Automatically switchable transceive/receive (TRX) structures - AUTOMATIX

Abstract

Galliumnitrid (GaN) Leistungsverstärker gewinnen als möglicher Ersatz für kleine Wanderfeldröhrenverstärker (TWTAs) durch ihre Vorteile in Bezug auf Baugröße und Gewicht zunehmend an Bedeutung. In der Satellitenkommunikation sind Halbleiterverstärker (SSPAs) insbesondere für zukünftige flexible Nutzlastarchitekturen attraktiv.

Zu Beginn des Vorhabens waren die verfügbaren integrierten Leistungsverstärker-MMICs im K-Band (ca. 17-21 GHz) auf 10-14 Watt Ausgangsleistung bei einem Wirkungsgrad von 30-35% beschränkt. Im Ka-Band (ca. 25-27 GHz) wurde eine maximale Ausgangsleistung von 20 Watt bei ca. 20% Wirkungsgrad erzielt. Der maximale Wirkungsgrad im Ka-Band (auf Schaltungsebene, für kleine Ausgangsleistungen) war dabei meist geringer als 50%.

Mit bestehenden (100/250 nm) und neuartigen (150 nm) GaN Technologien sollten effizientere Verstärker in der Leistungsklasse zwischen 10-20 Watt demonstriert werden bzw. der maximale Wirkungsgrad von kleineren Verstärkern verbessert werden. Hierbei konnte im K-Band eine höhere Leistung von 20 Watt bei einem Wirkungsgrad von 34-37% demonstriert werden. Im Ka-Band konnte der Wirkungsgrad bei 20 Watt Ausgangsleistung auf 30% verbessert werden. Der Wirkungsgrad von kleinen Leistungsverstärker-Demonstratoren im K/Ka-Band konnte breitbandig auf 50-57% verbessert werden. Geeignete Exemplare der MMICs wurden in Module integriert und damit anwendungsnah eingehend charakterisiert. Gleichzeitig sollte die Schaltbarkeit von kleinen Leistungsverstärkern für die Eignung in aktiven Gruppenstrahlern untersucht werden. Hierbei konnten technologische und schaltungstechnische Unterschiede identifiziert werden. Für alle untersuchten Demonstratoren waren die Schaltzeiten jedoch ausreichend kurz. Weiterhin sollten an den neuartigen 150 nm GaN Technologien mikrostrukturelle Analysen und Fehlerdiagnostik nach Stress durchgeführt werden. Hierbei wurde beispielsweise der Vorteil einer Iridium-Gatemetallisierung und der Vorteil eines dünneren Gatenitrids in Bezug auf Zuverlässigkeit und elektrische Parameter nachgewiesen.

Diese Ergebnisse zeigen die Eignung von europäisch verfügbaren GaN-Technologien für zukünftige Satellitenkommunikation.

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Gallium nitride (GaN) power amplifiers are increasingly gaining importance as replacements for small traveling-wave tube amplifiers (TWTAs) thanks to their advantages in terms of size and weight. In satellite communications, solid-state power amplifiers (SSPAs) are especially attractive in future flexible payload architectures.

At the beginning of the project, available integrated power amplifier MMICs at K-band (approx. 17-12 GHz) were limited to 10-14 W output power at an efficiency of 30-35%. In the Ka-band (25-27 GHz), a maximum output power of 20 W was achieved with an efficiency of approx. 20%. The highest efficiency (at circuit-level, for small output powers) was limited to <50% in most cases. In this project, established (100/250 nm) and novel (150 nm) GaN technologies were used to demonstrate amplifiers with higher efficiencies in the 10-20 W output power range, and further, the maximum efficiency for small amplifiers was improved.

In this context, a higher output power of 20 W was achieved at K-band with an efficiency of 34-37%. At Ka-band, the efficiency of a 20 W power amplifier was improved to 30%. The wideband efficiency of small power amplifiers at K/Ka-band was increased to 50-57%. Selected samples of these MMICs were integrated into modules and subsequently characterized in an environment that is relevant to the final application. At the same time, the DC/RF switching behavior of small power amplifiers MMICs was analyzed to demonstrate suitability in active antenna arrays. Here, different switching behavior based on technological differences and circuit design differences was identified. However, all analyzed circuit demonstrators exhibit sufficiently short switching durations. Further, micro-structural and material analysis of device defects after stress was carried out for the novel 150 nm GaN technologies. In this context, the advantages of an Iridium-based gate metallization and a thinner gate nitride in terms of reliability and electrical parameters were demonstrated.

These results show the suitability of European GaN technologies for future SatCom applications and the state-of-the-art RF performance that can be achieved with these technologies at K/Ka-band.