Medición del estado de la amplificación de potencia del GaN

Las mejoras en la tecnología de semiconductores de potencia de GaN y el diseño modular hacen posibles los amplificadores de onda continua (CW) y pulsados de alta potencia en frecuencias de microondas.

La tecnología de semiconductores de potencia de nitruro de galio (GaN) ha contribuido significativamente a mejorar los niveles de rendimiento en la amplificación de potencia de RF/microondas. Al reducir los elementos parásitos de los dispositivos, utilizar longitudes de puerta más cortas y emplear voltajes de funcionamiento más altos, los transistores de GaN han logrado densidades de potencia de salida más altas, anchos de banda más amplios y eficiencias de CC a RF mejoradas. Por ejemplo, en 2014 se demostró la existencia de amplificadores de banda X basados en GaN capaces de alcanzar una potencia de salida pulsada de 8 kW para aplicaciones de sistemas de radar, en sustitución de los dispositivos y amplificadores de tubo de onda viajera (TWT). Para 2016 se esperan variantes de 32 kW de estos amplificadores de potencia de estado sólido de GaN. En previsión de la disponibilidad de estos amplificadores, se revisarán algunas de las características clave de estos amplificadores de GaN de alta potencia

En el pasado reciente, el GaN ha sido la tecnología elegida para las aplicaciones de guerra electrónica por radiofrecuencia (CREW), con decenas de miles de amplificadores entregados para su uso en el campo. Esta tecnología se está desplegando también en el campo de la guerra electrónica aérea, con amplificadores en desarrollo capaces de proporcionar cientos de vatios de potencia de salida en varias octavas de la gama de RF/microondas. Se espera que se lancen varias variantes de estos amplificadores de potencia EW de banda ancha en el presente año natural.

Las áreas de investigación futura incluyen la mejora de la linealidad para las formas de onda de alta relación pico-potencia media (PAPR) utilizadas en muchos sistemas de comunicación militar, incluidos los enlaces de datos comunes (CDL), las formas de onda de red de banda ancha (WNW), las formas de onda de radio de los soldados (SRW) y las aplicaciones de comunicación por satélite de banda ancha (satcom). La iniciativa "Bits to RF" de Analog Devices integrará los puntos fuertes de la empresa en el procesamiento de señales de banda base y las tecnologías de amplificadores de potencia (PA) de GaN. Esta integración mejorará la linealidad y la eficiencia de los amplificadores de potencia mediante el uso de técnicas como la predistorsión y la modulación envolvente.

En los últimos años, los dispositivos basados en el GaN, tanto los transistores de efecto de campo discretos (FET) como los circuitos integrados de microondas monolíticos (MMIC), se han introducido y utilizado ampliamente en los sistemas de amplificación de microondas de alta potencia. Estos dispositivos, disponibles en varias fuentes de fundición y fabricantes de dispositivos, suelen fabricarse en obleas de carburo de silicio (SiC) de 100 mm. También se están considerando los procesos de GaN sobre Si; sin embargo, las conductividades térmica y eléctrica relativamente bajas del Si anulan las ventajas de coste en aplicaciones de alto rendimiento y alta fiabilidad. Estos dispositivos tienen longitudes de puerta tan pequeñas como 0,2 μm y admiten el funcionamiento en las bandas de frecuencia de las ondas milimétricas. Los dispositivos basados en GaN han sustituido en gran medida a los dispositivos de arseniuro de galio (GaAs) y a los semiconductores de óxido metálico de dispersión lateral de Si (LDMOS) en muchas aplicaciones de alta frecuencia y en todas las aplicaciones de baja frecuencia, salvo las más sensibles a los costes.

Los dispositivos de GaN son interesantes para el diseñador de amplificadores de potencia de RF porque admiten voltajes de funcionamiento muy elevados (de tres a cinco veces los de GaAs) y duplican aproximadamente la capacidad de transporte de corriente por unidad de ancho de puerta del FET en comparación con los dispositivos de GaAs. Estas características tienen una consecuencia importante para los diseñadores de megafonía, a saber, una mayor impedancia de carga para un nivel de potencia de salida determinado. Los diseños anteriores basados en GaAs o LDMOS solían tener impedancias de salida extremadamente bajas en comparación con las impedancias típicas del sistema de 50 Ω o 75 Ω. Las bajas impedancias de los dispositivos imponen límites al ancho de banda alcanzable, es decir, a medida que aumenta la relación de transformación de impedancia requerida entre el dispositivo amplificador y su carga, también aumenta el número de componentes y la pérdida de inserción. Debido a estas altas impedancias, los primeros usuarios de estos dispositivos pudieron obtener en algunos casos resultados parciales simplemente instalando uno en una configuración de prueba no emparejada, aplicando una polarización de CC y conduciendo el dispositivo con una señal de prueba de RF/microondas.

Los dispositivos de GaN también se están abriendo camino en aplicaciones espaciales de alta fiabilidad debido a estas características de funcionamiento y a su excepcional fiabilidad. Los datos de las pruebas de vida útil de estos dispositivos, procedentes de varias fuentes, predicen tiempos medios hasta el fallo (para dispositivos individuales) superiores a un millón de horas a temperaturas de unión de 225°C o superiores. Esta excepcional fiabilidad se debe principalmente al elevado bandgap del GaN (3,4 para el GaN frente a 1,4 para el GaAs). Esto los hace muy adecuados para aplicaciones de alta fiabilidad.

El principal obstáculo para un uso más amplio del GaN en aplicaciones de alta potencia es su coste de fabricación relativamente alto, que suele ser de dos a tres veces el del GaAs y de cinco a siete veces el de los dispositivos LDMOS de Si. En general, esto ha sido un obstáculo para su uso en aplicaciones sensibles al coste, como la infraestructura inalámbrica y los teléfonos de consumo. Existen procesos de GaN sobre sustratos de Si, aunque con los problemas de rendimiento mencionados anteriormente, y los dispositivos de estos procesos son probablemente los más adecuados para estas aplicaciones sensibles al coste. En un futuro próximo, se esperan reducciones de costes, quizás del orden del 50%, a medida que la fabricación de dispositivos de GaN se traslade a obleas más grandes, con diámetros de 150 mm y más, actualmente en curso en varias fundiciones líderes de dispositivos de GaN.

Los sistemas de radar actualmente desplegados para la previsión meteorológica y la adquisición/identificación de objetivos se basan en amplificadores de potencia basados en TWT que operan en frecuencias de banda C y X. Estos amplificadores funcionan con tensiones de alimentación elevadas (de 10 kV a 100 kV) y temperaturas, y son susceptibles de sufrir daños por golpes y vibraciones excesivas. La fiabilidad en el campo de estos amplificadores de tubo suele ser de 1.200 h a 1.500 h, lo que supone un alto coste de mantenimiento y de piezas de recambio.

Como alternativa a estos amplificadores de alta potencia basados en TWT, Analog Devices ha desarrollado un amplificador de potencia de estado sólido de 8 kW para la banda X basado en la tecnología GaN. El diseño utiliza un innovador enfoque de combinador por capas para sumar la potencia de salida de RF/microondas de 256 MMIC, cada uno de los cuales desarrolla aproximadamente 35 W de potencia de salida. El método de combinación da lugar a una degradación gradual del rendimiento en caso de fallo del MMIC. Esto contrasta con los amplificadores TWT, que tienden a fallar catastróficamente debido a los bajos niveles de redundancia. Para estos amplificadores de potencia de estado sólido de GaN, la arquitectura de combinación de RF/onda debe tener un equilibrio razonable entre el aislamiento necesario entre los MMIC y la pérdida de inserción de RF/onda de la red global.

La topología del amplificador de 8 kW es modular y consta de cuatro conjuntos de amplificadores de 2 kW cuya potencia de salida se combina mediante estructuras de guía de ondas (Figura 1). El amplificador puede montarse en una carcasa de rack estándar de 19 pulgadas. El diseño actual del amplificador (figura 2) está configurado para su uso con refrigeración por agua, aunque se están desarrollando variantes del amplificador que utilizan refrigeración por aire. La tabla 1 resume los niveles de rendimiento del PA de GaN de 8 kW refrigerado por agua.

Tabla 1. Rendimiento típico de un PA de 8 kW

Potencia nominal de salida	8 kW
Gama de frecuencias	8 GHz a 11 GHz
Tiempo de subida/bajada (máx.)	200 ns
Ancho de pulso	0.05 μs a 100 μs
Factor de servicio	20%
ROE de entrada/salida	1.50:1
Ruido fuera de banda (máx	-70,0 dBc
Armónicos de segundo orden (máx.)	-40,0 dBc
Conector de entrada RF	SMA
Conector de salida RF	Guía de ondas

Los SSPA de 8 kW están diseñados para que estos SSPA modulares puedan combinarse para producir niveles de potencia aún mayores. Se está trabajando en el desarrollo de un amplificador que combinará tres de estos módulos SSPA de 8 kW en una unidad con un nivel de potencia máxima de salida de 24 kW en el mismo rango de frecuencia. Otras configuraciones para alcanzar niveles de potencia de 32 kW son factibles y se están evaluando más.

Analog Devices está desarrollando un módulo de potencia avanzado, también basado en la tecnología GaN, que duplicará la potencia de salida de RF/microondas de los módulos actuales. El módulo está diseñado para ser sellado herméticamente para funcionar en entornos extremos. Esto, junto con las estructuras de combinadores de próxima generación con una pérdida de inserción reducida (en comparación con los enfoques actuales), permitirá ampliar la potencia de salida pulsada a niveles cercanos a los 75 kW y 100 kW en las frecuencias de RF/microondas. Estos SSPA avanzados de alta potencia incluirán funciones de control y de procesador para permitir la supervisión de fallos, la funcionalidad de prueba integrada (BIT), la prueba de diagnóstico a distancia y el control de los circuitos de control de polarización rápidos y en tiempo real para los dispositivos MMIC que alimentan los amplificadores.

