可用于卫星通讯的功率放大器

目前而言最先进的商业卫星以100-200Mbps的速度传输于地球，而对于一些先进的大型单一卫星概念目标为1至4Gbps。这些速率数据很大程度受限于制作信号传输器的射频功率放大器。Akash首次建造了一个小型卫星系统（12U），它将初步实现14Gbps的下行数据速率。接下来的demo数据速率将超过100Gbps，而最终目标定为一个普通的卫星的下行速率达到1Tbps。为达到最终目标，他们将使用金刚石上的GaN射频功率放大器。

Akash Systems公司的联合创始人Felix Ejeckam于2003年发明了金刚石上的GaN，以有效地从GaN晶体管中最热的位置提取热量。其基本理念是利用较冷的GaN放大器使系统更节能，减少浪费。金刚石上的GaN晶片是通过GaN通道或外延将其从原始的Si衬底中剥离下来，而后通过一个35 nm的SiN界面层结合在CVD合成的金刚石衬底上。这种200°C的GaN通道与CVD形成纳米级的金刚石是接近最导热工业材料,它会大大降低放大器的基板和通道之间的温度上升。图1显示了金刚石晶圆片上GaN的制作过程。多年来，许多课题组已经量化了上述的热改善。先将Si基GaN HEMT晶圆片黏贴到一个临时Si载片上，待原始的硅基板被蚀刻掉，然后利用CVD方法在GaN层下方的35 nm的界面层上沉积金刚石。最后，临时的Si载体被蚀刻，最终的金刚石上的GaN晶圆被加工为HEMTs或MMICs。

图1

系统影响

与SiC基GaN相比，如果GaN MMIC产生的热量可以降低40%到50%，那么就可以将更大的功率密度压缩到更小的体积空间中。功率是卫星下行数据速率计算的直接参数，功率越高，传送的信息越多。在非常紧凑的空间中，使用金刚石上GaN可以降低对于冷却系统的要求。因为与使用标准的SiC基GaN功率放大器相比，金刚石上GaN的使用可以允许环境温度升高得更高，同时不会降低性能与可靠性。冷却装置的减少也意味着重量和尺寸的减少，这都是卫星系统送入轨道成本的关键参数。

性  能

Akash的设计师最近展示了高性能的金刚石基GaN晶体管（简化的功率放大器）。在k波段20GHZ频率下表现出60%的功率附加效率(PAE) (参见图2)。最近由美国国防部高级研究计划局资助，来自佐治亚理工学院、斯坦福大学、加州大学洛杉矶分校和第六元素的一组研究员共同研究GaN器件的温升发现：从GaN通道到衬底底部的温度是变化的，与相同的SiC基GaN器件相比温度降低80℃。这项研究所用的晶圆等同于Akash Systems用的金刚石上GaN。

图2：使用增益为7.9 dB 的2.9 W (5.6 W/mm)HEMT的示例设备得到的PAE为61%，偏置点为24 V

图3：显示了不同类型的金刚石上GaN的10 finger HEMT晶圆片的通道中心到边缘的温度分布

图3显示了不同类型的金刚石上GaN晶圆的10 finger HEMT从中心到边缘的通道的温度分布。Akash Systems采用“有低热边界阻抗(TBR)的梯度金刚石”制作金刚石上GaN (绿色)；这条曲线呈现152°C峰值温度(第一个峰值)。SiC基GaN在器件上同一点的温度是232℃。

Akash Systems计划在2019年发射一个24公斤12U (36cm x24cm x23cm )的卫星系统进入LEO轨道，它将包含一个以金刚石基GaN功率放大器为基础的20瓦的信号传送器。该系统将展现一个具有里程碑意义的14gbps数据速率，对于这样尺寸的卫星系统是独一无二的。