Hochrobuste rauscharme Mikrowellen-Verstärker
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bei Funkempfängern ist das erste Bauteil hinter der Antenne in der Regel ein rauscharmer Verstärker (low-noise amplifier - LNA). Seine Aufgabe ist es, das typischerweise 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 1 000fache 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 diese Steigerung der Robustheit einer Verbesserung der Technologie zuzuschreiben ist und weniger einer Modifikation des Schaltungskonzepts. Hier setzte dieses Vorhaben an. Eine neue Schaltungstopologie, bei der die Transistoren am Eingang in Serie geschaltet werden, erhöht nun nicht mehr nur die Robustheit. Es konnte gezeigt werden, dass dies im optimierten Fall mit einem nur moderaten Anstieg der Rauschzahl einher geht. Es wurden Demonstratoren bei 5 und 10 GHz integriert gefertigt und vermessen. Ein weiterer wichtiger Beitrag des Vorhabens liegt in der experimentellen Untersuchung der Erholungszeit der GaN-basierten LNAs nach Abklingen eines Pulses hoher Eingangsleistung. Hier konnte der Zusammenhang zwischen tiefen Störstellen und der Erholungszeit aus gepulsten Gleichspannungsmessungen abgeleitet werden und das dynamische Kleinsignal-Verhalten in Reaktion auf einen Puls hoher Eingangsleistung charakterisiert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Characterization of the Impairment and Recovery of GaN-HEMTs in Low-Noise Amplifiers under Input Overdrive. 2021 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS), 515-518. IEEE.
Krause, S.; Beleniotis, P.; Bengtsson, O.; Rudolph, M. & Heinrich, W.
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Compact Stacked Rugged GaN Low-Noise Amplifier MMIC. 2021 IEEE International Conference on Microwaves, Antennas, Communications and Electronic Systems (COMCAS), 286-288. IEEE.
Kaule, Evelyne; Luo, Peng; Andrei, Cristina; Chevtchenko, Serguei A. & Rudolph, Matthias
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On the Influence of Transistor Dimensions on the Dispersive Behavior in AlGaN/GaN HEMT-Based PAs and Robust LNAs. 2022 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium - IMS 2022, 914-917. IEEE.
Krause, Sascha; Zervos, Christos; Beleniotis, Petros; Ritter, Dan; Rudolph, Matthias & Heinrich, Wolfgang
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“A Novel System for Recovery Time Measurements of GaN- Based Low-Noise Amplifiers,” in: 2022 14th German Microwave Conference (GeMiC), May 2022, pp. 65–68
A. Tomaz, S. Gerlich, M. Rudolph & C. Andrei
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Compact Stacked Rugged GaN Low-Noise Amplifier MMIC under Input Power Overdrive Condition. 2023 18th European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC), 9-12. IEEE.
Kaule, Evelyne; Luo, Peng; Chevtchenko, Serguei A.; Rudolph, Matthias & Andrei, Cristina
