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Sep 26, 2023

Effetti di interferenza nell'amplificatore di potenza a transistor GaN ad alta mobilità elettronica indotti da impulsi a microonde

Scientific Reports volume 12,

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 16922 (2022) Citare questo articolo

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A causa del rapido sviluppo della comunicazione wireless, del radar e della tecnologia dell'energia a impulsi, l'ambiente elettromagnetico affrontato dai sistemi elettronici è sempre più complesso e l'intensità del campo elettromagnetico può essere significativa. In questo studio, è stato osservato un nuovo fenomeno di interferenza quando gli impulsi a microonde sono stati iniettati nell'amplificatore di potenza del transistor ad alta mobilità elettronica (HEMT) al nitruro di gallio (GaN) attraverso la porta di uscita. Abbiamo studiato la relazione tra la potenza di picco degli impulsi a microonde a iniezione inversa e la durata o l'ampiezza dell'interferenza mediante esperimenti sugli effetti. La durata dell'interferenza potrebbe raggiungere l'entità del millisecondo. È stato dimostrato che le trappole profonde negli amplificatori di potenza GaN HEMT sono la causa di questi effetti di interferenza.

Le proprietà uniche del materiale del nitruro di gallio (GaN), ampio gap di banda, elevata conduttività termica, elevata tensione di rottura, elevata mobilità degli elettroni e le proprietà del dispositivo del GaN Transistor ad alta mobilità elettronica (HEMT), ovvero bassa capacità parassita, bassa resistenza all'accensione e taglio elevato le frequenze disattivate lo rendono una buona scelta per l'uso nell'amplificatore di potenza (PA)1,2,3,4,5. Negli ultimi anni, i sistemi radar e di contromisure elettroniche basati su dispositivi GaN a radiofrequenza (RF) hanno dimostrato una maggiore distanza di rilevamento della trasmissione, sensibilità e durata, nonché evidenti vantaggi prestazionali completi, che hanno fortemente promosso l’aggiornamento delle prestazioni delle attrezzature militari. Lo sviluppo del sistema di comunicazione di prossima generazione, ovvero la comunicazione wireless di quinta generazione (5G), porterà cambiamenti rivoluzionari anche all'industria dei semiconduttori. Man mano che la banda di frequenza di comunicazione migra verso l'alta frequenza, sia le stazioni base che i dispositivi di comunicazione necessitano di dispositivi RF che supportino prestazioni ad alta frequenza. I vantaggi del GaN diventeranno gradualmente evidenti, rendendo il GaN una tecnologia chiave nel 5G6,7,8,9. Tuttavia, con il rapido sviluppo della tecnologia dell'energia a impulsi, l'ampia applicazione di radar e trasmettitori di comunicazione ad alta potenza, l'ambiente elettromagnetico sta diventando sempre più complesso e anche la densità di potenza dell'ambiente elettromagnetico sta aumentando, il che rende l'affidabilità di L'amplificatore di potenza GaN-HEMT sarà inevitabilmente seriamente minacciato.

In questo lavoro, gli impulsi a microonde sono stati iniettati in un amplificatore di potenza GaN-HEMT attraverso la porta di uscita ed è stato osservato un nuovo fenomeno di interferenza. La durata dell'interferenza ha raggiunto l'ordine dei millisecondi, il che rappresenterebbe una seria minaccia per il normale funzionamento del sistema.

Il circuito integrato (IC) dell'amplificatore di potenza TGF2023-2-01 è stato fabbricato da Qorvo utilizzando la tecnologia HEMT GaN/SiC ad alta potenza da 0,25 μm. L'amplificatore di potenza, la cui struttura è mostrata in Fig. 1, è progettato per funzionare sulla banda S (2–4 GHz) dello spettro elettromagnetico. L'amplificatore di potenza può tipicamente fornire 38 dBm (circa 6 watt) di potenza di uscita saturata con un guadagno di potenza di 13,5 dB a 3 GHz. L'efficienza massima della potenza aggiunta è del 60,5%. VGate e VDrain sono rispettivamente la tensione gate-to-source e la tensione drain-to-source. In questo amplificatore di potenza VGate è impostato su − 5 V e VDrain è impostato su + 28 V.

Struttura dell'amplificatore di potenza utilizzato nello studio.

La Figura 2 mostra lo schema del sistema sperimentale utilizzato nel nostro lavoro per studiare gli effetti di interferenza nell'amplificatore di potenza GaN-HEMT indotti da impulsi a microonde. Il sistema sperimentale è progettato sulla base del meccanismo di ricezione e iniezione della radiazione a microonde e quindi può essere utilizzato per ricreare scenari applicativi pratici in modo realistico. Questo sistema è costituito da un sistema sorgente a microonde autocostruito, diversi attenuatori, circolatore, accoppiatore direzionale, misuratore di potenza RF (R&S NRP2) e oscilloscopio digitale (LeCroy WavePro 640Zi). Per i nostri esperimenti, il sistema sorgente a microonde genera una serie di impulsi a microonde, che possono essere modificati gradualmente sintonizzando l'attenuatore del gradino. Inoltre, un sistema di controllo della sincronizzazione nel dominio del tempo realizzato autonomamente e la sorgente del segnale (Agilent E8257D) vengono utilizzati per controllare l'ampiezza dell'impulso, la frequenza di ripetizione e il numero di impulsi degli impulsi a microonde.