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.