Optimierung von koplanaren GaN-MMIC-Leistungsverstärkern im X-Band (PDF)

Seit seiner Erfindung wurde der Transistor stetig weiterentwickelt und hat die bis dato in Verstärkern verwendeten Elektronenröhren immer mehr verdrängt. Auch bei Radar- und Satellitenanwendungen im X-Band (8 bis 12 GHz) setzten sich die Halbleiter-Bauelemente zunehmend durch. Für derartige Anwendungen werden Leistungsverstärker in Form von monolithisch integrierten Mikrowellenschaltkreisen (MMIC) mit einer Ausgangsleistung von >10 W benötigt.
Die vorliegende Arbeit stellt geeignete koplanare X-Band-MMIC- Leistungsverstärker auf Basis von GaN-Transistoren vor. Zudem soll das Potential der koplanaren Variante im Vergleich zur gängigen Mikrostreifenleitungsversion geklärt werden, da Verstärker mit Mikrostreifenleitungen unter sonst gleichen Bedingungen bessere Kennwerte liefern. Drei Optimierungsansätze werden untersucht, um Defizite der Koplanarleitung zu kompensieren. Zwei dieser Ansätze liefern signifikante Verbesserungen, mit denen sich das Leistungspotenzial koplanarer MMICs weiter ausschöpfen lässt. Die Machbarkeit aufgebauter Verstärkermodule wird demonstriert.
Es werden koplanare GaN-MMIC-Verstärker vorgestellt, die eine maximale PAE von 37 %, eine GT von 26 dB und eine maximale Leistung Pout,max von 12 W erzielen. Eine State-of-the-Art-Betrachtung zeigt, dass die Kennwerte der entworfenen Leistungsverstärker im Mittelfeld der mit Mikrostreifenleitungen realisierten Leistungsverstärker-MMIC liegen.
Mit diesen MMICs wurden hybride Verstärkermodule aufgebaut. Neben einem Single-Ended-Verstärker wurden auch balancierte Leistungsverstärker realisiert. Die balancierten Verstärker erreichen bei 10 GHz ein Pout,max von 22 W, ein GT von 24 dB und eine PAE von 31 %.