DLR-Projekt mmRadar4Space - Bildgebung und Zielverfolgung mit Millimeterwellen-Radar für Weltraumanwendungen : Schlussbericht ; Laufzeit des Vorhabens: 01.03.2011 - 31.08.2013

Abstract

Radarbasierte Sensoren im Millimeterwellen-Frequenzbereich bieten hohe Auflösung und gute räumliche Lokalisierung und sind daher als bildgebende und zielverfolgende Sensoren in zukünftigen Raumfahrtprojekten interessant. Dazu ist es notwendig, Ausgangsleistungen um 20 dBm im Frequenzbereich von 70 bis 100 GHz bei gutem Wirkungsgrad bereitzustellen. Mit den verfügbaren Halbleitertechnologien für integrierte Schaltungen (MMICs) ist dies nur eingeschränkt möglich. Deshalb wurde im Rahmen des Vorhabens eine vorhandene Indium-Phosphid-basierte Heterobipolartransistor –Technologie, die das Transfer-Substrat-Prinzip nutzt, auf diese Anforderungen hin weiterentwickelt. Die Arbeiten umfassten zunächst die Stabilisierung des Prozesses sowie die Verbesserung der nichtlinearen Transistormodellierung für den interessierenden Frequenzbereich. Auf dieser Basis wurden Multi-Finger-Transistoren entwickelt, um die Leistungsausbeute pro Einzelelement zu erhöhen. Dazu mussten u.a. neue Designs mit Ballastwiderständen eingeführt werden, um thermisch bedingte Instabilitäten zu verhindern, gleichzeitig aber die Grenzfrequenzen möglichst wenig zu reduzieren. Die damit realisierten W-Band-Verstärker erzielen Ausgangsleistungen bis über 19 dBm und belegen die Eignung des Prozesses für die betrachteten Anwendungen.

Millimeter-wave radar sensors offer high resolution and precise localization. Thus, they are well suited for imaging and target tracking in future space projects. For these applications, systems need to provide output powers around 20 dBm in the frequency range from 70 to 100 GHz with good efficiency. The available semiconductor technologies for integrated circuits do not fully meet these specifications. Therefore, in the course of the project an existing Indium-Phosphide-based heterobipolar transistor technology, which employs the transferred-substrate approach, was further developed towards these special needs. Work started with stabilizing the processing and improving the non-linear modeling of the transistors at mm-wave frequencies. Based on this, multi-finger devices were developed in order to increase the power capabilities per transistor. Among others, this required new designs with ballasting resistors, in order to prevent thermal instabilities while maintaining high transit frequencies. The W-band power amplifiers realized achieve output powers of more than 19 dBm. This demonstrates suitability of the process for the applications targeted.