Digitale Leistungsverstärker für energieeffiziente, drahtlose Sub-THz Kommunikation

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Matthias Rudolph; Dr.-Ing. Andreas Wentzel
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 404909432

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Zuge der Entwicklungen in der breitbandigen Mobilkommunikation (z.B. 5G mit Internet der Dinge (loT)) müssen unweigerlich sehr viel höhere Datenmengen und -raten garantiert werden. Hier geraten immer mehr auch die Sub­THz Frequenzbereiche (ab 100 GHz) in den Fokus, da dort bis zu 10 Mal mehr Bandbreite im Vergleich zum herkömmlichen Mobilfunkbereich zur Verfügung steht. Das ist die Triebfeder für energieeffiziente Hochfrequenz­Leistungsverstärker in diesem Frequenzbereich. Da diese den Hauptteil des gesamten Energieverbrauchs einer Basisstation ausmachen, sind sie ein wichtiger Faktor für ein Green-IT. In diesem Vorhaben sollten erstmalig hybrid aufgebaute Verstärkermodule für das W- und G-Band realisiert werden, die dem digitalen Ansatz folgen. Außerdem sollte die Frage beantwortet werden, ob die vorhandene lnP-Technologie für das vorgeschlagene Schaltungskonzept geeignet ist. Eine zu Beginn des Vorhabens durchgeführte Analyse ergab, dass die zur Verfügung stehende Technologie aufgrund der noch zu geringen Grenzfrequenzen keine rein digitalen Schaltungskonzepte bei 100 GHz und darüber hinaus erlaubt. Transistoren mit höheren Grenzfrequenzen standen, was zum Zeitpunkt der Projektbeantragung nicht absehbar war, nicht zur Verfügung. Aus diesem Grund wurden geschaltete Verstärker noch nicht rein digital, sondern als Klasse-E-Typ bei 100 GHz realisiert und in ein Modul integriert. Der Schaltungsentwurf wurde durch die Modellierung der verwendeten lnP DHBTs unterstützt. Zunächst konnte der Gültigkeitsbereich des Modells in der Frequenz durch Analyse der parasitären Kapazitäten mithilfe elektromagnetischer Simulation deutlich erhöht werden. Zur besseren Simulation des Schaltverhaltens wurde ein neues physikalisch basiertes Modell des Sättigungsbereichs in das bestehende FBH-HBT-Modell implementiert. Abschließend wurden die Verlustmechanismen, die im Schaltverhalten auftreten, durch eine analytische Näherung modelliert, um die bestehenden Limitationen hinsichtlich der Effizienz verstehen zu können. Wenn auch die erzielten Leistungsparameter von ca. 10 dBm Ausgangsleistung und um 25% PAE bei 100 GHz deutlich unter dem Projektziel liegen, halten die Werte einem Vergleich mit dem Stand der Wissenschaft gut stand. Die erzielten Erkenntnisse hinsichtlich der Verlustmechanismen und die Verbesserungen in der Transistormodellierung fließen in die weitere Entwicklung der lnP DHBT-Technologieentwicklung ein.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• “An Improved EM-Simulation Procedure to Extract Extrinsic Elements of Terahertz InP DHBTs,” in 2020 German Microwave Conference (GeMiC), Mar. 2020, pp. 240–243.
  S. V. Pawan, T. K. Johansen, K. Erkelenz, A. Wentzel, R. Doerner, S. Boppel & M. Rudolph
  
• “Output Matching Network Design for Highly Efficient InP-DHBT W-Band PAs Utilizing a Defected Ground Structure, “ in Proceedings of German Microwave Conference 2020, Cottbus, Germany.
  K. Erkelenz, P. Sriperumbuduri, T. Flisgen, M. Rudolph, T. K. Johansen, W. Heinrich & A. Wentzel
  
• Modeling Base-Collector Heterojunction Barrier Effect in InP DHBTs for Improved Large Signal Performance. 2021 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS), 355-357. IEEE.
  Sriperumbuduri, Venkata Pawan; Yacoub, Hady; Johansen, Tom K.; Wentzel, Andreas; Doerner, Ralf & Rudolph, Matthias
  
• A 100 GHz Class-F-Like InP-DHBT PA with 25.4% PAE. 2021 16th European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC), 225-228. IEEE.
  Shrestha, Amit; Doerner, Ralf; Yacoub, Hady; Johansen, Tom K.; Heinrich, Wolfgang; Krozer, Viktor; Rudolph, Matthias & Wentzel, Andreas
  
• Mathematical Analysis of Switching HBT Devices. 2022 IEEE Microwaves, Antennas, and Propagation Conference (MAPCON), 827-831. IEEE.
  Sriperumbuduri, Venkata Pawan; Wentzel, Andreas & Rudolph, Matthias
  
• Design and Analysis of a 50GHz InP DHBT Class-E Power Amplifier Providing 2.3 mW/µm2. 2023 18th European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC), 285-288. IEEE.
  Sriperumbuduri, Venkata Pawan; Yacoub, Hady; Wentzel, Andreas; Johansen, Tom K. & Rudolph, Matthias