ИМПОРТОЗАМЕЩАЮЩАЯ ИННОВАЦИОННАЯ ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА

мощного радиостроения и высокочастотной энергетики

ОТ РЕДАКЦИИ. Знакомство «Экспертного союза» с предложенным ниже решением в сфере создания отечественной элементной базы произошло в рамках международной конференции «АРКТИКА: ГЕОПОЛИТИЧЕСКИЕ И ПОЛИТИКОЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ». Докладчики представили данную технологию, как оптимальную при создании надежных систем связи в Российской Арктике, акцентируя ее устойчивость к природным электромагнитным возмущениям и другим помехам связи в приполярных областях. Технология, мягко говоря, давно ждет профессионального внимания к себе. И, по словам разработчиков, получает его в форме упорного немого игнорирования. Причины такой реакции кратко изложены в статье. Суть проста: там, где передовое экспертное знание попадает в зависимость от сиюминутных «бизнесинтересов», оно рискует «потеряться». Ибо велик соблазн бесконечно производить старую технику за все новые деньги, легко объясняя малообразованному начальству, что ничего, «совершеннее примуса», наша импортозамещающая промышленность в ближайшие годы не выдаст. Поэтому примус, и еще раз примус! Покупайте…

Введение

Одним из базовых принципов надежного функционирования любой отрасли промышленности в  современном суверенном государстве является способность разрабатывать и  производить элементную базу. Актуальность этого тезиса для мощного радиостроения многократно усилена как оборонным значением отрасли, так и ее функцией инновационного локомотива экономики.

Исходя из  оценок в академической среде, потенциал рынка полупроводниковой преобразовательной техники в России может достигать 5 млрд. долларов США (из доклада академика РАН И.В.Грехова в 2010 г. «Силовая полупроводниковая преобразовательная техника в  России», прогноз Всероссийского электротехнического института на  2016  год). Сегмент мощных высокочастотных и  импульсных транзисторов для радиосистем различного назначения составляет не менее 20% этого рынка, то есть более миллиарда долларов.

Почти 90% этого сегмента рынка до настоящего времени приходится на импорт.

В данной статье рассматривается частный, но  важный вопрос формирования отечественной элементной базы мощного радиостроения в  наиболее сложном сегменте разработки и промышленного производства мощных высокочастотных, импульсных и  переключающих транзисторов с  рабочими частотами до  100  МГ и  выходными мощностями более 500 Вт. Здесь и далее под элементной базой мы понимаем как сами транзисторы, так и  конкретные технические решения, технологии, способные обеспечить разработку и производство транзисторов с указанными характеристиками.

Конъюнктура

Основные эксплуатационные и  технические ограничения и  недостатки радиосистем любого назначения закладываются уже на  уровне используемой элементной базы. Для систем связи, к примеру, они порождают все более ощутимые ограничения на  использование эфирного трафика, вносимые высокочастотным (ВЧ) трактом радиостанций. Эти ограничения в  существенной мере определяют реальную скорость передачи информации, эффективность, надежность и  защищенность радиосвязи. Эти  же недостатки ограничивают возможность использования наиболее совершенных технологий и  режимов радиосвязи (адаптивная, программно управляемая связь, и  т. д.).

В результате ограничения и дефекты элементной базы препятствуют развитию систем радиосвязи и  оправдывают стагнацию отрасли.

Еще более драматическая ситуация складывается для конверсионных приложений радиосистем. Более полувека известна высочайшая эффективность технологии мягкого объемного высокочастотного прогрева (ОВП) вещества. Но  эти технологии практически не используются из-за  недопустимо низкой рентабельности, причины которой кроются в  низком качестве и высокой цене элементной базы.

Практика последних десятилетий показала, что возможности совершенствования и  развития элементной базы, основанной на  существующих технических решениях и  технологиях, фактически себя исчерпали. Это касается всех важнейших характеристик транзисторов — выходной мощности, коэффициента усиления, инерционности (выходной емкости), электрической прочность и т. д.

