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Optimiertes Design von Mikrowellen-Leistungstransistoren und Verstärkern im X-Band
Klockenhoff, Harald
Für eine Vielzahl von Anwendungen werden Mikrowellenverstärker mit hoher Ausgangsleistung benötigt. Insbesondere bei tragbaren sowie bei luft- oder weltraumgestützten Sendern sind geringes Gewicht, geringe Größe und hohe Effizienz wichtige Kriterien. Darüber hinaus eröffnen sich im Bereich der Medizintechnik und in der allgemeinen mobilen Kommunikationstechnik immer neue Anwendungsfelder für derartige Verstärker. Der in dieser Arbeit besonders betrachtete Frequenzbereich ist das X-Band (8 bis 12 GHz), in dem vor allem Anwendungen wie Satelliten-Kommunikation und RADAR angesiedelt sind. Es werden Leistungsverstärker als GaAs- und GaN-MMICs mit Ausgangsleistungen von bis zu 16 W im X-Band vorgestellt. Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung dieser Werte im Jahre 2006 stellten diese einen internationalen Rekord in Bezug auf die Ausgangsleistung pro Chip-Fläche dar. Durch den erfolgreichen Aufbau der Verstärker zu Modulen wird ihre praktische Einsatzfähigkeit demonstriert. Die Verwendung derartiger Halbleiterverstärker eröffnet die Möglichkeit, die bisherigen Röhrenverstärker in einigen Anwendungen durch kleinere, leichtere und von der Betriebsspannung her wesentlich vorteilhaftere Verstärker zu ersetzen. Zusätzlich ergeben sich auf der Systemebeneneue Möglichkeiten, wie z.B. die Verwendung von Active Phased Arrays. Eine grundsätzliche Schwierigkeit der Halbleiterverstärker besteht darin, dass Verstärkung und Effizienz mit zunehmender Größe der Transistoren sinken. Auch bei der Kombination der Leistung mehrerer Transistoren treten ähnlich nachteilige Effekte auf. Durch Simulationen und Messungen wird nachgewiesen, dass diese Phänomene entscheidend von der Gestaltung der Transistor-Peripherie und den Leitungsstrukturen, insbesondere der Massemetallisierung, abhängen. Als Lösung für dieses grundlegende Problem wird eine Zuführungsstruktur entwickelt, die über eine baumartige Verzweigung der Signal- und Massemetallisierung dafür sorgt, dass zwei essenzielle Verbesserungen erzielt werden: 1. Alle Transistorzellen werden über elektrisch weitgehend identische Leitungslängen und Leitungsimpedanzen angeschlossen, wodurch sie mit praktisch gleicher Phase und Amplitude arbeiten. 2. Die Masseströme von Eingangs- und Ausgangssignal werden getrennt, wodurch die Gegeninduktivität reduziert und die Verstärkung im kritischen Frequenzbereich erhöht wird. Durch Messungen an GaAs-HBTs und GaN-HEMTs mit verschiedenen Varianten dieser neuen Struktur in koplanarer Umgebung werden die vorhergesagten positiven Effekte wie höhere Verstärkung und höhere Effizienz nachgewiesen. Entsprechende Simulationen zeigen, dass bei Transistoren in Mikrostreifenleitungs-Umgebung zusätzlich der negative Effekt der Masse-Vias deutlich reduziert werden kann. Weiterhin lassen Simulationen darauf schließen, dass die durch die hier entwickelte Zuführungsstruktur erreichte gleichmäßige Verteilung der Leistung auf alle Transistorzellen zudem eine höhere Linearität zur Folge hat. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen werden Design-Empfehlungen für die Größe und Geometrie von Leistungstransistoren im X-Band sowohl in koplanarer Umgebung als auch in Mikrostreifenleitungs-Umgebung entwickelt und erläutert. Die in der vorliegenden Arbeit präsentierten Erkenntnisse tragen dazu bei, das Leistungspotenzial der GaN- und GaAs-Technologie für Mikrowellenverstärker weiter auszuschöpfen.
Microwave power amplifiers are used in a multitude of applications. Especially handheld, airborne and spaceborne transmitters have to be lightweight, small and highly efficient. Moreover, new fields in medical applications and general mobile communication technologies require such amplifiers. This thesis focuses on the X-Band frequency range (8 to 12 GHz), which is mainly used for RADAR and satellite communication. GaAs and GaN MMIC power amplifiers with an output power of up to 16 W are presented. When these values were published in 2006, they represented an international record in terms of power per chip area. The amplifiers are assembled to modules and the practical usability is demonstrated. In some applications, the classical tube amplifiers can be replaced by such semiconductor amplifiers, which are smaller, lighter, and allow for much more convenient supply voltages. Moreover, new system concepts like Active Phased Arrays become feasible. A general problem with semiconductor amplifiers is that along with increasing transistor size, gain and efficiency decrease. Similar negative effects arise when several transistors are combined for higher output power. The simulations and measurements presented in this thesis show that these phenomena particularly depend on the geometry of the transistor periphery and the waveguide structure, especially the ground metallization. As a solution to this fundamental problem, a novel manifold structure is developed. Using a treelike structure of the signal and ground metallization, two essential improvements are achieved: 1. All transistor cells are connected via approximately equal line lengths and impedances, thereby operating with virtually identical phase and amplitude. 2. The ground currents of the input and output signal are separated, leading to reduced mutual inductance and increased gain in the relevant frequency range. Measurements of GaAs HBTs and GaN HEMTs with various CPW realisations of the novel manifold structure prove the predicted positive effects on gain and efficiency. Simulations show that the same holds true for Transistors with a microstrip periphery and that in addition, the negative effects of the Via inductances can be significantly reduced. As the power is evenly distributed between the transistor cells by the novel manifold structure, simulations also lead to the conclusion that this results in a higher linearity. Based on these findings, design recommendations regarding the size and geometry of X-Band power transistors are developed and explained. The findings presented in this thesis will help to make better use of the potential of the GaN and GaAs technology in microwave amplifiers.
