Bei GaN und GaAs tut sich was: Viele drahtlose Elektroniksysteme sind für den Einsatz in großen Frequenzbereichen ausgelegt. So gibt es zum Beispiel in der Militärbranche Radarfrequenzbänder von einigen hundert MHz bis vielen GHz. Auch Bedrohungen können heute über eine Vielzahl von Frequenzen in ein System gelangen, von einigen MHz bis zu 20 GHz oder höher. Da immer mehr Elektronik für höhere Frequenzen verfügbar wird, steigt auch der Bedarf an Systemen für elektronische Kampfführung in diesen Frequenzbereichen. Auch in der Telekommunikation, wo Basisstationen mit Frequenzen von 450 MHz bis rund 3,5 GHz arbeiten, ist die Tendenz steigend. Satellitenkommunikationssysteme nutzen hauptsächlich die Bänder C bis Ka.

Um aber allgemein akzeptiert zu werden, müssen die Geräte für Messungen an diesen unterschiedlichen Elektroniksystemen jedoch über alle benötigten Frequenzen ausgelegt sein – eine Herausforderung, der Systemingenieure derzeit gegenüber stehen. Die Möglichkeit, mit nur einer Signalkette den gesamten Frequenzbereich abzudecken, würde die meisten Entwickler begeistern, denn sie bietet zahlreiche Vorteile, beispielsweise einfacheres Design, kürzere Time-to-Market, weniger Bauteile und dadurch vereinfachte Lagerhaltung. Beim Einsatz von nur einer Signalkette wird stets, wie bei jeder Breitbandlösung im Vergleich zu einer schmalbandigen Lösung üblich, die Leistungsfähigkeit herabgesetzt. Im Kern dieser Herausforderung befindet sich der Leistungsverstärker, der hinsichtlich Leistung und Effizienz üblicherweise erstklassige Leistungsdaten aufweist – wenn er über eine schmale Bandbreite abgestimmt wird.

GaN-Technologie verdrängt Wanderfeldröhren

Eck-Daten

Halbleitermaterialien wie GaAs und GaN eröffnen Möglichkeiten, um bei Verstärkern höhere Leistungen zu erreichen und große Bandbreiten abzudecken. GaAs-Bausteine mit kurzen Gate-Längen haben beispielsweise die Frequenzbereiche von 20 GHz bis 40 GHz und darüber erweitert. Der Beitrag beleuchtet unterschiedliche Techniken und Halbleitertechnologien, die Kompromisse hinsichtlich optimaler Leistung, Effizienz und Bandbreite von Verstärkern bieten.

In der Vergangenheit haben Wanderfeldröhren als ausgangsseitige Leistungsverstärkerstufe viele Elektroniksysteme mit höherer Leistungsaufnahme aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften dominiert: Sie stellen Leistungen von mehreren Kilowatt bereit, arbeiten über Bandbreiten von einer bis mehreren Oktaven und sie besitzen eine hohe Effizienz im ausgeschalteten Zustand sowie eine gute Temperaturstabilität. Allerdings haben sie auch Nachteile, wie beispielsweise schlechte Langzeitzuverlässigkeit und niedrigere Effizienz. Außerdem benötigen sie sehr hohe Spannungen von rund 1 kV oder höher. Um die Langzeitzuverlässigkeit von ICs weiter zu erhöhen, gibt es seit Jahren entsprechende Bemühungen, angefangen beim Einsatz von GaAs.

Um hohe Ausgangsleistungen zu erzeugen, haben viele Systemingenieure daran gearbeitet, möglichst mehrere GaAs-ICs zu kombinieren. Dazu gibt es viele verschiedene Möglichkeiten, wie etwa räumliche oder gemeinsame Verbindungen, jedoch gehen damit immer Verluste einher. Besser wäre es, die Techniken nicht kombinieren zu müssen und statt dessen für die Schaltungsentwicklung Hochleistungselektronik zu nutzen. Die einfachste Möglichkeit, die HF-Leistung eines Leistungsverstärkers zu erhöhen, besteht darin, die Spannung zu erhöhen, was GaN-Transistortechnologien so attraktiv macht. Ein Vergleich der verschiedenen Halbleiterprozesstechnologien zeigt, wie die Leistung bei IC-Technologien für höhere Betriebsspannungen im Allgemeinen zunimmt (Bild 1).

Bild 1: Vergleich verschiedener Prozesstechnologien der Leistungselektronik für den Mikrowellen-Frequenzbereich GaN und GaAs

Bild 1: Vergleich verschiedener Prozesstechnologien der Leistungselektronik für den Mikrowellen-Frequenzbereich. Analog Devices

Silizium-Germanium-Technologie (SiGe) nutzt eine relativ niedrige Betriebsspannung zwischen 2 V und 3 V und ist wegen ihrer Integrationsvorteile sehr interessant. GaAs kommt seit Jahren für Leistungsverstärker mit Frequenzen im Mirowellenbereich zum Einsatz und arbeitet mit Spannungen von 5 V bis 7 V. Die Silizium-LDMOS-Technologie arbeitet mit 28 V und wird seit Jahren in der Telekommunikation eingesetzt. Weil sie hauptsächlich für Frequenzen unter 4 GHz nützlich ist, ist sie in Breitband-Anwendungen eher selten anzutreffen. Das Aufkommen der GaN-Technologie, die mit 28 V bis 50 V auf einem Substrat mit geringen Verlusten und hoher Wärmeleitfähigkeit, wie zum Beispiel Siliziumkarbid (SiC) arbeitet, hat eine Reihe von neuen Anwendungsmöglichkeiten hervorgebracht.

Heute ist der Einsatz von GaN auf Silizium-Technologie auf den Betrieb unter 6 GHz begrenzt. Die HF-Verluste in Verbindung mit dem Siliziumsubstrat und seiner niedrigeren Wärmeleitfähigkeit gegenüber SiC beeinträchtigt mit steigender Frequenz die Verstärkung sowie die Effizienz und Leistungsaufnahme. Das Aufkommen der GaN-Technologie hat die Wanderfeldröhren als Verstärker verdrängt – viele Systeme verfügen nun über GaN-Verstärker als Ausgangsstufe. Der Treiberverstärker in vielen Systemen verwendet im Allgemeinen noch immer GaAs, da ein Großteil dieser Technologie bereits vorhanden ist und weiter verbessert wird.

 

Wie sich mit dem entsprechenden Schaltkreis-Design der Frequenzbereich des Verstärkers erweitern lässt, beschreibt der Beitrag auf der nächsten Seite.

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