Рассмотрим в  качестве примера перспективы повышения выходной мощности высокочастотных транзисторов. Для радиосистем эфирного излучения (связь, локация, навигация, зондирование…), а  также для систем и  устройств высокочастотной энергетики с  рабочими частотами ниже сотен мегагерц необходима генерация высокочастотных электромагнитных колебаний с  мощностью, существенно превосходящей энергетические возможности современных транзисторов.

Следовательно, повышение мощности высокочастотных транзисторов представляет крайне актуальной задачей.

Но ценовой анализ рынка (рис. 1) мощных высокочастотных транзисторов этого диапазона показывает, что цена транзистора увеличивается с  возрастанием его мощности экспоненциально. Следовательно, при использовании существующих технических решений и технологий, бессмысленно осуществлять разработку и  производство транзисторов с  выходной мощностью выше 1000 Вт. Так как их стоимость выходит за разумные пределы (более миллиона долларов).

Анализ сложившейся конъюнктуры показывает, что формирование отечественной элементной базы путем копирования зарубежных технических решений и  технологий (догоняющий режим импортозамещения) не только обрекает отечественную радиотехническую промышленность на  постоянное отставание от  конкурентов и опасную зависимость от поставщиков.

Догоняющий режим импортозамещения неизбежно транслирует в Россию из-за  рубежа технологическую и  техническую стагнацию, когда существенное улучшение основных характеристик транзисторов на  базе существующих технических решений и технологий или технически невозможно или экономически не рентабелен.

Представляется вполне очевидным, что задачу создания отечественной элементной базы необходимо решать в  режиме опережающего импортозамещения на  основе новых технических решений и  реализующих эти решения технологий. Этого требует как сама логика развития отрасли, так и  экономический суверенитет государства.

Требования к элементной базе

Требования к  техническим решениям, применяемым технологиям и  производствам должны отражать интересы развития отрасли, а  не «застывшие» возможности существующих производств. Сегодня объективно оправданы и  остро необходимы затраты на создание инновационной и  конкурентоспособной элементной базы нового поколения.

Чтобы элементная база нового поколения была конкурентоспособной, разрабатываемые и изготавливаемые транзисторы должны в сравнении с аналогами:

— иметь существенно лучшие собственные технические характеристики (выходная мощность, коэффициент усиления, выходная емкость и др.), гарантирующие высокое качество аппаратуры применения;

— иметь значительно более высокую электрическую прочность, энергетическую и тепловую устойчивость, гарантирующие высокую надежность и безопасность аппаратуры применения;

— иметь существенно меньшую стоимость производства элементной базы; рентабельность производства не должна уменьшаться при уменьшении тиражей вплоть до нескольких десятков изделий;

— позволять Заказчику использовать наиболее простые и  эффективные технические решения построения аппаратуры применения, сократить сроки и стоимость ее проектирования;

— позволять Заказчику существенно сократить габариты, вес и стоимость изготовления аппаратуры применения, повысить ее надежность и  безопасность при сохранении или улучшение ее технических характеристик;

— иметь существенно меньшие сроки и стоимость разработки конкретного типа транзистора по ТЗ заказчика;

— иметь существенно меньшие сроки и стоимость монтажа и запуска технологических линий для промышленного производства элементной базы;

— иметь патентную защиту используемых технических решений.

Комплексное выполнение всех восьми пунктов должно полностью оправдать затраты на  создание элементной базы нового поколения.

Реальность такова, что инновационные разработки по  факту отторгаются сложившейся хозяйственной системой ради сохранения хозяйственного статус-кво вне зависимости от  их прибыльности и  рентабельности. Сформулированные восемь пунктов требований к  отечественной инновационной элементной базе имеют целью не только заинтересовать отрасль экономически (это обязательно), но  и  сдвинуть с  «мертвой точки» отраслевую хозяйственную систему, фактически заставить ее принять отечественную элементную базу, как обязательную составляющую производственного цикла

Теоретические и методические основы элементной базы нового поколения.

В работе/1/изложена принципиально новая концепция каскадного суммирования (КС) высокочастотных мощностей, позволяющая осуществлять широкополосное суммирование мощностей, генерируемых многими активными приборами (транзисторами, лампами) в  общей нагрузке без использования внешних систем деления суммирования. Там  же представлена теория и  методика расчетов различных функциональных узлов и устройств, реализующих концепцию КС.

