Weiterentwicklung der Load-Pull Charakterisierung von Mikrowellen-Leistungstransistoren: Messungen mit modulierten Signalen

Leistungsverstärker für die Informationstechnologie bilden eine der Anwendungen für die am FBH entwickelten GaN-HFET-Transistoren. Um eine möglichst hohe Datenrate zu erreichen, benutzen moderne Telekommunikationssysteme relativ große Bandbreiten und komplexe Modulationsarten. Die entsprechenden Mikrowellen-Leistungsverstärker müssen aus diesem Grund breitbandige Signale mit einem hohen Verhältnis von Spitzenleistung zu Durchschnittsleistung verstärken. Da sich die Momentanleistung ständig ändert und der Verstärker immer im linearen Bereich betrieben werden muss, ist der resultierende Wirkungsgrad sehr schlecht, er erreicht für ein moduliertes Signal nur zwischen 5% und 15%. Es muss deshalb ein Kompromiss zwischen Linearität und Wirkungsgrad erreicht werden. Mit sogenannten Source- und Load-Pull-Messsystemen können die hierfür nötigen Werte ermittelt werden. Hierbei wird der Transistor unter ähnlichen Bedingungen wie in einer Verstärkerschaltung betrieben. So kann das Verhalten des Transistors mit modulierten Signalen untersucht werden. Die Messtechnik am FBH wurden im letzten Jahr um diese Möglichkeit Jahr erweitert. Die Ergebnisse führen zu Fortschritten bei der Bauteiltechnologie sowie zu Verbesserungen beim Schaltungsentwurf.

Modulierte Messungen werden entweder mit einem einfachen 2-Ton-Signal zur Messung  der Intermodulations-Verzerrungen oder mit komplexeren digitalen Modulationen durchgeführt. 2-Ton-Messungen werden im Wesentlichen für den Vergleich und die Verbesserung der Halbleitertechnologie verwendet. Mit komplexen Modulationsarten, wie sie bei den Mobilfunk-Standards verwendet werden (WCDMA, WLAN, LTE), kann die Leistungsfähigkeit eines Transistors für ein typisches Signal gemessen und mit den Spezifikationen verglichen werden. Weiterhin ermöglichen komplexe Modulationsarten ein tieferes Verständnis des nichtlinearen Verhaltens eines Transistors. Amplituden- und Phasenverzerrungen von modulierten Signalen, dargestellt als AM/AM- und AM/PM- Diagramme (siehe Abb. 1), enthalten Informationen über sogenannte Memory-Effekte. So können komplexe breitbandige Signale nicht nur zum Vergleich von Bauelementen, sondern auch zur Verbesserung der Halbleitertechnologie verwendet werden. Die Messungen mit modulierten Signalen stellen spezifische Anforderungen an das Messsystem (siehe Abb. 2), dessen Komponenten alle sorgfältig charakterisiert werden müssen. Nichtlineare Effekte am Eingang des Messobjektes müssen dabei durch geeignete Linearisierungen kompensiert werden, was im konkreten Fall mit einer selbst entwickelten digitalen Pre-distortion-Software (DPD) geschieht.

Publikationen:

O. Bengtsson, S. Shevchenko, R. Doerner, P. Kurpas, W. Heinrich, "Load-Pull Investigation of GaN-HEMT for Supply Modulated Applications", 2011 German Microwave Conference, Darmstadt, Germany, March 2011.

D. Gruner, R. Sorge, O. Bengtsson, A. Al Tanany, and G. Boeck, "Analysis, Design, and Evaluation of LDMOS FETs for RF Power Applications up to 6 GHz", IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 58, no. 12, pp. 4022-4033, Dec. 2010.

D. Gruner, R. Sorge, O. Bengtsson, and G. Boeck, "CMOS Compatible Medium Voltage LDMOS Transistors for Wireless Applications up to 5.8 GHz", EuMIC-2010, Paris, France, September 2010.

I. Jazvic, O. Bengtsson, W. Heinrich, and G. Boeck, "Signal Generator Non-linearity Analysis for DPD Applications", 2^nd IEEE Germany Student Conference, Hamburg, Germany, May 2010

D. Gruner, R. Sorge, O. Bengtsson, A. Z. Marcos, and G. Boeck, "A 1 W Si-LDMOS Power Amplifier with 40% Drain Efficiency for 6 GHz WLAN Applications", IEEE IMS2010, Anaheim, USA, May 2010.

FBH-Forschung: 20.04.2011