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Design of a high efficiency and broadband GaN power amplifier in class-J configuration using a transistor in package

 
: Ture, E.

Freiburg/Brsg., 2013, VI, 84 S.
Freiburg/Brsg., Univ., Master Thesis, 2013
Englisch
Master Thesis
Fraunhofer IAF ()

Abstract
Maximum achievable data transfer rates of wireless network systems have increased tremendously since the deployment of most recent wideband standards for mobile communications. Consequently, the demand of Power Amplifiers (PAs) with high output power density capable of performing more efficient and broadband operation has grown rapidly over the years. Additionally, beneficial features of packaging such as robustness and simpler assembly have led to efforts for accurately characterising packaged transistors at high frequencies. Regarding the ever increasing academic studies since its introduction, Class-J theory holds its place as a promising guide for designing PAs covering wide range of operating frequencies. Among various hybrid modes that have been introduced by the theory, a broadband PA module with the Class-BJ mode is proposed and realised in this project. In this work, a highly efficient broadband PA is successfully realised and analysed for using in mobile communication applications suited to the latest standards. By means of examining the realised models, influences of packaging and bondwires on PA performance are investigated. The investigation includes demonstrating the accuracy of generated package models, as well as verifying the theory of Class-J on broadband design. As for the first step, the accuracy of FEM (Finite Element Method) simulated package models are proven to be sufficient for representing the system at frequencies up to 8 GHz. The broadband principles of Class-J are then confirmed to be valid for packaged devices as well and subsequently, the fully characterised PA is effectively designed within the simulation environment. Having completed the design, the models are finally manufactured and performance measurements are carried out for the fully assembled PA module. Measurement results have demonstrated an outstanding broadband performance of the designed PA reaching approximately 50% operation bandwidth throughout 1.7 GHz - 2.8 GHz with 58% - 66% drain efficiency. Furthermore, in the mentioned bandwidth, an average output power of 25 W (between 43 - 44.5 dBm) is achieved while maintaining over 10 dB of transducer power gain.

 

Durch Einsatz der neuen Standards für die mobile Kommunikation, maximal erreichbare Datenübertragungsraten der drahtlosen Netzwerk-Systeme sind enorm gestiegen. Deswegen ist die Nachfrage nach Leistungsverstärker (PAs) mit höherer Effizienz, Bandbreite und Leistungsdichte, großer geworden. Zusätzlich, Leistungsverstärker in Metallgehäusen haben besondere Vorteile wie Robustheit und einfache Montage. Demnach wurden die Versuche zur genauen Charakterisierung der untergebrachten Transistoren bei hohen Frequenzen zugenommen. Im Hinblick auf die zunehmende wissenschaftliche Forschung seit seiner Einführung, hat die Class-J Theorie sich bereits eine vielversprechende Führung zum Entwurf der Breitband-PAs. Unter den verschiedenen Hybrid-Modi, die in die Theorie eingeführt wurden, wird ein Breitband-PA-Modul mit Class-BJ Modus in diesem Projekt vorgeschlagen. In dieser Studie wird ein hocheffizienter Breitbandverstärker entworfen und für den Einsatz in mobilen Kommunikationsanwendungen mit den neuesten Standards analysiert werden. Die realisierten Modelle werden überprüft um die Einflüsse der Gehäuse und Bonddrähte zu untersuchen. Die Untersuchung besteht aus dem Nachweis der Genauigkeit der erzeugten Gehäusemodelle, und der Überprüfung der Class-J Theorie zum Breitbandentwurf. An erster Stelle wird es gezeigt, dass die FEM-simulierten Gehäusemodelle zutreffend sind um das System bei Frequenzen bis 8 GHz darzustellen. Dann wird die Grundsätze der Class-J bestätigt, sowie wird es nachgewiesen, dass die Grundsätze auch für Transistoren im Gehäuse gelten. Anschließend wird die PA vollständig charakterisiert und mit Hilfe der Simulationsumgebung entwickelt. Nach Abschluss des Entwurfs, werden die Modelle hergestellt und Messungen für das komplett montierte PAModul durchgeführt. Die Messergebnisse hat eine hervorragende Breitbandleistung der entworfenen PA gezeigt und wird etwa 50% Bandbreite, nämlich 1,7 GHz bis 2,8 GHz mit 58% - 66% Drain-Wirkungsgrad erreicht. Eine durchschnittliche Ausgangsleistung von 25 W (zwischen 43 bis 44,5 dBm innerhalb der gesamten Bandbreite) und über 10 dB Übertragungsgewinn werden gemessen.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-264904.html