Differenzieller GaN-Leistungsoszillator für kompakte Plasmaquellen im 2,45 GHz-Frequenzband

Neue Anwendungen im Bereich der Mikrowellenerwärmung und Plasmaquellen erfordern sehr kompakte Generatoren im Leistungsbereich 10 W bis 100 W. In herkömmlichen Mikrowellengeneratoren werden derzeit entweder Magnetrons oder Kleinleistungsoszillatoren mit nachgeschalteter Verstärkerkaskade eingesetzt. Beide Konzepte sind aufgrund ihrer Größe nicht geeignet, um Mikrowellenleistung punktuell zu erzeugen. Dies ist jedoch Voraussetzung, um sie in Systemen und Anlagen zu integrieren, bei denen der verfügbare Platz begrenzt ist. Leistungsoszillatoren können hier wesentlich zur Miniaturisierung zukünftiger Generatoren beitragen, da sie das Mikrowellensignal in einer einzigen kleinen Schaltung erzeugen und verstärken. Im Vergleich zu etablierten Techniken reduziert sich der Platzbedarf dadurch auf etwa ein Zehntel.  

In einem aktuellen Industrieprojekt mit der Firma SENTECH Instruments bildet ein Leistungsoszillator die Grundlage eines neuartigen, hochintegrierten Plasmaquellenmoduls. Dieser kann fortlaufend in Form einer Matrix angeordnet werden, um ein großflächiges Plasma zu erzeugen. Das differenzielle Schaltungskonzept enthält zwei GaN-Powerbars aus dem FBH, die aus je fünf Einzelzellen mit 0,5 µm Gatelänge bestehen. Diese sind über ein spezielles Rückkoppelnetzwerk miteinander verbunden und werden im Gegentakt betrieben. Das Mikrowellensignal wird an zwei separate 50 Ω-Ausgänge mit 180° Phasenversatz abgegeben und versorgt auf diese Weise zwei Resonatoren innerhalb des Plasmaquellenmoduls mit Mikrowellenenergie. Abb. 1 zeigt den Leistungsoszillator und Abb. 2 das auf dieser Basis von SENTECH realisierte Plasmaquellenmodul.

Erstmals ist am FBH ein Leistungsoszillator entwickelt worden, der innerhalb des 2,4 GHz-ISM-Bandes mechanisch frequenzabstimmbar ist. Das Modul erzielt bei optimaler Lastanpassung eine Spitzenausgangsleistung von 57 W und eine maximale Effizienz von ca. 54%. Die dafür nötige Schaltungsfläche beträgt nur etwa 10 cm². Damit weist der vorgestellte Mikrowellengenerator den bislang geringsten Platzbedarf seiner Leistungsklasse auf. Die Ergebnisse wurden bei der European Microwave Conference 2014 in Rom vorgestellt.  

Publikation:  

C. Bansleben and W. Heinrich, "Compact High-Power High Efficiency Microwave Generator With Differential Outputs", Proc. 44^th European Microwave Conf. (EuMC 2014), Rome, Italy, Oct. 6-9, pp. 723-726 (2014).

FBH-Forschung: 18.12.2014