Leistungsstarke Niedervolt-Mikrowellentransistoren für den Mobilfunk. Vergleichsdaten

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Referenzmaterialien

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Das Radiomagazin informiert seine Leser ständig über neue Entwicklungen am Voronezh Research Institute of Electronic Technology im Bereich der Herstellung von Hochleistungs-Mikrowellentransistoren für verschiedene Anwendungen [1-3]. In diesem Artikel stellen wir Fachleuten und Funkamateuren die neuesten Entwicklungen der Gruppe der Mikrowellentransistoren KT8197, KT9189, KT9192, 2T9188A, KT9109A, KT9193 für den Mobilfunk mit einer Ausgangsleistung von 0,5 bis 20 W im MV- und UHF-Bereich vor. Steigende Anforderungen an die Funktions- und Betriebsparameter moderner Kommunikationsgeräte stellen entsprechend höhere Anforderungen an die Energieparameter von Hochleistungs-Mikrowellentransistoren, ihre Zuverlässigkeit sowie an das Design der Geräte.

Zunächst ist zu bedenken, dass tragbare und tragbare Radiosender direkt aus Primärquellen gespeist werden. Zu diesem Zweck werden chemische Stromquellen (kleine Zellenbatterien oder Batterien) mit einer Spannung von üblicherweise 5 bis 15 V verwendet. Eine reduzierte Versorgungsspannung führt zu Einschränkungen in den Leistungs- und Verstärkungseigenschaften des Generatortransistors. Gleichzeitig müssen leistungsstarke Niederspannungs-Mikrowellentransistoren über den gesamten Betriebsfrequenzbereich hohe Energieparameter (wie Leistungsverstärkung KuP und Kollektorkreiseffizienz ηK) aufweisen.

Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Ausgangsleistung des Generatortransistors proportional zum Quadrat der Grundschwingungsspannung am Kollektor ist, kann der Effekt einer Verringerung seines Ausgangsleistungsniveaus bei einer Verringerung der Versorgungskollektorspannung konstruktiv durch eine entsprechende Erhöhung kompensiert werden die Amplitude des Nutzsignalstroms. Daher müssen beim Entwurf von Niederspannungstransistoren in Kombination mit der Lösung einer Reihe von Design- und Technologieproblemen gleichzeitig Probleme im Zusammenhang mit dem Problem der Reduzierung der Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung und der Erhöhung der kritischen Kollektorstromdichte optimal gelöst werden.

Der Betrieb von Niederspannungstransistoren in einem Modus mit höheren Stromdichten im Vergleich zu herkömmlichen Generatortransistoren (vorgesehen für den Einsatz bei Up = 28 V und höher) verschärft das Problem der Gewährleistung der Langzeitzuverlässigkeit aufgrund der Notwendigkeit, intensivere Erscheinungen zu unterdrücken Degradationsmechanismen in stromführenden Elementen und Kontaktschichten der Metallisierungstransistorstruktur. Zu diesem Zweck nutzen die entwickelten Niederspannungs-Mikrowellentransistoren ein mehrschichtiges, hochzuverlässiges Metallisierungssystem auf Goldbasis.

Die in diesem Artikel besprochenen Transistoren wurden unter Berücksichtigung ihrer Hauptverwendung in Leistungsverstärkern im Klasse-C-Modus entwickelt, wenn sie in einer gemeinsamen Emitterschaltung angeschlossen sind. Gleichzeitig ist ihr Betrieb im Modus der Klassen A, B und AB unter einer vom Nennwert abweichenden Spannung zulässig, sofern der Betriebspunkt innerhalb des sicheren Betriebsbereichs liegt und Maßnahmen getroffen werden, um ein Eindringen in das Selbst zu verhindern -Generierungsmodus.

