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Analysis of the potential of gallium nitride based monolithic power amplifiers in the microwave domain with more than an octave bandwidth

 
: Dennler, P.
: Ambacher, O.; Schumacher, H.

Freiburg/Brsg., 2015, XXVII, 139 S.
Freiburg/Brsg., Univ., Diss., 2014
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-100177
Englisch
Dissertation
Fraunhofer IAF ()

Abstract
The scope of this work is to theoretically and experimentally analyze the potential of gallium nitride (GaN) based monolithic broadband high power amplifiers with more than an octave bandwidth in the microwave domain up to 40 GHz with unprecedented power levels. The most fundamental theoretical limitation for reactively matched amplifiers is imposed by the Bode-Fano limit. This technology related figure of merit quantifies the attainable reflection coefficient for a matching network compensating the reactance of a single transistor in a given frequency band. A detailed analysis of the Bode-Fano criterion is performed for the input and output of GaN based HEMTs.
The challenge in designing broadband amplifiers is to present the optimum complex load to the input and output of each transistor in an arbitrary interconnection in such a way that they deliver maximum output power or efficiency at all frequencies within a designated band. Because of the high output resistance of GaN transistors, the Bode-Fano limit at the output is aggravated dramatically as compared to lower voltage technologies such as gallium arsenide (GaAs). However, as calculations show, this theoretical limitation does not pose the dominating difficulty. The main limiting factor is the large impedance transformation ratio to be dealt with in the output matching network, attributable to large gate width devices. Since this limitation is not addressed by the Bode-Fano criterion, it needs special consideration and is addressed by reference to filter theory which allows to quantify the filter order of a matching network in terms of bandwidth and transformation ratio.
In contrast to the output, the Bode-Fano criterion for the input is dependent on center frequency and device size. Calculations show that for reasonable device sizes, it poses a severe theoretical limitation in obtaining an octave bandwidth. Since in a multistage design two complex impedances face at the interstage, the problem becomes even more severe. In order to overcome this limitation, a novel power amplifier architecture is proposed, which evades the aggravated matching aspects introduced by designing multistage reactively-matched amplifiers. A dual-stage semi-reactively-matched amplifier (SRMA) which comprises a distributed active power splitter acting as the driver stage is introduced. In doing so, a purely real interstage impedance is obtained and therefore the proposed architecture allows wider bandwidth operation as compared to the conventional reactively-matched multistage topology. A 4.5 W 6 GHz to 20 GHz high power SRMA is designed and realized. The bandwidth ratio is the largest ever reported for a reactively matched multistage monolithic GaN power amplifier at the given frequency and output power.
A very attractive way to enhance the gain of an amplifier is to reduce the Miller effect by using dual-gate active devices. A method to accurately describe dual-gate structures is demonstrated up to 18 GHz using a distributed modeling approach. A scalable nonlinear model with varying total gate width and number of fingers was obtained. The proposed modeling approach is the first of its kind to accurately describe dual-gate transistors. The knowledge gained from studying the model is put into practice by proposing advanced dual-gate structures to improve the stability, gain, maximum output power, and efficiency of the devices. Designed and manufactured structures show improvements in all the aforesaid disciplines as compared to a conventional dual-gate design.
However, dual-gate devices suffer from strong gain compression at high driving power levels and therefore are not suitable to be operated in saturation in power amplifier stages. Therefore, dual-gate transistors are preferably used in driver stages to boost the gain of the amplifier. A dual-stage 6 GHz to 37 GHz distributed amplifier with a measured S21 of 17±1 dB, demonstrates the usability of this concept. Besides the enhanced gain, the said amplifier was optimized for maximum output power by applying a nonuniform distributed approach. With more than 1 W output power over the entire frequency band, the design shows the highest ever reported power for a monolithic solid state amplifier at this frequency range.

 

