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Main Title: Ultra Wideband 5 W Hybrid Power Amplifier Design Using Silicon Carbide MESFETs
Author(s): Sayed, Ahmed Sedek Mahmoud
Advisor(s): Böck, Georg
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Aufgrund des hohen Bandabstandes von SiC besitzen SiC-MESFETs ein hohe Duruchbruchspannung und können folglich bei hohen Versorgungsspannungen betrieben werden. Darüber hinaus besitzen sie eine hohe Elektronensätigungsgeschwindigkeit und Wärmeleitfähigkeit. Aufgrund diese eigenschaften eignen sich diese bauelemente hervorragend für die Entwiklung von breitbandigen Leistungsverstärkern bis in den unteren GHz-Bereich. In dieser Arbeit wird ein neues empirisches Modell für SiC MESFET vorgeschlagen. Ein kommerziell erhältlicher, gehäuster MESFET Typ (CREE CRF24010) wird für die Entwicklung des Modelles verwendet. Messungen wurden sowohl in Arbeitspunkten mit als auch ohne Vorspannung durchgeführt um die Gleichungen und Parameter abzuleiten. Die Cold FET Technik wurde verwendet um die parasitären extrinsischen Elemente zu bestimmen, während die arbeitspunktabhängigen Elemente des Modelles analytisch bei mehreren Arbeitspunkten bestimmt wurden. Nichtlineare Gleichungen für die arbeitspunktabhängigen Elemente wurden ebenfalls abgeleitet. Das so entwickelte Modell für den SiC MESFET wurde sowohl hinsichtlich des Kleinsignal als auch des Großsignalverhaltens überprüft. Fünf verschiedene Generationen von Breitband-Leistungsverstärkern wurden auf Grundlage des entwickelten Modelles implementiert. Dabei wurde keinerlei Impedanztransformator eingesetzt. Eine neuartige breitbandige Biasstruktur wurde entwickelt, um gute Isolation und geringe Verluste über die angestrebte Bandbreite zu erreichen. Die Anpassungsnetzwerke an Eingang, Ausgang und zwischen den Stufen sowie die Parallel-Rückkopplung wurden mit Hilfe von Mikrostreifenleitungstechnik realisiert um die Bandbreite zu erhöhen und die Stabilität zu verbessern. Als erste Generation wird ein einstufiger 5 Watt Leistungsverstärker mit einem SiC MESFET entworfen und aufgebaut, der den Frequenzbereich von 10 MHz bis 2,4 GHz abdeckt. Eine Leistungsverstärkung von 6 dB, 37 dBm Ausgangsleistung, 33% PAE und 52 dBm OIP3 wurden erreicht. Ein zweistufiger Leistungsverstärker mit hoher Verstärkung für die selbe Bandbreite, der einen GaAs und einen SiC MESFET in Kaskade verwendet, wurde ebenfalls aufgebaut. Typische Werte von 23 dB Leistungsverstärkung, 37 dBm Ausgangsleistung, 28 % PAE und 47 dBm OIP3 wurden erreicht. Der Einfluss der Treiberstufe auf die Leistungs- und Linearitätseigenschaften der zweiten Generation wurde untersucht. Basierend auf SiC Chips wurden die dritte und vierte Generation in Form von einstufigen und zweistufigen ultra-breitband Leistungsverstärkern implementiert, die das Frequenzband von 1 MHz bis 5 GHz abdecken. Der Einfluss des GaAs FET Treibers in der vierten Kategorie auf die Gesamteigenschaften wurde ebenfalls diskutiert. Unter Einsatz der Rückkopplungs-Kompensationstechnik wurde ein schmalbandiger 10 W Leistungsverstärkerentwurf mit hoher Verstärkung, basierend auf einem SiC Chip, als fünftes Beispiel vorgestellt. Alle Leistungs- und Linearitäts-Ergebnisse wurden über das gesamte Frequenzband ermittelt. Die Entwurfsprozedur wird detailliert beschrieben und die Ergebnisse werden diskutiert und ausführlich mit den Simulationen verglichen.
SiC MESFETs have an enormous potential for realizing high-power amplifiers at microwave frequencies due to their wide band-gap features of high breakdown field, high electron saturation velocity and high operating temperature. In this thesis, a new empirical model for SiC MESFET is proposed. A commercially packaged high power MESFET device (CREE CRF24010) is adopted for the model development. Both hot and cold bias condition measurements are performed to derive equations and parameters. Cold FET technique is used to extract the parasitic extrinsic elements whereas the bias-dependent model elements are extracted analytically from multiple bias points. Nonlinear equations for the bias dependent elements are derived, too. The derived model for the SiC MESFET has been verified in small signal as well as large signal performances. Five different generations of broadband power amplifiers based on the developed model have been implemented. No impedance transformer was used at all. A novel broadband choke structure has been developed to obtain good isolation and low loss over the desired bandwidth. Input, interstage and output matching networks and shunt feedback topology have been designed based on microstip technique to increase the bandwidth and improve the stability. In the first generation, a single stage 5-watt power amplifier using a SiC MESFET covering the frequency range from 10 MHz to 2.4 GHz is designed and fabricated. A power gain of 6 dB, 37 dBm output power, 33 % PAE and 52 dBm OIP3 have been achieved. A high gain two stage power amplifier covering the same bandwidth using a GaAs- and a SiC- MESFET in cascade also has been fabricated. Typical values of 23 dB power gain, 37 dBm output power, 28 % PAE and 47 dBm OIP3 have been obtained. The impact of the driver stage on power and linearity performances of the second generation has been discussed. Based on SiC Chip, the third and the fourth generation represent ultra wideband single stage and two stage power amplifiers, covering the frequency band from 1 MHz to 5 GHz have been simulated. Small signal and harmonic balance simulations based on ADS have been introduced. The impact of the GaAs FET driver in the fourth category on the overall performances also has been discussed. Using feedback compensation technique, a 10-W narrow band high gain power amplifier design based on SiC Chip has been presented as a fifth example. All power and linearity results were obtained over the whole frequency band. The design procedure is given in detail and the results are being discussed and compared with simulations extensively.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-9657
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1362
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1065
Exam Date: 31-May-2005
Issue Date: 7-Jun-2005
Date Available: 7-Jun-2005
DDC Class: 600 Technik, Technologie
Subject(s): Bandbreit
Leistungsverstärker
MESFET
Silicon Carbide
MESFET
Power Amplifier
Silicon Carbide
Wideband
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