Hochrobuste rauscharme Verstärker in GaN-HEMT-Technologie
Abb. 1: LNA-Chip in der Testfassung
Abb. 2: Gemessene S-Parameter des LNA vor und nach dem Stresstest mit 43 dBm Eingangsleistung
Abb. 3: Gemessene Rauschzahlen (NF) des LNA vor und nach dem Stresstest mit 43 dBm Eingangsleistung
Rauscharme Verstärker (Low-noise amplifiers LNAs) sind die ersten Bauteile in den Empfängerstufen von Funkempfängern. Diese Verstärker sollen empfangene Signale von sehr geringer Leistung verstärken, ohne diese durch ihr Eigenrauschen zu stören. Daher werden LNAs in der Regel für geringere Leistungen ausgelegt und sollten selbst wenig Leistung verbrauchen. Allerdings empfängt ein Funkempfänger regelmäßig nicht nur das gewünschte Signal, sondern auch unerwünschte Signale mit sehr hohen Eingangsleistungen. Ein üblicher LNA wird in solchen Fällen zerstört, wenn die Eingangsleistung für wenige Mikrosekunden 100 mW übersteigt. Um den LNA vor zu großen Eingangssignalen zu schützen, müssen darum bisher Schutzschaltungen vorgeschaltet werden. Diese Schaltungen dämpfen das empfangene Signal und verschlechtern damit den Signal-Rausch-Abstand des gesamten Systems.
Die Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg (BTU) und das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) haben ein neues Konzept zum Schutz des LNAs vor zu hohen Eingangsleistungen entwickelt.
In der Vergangenheit konnte gezeigt werden, dass sich die maximal zulässigen Eingangsleistungen von den genannten typisch 100 mW auf 10 W steigern lassen, wenn die LNAs in Gallium-Nitrid-(GaN)-Technologie und in einer vom FBH vorgestellten Schaltungstopologie entworfen und gefertigt werden. Jetzt konnte diese Grenze ein weiteres Mal entscheidend angehoben werden. Dabei wird eine Serienschaltung mehrerer Transistoren genutzt, um die Durchbruchspannung am Eingang des LNA zu vervielfachen.
Die ersten Prototypen des neuen Konzepts sind vom FBH als monolithisch integrierte Schaltung im GaN-HEMT-Prozess realisiert worden. Um den Chip bei hohen Eingangsleistungen von bis zu 30 W messen zu können, wurde er auf einen Kupferblock aufgebracht und in eine eigens entwickelte Testfassung integriert (s. Abb. 1).
Messungen haben die Robustheit des LNAs bestätigt. Der LNA hat Leistungen von 20 W am Eingang überlebt. Post-Stress-Messungen zeigten keine Verschlechterungen der Parameter des Verstärkers. Die S-Parameter sind unverändert (s. Abb. 2), während sich die Rauschzahl leicht verbessert hat (s. Abb. 3).
Diese Ergebnisse wurden zum ersten Mal auf dem IEEE International Microwave Symposium 2015 in Phoenix präsentiert. Damit haben BTU und FBH einen Rekordwert für die Robustheit von LNAs demonstrieren können.
Publikation
C. Andrei, O. Bengtsson, R. Doerner, S.A. Chevtchenko, M. Rudolph, "Robust Stacked GaN-Based Low-Noise Amplifier MMIC for Receiver Applications," IEEE MTT-S Intl. Microwave Symp. Dig., Phoenix, USA, May 17-22