可用于衛(wèi)星通訊的功率放大器

目前而言最先進的商業(yè)衛(wèi)星以100-200Mbps的速度傳輸于地球，而對于一些先進的大型單一衛(wèi)星概念目標為1至4Gbps。這些速率數(shù)據(jù)很大程度受限于制作信號傳輸器的射頻功率放大器。Akash首次建造了一個小型衛(wèi)星系統(tǒng)（12U），它將初步實現(xiàn)14Gbps的下行數(shù)據(jù)速率。接下來的demo數(shù)據(jù)速率將超過100Gbps，而最終目標定為一個普通的衛(wèi)星的下行速率達到1Tbps。為達到最終目標，他們將使用金剛石上的GaN射頻功率放大器。

Akash Systems公司的聯(lián)合創(chuàng)始人Felix Ejeckam于2003年發(fā)明了金剛石上的GaN，以有效地從GaN晶體管中最熱的位置提取熱量。其基本理念是利用較冷的GaN放大器使系統(tǒng)更節(jié)能，減少浪費。金剛石上的GaN晶片是通過GaN通道或外延將其從原始的Si襯底中剝離下來，而后通過一個35 nm的SiN界面層結合在CVD合成的金剛石襯底上。這種200°C的GaN通道與CVD形成納米級的金剛石是接近最導熱工業(yè)材料,它會大大降低放大器的基板和通道之間的溫度上升。圖1顯示了金剛石晶圓片上GaN的制作過程。多年來，許多課題組已經(jīng)量化了上述的熱改善。先將Si基GaN HEMT晶圓片黏貼到一個臨時Si載片上，待原始的硅基板被蝕刻掉，然后利用CVD方法在GaN層下方的35 nm的界面層上沉積金剛石。最后，臨時的Si載體被蝕刻，最終的金剛石上的GaN晶圓被加工為HEMTs或MMICs。

圖1

系統(tǒng)影響

與SiC基GaN相比，如果GaN MMIC產(chǎn)生的熱量可以降低40%到50%，那么就可以將更大的功率密度壓縮到更小的體積空間中。功率是衛(wèi)星下行數(shù)據(jù)速率計算的直接參數(shù)，功率越高，傳送的信息越多。在非常緊湊的空間中，使用金剛石上GaN可以降低對于冷卻系統(tǒng)的要求。因為與使用標準的SiC基GaN功率放大器相比，金剛石上GaN的使用可以允許環(huán)境溫度升高得更高，同時不會降低性能與可靠性。冷卻裝置的減少也意味著重量和尺寸的減少，這都是衛(wèi)星系統(tǒng)送入軌道成本的關鍵參數(shù)。

性 能

Akash的設計師最近展示了高性能的金剛石基GaN晶體管（簡化的功率放大器）。在k波段20GHZ頻率下表現(xiàn)出60%的功率附加效率(PAE) (參見圖2)。最近由美國國防部高級研究計劃局資助，來自佐治亞理工學院、斯坦福大學、加州大學洛杉磯分校和第六元素的一組研究員共同研究GaN器件的溫升發(fā)現(xiàn)：從GaN通道到襯底底部的溫度是變化的，與相同的SiC基GaN器件相比溫度降低80℃。這項研究所用的晶圓等同于Akash Systems用的金剛石上GaN。

圖2：使用增益為7.9 dB 的2.9 W (5.6 W/mm)HEMT的示例設備得到的PAE為61%，偏置點為24 V

圖3：顯示了不同類型的金剛石上GaN的10 finger HEMT晶圓片的通道中心到邊緣的溫度分布

圖3顯示了不同類型的金剛石上GaN晶圓的10 finger HEMT從中心到邊緣的通道的溫度分布。Akash Systems采用“有低熱邊界阻抗(TBR)的梯度金剛石”制作金剛石上GaN (綠色)；這條曲線呈現(xiàn)152°C峰值溫度(第一個峰值)。SiC基GaN在器件上同一點的溫度是232℃。

Akash Systems計劃在2019年發(fā)射一個24公斤12U (36cm x24cm x23cm )的衛(wèi)星系統(tǒng)進入LEO軌道，它將包含一個以金剛石基GaN功率放大器為基礎的20瓦的信號傳送器。該系統(tǒng)將展現(xiàn)一個具有里程碑意義的14gbps數(shù)據(jù)速率，對于這樣尺寸的衛(wèi)星系統(tǒng)是獨一無二的。