Die Transistoren sind auch dann betriebsbereit, wenn der Wert von Up kleiner als der Nennwert ist. In diesem Fall können die Werte der elektrischen Parameter jedoch von den Passwerten abweichen. Der Betrieb von Transistoren mit einer Strombelastung entsprechend dem Wert IК max ist zulässig, wenn die maximal zulässige mittlere Verlustleistung des Kollektors im kontinuierlichen dynamischen Modus РК.ср max den Grenzwert nicht überschreitet.

Aufgrund der Tatsache, dass die Kristalle der Transistorstrukturen der betrachteten Geräte in Basistechnologie hergestellt werden und gemeinsame Design- und Technologiemerkmale aufweisen, weisen alle Transistoren die gleiche Durchbruchspannung auf. В соответствии с ТУ на приборы область их применения ограничена значением максимально допустимого постоянного напряжения между эмиттером и базой UЭБmax < 3 В и максимально допустимого постоянного напряжения между коллектором и эмиттером UКЭ max < 36 В. При этом указанные значения пробивного напряжения справедливы для всего интервала рабочей температуры Umfeld.

Die wichtigste konzeptionelle Idee, die es ermöglichte, einen weiteren Schritt auf dem Gebiet der Herstellung leistungsstarker Niederspannungstransistoren im Miniaturdesign zu machen, war die Entwicklung neuer origineller Design- und Technologielösungen bei der Entwicklung einer Reihe von unverpackten Transistoren KT8197, KT9189, KT9192. Der Kern der Idee besteht darin, ein Transistordesign zu schaffen, das auf einem Keramikkristallhalter aus Berylliumoxid und metallisierten Bandleitungen auf einem flexiblen Träger – einem Polyimidfilm – basiert.

Ein Bandträger mit einem speziellen fotolithografischen Muster in Form eines Leiterrahmens dient als einzelnes leitfähiges Element, auf dem gleichzeitig der Kontakt zur mehrzelligen Transistorstruktur und den externen Anschlüssen des Geräts hergestellt wird. Alle Elemente der inneren Streifenverstärkung werden mit einer Masse abgedichtet. Die Abmessungen der Basis des metallisierten Keramikhalters betragen 2,5 x 2,5 mm. Die Montagefläche des Kristallhalters und die Anschlüsse sind mit einer Goldschicht beschichtet. Der Typ und die Abmessungen des Transistors sind in Abb. dargestellt. 1, a. Zum Vergleich stellen wir fest, dass die kleinsten ausländischen Transistoren in einem Metallkeramikgehäuse (z. B. CASE 249-05 von Motorola) einen runden Keramiksockel mit einem Durchmesser von 7 mm haben.

Das Design der Transistoren der Serien KT8197, KT9189, KT9192 sieht ihre Installation auf einer Leiterplatte im Oberflächenmontageverfahren vor. Gemäß den Empfehlungen für den Einsatz dieser Transistoren darf das Löten der Außenanschlüsse nicht länger als 125 s bei einer Temperatur von 180...5 °C erfolgen.

Durch die Umsetzung von Reserven in elektrischen und thermophysikalischen Parametern konnte der Leistungsumfang von Consumer-Funktionen gehäuseloser Mikrowellentransistoren deutlich erweitert werden. Insbesondere für Transistoren der KT8197-Serie mit einem Nennspannungswert Upit = 7,5 V und der KT9189-, KT9192-Serie (12,5 V) wird die Grenze des sicheren Betriebsbereichs im dynamischen Modus auf Upit max = 15 V erweitert. Eine Erhöhung Die Erhöhung der Versorgungsspannung relativ zum Nennwert ermöglicht eine Erhöhung der Ausgangsleistung des tragbaren Senders und damit eine Vergrößerung der Funkreichweite. Transistoren können ohne Reduzierung der Verlustleistung im kontinuierlichen dynamischen Modus über den gesamten Betriebstemperaturbereich betrieben werden.

