Rauscharme Komponenten

Robuste rauscharme Verstärker

Das Signal, das der Empfänger einer Funkübertragungsstrecke empfängt, ist in der Regel von sehr geringer Amplitude. Darum werden rauscharme Verstärker (LNA) eingesetzt, die dieses schwache empfangene Signal für die weitere Signalverarbeitung verstärken, ohne es durch ihr eigenes Rauschen unbrauchbar zu machen.

Obwohl ein LNA für die Verstärkung sehr schwacher Signale ausgelegt ist, können auch starke, in der Regel unerwünschte, Signale empfangen werden. Dies ist z.B. der Fall wenn Sende- und Empfangseinrichungen in unmittelbarer Nähe platziert sind, wie es in Mobilfunk-Basisstationen der Fall ist. Traditionell wird darum eine Schutzschaltung vor den LNA geschaltet, die verhindern soll, dass ein zu starkes empfangenes Signal den LNA beschädigt.

LNAs auf der Basis von GaN-Transistoren haben das Potential ohne Schutzschaltung auszukommen, da dieses Material über sehr hohe Spannungsfestigkeit und Leistungstragfähigkeit verfügt.

Am FBH werden derzeit robuste rauscharme Verstärker für Anwendungen in Satelliten entwickelt. Es konnte ein LNA für 3,5 - 7 GHz mit einer Rauschzahl unter 1,8 dB demonstriert werden, der eine Belastung mit 33 dBm (2 W) Eingangsleistung für 16 h unbeschadet überstanden hat [Publikation, Rudolph 2006], [Publikation, Rudolph 2007]. Zum Vergleich: Bei kommerziellen LNAs auf der Basis von GaAs HEMTs muss die Eingangsleistung in der Regel auf weniger als 20 dBm (100 mW) beschränkt sein.

Phasenrauscharme Oszillatoren (VCO) bis zu Frequenzen von 80 GHz wurden mit dem GaAs-HBT-MMIC Prozess realisiert.

Die Oszillatoren liefern Bestwerte in Bezug auf das Phasenrauschen bei Millimeterwellen-Oszillatoren:

Um integrierte Schaltungen simulieren zu können, werden genaue Modelle der Transistoren benötigt, die nicht nur das elektrische Verhalten, sondern auch das Rauschen der Transistoren beschreiben. Bekannte Modellansätze waren in vielerlei Hinsicht unzureichend. Das am FBH entwickelte Großsignalmodell enthält wichtige Erweiterungen, die auf den folgenden Forschungsergebnissen basieren:

• Niederfrequentes (1/f) Rauschen
  • Zwei 1/f Rauschquellen sind notwendig und hinreichend, und zuverlässig aus Messungen bestimmbar [Publikation, Heymann 2001]
  • Das 1/f Rauschen wird nicht nur durch den Gleichstrom bestimmt, sondern auch durch hochfrequente Ströme. Es handelt sich um zyklostationäre Quellen [Publikation, Rudolph 2004], [Publikation, Rudolph 2006].
• Schrotrauschen
  • Die Korrelation der Schrot-Rauschquellen darf nicht vernachlässigt werden [Publikation, Rudolph 1999].
  • Die Korrelation kann im Großsignal-Modell durch die Kollektor-Laufzeit genähert werden. Durch geeignete Platzierung zweier unkorrelierter Rauschquellen kann das Verhalten der korrelierten Quellen nachgebildet werden. Eine spezielle arbeitspunktabhängige Rauschmodellierung ist nicht nötig [Publikation, Rudolph 2007], [Publikation, Rudolph 2007], [Publikation, Rudolph 2008].