Automatic Impedance Matching Control Concepts for Sub-THz Amplifiers
Final Report Abstract
Ziel des AIM Projekts war die Entwicklung eines neuartigen Konzeptes zur automatischen Impedanzanpassung von Verstärkerschaltungen im Sub‐Terahertz Bereich bei 100 GHz. Dies umfasste neben der Entwicklung eines Verstärkers auch den Entwurf geeigneter Anpassnetzwerke, sowie einer Möglichkeit zur Messung der Regelgröße (in diesem Fall der Verstärkung, bzw. der Ausgangsleistung) und einer breitbandigen Referenzquelle. Alle genannten Komponenten für sich genommen wurden eingehend untersucht. Bereits kurz nach Beginn des Projekts wurden die verfügbaren Varaktoren betrachtet. Hierbei zeigte sich jedoch, dass diese nur bedingt geeignet waren, um verlustarme Anpassnetzwerke bei Sub‐Terahertz Frequenzen zu realisieren. Dies bestätigte sich dann auch bei dem ersten Entwurf eines rauscharmen Verstärkers bei 180 GHz. Während die Kenngrößen Verstärkung und Rauschzahl sehr gut waren, konnte nur ein gerin‐ ger Einstellbereich der Ausgangsanpassung realisiert werden. Aus den gewonnen Erkenntnissen konnte jedoch mathematisch gezeigt werden, dass sich Anpassnetzwerke, bestehend aus Parallelkapazität – Serieninduktivität – Parallelinduktivität, sehr gut eignen um einen großen Einstellbereich abdecken zu können. Voraussetzung ist dabei ein großer Einstellbereich der zugehörigen Kapazität. Als Machbarkeitsnachweis wurde daraufhin ein Verstärker mit diesem Netzwerk bei 10 GHz implementiert. Dies war die Grenze bis zu der es möglich war, die verfügbaren MOSFET als Schalter für diskrete Kapazitäten zu benutzen. Es konnte so ein Einstellbereich von 66% erreicht werden. Für die Messung der Verstärkung wurde ein Leistungsdetektor mit hohem Dynamikbereich und nachgeschaltetem Logarithmierer mit neuartiger Topologie entwickelt. In Verbindung mit einem Richtkoppler im Signalpfad ist es so möglich, die Ausgangsleistung des Systems direkt zu messen. Dieser Ansatz wurde auch in einer weiteren Verstärkerschaltung implementiert, welche jedoch nicht die gewünschten Anforderungen erfüllte und somit nicht zum Projektfortschritt beitragen konnte. Als letzte fehlende Komponente wurde ein steuerbarer Oszillator als Referenzquelle entwickelt. Bei diesem kam eine Ring‐Topologie zum Einsatz, die so bis dahin noch nicht bei diesen Frequenzen zum Einsatz kam. Auf diese Weise konnte ein sehr großer Einstellbereich von 173 GHz bis 200 GHz erreicht werden. Die Besonderheit bei dieser Implementierung ist, dass es sich um einen rückgekoppelten Phasenschieber handelt. Auch wenn der Stand beim Entwurf der Einzelkomponenten sehr gut ist, konnte keine vollständige Regelstrecke bis zum Projektende aufgebaut werden. Dies liegt hauptsächlich begründet in den Schwierigkeiten eine, den Anforderungen entsprechende, Impedanzkontrolle bei 200 GHz zu realisie‐ ren. An Hand des 10 GHz Verstärkers konnte jedoch gezeigt werden, dass es prinzipiell möglich ist, dies bei niedrigeren Frequenzen zu erfüllen. Eventuell hätte eine andere Technologie bessere Ergebnisse bringen können, was zu diesem Zeitpunkt aber nicht mehr überprüfbar ist.
Publications
- “170 GHz SiGe‐BiCMOS Loss‐Compensated Distributed Amplifier,” IEEE J. Solid‐State Circuits, vol. 50, no. 10, pp. 2228–2238, Oct. 2015
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P. Stärke, V. Rieß, D. Fritsche, C. Carta, and F. Ellinger
(See online at https://doi.org/10.1109/BCTM.2017.8112924)
