فوائد GaN لتطبيقات الترددات اللاسلكية
نيتريد الغاليوم (GaN) عبارة عن مادة ذات فجوة نطاق واسعة توفر مزايا كبيرة في تطبيقات الترددات الراديوية عالية الطاقة (RF). بالمقارنة مع أشباه الموصلات التقليدية (مثل السيليكون)، يتمتع نيتريد الغاليوم ببعض الخصائص الفيزيائية والكهربائية المهمة جدًا، بما في ذلك:
- ارتفاع الجهد انهيار.
- كثافة طاقة عالية
- ارتفاع وتيرة التشغيل والتبديل.
- كفاءة عالية؛
- الموصلية الحرارية الممتازة.
بالمقارنة مع التقنيات التقليدية، أثبت نيتريد الغاليوم أنه مادة متفوقة للعديد من التطبيقات في مجال الترددات الراديوية، حيث تعد الموثوقية والكفاءة وانخفاض الامتصاص من المتطلبات الأساسية. أثناء عملية التصنيع، تتم زراعة نيتريد الغاليوم عادةً، عند درجات حرارة أعلى من 1000 درجة مئوية، على ركيزة مكونة من كربيد السيليكون (SiC) في حالة تطبيقات الترددات اللاسلكية، أو من السيليكون العادي في حالة تطبيقات الطاقة. تعد التكنولوجيا المعتمدة على GaN-on-SiC هي الأكثر استخدامًا على الإطلاق، لأنها تجمع بين كثافة الطاقة العالية لنتريد الغاليوم مع فقدان الطاقة المنخفض لكربيد السيليكون، ولأنها تحل المشكلات المتعلقة بالإدارة الحرارية والخسائر الطفيلية. تكنولوجيا GaN-on-Si، على الرغم من انخفاض تكلفتها، إلا أنها تنطوي على أداء حراري أسوأ وخسائر أكبر في طاقة إشارة التردد اللاسلكي.
تطبيقات الترددات اللاسلكية من GaN
على الرغم من أن نيتريد الغاليوم يرتبط غالبًا بتطبيقات الترددات اللاسلكية الكلاسيكية، مثل مضخمات الطاقة (PA)، إلا أن هناك العديد من التطبيقات المهمة الأخرى لهذه المادة المبتكرة. إن المستويات المتزايدة باستمرار من القوة والكفاءة التي تحققها هذه الأجهزة تجعلها جذابة، لا سيما في التطبيقات في القطاع الفضائي والعسكري (خاصة الرادارات العسكرية). تتيح المتانة والأداء الحراري الممتاز والوزن والأبعاد المنخفضة لهذه المادة أن تكون خيارًا أفضل للأنواع الأخرى من التقنيات المنافسة حتى في تطبيقات الترددات اللاسلكية المنخفضة التردد. في الرادارات العسكرية، عند العمل على نطاقات تردد مختلفة جيجاهيرتز، أثبت نيتريد الغاليوم أنه الحل الأمثل لصنع أجهزة إرسال الحالة الصلبة، ليحل محل التكنولوجيا القديمة القائمة على أنابيب كليسترون. سوف تستفيد أحدث جيل من الرادارات العسكرية، التي تعمل باستخدام المصفوفات الممسوحة ضوئيًا إلكترونيًا (AESA) ووحدات المصفوفة الطورية، بشكل كبير من توفر دوائر متكاملة متجانسة تعمل بالموجات الدقيقة (MMICs) تعتمد على GaN-on-SiC. ومع ذلك، فإن تطبيقات تكنولوجيا GaN لا تقتصر على قطاع الفضاء والرادار العسكري. وفي مجال الاتصالات، وخاصة الهواتف المحمولة، يتم استخدام هذه المواد لإنشاء حلول مبتكرة متنوعة، مثل تلك التي تدعم تقنية 5G. تحل المكونات القائمة على نيتريد الغاليوم محل المكونات التقليدية القائمة على السيليكون تدريجيًا في تطبيقات محددة مثل مكبرات التردد اللاسلكي ومصفوفات الهوائي الطورية. تثبت الخصائص الفائقة لـ GaN أنها مثالية للإدارة الفعالة لكل من النطاق الفرعي 6 جيجا هرتز والنطاق فوق 20 جيجا هرتز (الموجات المليمترية، أو mmWave). لتلبية المتطلبات الصارمة لشبكة 5G (معدل البيانات السريع، والنطاق العريض واسع النطاق، وزمن الوصول المنخفض)، هناك حاجة إلى تقنيات مبتكرة مثل GaN، القادرة على العمل بترددات عالية (28 جيجا هرتز و39 جيجا هرتز)، لأنها تقلل من حجم هوائيات الاستقبال قدر الإمكان.