Estos amplificadores de potencia de estado sólido basados en GaN responden a la necesidad del sector de disponer de amplificadores con un gran ancho de banda instantáneo y altos niveles de potencia de salida. Algunos sistemas intentan cumplir estos requisitos utilizando amplificadores canalizados o múltiples, cada uno de los cuales cubre parte del espectro requerido y alimenta un multiplexor. Esto conlleva un aumento del coste y la complejidad y provoca lagunas de cobertura en los puntos de cruce de frecuencias del multiplexor. Una alternativa más eficaz es la cobertura continua de amplios rangos de frecuencia a niveles de potencia elevados, como se ha conseguido con dos amplificadores diferentes basados en GaN que cubren frecuencias desde VHF hasta la banda L, así como desde 2 GHz hasta 18 GHz.

Para su uso desde las frecuencias de VHF hasta la banda S, Analog Devices ha desarrollado un amplificador multioctava muy pequeño y con muchas funciones, capaz de ofrecer una potencia de salida de 50 W desde 115 MHz hasta 2000 MHz. El amplificador alcanza niveles de potencia de salida de 46 dBm (normalmente 40 W) en toda esta gama de frecuencias cuando se alimenta con una señal de entrada nominal de 0 dBm.

Alojado en una carcasa compacta de 7,3" × 3,6" × 1,4", el amplificador incluye la función BIT para la protección contra la sobrecarga térmica y de corriente, informes de telemetría y un convertidor CC-CC integrado para un rendimiento de RF sin compromisos con fuentes de alimentación de entrada de 26 V_DC a 30 V_DC. En la figura 3 se muestra una fotografía del amplificador, y en la figura 4 se muestran los datos típicos de rendimiento medido de la potencia de salida en función de la frecuencia.

Para abordar las aplicaciones de banda ancha por encima de 2 GHz, Analog Devices también ha desarrollado un amplificador de GaN que produce 50 W de potencia de salida de onda continua (CW) en toda la banda de 2 GHz a 18 GHz. Este amplificador utiliza MMICs de GaN de 10 W disponibles en el mercado, cuyas contribuciones a la potencia de salida se suman mediante un circuito combinador de banda ancha y bajas pérdidas. A su vez, se pueden combinar varios amplificadores para desarrollar potencias de salida de hasta 200 W en la misma banda de 2 GHz a 18 GHz. La cadena de controladores también se basa en dispositivos activos de GaN. El amplificador funciona con 48 VCC y tiene un regulador de tensión interno y un circuito de conmutación de alta velocidad para permitir el funcionamiento por impulsos con una buena fidelidad de los mismos y tiempos rápidos de subida y bajada. La tabla 2 recoge las especificaciones de este amplificador. La figura 5 muestra una fotografía del amplificador, mientras que la figura 6 muestra la potencia de salida del amplificador en función de la frecuencia desde 2 GHz hasta 18 GHz.

Tabla 2. Rendimiento típico de un SSPA de banda ancha

Potencia de salida	50 W
Gama de frecuencias	2 a 18 GHz
Factor de servicio	100%
ROE de entrada/salida	1.50:1
Ruido fuera de banda (máx.)	-70,0 dBc
Ganar estabilidad	2.5 dBm
Conector de entrada RF	SMA
Conector de salida RF	Tipo N

Este amplificador de 50 W forma parte de una familia de amplificadores que cubre la banda de 2 GHz a 18 GHz. ADI también ha desarrollado un amplificador compacto de sobremesa con una potencia de salida de 12 W (figura 7) y una unidad de montaje en bastidor con una potencia de salida de 100 W (figura 8). Se están desarrollando otros amplificadores con cobertura de frecuencia de 2 GHz a 6 GHz y de 6 GHz a 18 GHz. ADI también está trabajando para aumentar la potencia de salida de estos amplificadores de banda ancha desde sus niveles actuales hasta niveles de potencia de 200 W y superiores. Para conseguir estos niveles de potencia de salida más elevados, la empresa está desarrollando módulos con mayor potencia de salida, así como combinadores de potencia de RF de banda ancha con una eficiencia de combinación muy mejorada y menos pérdidas que los combinadores de potencia actuales.

Estos son sólo algunos ejemplos de los niveles de rendimiento posibles con los amplificadores de estado sólido basados en GaN. Se espera que el coste unitario de estos amplificadores disminuya en el futuro a medida que cada vez más proveedores de semiconductores de GaN pasen a tamaños de oblea mayores y sigan mejorando el rendimiento de sus dispositivos por oblea. Los sistemas que operan en frecuencias de ondas milimétricas harán un mayor uso de los dispositivos de GaN a medida que se reduzcan las longitudes de compuerta, lo que permitirá un funcionamiento a mayor frecuencia de los SSPA basados en GaN. Está claro que las tendencias actuales del GaN de mejora del rendimiento y reducción del coste probablemente continuarán durante algún tiempo.