VSWR-Schutz von Leistungsverstärkern mit BST-Komponenten
Abb. 1: Load-Pull-Simulationsergebnisse: Ausgangsimpedanzen mit Kontouren für Maximalwerte des Gatestroms und der Verlustleistung am Transistor.
Abb. 2: Aufgebauter Verstärker mit BST-Varaktor für VSWR-Schutz.
Abb. 3: Messergebnisse für Verstärkung, PAE und Verlustleistung über der Eingangsleistung bei niedriger und maximaler Steuerspannung des Varaktors.
Abb. 4: 3D-Darstellung der Verlustleistung als Funktion von VSWR und Varaktorsteuerspannung.
Für die meisten Halbleitertransistoren in kommerziellen Anwendungen sind hohe Stehwellenverhältnisse, auch VSWR-Wert genannt, äußerst kritische Zustände. Galliumnitrid (GaN) High-Electron-Mobility-Transistors (HEMTs) profitieren von ihrer hohen Durchbruchspannung und der daraus folgenden Robustheit gegen VSWR. Nichtsdestotrotz können selbst hier hohe VSWR-Verhältnisse bleibende Degeneration oder gar Beschädigungen des Halbleiters durch Überspannung oder thermische Belastung verursachen. Auftretende Phänomene können Elektromigration oder strukturelle Umbildung, bis hin zur Zerstörung des Transistors sein.
Vorangegangene Untersuchungen haben gezeigt, dass fehlangepasste Lasten zu aktiver Lastmodulation am Ausgang des Leistungsverstärkers (PA) führen können. Die reflektierte Leistung kann im Transistor hohe Verlustleistungen (PDISS), kritische Spannungsspitzen, sowie hohe Gateströme (IG) zur Folge haben. Abb. 1 zeigt die Grenzen des sicheren Betriebsbereiches für den Verstärker. Die orangene Linie zeigt den Maximalwert für PDISS, während die Begrenzung für IG blau dargestellt ist. Die Abbildung ist bezogen auf die Referenzimpedanz des Verstärkers von 50 Ω.
Verschiedene Ansätze können genutzt werden, um Halbleiterverstärker zu schützen. Beispielsweise können Überspannungen durch Diodenkaskaden kurzgeschlossen werden. Hohe Stehwellenverhältnisse hingegen, können durch Anpassung der Verstärkung oder Ausgangsleistung mittels verstellbaren Vorverstärkern oder durch Steuerung der Verstärkung der Ausgangsstufe aufgelöst werden. Das hier verwendete Konzept konzentriert sich auf die Anpassung der Verstärkung der Endstufe durch Steuerung einer verstellbaren Keramik Kapazität am Eingang des PA. Hier wird dafür ein Barium-Strontium-Titanat (BST) Varaktor eingesetzt. BST ist ein ferroelektrisches Material, welches seine Permittivität (εr) abhängig von einer angelegten Spannung ändert. So wird die Kapazität des BST-Varaktors elektronisch gesteuert, was eine Änderung der Transistor Eingangsimpedanz und damit eine Reduktion der Verstärkung des PAs hervorruft. Auf diese Weise werden kritische VSWR-Zustände durch eine Verringerung der reflektierten Leistung aufgehoben und hohe Verlustleistungen und Spannungswerte vermieden. Der aufgebaute Verstärker ist in Abb. 2 dargestellt.
Die Messergebnisse sind in Abb. 3 gezeigt. Die grünen Graphen zeigen eine Verminderung der Übertragungsleistungsverstärkung (GT) um 5 dB wenn die Steuerspannung von 5 V auf 20 V geändert wird. Da die Übertragungsleistungsverstärkung die Verluste des Eingangsanpassnetzwerks enthält, wird deutlich, dass eine Steuerung des Varaktors die eine Erhöhung der Dämpfung um eben diese 5 dB hervorruft. Durch die Verminderung von GT wird auch die Verlustleistung reduziert. Bei einer nominalen Eingangsleistung von 35 dBm sinkt PDISS auch ohne externe Fehlanpassung von 56 W auf 43 W.
Um die Schutzfunktion zu verdeutlichen wurden Load-Pull-Messungen bei verschiedenen Fehlanpassungsbedingungen durchgeführt. Die Verlustleistung als Funktion der BST-Steuerspannung und des anliegenden VSWR ist in Abb. 4 dargestellt. Diese Messungen bestätigen das Konzept des VSWR-Schutzes durch Reduzierung der Übertragungsleistungsverstärkung. Ohne die volle Steuerbarkeit des BST-Varaktors ausnutzen zu müssen, kann die Verlustleistung für VSWR-Verhältnisse von 30:1 unterhalb der Grenzwerte gehalten werden.
Publikation
J. Ferretti, S. Preis, W. Heinrich, O. Bengtsson "VSWR Protection of Power Amplifiers Using BST Components," Presented at the German Microwave Conference GeMiC 2016.