أجهزة GaN RF
لدى Wolfspeed مجموعة واسعة من أجهزة الطاقة المعتمدة على GaN، مثل CMPA2735075F، ومضخم الطاقة GaN MMIC بقدرة 75 وات، و2.7 – 3.5 جيجا هرتز. الجهاز، الموضح في الشكل 1، عبارة عن دائرة متكاملة متجانسة تعمل بالموجات الدقيقة (MMIC) تعتمد على نيتريد الغاليوم (GaN). نظرًا للخصائص الفائقة لـ GaN مقارنة بالسيليكون أو زرنيخيد الغاليوم، بما في ذلك جهد الانهيار العالي، وسرعة انجراف الإلكترون المشبعة الأعلى والتوصيل الحراري العالي، فإن الجهاز مناسب بشكل خاص لمضخمات الرادار النبضي المدنية والعسكرية ذات النطاق S (2.0 – 4.0 جيجا هرتز) . توفر GaN HEMTs أيضًا كثافة طاقة أكبر وعروض نطاق أوسع مقارنةً بترانزستورات Si وGaAs. يحتوي MMIC على نهج تصميم مضخم صوت متطابق على مرحلتين مما يتيح تحقيق نطاقات ترددية واسعة جدًا. يمكّن MMIC هذا من تحقيق نطاقات ترددية واسعة للغاية في حزمة صغيرة الحجم ومثبتة ببراغي.
MACOM، إحدى الشركات الرائدة في تصميم وتصنيع أجهزة أشباه الموصلات للاتصالات السلكية واللاسلكية ومراكز البيانات والتطبيقات الصناعية والدفاعية، ولديها مجموعة واسعة من منتجات طاقة التردد اللاسلكي. ومن الأمثلة على ذلك MAGx-011086، وهو مضخم صوت HEMT للأغراض العامة من GaN على كربيد السيليكون، وهو محسّن لتشغيل DC – 6 جيجا هرتز في حزمة سهلة الاستخدام مثالية لتطبيقات النطاق الترددي العالي. تم تصميم الجهاز للتشغيل المشبع والخطي بمستويات طاقة خرج تبلغ 4 وات (36 ديسيبل ميلي واط) في حزمة QFN القياسية الصناعية ذات الحث المنخفض والمثبتة على السطح. تشكل منصات الحزمة إطلاقًا متحد المستوى يمتص بشكل طبيعي طفيليات الرصاص ويتميز بمخطط تفصيلي صغير لثنائي الفينيل متعدد الكلور للتطبيقات ذات المساحة المحدودة. باستخدام أحدث عمليات تصنيع الرقاقات، توفر ترانزستورات MAGx مكاسب عالية وكفاءة وعرض نطاق ترددي ومتانة عبر نطاق ترددي واسع لتلبية احتياجات التطبيقات الصعبة اليوم مثل إلكترونيات الطيران النبضية وتطبيقات الرادار.
تتمتع شركة Qorvo، وهي شركة لأشباه الموصلات متخصصة في أنظمة الترددات الراديوية، بسجل حافل في توفير حلول مضخمات الطاقة (PA) عبر العديد من مستويات التردد والطاقة. TGA2312-FL، الموضح في الشكل 2، هو مضخم طاقة عالي يعمل بين 9 و10 جيجا هرتز ويوفر عادةً 48 ديسيبل ميلي واط من طاقة الخرج المشبعة، وكفاءة الطاقة المضافة بنسبة 38%، وكسب إشارة صغير قدره 13 ديسيبل. يعتبر TGA2312-FL مناسبًا بشكل مثالي للرادار البحري والطقس، ويتم تعبئته في حزمة ذات حواف ذات قاعدة CuW لإدارة حرارية فائقة. يستخدم TGA2312-FL تكنولوجيا Qorvo’s 0.25um GaN على SiC، والتي توفر أداءً فائقًا مع الحفاظ على الموثوقية العالية. بالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام ركائز SiC يوفر الأداء الحراري الأمثل اللازم لتشغيل موثوق به عالي الطاقة.
اكتشاف المزيد من موقع 5 كيلو
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