Im Rahmen dieser Arbeit soll das Potenzial von Galliumnitrid-basierten (GaN-basierten) monolithischen Breitband-Hochleistungsverstärkern mit mehr als einer Oktave Bandbreite im Mikrowellenbereich bis zu 40 GHz mit bisher unerreichten Ausgangsleistungen theoretisch und experimentell analysiert werden. Die grundlegendste theoretische Einschränkung für reaktiv angepasste Verstärker ist durch die Bode-Fano Grenze auferlegt. Diese technologiebezogene Kenngröße ist ein Maß für den erzielbaren Reflexionsfaktor für ein Anpassnetzwerk zur Kompensation der Reaktanz eines einzelnen Transistors in einem gegebenen Frequenzband. Eine detaillierte Analyse des Bode-Fano Kriteriums für den Ein- und Ausgang eines GaN-basierten HEMTs ist aufgezeigt.
Die Herausforderung bei der Entwicklung von Breitband-Verstärkern liegt darin, jedem einzelnen Transistor in einer beliebigen Zusammenschaltung die optimale komplexe Last am Ein- und Ausgang anzubieten, sodass deren Ausgangsleistung oder Effizienz über ein festgelegtes Frequenzband maximiert wird. Bedingt durch den hohen Ausgangswiderstand von GaN-Transistoren wird die Bode-Fano Grenze am Ausgang im Vergleich zu Technologien mit niedrigerer Betriebsspannung, wie etwa Galliumarsenid (GaAs), drastisch verschärft. Berechnungen zeigen allerdings, dass diese theoretische Einschränkung nicht die dominierende Schwierigkeit darstellt. Die Haupteinschränkung rührt vom großen im Ausgangsnetzwerk aufzubringenden Transformationsverhältnis her, bedingt durch Bauelemente mit großer Gateweite. Da diese Limitierung vom Bode-Fano Kriterium nicht behandelt wird, erfordert sie eine separate Betrachtung. Dies geschieht mit Hilfe der Filtertheorie, welche die Filterordnung eines Anpassnetzwerks mit der Bandbreite und dem Transformationsverhältnis in Zusammenhang stellt.
Im Gegensatz zum Ausgang ist das Bode-Fano Kriterium für den Eingang abhängig von der Mittenfrequenz und der Bauelementgröße. Berechnungen zeigen, dass das Kriterium für sinnvolle Bauelementgrößen für Bandbreiten von mehr als einer Oktave durchaus eine ernstzunehmende theoretische Beschränkung darstellt. Für mehrstufige Verstärkerentwürfe wird das Problem noch einschneidender, da in der Zwischenstufe zwei komplexe Impedanzen aufeinandertreffen. Um diese Einschränkung zu überwinden wird eine neuartige Leistungsverstärker Architektur vorgeschlagen. Diese umgeht die verschärften Anforderungen an das Anpassnetzwerk in der Zwischenstufe von mehrstufigen reaktiv-angepassten Verstärkern. Ein zweistufiger semi-reaktiv-angepasster Verstärker (SRMA) mit einem verteilten aktiven Leistungsteiler, welcher als Treiberstufe fungiert, wird vorgestellt. Auf diese Weise wird eine rein reelle Zwischenstufen-Impedanz geschaffen. Dadurch erreicht die vorgeschlagene Architektur größere Bandbreiten als konventionell reaktiv-angepasste mehrstufige Topologien. Ein 4.5 W 6 GHz bis 20 GHz Hochleistungs SRMA wurde entwickelt und realisiert. Das dabei erreichte Bandbreitenverhältnis ist das größte jemals publizierte für einen reaktiv-angepassten mehrstufigen monolithischen GaN-Leistungsverstärker bei der gegebenen Frequenz und Ausgangsleistung.
Eine attraktive Möglichkeit, den Gewinn eines Verstärkers zu erhöhen, ist die Reduktion des Millereffekts durch den Einsatz von Dual-Gate Transistoren. Eine auf einen verteilten Modellierungsansatz gestützte Methode, die es erlaubt, Dual-Gate Strukturen bis 18 GHz präzise zu beschreiben, wird aufgezeigt. Ein skalierbares nichtlineares Modell für eine variable Gateweite und Fingeranzahl wurde erlangt. Der vorgeschlagene Modellierungsansatz ist der erste seiner Art, um Dual-Gate Transistoren akkurat zu beschreiben. Die durch das Studium des Modells erlangten Erkenntnisse werden anhand von Vorschlägen für die Weiterentwicklung von Dual-Gate Strukturen in die Praxis umgesetzt. Sie verbessern die Stabilität, Verstärkung, maximale Ausgangsleistung und Effizienz der Bauelemente. Fabrizierte weiterentwickelte Strukturen zeigen im Vergleich zu konventionellen Dual-Gate Transistoren Verbesserungen in all den obengenannten Disziplinen.
Dual-Gate Bauelemente haben allerdings den Nachteil erhöhter Kompression unter hoher Aussteuerung und sind deshalb ungeeignet, um in Leistungsverstärker Endstufen in Sättigung betrieben zu werden. Aus diesem Grund werden Dual-Gate Transistoren vorzugsweise in Treiberstufen eingesetzt und deutlich unterhalb der Sättigung betrieben, um die Verstärkung des Sytems zu erhöhen. Ein zweistufiger verteilter 6 GHz bis 37 GHz Verstärker mit einem gemessenen S21 von 17±1 dB demonstriert die Nutzbarkeit dieses Konzepts. Neben der erhöhten Verstärkung wurde der besagte Verstärker durch den Einsatz eines nicht uniform verteilten Ansatzes auf maximale Ausgangsleistung optimiert. Mit mehr als einem Watt Ausgangsleistung über den gesamten Frequenzbereich zeigt die Schaltung die höchste je publizierte Leistung für einen monolithischen Halbleiterverstärker in diesem Frequenzbereich.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-337235.html