功率晶体管、RF MEMS和振荡器的技术进展

微波产业尽管在持续创新，许多产品仍根植于相同技术。例如，砷化镓(GaAs)就是目前许多先进功放及其它有源器件的核心技术。但在这些现象中，孕育着可能变革许多产品制造方式方法的创新。这些“颠覆性技术”会以闻所未闻、见所未见的完全新奇的面目兴出于世。它还可能包含现已被重新挖掘、二次创新的曾经不被青睐的老技术以满足目前和下一代技术的需要。 HVVi Semiconductors (www.hvvi.com)新近推出的RF功率晶体管架构就属于这类久而弥醇的技术，它借鉴且同时创新了分立硅功率晶体管技术。在超过15年的时间内，在硅RF晶体管设计领域一直没有重要突破。为雷达/航空应用设计的该架构是基于高频、高压垂直场效应晶体管(HVVFET)技术的。与目前的双极和LDMOS相比，该架构有望提供出众的频率带宽、电压范围和功率水平。 该公司已首次推出了基于该新HVVFET架构的三款产品。这些晶体管定位于诸如IFF、TCAS、TACAN和Mode-S等L波段的大功率、脉动RF应用。这三款晶体管都可工作在24 到48 V电压。就1030 到1090 MHz这一L波段的脉动应用来说，HVV1011-300工作在48V。其典型性能指标是：300 W脉动输出功率、15dB增益和48%的效率。它具有50μs脉宽和1ms的脉冲周期。归功于HVVFET架构内采用的垂直器件构造，它还兼具高可靠性和耐用性。在满额定输出功率下的所有相位角该器件还特别能容忍等同于20:1电压驻波比 (VSWR)的负载失匹。 HVV1214-025和 HVV1214-100是其中增强型的另两款RF晶体管，它们用在1.2到1.4GHz的L波段脉动雷达应用。这两款器件都工作在48V，输出功率分别是25和100 W。在脉宽200 ？s、10%脉冲占空比的测试信号条件下，HVV1214-025和 HVV1214-100的典型增益分别为17.5和19.5 dB。在整个工作频段的额定输出功率和标称工作电压下，这两款晶体管都可承受对应于20:1 的VSWR输出负载失匹。 从系统角度，HVVFET的增益、效率和功率密度允许设计师去掉功放内的放大级从而减少了元件数并降低了对PCB空间的要求。同时，该技术所承诺的高耐用性允许雷达和航空设计师去掉体积大、成本高的绝缘器。该架构还“炫耀”了一把可调适的晶圆工艺。只需加大裸片体积就可用同一个布局和设计支持更大功率。 另一项新技术有望去掉主流电子应用中最后一个非CMOS器件——基于石英的谐振器。与电子产业内的各个领域一样，对时序部分一直有着集成度应更高、体积应更小的呼吁和要求。Mobius MicroSystems (www.mobiusmicro.com)的CMOS谐波振荡器(CHO)技术有望满足该要求且达到的精度水平是单独CMOS振荡器所望尘莫及的。采用CHO技术的首款产品是MM8511。该扩频时钟生成集成电路工作在 3.3V。可将其用作一个输出频率范围从几百kHz到几百MHz的全集成时钟生成器。最初产品将在工厂内编程为公共接口频率，范围在10到100MHz。该器件具有0到6%的宽的扩频调制选择。 为降低电磁干扰(EMI)，制造MM8511时采用的是标准扩频时钟生成(SSCG)技术。借助SSCG，可确定无疑地在关键频段把EMI减小达15dB，从而减少了为确保EMI兼容所需的工程返工。但与传统的SSCG实现不同，MM8511 CHO用一片单片CMOS裸片同时取代了石英晶体和锁相环IC。无需外接谐振器，该裸片就可生成扩频时钟。拿掉了石英晶体增强了可靠性、去掉了系统内的大个封装并减少了器件数。废弃PLL后，通过减少时钟抖动提升了IC性能。它还降低了相噪和功耗。 在Discera (www.discera.com)的振荡器技术中，CMOS电路技术同样是核心。但该公司将CMOS与微机电系统(MEMS)技术结合在一起。归功于其MEMS根基，Discera的MOS1振荡器承诺提供卓异的温度稳定性和待机功耗。MOS1系列振荡器以四款产品总共覆盖了1到125 MHz频率范围，这四款产品的频率范围分别是：1到10、10到40、40 到80以及80到125 MHz。在125 MHz最高频，MOS1的典型功耗仅约为11mA。在通常使用的27 MHz，典型功耗约为4.5 mA。另外，系列内全部产品的待机功耗都小于1μA。在不同环境条件下，MOS1振荡器还具有令人印象深刻的稳定性。该系列产品提供三种工业标准温度范围：0°到+70°C、–20°到+70°C和 –40°到+85°C。这些产品都专门进行过标称工业标准冲击(5000g、0.3ms、1/2 sine)和振动(20g、10到2000 Hz)测试。且它们还成功经受住强达30,000g的冲击测试。 在实际采用MEMS的产品问世前的很长一段时间，MEMS就被认为是“下一波”电子设计载体。目前的RF MEMS努力主要着眼无源器件，如：电容、电感、谐振器和开关。MEMS技术使这些元器件具有低损耗、高Q系数、高线性和高功率等特性。另外。与单片微波集成电路(MMIC)比，MEMS制造工艺所需的光绘步骤要少。尽管有这些好处，仍只有屈指可数的公司向市场上推出了RF MEMS产品。但MEMS仍是热点。如，EPCOS (www.epcos.com)就刚收购了恩智浦半导体的MEMS业务。而在MEMS传感器领域，也许数ADI(www.analog.com)的历史最悠久。在过去一年左右的时间里，TeraVicta (www.teravicta.com)发布了几款微波开关。另外，从MEMSCAP (www.memscap.com) 和 STMicroelectronics (www.st.com)仍继续吹来MEMS创新的号角。 MEMS是属于那种甫一出世就倍受瞩目的技术。但许多这样的技术后来都销声匿迹了。但，只要你时常关注业界动向，就能常常预言其肇始。且全球各个角落的研究和开发实验室常常同时开始这类技术的攻关。眼下的这样一个例子是频率选择材料。如，当用这种材料制造天线时，该材料允许对一架天线进行“调整“以适应不同频率。采取这种作法，该材料允许设计师在设计中采用更少天线。类似，相同的器件可满足全球不同标准对不同频率的要求。 频率选择材料的本质是其必须有一种在一或多个传导带宽内的一或多个频率上具有导通特性的体(bulk)谐振材料。而在其它任何频率，它都应表现出非导通性。这种体材料可被用于天线及诸如频率转换器等应用。另外，频率选择方法一直是目前许多雷达吸收材料创新的核心。