Millimeterwellen MMIC-Signalerzeugung und Leistungsverstärkung
Abb. 1. Großsignalverhalten eines 15 dBm-Leistungsverstärkers bei 90 GHz
Abb. 2. Kleinsignalverhalten des Verstärkers in Bild 1
Abb. 3. Bandbreiten-Charakteristik des Leistungsverstärkers aus Bild 1
Die Erzeugung von Signalleistung und deren Verstärkung im W-Band und darüber ist eine Schlüsseltechnologie für vielfältige Anwendungen im Bereich der zerstörungsfreien Prüfung, der Medizintechnik, sowie für Radar-, Sicherheits- und Weltraumanwendungen. Dafür entwickelt das FBH MMIC-Leistungsverstärker und Signalerzeugungs-MMIC auf Basis der im Haus entwickelten InP-DHBT-Transfersubstrat-Technologie mit Grenzfrequenzen oberhalb von 350 GHz. Die Zielfrequenzen für diese MMIC sind 75 – 200 GHz mit Ausgangsleistungen von 100 mW und einem hohen Wirkungsgrad. Die hergestellten MMIC-Verstärker sind kompakt und robust und erlauben eine einfache Integration in Frontend-Module. Die realisierten Verstärker weisen eine Kleinsignalverstärkung von 8 dB pro Stufe in Emittergrundschaltung bei Frequenzen von etwa 100 GHz auf. Ergänzend wurden Flip-Chip-Technologien mit entsprechender Wärmeabführung entwickelt.
Die Leistungsverstärker im Band 80 – 100 GHz erreichen 10 dB Verstärkung und eine Ausgangsleistung von mehr als 15 dBm. Eine höhere Ausgangsleistung mit 15 dB Kleinsignalverstärkung und einer Ausgangsleistung von über 100 mW wurde bei 95 GHz erzielt, jedoch derzeit mit weniger Bandbreite. Weitere Schaltungsentwicklungen zeigen ähnliche Ausgangsleistungen bei höheren Frequenzen mit ähnlicher Emitterperipherie. Diese Schaltungen sind derzeit in der Prozessierung. Ein Ziel ist es, einen hohen Wirkungsgrad von mehr als 30 % für die Leistungsverstärker bei Frequenzen oberhalb von 100 GHz zu erreichen.
Zusätzlich wurden Leistungsverstärker im G-Band zusammen mit Frequenzverdopplern im gleichen Frequenzbereich realisiert. Für diese MMIC wurde die neu entwickelte InP-on-BiCMOS-Technologieplattform verwendet. Diese Technologieplattform wird in Zusammenarbeit mit dem IHP (Institut für innovative Mikroelektronik, Frankfurt/Oder) betrieben. Es wurden Leistungen von 7 dBm bei 164 GHz erzielt. Eine Frequenzverdopplerschaltung mit kaskadiertem Leistungsverstärker erreichte Ausgangsleistungen von 10 dBm bei 180 GHz und von über 6 dBm im gesamten G-Band.
Das FBH entwickelt auch explorative Schaltungskonzepte für Leistungsverstärker mit hoher Verstärkung basierend auf Kaskode-Grundschaltungen, die einen hohen Wirkungsgrad erlauben. Weiterhin werden Entwicklungen zur Verbesserung der thermischen Eigenschaften durchgeführt, die eine Reduzierung des thermischen Widerstandes der Transistoren um den Faktor zwei gezeigt haben. Dies wird die Beschränkung der Ausgangsleistung aufgrund thermischer Effekte überwinden.
Die InP-on-BiCMOS Technologieplattform wird demnächst im Foundryservice durch das IHP für externe Kunden angeboten. Es existiert ein dediziertes Designkit für diesen Prozess. Für die Charakterisierung und Validierung dieser Schaltungen stehen am FBH Messtechnik-Einrichtungen für Kleinsignal- und Großsignal-Charakterisierung bis 500 GHz zur Verfügung.
Publikation:
T. Al-Sawaf, M. Hossain, N. Weimann, O. Krüger, V. Krozer and W. Heinrich, "G-band Frequency Doubler based on InP Transferred-Substrate Technology," accepted for presentation at the European Microwave Week 2015.