Joint Lab BTU-CS – FBH Microwave

Das Joint Lab ist eine Kooperation zwischen dem Ferdinand-Braun-Institut und der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg (BTU-CS). Dabei arbeitet das FBH eng mit Matthias Rudolph, dem Inhaber der Ulrich-L.-Rohde Stiftungsprofessur für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik zusammen. Das Joint Lab BTU-CS – FBH Microwave bearbeitet zwei Themen: Modellierung von Transistoren und den Entwurf rauscharmer Verstärker.

Monolithisch integrierter, robuster und rauscharmer Verstärker
Monolithisch integrierter, robuster und rauscharmer Verstärker in einem Testaufbau

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. Unsere rauscharmen Verstärker auf der Basis der FBH GaN-HEMT-Technologie sind bereits äußerst robust gegenüber unerwünschter Eingangsleistung. Aktuell überleben unsere LNAs 24 W. Zum Vergleich: publizierte andere GaN-LNAs bieten nur etwas über 10 W und kommerzielle LNAs in klassischer GaAs-HEMT-Technologie knapp 100 mW. Damit werden Ein-Chip-Lösungen für Sender mit integriertem Empfänger auch für hohe Leistungen möglich.

Derzeit forschen wir an verbesserten Schaltungskonzepten, die noch empfindlicher bei normalen Empfangsbedingungen und gleichzeitig noch robuster gegenüber Störstrahlung sind.

Transistormodellierung

Integrierte Schaltungen werden am Computer entworfen und sind nachträglich nicht abstimmbar. Daher kommt der Genauigkeit der Entwurfssoftware entscheidende Bedeutung zu. Die Transistormodellierung bildet die Grundlage für die genaue Beschreibung des elektrischen und thermischen Verhaltens der verwendeten Transistoren. Da das FBH an neuartigen Technologien forscht, ergeben sich hierbei ständig neue Aufgaben. Modelle werden für alle MMIC-Prozesse des FBH entwickelt und für den Schaltungsentwurf bereitgestellt, sowohl für InP-Transfersubstrat-HBTs wie auch für die verschiedenen GaN-HEMT-Technologien.

Verschiedene Anwendungen verlangen unterschiedliche Modelle, daher bestimmen wir das Kleinsignal-, Rausch- und Großsignal-Verhalten. Oft ist kein aus der Literatur bekanntes oder gar in kommerziellen Programmen verfügbares Modell geeignet, um einen neuen Transistor zu beschreiben. Ergebnisse unserer Forschung sind zum Beispiel das FBH-HBT-Model, das derzeit für InP-HBTs eingesetzt wird, Modelle für das weiße und 1/f-Rauschen von HBTs und ein nichtlineares Rauschmodell für GaN-HEMTs sowie ein Modell für Transistoren im Gehäuse.