Micro-system: Gallium nitride RF-broad-band high-power amplifier

Due to the increased demand of higher date rate transfer and therefore bandwidth, the development of new solutions for broad-band RF Power Amplifiers (PAs) for mobile communications has become more and more interesting in recent years. Such broad-band PAs can be used in a very flexible way as they are independent of the mobile communication standard and the used frequency bands. The new solutions based on the power amplifier architectures have to be accompanied by emerging concepts on device level in terms of technology and semiconductor process. Power FETs based on GaN-technology offer many advantages for the development of these broad-band RF power amplifiers such as robustness, high breakdown voltages and power density. In this thesis, broad-band RF PAs based on GaN-technology in the frequency range up to 6 GHz with an output power of 100W will be investigated. The power FETs will be analyzed and optimized in terms of stability, efficiency, gain, and output power. In the beginning of this thesis the theoretical requirement of a broad-band RF high power amplifier will be investigated. First, the theoretical limitation of the bandwidth is investigated and it will be shown that two principle limitations exists. On the one hand, the bode-fano criterion which describes the theoretical limit of transformation of a complex impedance into a real impedance. From the bode-fano criterion, the bandwidth matching product can be derived. On the other hand, there is a bandwidth limitation by a large ratio of the transformation ratio. A power FET has typically a low output impedance which must be transformed into a system impedance of 50. As a consequence, a large transformation ratio is required. For the second limitation the high output impedance of the GaN-technology is beneficial. In the second part of the thesis the stability issue of multi-finger system is explained. Various possible oscillation conditions that can arise in a multi-finger system are introduced. The focus is here on the ""internal odd-mode instability"" which is the most critical oscillation in a multi-finger system. After that, two different methods the open-loop and the nyquist (Zkk) for analyzing the stability are presented. Finally, the modeling approach of the complex micro-system broad-band RF power amplifier is presented. For this work, the ""slice model"" approach is chosen which is well suited for the study of the internal odd-mode oscillation. In this thesis, three different power cell and power bar configurations Coplanar Waveguide (CPW), Micro-Strip Line (MSL), and Individual Source Via (ISV) are investigated. A power cell is a parallel connection of a small even number of maximum ten gate fingers while a power bar is a parallel connection of several power cells. In the CPW configuration the source is connected with bond wires while in the MSL configuration the source is connect with front to back side via holes. The ISV is an advanced concept where the source connection is integrated in the source strips with front to back side via holes. All of these configurations are modeled with ""slice model"" approach to investigate internal effects and stability. One critical point of a multi-finger system is the ""internal odd-mode"" instability. The power cells and power bars are analyzed and optimized for both a sufficient stability margin and a good performance such as efficiency, gain, and output power for an operating frequency up to 6 GHz. In the power cells analysis the influences of the source inductance, unity gate finger width and the gate module parameters as well as the limits of each configurations are shown. Furthermore, the power bars are also analyzed and optimized for different packages. In the power bars analysis the influences of the packages on the efficiency and gain are shown. Finally, proper solutions of power bars in packages for mobile communication applications with an output power of 100W as well as for broad-band applications with an operating frequency up to 6 GHz are presented. In the end of this work, the influences of the phase deviation of the individual power cells within different circuit demonstrators are shown. The phase deviation of the individual power cell reduces on the input side the gain and on the output side the efficiency and output power of a PA. For this study, two broad-band Microwave Monolithic Integrate Circuits (MMICs) and one narrow-band hybrid demonstrator were realized. The MMIC studies show that with individual power cells a better phase control in comparison to a power bar can be achieved. The investigation of the narrow-band hybrid demonstrator shows that the phase deviation between the individual power cells can be controlled by inserting a ""Taper"" structure, therefore, as a consequence the power bar impedance is transformed to unfavorable values. Finally, two studies show that there are further possibilities to achieve a better phase control.