Инновационная импортозамещающая элементная база мощной радиотехники включает в себя:

• КС-технологии, как совокупность технических и  технологических решений и  производств, позволяющих разрабатывать и изготавливать КС-транзисторы;

• КС-транзисторы —  многоструктурные транзисторы и  твердотельные сборки, реализующие технические решения КС (выходные мощности от сотен ватт до десятков киловатт);

• КС-лампы —  вакуумные  сборки с  выходными мощностями от  десятков киловатт до десятков мегаватт.

Технические решения, реализующие концепцию КС, многократно апробированы и представлены в монографиях, статьях и докладах/1. 2, 3, 4, 5, 6,/, защищены российскими и зарубежными патентами/7, 8, 9, 10/. По  ним защищены диссертация и дипломный проект.

Разработанные технические решение КС эффективны на  частотах, у  которых полупериод колебания существенно больше времени пролета носителей в  активной зоне усилительного прибора.

Поэтому верхняя граница рабочих частоты КС-транзисторов на  основе кремния и  КС-ламп не превосходит 500  МГц.

К  моменту написания статьи технически и  технологически проработан сегмент элементной базы с  рабочим частотами до  100  МГц и  выходными мощностями до 10 кВ. Для более высоких частот (вплоть до  нескольких ГГц) эффективны иные технические решения, типа «активный фидер», находящиеся в  процессе проработки.

Достигнутые характеристики

Оценим разработанную элементную базу на  соответствие требованиям (в третьем разделе статьи) применительно к производству КС-транзисторов.

КС-технологии позволяют использовать чипы (кристаллы) транзисторов (и их корпусные реализации), изготовленные по  любым полупроводниковым технологиям. При этом преимущества, создаваемые КСтехнологией, объединяются с преимуществами, создаваемыми технологиями изготовления чипов транзисторов.

В  результате удается создать приборы с  технико-экономическими характеристиками, превосходящими все имеющиеся аналоги (п.  3.1  требований). В  качестве конкретного примера на  рис.  2  приводится сопоставление характеристик КС-транзистора типа 2  ПКС2  ЛБ1  и  его ближайших серийно выпускаемых аналогов 2 П826 АС и MRF6 VP41 KH.

КС-транзисторы имеют технические характеристики (рабочие и  предельные токи и  напряжения, выходную мощность в  непрерывном режиме, коэффициент усиления, КПД, низкое тепловое сопротивление, малая выходная емкость и  т. д.) в  совокупности недостижимые как для биполярных, так и  для MOSFET транзисторов.

Исключительно высока надежность КС-транзисторов. Это предопределяется двумя факторами. Во-первых, КС-транзисторы обладают очень высокой электрической прочностью, так как напряжение электрического пробоя у  них превосходит рабочие напряжения в два-три раза (у существующих аналогов на  20–50%). Во-вторых, КС-транзисторы в  принципе не подвержены тепловому пробою.

Технические решения и  технологии производства КС-транзисторов обеспечивают весьма низкую стоимость их промышленного производства. Простота технологий и эффективность технических решений КС-транзисторов позволяет сохранить высокую рентабельность при мелкосерийном их производстве. Технико-экономический анализ конкретных разработок (КС-транзисторы серии 2  ПКС*ЛБ1  или 2  ПКС*ИБ3) показал, что себестоимость разработки и изготовления сверхмощных высоковольтных высокочастотных КС-транзисторов в  пересчете на  один ватт мощности в  пятнадцать-двадцать раз ниже, чем у  ближайшего известного аналога, способного выполнять сходные функции.

Характерные для КС-транзисторов высокий коэффициент усиления (до 40 дБ и  более), высокая выходная мощность в непрерывном режиме (до 10 кВт и более) и  малые значения выходной емкости, позволяют проектировать и  строить мощные радиоустройства с  использованием наиболее простых, надежных и  эффективных технических решений и  конструкций. Типовой пример: использование КС-транзисторов в  мощных широкополосных усилителях позволяет строить их по  весьма простым однокаскадным схемам. При этом массогабаритные характеристики усилителя уменьшаются не менее чем вдвое, стоимость и  сроки изготовления усилителя падает примерно в  четыре раза при сохранении или улучшении его технических и эксплуатационных характеристик (рис. 3).