Im Allgemeinen wurden bei der grundlegenden Entwicklung dieser Transistoren nicht nur die Probleme der Miniaturisierung, sondern auch der Kostenreduzierung gelöst. Dadurch erwiesen sich die Transistoren als etwa fünfmal günstiger als ausländische Transistoren derselben Klasse im Metall-Keramik-Gehäuse. Die entwickelten Miniatur-Mikrowellentransistoren können sowohl im traditionellen Einsatz in Form diskreter Komponenten als auch als Teil von HF-Leistungsverstärkern mit Hybrid-Mikroschaltung die breiteste Anwendung finden. Ihr effektivster Einsatz liegt offensichtlich in tragbaren tragbaren Radiosendern.

Die Endstufen mobiler Sender werden in der Regel direkt aus der Fahrzeugbatterie gespeist. Transistoren für die Ausgangsstufen sind für eine Nennversorgungsspannung Upit = 12,5 V ausgelegt. Die parametrischen Transistorreihen für jeden angeschlossenen Bereich werden unter Berücksichtigung der zulässigen maximalen Ausgangsleistung für tragbare Sender Pout = 20 W aufgebaut [4]. Die Entwicklung leistungsstarker Niederspannungs-Mikrowellentransistoren (mit Pout>10 W) ist mit komplexeren Designproblemen verbunden. Darüber hinaus gibt es Probleme beim Hinzufügen dynamischer Leistung und beim Abführen von Wärme aus großen Kristallen von Mikrowellenstrukturen.

Die Kristalltopologie von Leistungstransistoren weist eine sehr entwickelte Emitterstruktur auf, die sich durch eine niedrige Impedanz auszeichnet. Um das erforderliche Frequenzband sicherzustellen, die Anpassung zu vereinfachen und die Leistungsverstärkung zu erhöhen, ist in den Transistoren eine interne LC-Anpassschaltung am Eingang eingebaut. Strukturell besteht die LC-Schaltung aus einer Mikrobaugruppe, die auf einem MIS-Kondensator und einem System von Drahtleitungen basiert, die als induktive Elemente dienen.

In Weiterentwicklung des Leistungsbereichs bereits entwickelter Transistoren der Serie 2T9175 für den Einsatz im VHF-Bereich [2] entstanden die Transistoren 2T9188A (Pout = 10 W) und KT9190A (20 W). Für den UHF-Bereich wurden die Transistoren KT9193A (Pout = 10 W) und KT9193B (20 W) entwickelt. Die Transistoren werden in einem Standard-KT-83-Gehäuse hergestellt (siehe Abb. 1, b).

Die Verwendung dieses Metallkeramikgehäuses ermöglichte einst die Entwicklung hochzuverlässiger Mehrzwecktransistoren für elektronische Geräte mit erhöhten Anforderungen an äußere Faktoren und der Fähigkeit, unter rauen klimatischen Bedingungen zu arbeiten. Um eine garantierte Zuverlässigkeit bei einer Gehäusetemperatur von +60°C gegenüber Transistoren mit einer Ausgangsleistung Pout = 10 W und bei Pout = 20 W - von +40 bis +125°C, der maximal zulässigen durchschnittlichen Verlustleistung zu gewährleisten im kontinuierlichen dynamischen Modus muss eine lineare Reduzierung gemäß der Formel RK.sr max=(200-Tcorp)/RT.p-c erfolgen (wobei Tcorp die Gehäusetemperatur in °C ist; RT.p-c der Wärmewiderstand des Anschlussgehäuses). Übergang, °C/W).

Derzeit wird in Russland ein föderales Funkkommunikationsnetz nach dem NMT-450i-Standard (mit einer Frequenz von 450 MHz) aufgebaut. Die entwickelten Geräteserien KT9189, 2T9175, 2T9188A, KT9190A können den Bedarf im betrachteten Marktsektor an Geräten auf Basis von Haushaltstransistorelementen nahezu vollständig decken.