Aufgrund der zunehmenden Nachfrage nach höheren Datenraten und der daraus folgenden höheren Übertragungsbandbreite, ist die Entwicklung von breitbandigen HF-Leistungsverstärkern für die drahtlose Kommunikation in den letzten Jahren immer wichtiger geworden. Solch breitbandige HF-Leistungsverstärker können sehr flexibel eingesetzt werden, da sie unabhängig vom Mobilfunkstandard und Frequenzband sind. Neuen Lösungsansätze für Leistungsverstärker-Architekturen benötigen parallel auch neue Lösungen auf Bauelement und Technologieebene untersucht werden. Leistungs-FETs auf Basis von GaN-Technologie bieten viele Vorteile für die Entwicklung dieser breitbandigen HF-Leistungsverstärker, wie Robustheit, hohe Durchbruchspannung und hohe Leistungsdichte. In dieser Arbeit werden breitbandige HF-Leistungsverstärker für einen Frequenzbereich von bis zu 6 GHz und einer Ausgangsleistung von 100W untersucht. Die Leistungs-FETs werden in Bezug auf Stabilität, Effizienz, Gewinn und Ausgangsleistung analysiert und optimiert. Zu Beginn der Arbeit werden die theoretischen Anforderung an einen breitbandigen HF-Leistungsverstärker analysiert. Zunächst wird die theoretische Begrenzung der Bandbreite untersucht und es wird gezeigt, dass es zwei prinzipielle Begrenzungen gibt. Dies ist zum einen das Bode-Fano Kriterium welches die theoretische Begrenzung der Transformation einer komplexen Impedanz in eine relle Impedanz beschreibt. Mit dem Bode-Fano Kriterium kann das Bandbreite-Anpassungprodukt hergeleitet werden. Darüber hinaus ergibt sich eine Bandbreitenbegrenzung durch ein großes Transformationsverhältnis. Ein Leistungstransistor hat typischerweise eine kleine Ausgangsimpedanz, die in eine Systemimpedanz von 50 transformiert werden muss. Als Konsequenz wird ein großes Transformationsverhältnis benötigt. Im Bezug auf das Transformationsverhältnis ist die hohe Ausgangsimpedanz der GaN-Technologie von Vorteil. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Stabilitätsproblematik eines Mehrfingersystems erläutert. Es werden verschiedene Oszillationsmöglichkeiten, die in einem Mehrfingersystem entstehen können, vorgestellt. Der Fokus liegt hier auf der internen Gegentaktoszillation, die als kritische Oszillation in einem Mehrfingersystem angesehen werden kann. Anschließend werden zwei verschiedene Methoden die ""open-loop""- und die Nyquistmethode (Zkk) zur Stabilitätsanalyse vorgestellt. Zum Schluss wird ein Modellierungsansatz für das komplexe Mikrosystem eines Breitband HF-Leistungsverstärker vorgestellt. Für die Arbeit wurde der ""slice model"" Ansatz gewählt. Dieser Modellansatz ist gut geeignet für die Untersuchung von internen Gegentaktoszillationen. In dieser Arbeit werden Leistungszellen und Leistungsbarren in den drei Konfigurationen Coplanar Waveguide (CPW), Micro-Strip Line (MSL) und Individual Source Via (ISV) untersucht. Eine Leistungszelle ist eine Parallelschaltung von einer kleinen, geraden Anzahl von bis zu zehn Gatefingern, während ein Leistungsbarren eine Parallelschaltung von mehreren Leistungszellen ist. In der CPW Konfiguration ist die Source mit einem Bonddraht angeschlossen, während bei der MSL Konfiguration die Source mit Durchkontaktierung von der Vorderseite zur Rückseite angeschlossen ist. Bei der ISV Konfiguration werden die Durchkontaktierungen von der Vorderseite zur Rückseite in den Sourcestreifen integriert. Alle diese Konfigurationen werden mit dem ""slice-model"" Ansatz modelliert um interne Eigenschaften und Stabilität zu untersuchen. Ein kritischer Punkt in einem Mehrfingersystem ist die interne Gegentaktoszillation. Die Leistungszellen und Leistungsbarren werden analysiert und optimiert, sowohl auf ausreichende Stabilitätreserve als auch auf gute Eigenschaften wie Effizienz, Gewinn und Ausgangsleistung für eine Arbeitsfrequenz von bis zu 6 GHz. In den Leistungszellen werden die Einflüsse der Sourceinduktivität, der Gatefingerweite und der Gateparameter analysiert und die Grenze jeder Konfiguration gezeigt. Des weiteren wird der Leistungsbarren für den Aufbau und Einsatz in verschiedene Gehäuse analysiert und optimiert. Es wird der Einfluss des Gehäuses auf die Effizienz und den Gewinn des Leistungsbarren gezeigt. Anschließend werden Lösungen für einen Leistungsbarren im Gehäuse für Mobilfunkanwendungen mit einer Ausgangsleistung von 100 W bei 2 GHz und für breibandige Anwendungen mit einer Arbeitsfrequenz von bis zu 6 GHz gezeigt. Anschließend wird der Einfluss der phasenrichtigen Ansteuerung der einzelnen Leistungszellen anhand von Verstärker-Demonstratoren untersucht. Eine nicht phasenrichtige Ansteuerung der einzelnen Leistungszellen reduziert auf der Eingangsseite den Gewinn und auf der Ausgangsseite die Effizienz und die Ausgangsleistung. Für die Untersuchung wurden zwei breitbandige Microwave Monolithic Integrate Circuit (MMIC) und ein schmalbandiger Hybrid-Demonstrator realisiert. Die MMIC-Untersuchung zeigt, dass mit einzelnen Leistungszellen eine bessere Ansteuerung im Vergleich zum Leistungsbarren im Gehäuse erreicht werden kann. Die Untersuchung des schmalbandigen Hybrid Demonstrators zeigt, dass eine phasenrichtige Ansteuerung der einzelnen Leistungszellen mit einer ""Taper""-Struktur möglich ist, die aber als Konsequenz die Leistungszellenimpedanz zu ungünstigen Werten transformiert. Anschließend zeigen weitere Untersuchungen, welche alternativen Möglichkeiten es gibt um eine bessere phasenrichtige Ansteuerung zu erreichen.