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GaN-HEMT power amplifiers and smart transmitters for Ku-band satellite communication
Maaßen, Daniel
Within this contribution the design, implementation, and experimental results of a satellite communication (SatCom) power amplifier (PA), block upconverter (BUC) as well as an evaluation within the satellite link are described. Three Ku-band GaN-HEMT PAs are presented. A two stage design approach with two 250 nm bare-die devices has been chosen to achieve a considerably high saturated gain of 15 dB over the whole extended Ku-band (13.75 - 14.5 GHz). The circuit is realised in a hybrid microwave integrated circuit (MIC) technology on an alumina substrate. The PA shows a measured performance of more than 50 W output power for a continuous wave (CW) signal with a power added efficiency (PAE) higher than 23%. Modulated measurements (QPSK) demonstrate an average output power of more than 30 W (70 W peak) and 21% PAE, while holding the Eutelsat linearity requirements. The design procedures used were extended to a second PA in a lower frequency range of 12.75 - 13.25 GHz achieving more than 80 W output power for pulsed RF signals with 34% PAE. This thesis proposes a third PA design which covers both uplink frequency bands (12.75 -14.5 GHz) and achieves more than 55 W output power with 20% PAE. This achieved 14% fractional bandwidth (FBW) design is equal to the theoretical limit of a broadband matching at f0 = 13.25 GHz for the chosen baredies. The developed BUC is supposed to work within avery small aperture terminal (VSAT). Here an integration of either a developed 10 W or a 50 W amplifier within this BUC is shown that comes along with a small size and low weight, paired with a low amount of dissipated power. Additionally, theBUC is equipped with a linearisation technique that automatically improves the spectral regrowth for common modulation schemes (QPSK, 8PSK), as well as for future higher order modulation like 16APSK, 32APSK (DVB-S2X). Finally, the BUC is tested with a VSAT in a satellite link and demonstrates its function with data ratesof up to 1 Mbit/s.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung, dem Aufbau sowie der messtechnischen Evaluierung von Leistungsverstärkern (PA) und einem Block Up-Converter (BUC) für die Satellitenkommunikation. Im Verlauf der Arbeit werdendrei verschiedene GaN-HEMT PA’s im Detail aufgeführt. Ein zwei-stufiges Verstärkerdesign, welches zwei gleich große 250 nm bare-dies GaN-HEMTs verwendet, wurde ausgewählt, um einen akzeptable Verstärkung von 15 dB im extended Ku-band (13.75 - 14.5 GHz) zu erreichen. Die Schaltung wurde als microwave integrated circuit (MIC) auf einem Aluminiumoxid Trägerkeramik entwickelt. Mit diesem Verstärkerkonzept wurden mehr als 50 W Ausgangsleistung, mit einer power added efficiency (PAE) von mehr als 23%, für eine continuous wave (CW) Anregung erreicht. Auch modulierte Signale (z.B. QPSK) wurden verwendet, wodurch eine Ausgangsleistung von 30 W (70 W peak) und 21% PAE erreicht wurden, während die Linearitätsbestimmungen der Eutelsat Regulierung erfüllt wurden. Die beschriebenen Entwicklungstechniken wurden des Weiteren dafür verwendet, einen zweiten Leistungsverstärker für den Frequenzbereich von12.75 -13.25 GHz aufzubauen. Dieser zeigt mehr als 80 W Ausgangsleistung bei einer PAE ≥ 34% für gepulste Signale. Eine dritte Entwicklung zielte darauf ab, einen einzigen Verstärker in beiden Frequenzbereichen verwenden zu können(12.75 -14.5 GHz). Dieser definiert mit 14% fractional bandwidth (FBW) die theoretisch maximale Bandbreite bei f0 = 13.25 GHz und erreicht eineAusgangsleistung von 55 W bei einer reduzierten PAE von 20%. Zur Verwendung der PA’s in einem very small aperture terminal (VSAT) wurde ein BUC entwickelt, der durch eine geringe Größe, ein geringes Gewicht und eine niedrige Leistungsaufnahme besticht. Außerdem konnte eine aktive Linearisierung implementiert werden, die eine signifikante Verbesserung von Schulterabständen erreicht. Diese Technik wurde sowohl für aktuelle Modulationsarten (QPSK, 8PSK) als auch für künftige mit höherer Ordnung wie 16APSK, 32APSK (DVBS2X) evaluiert. Abschließend wurde der BUC in Kombination mit einem VSAT im Satelliten Link getestet und zeigt Sende-Datenraten von bis zu 1 Mbit/s.