Darüber hinaus wird in Russland seit 1995 ein föderales Netz zellularer mobiler Teilnehmerkommunikationssysteme nach dem GSM-Standard (900 MHz) und ein Mobilfunksystem für die regionale Kommunikation nach dem amerikanischen AMPS-Standard (800 MHz) eingesetzt. Zur Erstellung dieser zellularen Funkkommunikationssysteme im UHF können kleinformatige Transistoren der KT9192-Serie mit einer Ausgangsleistung von 0,5 und 2 W sowie der KT9193-Serie mit einer Ausgangsleistung von 10 und 20 W verwendet werden.

Die Lösung des Problems der Miniaturisierung von Geräten und damit ihrer elementaren Basis betraf nicht nur tragbare tragbare Funksender. In einer Reihe von Fällen besteht bei tragbaren Funkkommunikationsgeräten sowie Spezialgeräten die Notwendigkeit, das Gewicht und die Abmessungen von Hochleistungs-Mikrowellen-Niederspannungstransistoren zu reduzieren.

Zu diesem Zweck wurde ein modifiziertes waferfreies Gehäusedesign auf Basis von KT-83 (Abb. 1, c) entwickelt, in dem die Transistoren 2T9175A-4-2T9175V-4, 2T9188A-4, KT9190A-4, KT9193A-4, KT9193B-4 werden produziert. Ihre elektrischen Eigenschaften ähneln den entsprechenden Transistoren in Standardausführung. Diese Transistoren werden durch Niedertemperaturlöten des Kristallhalters direkt auf den Kühlkörper montiert. Die Körpertemperatur während des Lötvorgangs sollte +150°C nicht überschreiten und die gesamte Aufheiz- und Lötzeit sollte 2 Minuten nicht überschreiten.

Die wichtigsten technischen Eigenschaften der betrachteten Transistoren sind in der Tabelle dargestellt. 1. Der Wirkungsgrad des Kollektorkreises aller Transistoren beträgt 55 %. Die Werte des maximal zulässigen Kollektorgleichstroms entsprechen dem gesamten Betriebstemperaturbereich.

Tabelle 1

In Abb. In Abb. 2a zeigt die komplette Schaltung der Transistoren 2T9188A, KT9190A und in Abb. 2,b - Transistoren der Serien KT8197, KT9189, KT9192, 2T9175 (l - Abstand von der Lötgrenze zur Klebenaht der Verschlusskappe bzw. Dichtbeschichtung des Kristallhalters. Dieser Abstand ist in den Anwendungsempfehlungen geregelt Mikrowellentransistoren in den technischen Spezifikationen zu ihnen und wird bei der Berechnung der reaktiven Elemente von Transistoren unbedingt berücksichtigt. Die Parameter der in den Diagrammen dargestellten reaktiven Elemente sind in der Tabelle zusammengefasst. 2. Diese Parameter sind für die Berechnung der Anpassungsschaltungen des Verstärkungspfads der zu entwickelnden Geräte erforderlich.

Die Entwicklung einer neuen Transistorelementbasis eröffnet eine breite Perspektive sowohl für die Schaffung moderner professioneller kommerzieller und Amateurfunk-Kommunikationsgeräte als auch für die Verbesserung bereits entwickelter Geräte, um deren elektrische Parameter zu verbessern, Gewicht, Abmessungen und Kosten zu reduzieren .

Tabelle 2

Literatur

1. Assesorov V., Kozhevnikov V., Kosoy A. Wissenschaftliche Suche nach russischen Ingenieuren. Entwicklungstrend von Hochleistungs-Mikrowellentransistoren. – Radio, 1994, Nr. 6, S. 2, 3.
2. Assessorov V., Kozhevnikov V., Kosoy A. Neue Mikrowellentransistoren. – Radio, 1996, Nr. 5, S. 57, 58.
3. Assesorov V., Assesorov A., Kozhevnikov V., Matveev S. Lineare Mikrowellentransistoren für Leistungsverstärker. – Radio, 1998, Nr. 3, S. 49-51.
4. Winkelmodulierte Radiosender des Landmobilfunkdienstes. GOST 12252-86 (ST SEV 4280-83).

Autoren: V.Kozhevnikov, V.Assessors, A.Assessors, V.Dikarev, Voronezh

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