. 64. № 9. PP. 2863–2870.
Отзывы читателей
