L’attività nella banda Ka sta crescendo, sia nell’ambito dei sistemi radar militari che dei ponti radio commerciali. Conseguentemente aumenta la richiesta di amplificatori di potenza efficienti e compatti, che amplifichino i segnali all’interno di tali apparati nell’intervallo di frequenze della banda Ka (da 26,5 a 40 GHz). Le applicazioni possibili spaziano dalla televisione ai servizi di trasmissione dati a larga banda, dalle comunicazioni avioniche civili a quelle militari. Numerosi report pubblicati in passato hanno confrontato le prestazioni in termini di potenza, banda ed efficienza per gli amplificatori che lavorano in questo intervallo di frequenze. Questo report illustra il processo di progettazione, simulazione e di misura della prestazioni di un amplificatore di potenza a larga banda da 4 W realizzato in tecnologia Mmic (Monolithic Microwave Integrated Circuit) e sviluppato da Macom per il funzionamento nella banda da 32 a 38 GHz. Questo amplificatore integrato a quattro stadi, modello MAAP-015016-DIE, è fabbricato da Macom con un processo con geometrie da 2 mm, 0,15 µm in arseniuro di gallio (GaAs), con transistori pseudomorfici ad alta mobilità elettronica (pHEMT). L’attività di progettazione ha sfruttato dei modelli dei dispositivi sviluppati dalla fonderia e verificati attraverso una combinazione di misure di grande e piccolo segnale. Questa caratterizzazione include i parametri S e le misure load-pull eseguite su un ampio intervallo di temperature, impiegando accordatori di impedenza load-pull di Maury Microwave. Al fine di ottimizzare le prestazioni RfF in una cella a gate multipli interdigitati, sono state prese in considerazione sia la larghezza del gate che la lunghezza fisica delle strutture di connessione. La disposizione ottimale è stata determinata attraverso simulazioni che hanno permesso di definire la struttura base della cella, impiegata in tutto il progetto. I risultati delle simulazioni eseguite con il programma Awr Design Environment di National Instruments sono stati usati per determinare le impedenze di ingresso e uscita ottimali per l’amplificatore.
Analisi termica
Un altro fattore importante nel progetto di amplificatori di potenza compatti riguarda le prestazioni termiche a livello di singola cella, in termini di disposizione delle via e della spaziatura tra contatti di gate. In questo caso, le prestazioni termiche sono state analizzate tramite l’apposito programma Symmic di Capesym, un partner di National Instruments. Questa analisi è critica in quanto l’amplificatore deve soddisfare le specifiche sia in condizioni di funzionamento in regime continuo che impulsato. Ogni cella è stata stabilizzata singolarmente tramite una configurazione RC parallelo. La stabilità complessiva del circuito è stata verificata nelle tipiche condizioni di pilotaggio. L’analisi termografica del chip ha rivelato un picco di incremento di 60°C rispetto alla temperatura di base dell’amplificatore, corrispondente ad un tempo medio tra guasti di 5·107 ore. Dei diodi di protezione da scariche elettrostatiche sono stati inclusi nel chip, le cui prestazioni misurate hanno permesso di classificare il sistema nella classe 1 rispetto alla normativa Cdm (Charged device model) e nella classe 1B per il modello Hbm (Human Body Model).
Il progetto dell’amplificatore e le misure fanno riferimento ad una linea di trasmissione esterna adattata a 50 Ω su di un substrato di allumina. I collegamenti con fili di bonding sono stati ottimizzati tramite simulazioni elettromagnetiche tridimensionali eseguite con il software Axiem EM all’interno dell’ambiente NI Awr. Per una migliore accuratezza, il circuito applicativo impiegato per la caratterizzazione sperimentale dell’amplificatore nella banda Ka sfrutta un substrato scelto con un coefficiente di espansione termica simile a quello del chip di GaAs. Per le misure, i pad di ingresso ed uscita a radiofrequenza sono stati collegati a una sonda esterna in modo da replicare la configurazione dei collegamenti simulati. Dei condensatori esterni di disaccoppiamento aiutano a migliorare la stabilità dell’amplificatore a bassa frequenza. Grazie a tali condensatori, l’amplificatore può funzionare in modo efficiente sia in modalità continua che con drain impulsato. In condizioni statiche la potenza cala solo di 0,5 dB rispetto al caso impulsato, come illustrato in tabella. Rispetto ai prodotti concorrenti, l’amplificatore Mmic MAAP-015016 offre prestazioni confrontabili, ma in un’area molto ridotta e con migliore potenza di uscita nella banda Ka.
Risultati dei test
Le prestazioni di piccolo segnale dell’amplificatore in banda Ka sono state misurate in condizione di pilotaggio a impulsi. Nella banda di interesse il guadagno di piccolo segnale è pari a 19 dB, con perdite per riflessione in ingresso ed uscita inferiori a 10 e 13 dB rispettivamente. Sebbene la potenza di uscita vari nell’ampio intervallo di frequenze per varie potenze di ingresso, l’amplificatore fornisce una potenza di uscita di 37 dBm (nominalmente 36,5 dBm) al punto di compressione a -1 dB nella banda da 33 a 38 GHz. Sull’intervallo esteso da 32 a 38 GHz, il dispositivo garantisce la potenza richiesta di 36 dBm. Il confronto tra le simulazioni e i risultati sperimentali indica un buon accordo che valida così il processo di progettazione. Come accade normalmente, la potenza di uscita misura è leggermente inferiore ai valori simulati, mentre l’efficienza è leggermente migliore. Nonostante le variazioni di ampiezza di questi parametri, la forma analoga delle curve di risposta indica che il circuito è stato accuratamente modellizzato in fase di simulazione.
