Mikrowellen-Schaltverstärker in GaN- und GaAs-Technologie - Designgrundlagen und Komponenten

Die Arbeit liefert Beiträge zur Verbesserung von Mikrowellen-Leistungsverstärkern auf Basis von III-V-Halbleitern. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Effizienzsteigerung von Leistungsverstärkern. Die Arbeit unterteilt sich in drei Themengebiete. Der hier vorgestellte Ansatz zur Gehäusemodellierung unterscheidet sich von den bisherigen Modellen auf dem Gebiet der Gehäusebeschreibung, die nicht an einer detaillierten Beschreibung der Einzeleffekte innerhalb des Gehäuses interessiert sind, sondern die Effekte eher summarisch als Klemmenverhalten darstellen. Die vorliegende Arbeit schließt hier eine Lücke, da das vorgestellte Modell es erlaubt, auch Einzeleffekte innerhalb des Gehäuses zu separieren. Bezüglich der Effizienzsteigerungen von Leistungsverstärkern wurden zunächst Klasse-E-Verstärker auf Basis von GaAs-HBTs mit erhöhter Durchbruchsspannung von 70 V hybrid realisiert. Es wurde eine Kollektoreffizienz von 80 % bzw. eine PAE von 62 % bei einer Ausgangsleistung von 10 W und 3 GHz demonstriert, was in dieser Kombination den Stand der Technik voranbrachte. Den dritten Schwerpunkt der Arbeit bildet die Entwicklung von digitalen Leistungsverstärkern für Klasse-S und ähnliche Systeme. Die dabei verwendeten Verstärkerblöcke unterscheiden sich grundlegend von allen bisher verwendeten Mikrowellen-Leistungsverstärkern. Die digitalen Verstärkerblöcke sind breitbandig ausgelegt und daher in der Lage, beliebige Bitfolgen mit Bitraten im Gbit/s-Bereich zu übertragen. Zur Entwicklung der Klasse-S-Verstärkerblöcke wurden MMICs in GaAs-HBT- und GaN-HEMT-Technologie entworfen und realisiert. Die Messung der unterschiedlichen MMICs zeigt bis zu Bitraten von 1,8 Gbit/s sehr hohe Effizienzen von 90 % und Rechteckleistungen von bis zu 20 W. Die realisierten Verstärkerblöcke sind einzigartig im internationalen Vergleich bezüglich der erzielten Leistungen, Bitrate und Effizienz.