Методики расчета и  проектирования КС-транзисторов, представленные в/1/, позволяют сократить стоимость и  сроки разработки приборов по  ТЗ заказчика в  десятки раз в  сравнении с  известными аналогами. Простота технических решений и конструкции КС-транзисторов позволяют резко сократить сроки и затраты на инфраструктуру производства и  разработки элементной базы (заводы и  технологические линии). Сопоставление реальных затрат на элементную базу представлены на рис. 4.

Технические решения КС защищены патентами РФ и авторскими ноу-хау.

Таким образом, разработанная отечественная элементная база в  заданном сегменте рынка удовлетворяет всем перечисленным выше требованиям. Совокупность достоинств и преимуществ КС-технологий и КС-транзисторов позволяет представить их в  качестве отечественной инновационной элементной базы мощного радиостроения.

Примеры практической реализации.

Уже сегодня по  техническому заданию Заказчика могут быть разработаны сверхмощные высокочастотные КС-транзисторы всех востребованных типов — однотактные, балансные, линейные, импульсные, переключающие.

Уже существующие технологии и  технические решения позволяют разрабатывать и изготавливать транзисторы с рабочими частотами до 100 МГц и выходными мощностями в  непрерывном режиме до  10  кВт. Возможно существенное расширения диапазона рабочих частот (до 500 МГц).

Ниже приведены характеристики технологического ряда (семейства) линейных балансных MOSFET КС-транзистров типа 2 ПКС_ЛБ1.

Если идея импортозамещения в российской радиоэлектронике — не просто очередное упражнение в  риторике, то  мы полностью готовы включиться в реальную работу.

Литература

1. Тихомиров С. Г. Усиление  высокочастотных сигналов: LAP Lambert. 2010 г

2. Богданов И. С.,  Тихомиров С. Г. Усилители высокой частоты нового поколения. Ч. 1.Журнал «Информост» № 5 (47),2006

3. Богданов И. С.,  Тихомиров С. Г. Усилители высокой частоты нового поколения. Ч. 2.Журнал «Информост» № 1 (49),2007

4. Тихомиров С. Г. Усилители  высокой  частоты с каскадным суммированием мощностей. Известия ОНИП, сер. Радиопередающие устройства, № 12, 2007

5. Тихомиров С. Г. Применение  высокочастотного прогрева в  народном хозяйстве. Научно-практичесий межотралевой журнал «ИНТЕГРАЛ», № 5 (43),2008, стр. 14

6. Тихомиров С. Г..Усиление  высокочастотных сигналов. Диссертация на соискание ученой степени доктора философии (PhD). МУФЩ. Санкт-Петербург, 2009 г

7. Тхомиров С. Г.,  Спорий В. Н. Высокочастотный усилитель. Патент РФ на  изобретение № 1550597, 27.11 1987

8. Тихомиров С. Г. Широкополосный  усилитель мощности. Патент РФ на  изобретение № 2033686, 21.11.1990

9. Tihomirov S. Broadband  power  amplifier.  US Patent #5,442,323? Aug.15, 1995

10. Тихомиров С. Г. Усилитель  высокой  частоты с каскадным суммированием мощностей. Патент РФ на полезную модель № 63139, 25.12.2006

Высокочастотные высоковольтные балансные MOSFET КС-транзисторы 2ПКС2ЛБ1, 2ПКС5ЛБ1, 2ПКС10ЛБ1. Предназначены для использования в линейных режимах класса А, В, С для промышленных, научных, медицинских мощных усилителей и генераторов с рабочими частотами до 100 МГц

С. Г. Тихомиров,

зам. генерального директора

ЗАО «Т-Индустрия»;

А. А. Краснов,

К-т физ.мат. наук, вице-президент

Фонда поддержки и развития

петербургской науки, культуры и спорта