Hochrobuste rauscharme Mikrowellen-Verstärker

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Wolfgang Heinrich; Professor Dr.-Ing. Matthias Rudolph
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 387060302

Bei Funkempfängern ist das erste Bauteil hinter der Antenne in der Regel ein rauscharmer Verstärker (low-noise amplifier - LNA). Seine Aufgabe ist es, das üblicherweise sehr schwache empfangene Eingangssignal so zu verstärken, dass das Eigenrauschen der folgenden Elektronik keine signifikante Störung mehr darstellt. Dieser LNA ist eine filigrane Komponente, ausgelegt auf sehr geringe Empfangsleistungen und sollte auch selbst möglichst wenig Leistung verbrauchen. Ein Funkempfänger empfängt aber nicht nur das gewünschte Nachrichtensignal. Befindet sich ein starker Sender in seiner Nähe, so kann die empfangene Leistung leicht den vorgesehenen Leistungspegel um das 1000fache übersteigen. Ein üblicher LNA wird in diesem Falle zerstört. Oft sendet die Sende- / Empfangsanlage selbst das starke Signal, zum Beispiel bei einem Radar oder einer Funkschnittstelle eines Satelliten. Es ist dann notwendig, den LNA vor zu großer Empfangsleistung zu schützten. In aller Regel wird hierfür eine Schutzschaltung zwischen LNA und Antenne vorgesehen. Diese schließt als elektronische Sicherung ein zu großes Signal an der Antenne kurz. Diese Schutzschaltung lässt sich aber nicht auf einem Chip mit dem LNA integrieren. Die Aufbautechnik wird teurer, der Aufbau groß und schwer, die Zuverlässigkeit leidet entsprechend. Zudem dämpft eine Schutzschaltung das empfangene Signal und verschlechtert dadurch den Signal-Rausch-Abstand. Es konnte in der Vergangenheit gezeigt werden, dass es die GaN-HEMT Technologie ermöglicht, die maximal zulässigen Eingangsleistungen von typisch 100 mW für einen GaAs-basierten LNA auf etwa 10 W für einen GaN-basierten LNA anzuheben. Allerdings ist festzustellen, dass dieser Erfolg auf einem einfachen Schaltungskonzept beruht und dass keine detailliertere Analyse veröffentlicht ist, die die Grenzen der Robustheit eines GaN-LNA theoretische ausleuchtet. Die Steigerung der Robustheit ist letzten Endes einer Verbesserung der Technologie zuzuschreiben. Hier setzt dieses Vorhaben an. Eine neue Schaltungstopologie, bei der die Transistoren am Eingang in Serie geschaltet werden, verspricht die Durchbruchspannung und damit auch die Robustheit signifikant zu erhöhen. Allerdings muss noch erwiesen werden, dass diese Schaltung auch rauscharm sein kann. Dieser Ansatz, wie auch die traditionelle Schaltungstopologie werden zudem theoretisch untersucht, um die theoretischen Limitierungen erklären zu können. Nicht zuletzt werden die Degradationsmechanismen der Transistoren messtechnisch erfasst und analysiert, um die Mechanismen leichter Schädigungen, die unter der Schwelle der Zerstörung des Transistors liegen, erklären zu können. Das Ziel ist es, bei Kenntnis der Degradationsmechanismen ein analytisches Modell zur Optimierung von GaN-LNAs vorzulegen, und insbesondere auch durch verbesserte Topologien das absolute Maximum zulässiger Eingangsleistung signifikant zu erhöhen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen