Balancierter 20 W GaN-Leistungsverstärker für das X-Band

Leistungsverstärker stellen eine entscheidende Komponente für alle Kommunikations-, Radar- und Satellitensysteme dar. Als letztes Element vor der Sendeantenne prägen sie maßgeblich die Gesamteigenschaften solcher Systeme. Dabei sind die maximale Ausgangsleistung P_max und die Effizienz PAE (PAE: Power Added Efficiency) der Leistungsverstärker als wichtigste Eigenschaften hervorzuheben. Die PAE gibt an, wie viel der verbrauchten Leistung tatsächlich für die Anwendung genutzt und wieviel in (Wärme-) Verluste umgewandelt wird. Ein hoher Wirkungsgrad ist sowohl aus Gründen der Umwelt (CO₂-Bilanz) als auch aus Systemgründen ein zentrales Kriterium.

Die Kombination von hoher Leistung, hohem Wirkungsgrad und hoher Betriebsfrequenz ist aus physikalischen Gründen für die meisten gängigen Halbleitertechnologien ein Problem. Das Halbleitermaterial Gallium-Nitrid (GaN) ist demgegenüber ideal für Mikrowellen-Leistungsverstärker, da es sowohl eine hohe Durchbruchspannung als auch eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit aufweist. Der Einsatz von Gallium-Nitrid ermöglicht deshalb die Realisierung von Mikrowellen-Leistungsverstärkern mit vorher unerreichbaren Werten hinsichtlich Ausgangsleistung und PAE.

Viele Radar- und Satellitensysteme arbeiten im X-Band, dem Frequenzbereich von 8 bis 12 GHz. In diesem Frequenzband werden Verstärkerschaltungen im Allgemeinen als monolithische Schaltungen (MMICs, d.h. Monolithic Microwave Integrated Circuits) aufgebaut, da durch die monolithische Realisierung kritische Toleranzen und parasitäre Eigenschaften reduziert werden können. Am FBH ist dazu ein GaN-MMIC-Prozess mit 0,25 µm Gate-Länge verfügbar. Einzeltransistoren erreichen im tiefen AB-Betrieb bei 10 GHz Effizienzen von 50% und mehr.

Ein mit diesem Prozess am FBH realisierter Leistungsverstärker-MMIC ist in Abb. 1 zu sehen. Im Gegensatz zu den meisten anderen Realisierungen ist er koplanar aufgebaut, d.h., alle Leitungselektroden befinden sich auf der Oberseite des Substrats. Um eine hohe Verstärkung zu erzielen, wurde der Verstärker zweistufig ausgelegt. Er erreicht eine maximale Ausgangsleistung P_max von 12 W bei 10 GHz. Die maximale lineare Verstärkung beträgt etwa 26 dB, die Effizienz der Endstufe (Drain Efficiency, ƞ_Drain,FS) liegt bei nahezu 45% und die Gesamteffizienz der Schaltung (PAE) bei 35%. Diese Werte wurden durch gezielte Schaltungsoptimierung erreicht.

Mit diesem Verstärker-MMIC als Grundbaustein wurde ein balancierter Verstärker in hybrider Ausführung aufgebaut. Dieser ermöglicht die Erhöhung der Ausgangsleistung durch Zusammenführung der Signale zweier einzelner Verstärkerbausteine und beeinflusst die Parameter PAE und lineare Verstärkung nur geringfügig. Die Zusammenführung der einzelnen Verstärker-MMICs wird dabei mittels Hybridkoppler realisiert. Abb. 2 zeigt den aufgebauten balancierten Verstärker in der Version mit Branchline-Kopplern. Ein- und Ausgangsimpedanzen dieser hybriden Verstärkerschaltung sind 50 Ω.

Der balancierte Leistungsverstärker erzielt eine maximale Ausgangsleistung P_max von 21,9 W bei 10 GHz (siehe Abb. 3). Die maximale lineare Verstärkung beträgt etwa 24 dB und die Gesamteffizienz der Schaltung 31%. Die Schaltung ist zusammen mit den koaxialen Steckern an Ein- und Ausgang auf einem Submount als Wärmesenke montiert und vielseitig nutzbar. Am FBH wird er z.B. in der Messtechnik für Load-Pull-Messungen eingesetzt.

Publikationen

E. Ersoy, O. Bengtsson, W. Heinrich, “Enhancing Dynamic Range and Accuracy of Load-Pull Measurements by Using Prematched Transistors”,  9th German Microwave Conference (GeMiC 2015), Nuremberg, Germany, Mar. 16-18, ISBN 978-3-9812668-6-3, pp. 307-310 (2015).

E. Ersoy, S. Chevtchenko, P. Kurpas, W. Heinrich, "Potential of Coplanar X-band GaN-MMIC Power Amplifiers", Frequenz, vol. 68, no. 9-10, pp. 415-419 (2014).

Thai Nguyen-Xuan, “Balancierter GaN-X-Band Leistungsverstärker”, master thesis written at Technische Universität Berlin and Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut fuer Hoechstfrequenztechnik, on July 2014.