Aktive Phasenschieber für die elektronische Strahlformung im Millimeterwellenfrequenzbereich
Final Report Abstract
Im Laufe des MilliPhase-Projekts wurden unterschiedliche Phasenschieberkonzepte für die Frequenzbereiche W-, D- und H-Band untersucht. Hierbei wurden sowohl passive als auch aktive Konzepte, d.h. Konzepte mit verstärkenden Komponenten untersucht. Um die unterschiedlichen Phasenschieber-Schaltungskonzepte untersuchen zu können, war es zunächst notwendig geeignete Modelle für Varaktoren und Shunt-Transistoren durch EMFS-Simulation und Testfelder zu erstellen. Insbesondere bei den Shunt-Transistoren ergab sich eine gute Übereinstimmung von den EMFS-Simulationen zu den gemessenen Teststrukturen, was für zukünftige Entwicklungen im hohen mmW und sub-mmW Bereich hilfreich ist, da hierdurch basierend auf EMFS-Simulation hinreichend genaue Modelle erstellt werden können. In Folge der Modellierung wurden für Frequenzen um 94 GHz auf GaN und bei 140 GHz sowie 240 GHz auf GaAs zunächst SPDT- Schalter entworfen und basierend auf den Ergebnissen analoge und digitale Phasenschieber Schaltungskonzepte untersucht. Hierbei wurden 180°, 90° und 45° digitale D-Band Phasenschieber mit sehr hohen Bandbreiten in Bezug auf Amplitudenvarianz und Phasenstabilität demonstriert. Die entworfenen analogen Phasenschieber im D-Band erreichten Phasen-Steuerbereiche von über 90° bei breitbandigem Verhalten bis über das gesamte Band. Für den Frequenzbereiche um 240 GHz wurden sowohl analoge passive als auch analoge aktive Schaltungstopologien untersucht. Es wurden sehr kompakte, schmalbandige analoge passive Phasenschieber entwickelt, die insbesondere für ISM Band Anwendungen von 244 – 246 GHz geeignet sind. Als analoger aktiver Phasenschieber wurde der sogenannte Vektormodulator für Frequenzen um 94 GHz auf GaN und Frequenzen um 240 GHz auf GaAs untersucht. Hierfür wurden zunächst geeignete Verstärkerstufen (VGAs) mit geringer Phasenvarianz über eingestellter Verstärkung entwickelt. Der realisierte Vektormodulator im H-Band weißt eine Bandbreite von über 60 GHz bei gleichzeitig hoher Amplituden und Phasenstabilität, sowie geringen Verlusten auf. Über die bekannten Konzepte hinaus wurde zudem ein neuartiges aktives Phasenschieberkonzept auf Basis von Common-Source und Common-Gate Verstärkern. Die grundlegende Funktionalität des aktiven Konzepts wurde mit einem D-Band Phasenschieber demonstriert, wobei ein Phasen- Steuerbereich von 45° mit geringen Verlusten von unter 1 dB erzielt wurde. Durch den kompakten Aufbau eignet sich dieses Konzept für die kaskadierte Verschaltung um hohe Phasen-Steuerbereiche bei gleichzeitig geringen Verlusten zu erreichen. Für die anwendungstechnisch komplexere Ebene von Phasenschiebern in Phased-Array- Systemen ergaben die Untersuchungen, dass insbesondere hybride Konzepte aus digitalen und analogen Phasenschiebern oder aktive Vektormodulatoren geeignet sind. Die untersuchten Vektormodulatoren zeigten bis in das H-Band eine sehr gute Performance, benötigen aber gleichzeitig eine hohe Anzahl an genauen Steuer-Spannungen und eine vergleichsweise komplexe Ansteuerung. Die hybriden Konzepte haben Prinzip bedingt höhere Verluste, welche durch zusätzliche breitbandige Verstärker kompensiert werden müssen. Auf Kosten von einem insgesamt höheren Platzbedarf lassen sich hiermit, im Vergleich zu Vektormodulatoren, höhere Bandbreiten erzielen bei gleichzeitig geringeren Anforderungen an die Genauigkeit und Komplexität der Spannungsversorgung. Zu beachten ist weiterhin, dass Vektormodulatoren auf gut erforschte Komponenten wie Koppler, Baluns und spannungsgesteuerte Verstärker aufbauen und dadurch vergleichsweise robust sind. Bei hybriden Phasenschiebern müssen mehrere Einzelkomponenten wie analoge und digitale Phasenschieber sowie Verstärker aufeinander angepasst werden, was den Entwicklungsaufwand deutlich erhöht. Für die jeweilige Anwendung muss daher je nach gewünschter Performance und erforderlicher größe des Phased-Arrays die möglichen Realisierungsmöglichkeiten abgewogen werden. Bei mittleren Bandbreiten eignet sich der robuste, chipflächensparende Vektormodulator mit höherem externem Ansteuerungsaufwand. Für sehr hohe Bandbreiten hingegen eignen sich die hybriden Phasenschieber mit einfachem Ansteuerungsaufwand aber mehr benötigter Chipfläche.
Publications
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"A D-band phase compensated variable gain amplifier", Integrated Nonlinear Microwave and Millimetre-Wave Circuits (INMMIC), 2012 Workshop on pp.1,3, 3-4 Sept. 2012
Müller, D.; Diebold, S.; Massler, H.; Tessmann, A.; Leuther, A.; Zwick, T.; Kallfass, I.
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"A H-Band Reflective-Type phase shifter MMIC for ISM-Band applications", Microwave Symposium Digest (IMS), 2014 IEEE MTT-S International, pp.1,4, 1-6 June 2014
Müller, D.; Reiss, S.; Massler, H.; Tessmann, A.; Leuther, A.; Zwick, T.; Kallfass, I.
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„A D-Band 180° Phase Shifter with very low Amplitude- and Phase-Error“, Microwave Conference (EuMIC), 2014 European , vol., no., pp.1,4, 6-7 Oct. 2013
Müller, D.; Längst, J.; Tessmann, A.; Leuther, A.; Zwick, T.; Kallfass, I.
