Transistor- und Leitungsmodellierung zum Entwurf von monolithisch integrierten Leistungsverstärkern für den hohen Millimeterwellen-Frequenzbereich
(Deutsch)
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Anwendungen zur drahtlosen Datenübertragung sowie zur Sensorik und Bildgebung mit Radar, sind entscheidend von den Eigenschaften der Leistungsverstärker auf der Sendeseite abhängig. Ihre Bandbreite, Linearität und Ausgangsleistung bestimmt die maximal verfügbare Reichweite der Systeme genauso wie ihre maximale Datenrate bzw. Auflösung. Der Millimeterwellen Frequenzbereich, der sich von 30 bis 300 GHz erstreckt, bietet viele Vorteile für Anwendungen der Funkkommunikation und hochauflösenden Sensorik. Zum einen führen moderate relative Bandbreiten zu sehr großen absoluten Bandbreiten, was in sehr leistungsfähigen Systemen resultiert. Zum anderen ist die Wellenlänge in dem Frequenzbereich so klein, dass viele Komponenten, deren Größe mit steigender Frequenz abnimmt, zusammen mit den aktiven Elementen integriert werden können. Dieser Vorteil kommt besonders zum Tragen, wenn monolithisch integrierte Schaltungen eingesetzt werden, die schnelle Transistortechnologien nutzen. In diesem Fall sind die Systeme potenziell sehr kompakt, verlässlich, relativ effizient und leistungsfähig, was eine sehr breite Anwendung in Forschung und Industrie ermöglicht. Eine besonders geeignete Transistortechnologie ist die des Fraunhofer Instituts für Angewandte Festkörperphysik (IAF) in Freiburg, Deutschland. Mit Grenzfrequenzen bis 1 THz und ihren ausgezeichneten Rauscheigenschaften ist sie ein geeigneter Kandidat um damit Schaltungen für den hohen Millimeterwellen Frequenzbereich zu entwerfen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollen auf Basis dieser Technologie für den Frequenzbereich von 200 bis über 250 GHz monolithisch integrierte Leistungsverstärker entworfen werden. Trotz ihrer prinzipiellen Eignung sind auf Basis der Transistortechnologie des Fraunhofer IAF bisher keine oder nur sehr beschränkt leistungsfähige Leistungsverstärker in diesem Frequenzbereich entworfen worden. Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass für diesen Schaltungstyp besonders verlässliche und flexible Leitungs- und Transistormodelle beim Entwurf notwendig sind. Im Verlauf der Arbeit wird gezeigt, dass die im Vorfeld der Arbeit verfügbaren Modelle, welche die Technologie beschreiben, nicht ausreichend sind um damit im untersuchten Frequenzbereich Leistungsverstärker zu entwerfen, die dem Stand der Technik entsprechen. Zusätzlich wird gezeigt, dass die bislang verfolgten Verstärkerkonzepte die maximale Leistungsfähigkeit der Verstärker beschränken. Ziel dieser Arbeit ist daher die Modellierung von Leitungs- und Transistorelementen, die den zuverlässigen Entwurf von Leistungsverstärkern im hohen Millimeterwellen Frequenzbereich erlauben. Im Rahmen der Arbeit werden bekannte Methoden zur Leitungs- und Transistormodellierung überarbeitet und erweitert. Zur Modellierung werden elektromagnetische Feldsimulationen und Messungen kombiniert, um so Modelle zu entwerfen, deren Genauigkeit bis 325 GHz bestätigt wird. Auf Basis dieser Modelle wird ein Verstärkerkonzept erarbeitet, das maßgeschneidert für den Frequenzbereich von 200 bis 300 GHz und die durch die Technologie gegebenen Möglichkeiten ist. Es nutzt einen neuartigen Koppler, der die Nachteile herkömmlicher Konzepte überwindet und so Verstärker mit hoher Bandbreite, Linearität und Ausgangsleistung ermöglicht.