Differenzieller GaN-Leistungsoszillator für kompakte Hochleistungsgeneratoren im 2.45 GHz Frequenzband
Abb. 1. Prototyp des Oszillatormoduls (oben) und differenzielles Schaltungskonzept (unten)
Neue Anwendungen im Bereich der Mikrowellenerwärmung und Plasmatechnik erfordern sehr kompakte Generatoren im Leistungsbereich 10 W bis 100 W. In herkömmlichen Mikrowellengeneratoren kommen derzeit entweder Magnetrons oder Kleinleistungsoszillatoren mit nachgeschalteter Kaskade mehrerer Verstärker zum Einsatz. Beide Konzepte sind aufgrund ihrer Größe nicht geeignet, um Mikrowellenleistung punktuell zu erzeugen. Dies ist jedoch Voraussetzung für die Integration in platzkritischen Systemen und Anlagen.
Leistungsoszillatoren können hier wesentlich zur Miniaturisierung zukünftiger Generatoren beitragen, da sie das Mikrowellensignal in einer einzigen kleinen Schaltung erzeugen und verstärken. Mit diesem Ziel wurde am FBH ein neuer Leistungsoszillator entwickelt. Das differenzielle Schaltungskonzept enthält zwei FBH GaN-Powerbars bestehend aus je fünf Einzelzellen mit 0,5 µm Gatelänge. Diese sind über ein spezielles Rückkoppelnetzwerk miteinander verbunden und werden im Gegentakt betrieben. Das Mikrowellensignal wird an zwei separate 50 Ω Ausgänge mit 180° Phasenversatz abgegeben. Abb. 1 zeigt die Schaltung und den Prototypen des Leistungsoszillators.
Bei einer Oszillationsfrequenz von 2,45 GHz erzielt das Modul eine Gesamtausgangsleistung um 40 W mit einer Effizienz von ca. 40%. Die dafür nötige Schaltungsfläche beträgt lediglich etwa 10 cm². Damit weist der vorgestellte Mikrowellengenerator den bislang geringsten Platzbedarf seiner Leistungsklasse auf. Die Ergebnisse wurden bei der European Microwave Conference 2013 in Nürnberg vorgestellt. Aufbauend auf diesem Prinzip sollen am FBH zukünftig hochintegrierte Plasmaquellen zur Anwendung in dichtgepackten Matrixanordungen entwickelt werden.
Publikation:
C. Bansleben, W. Heinrich, "Compact High-Power GaN Oscillator with 2.45 GHz Differential Output" Proc. 43th European Microwave Conf. (EuMC 2013), Nuremberg, Germany, Oct. 7-10, pp. 818-821 (2013).
FBH-Forschung: 20.11.2013