Ultra Wideband 5 W Hybrid Power Amplifier Design Using Silicon Carbide MESFETs

摘要

Aufgrund des hohen Bandabstandes von SiC besitzen SiC-MESFETs ein hohe Duruchbruchspannung und können folglich bei hohen Versorgungsspannungen betrieben werden. Darüber hinaus besitzen sie eine hohe Elektronensätigungsgeschwindigkeit und Wärmeleitfähigkeit. Aufgrund diese eigenschaften eignen sich diese bauelemente hervorragend für die Entwiklung von breitbandigen Leistungsverstärkern bis in den unteren GHz-Bereich. In dieser Arbeit wird ein neues empirisches Modell für SiC MESFET vorgeschlagen. Ein kommerziell erhältlicher, gehäuster MESFET Typ (CREE CRF24010) wird für die Entwicklung des Modelles verwendet. Messungen wurden sowohl in Arbeitspunkten mit als auch ohne Vorspannung durchgeführt um die Gleichungen und Parameter abzuleiten. Die Cold FET Technik wurde verwendet um die parasitären extrinsischen Elemente zu bestimmen, während die arbeitspunktabhängigen Elemente des Modelles analytisch bei mehreren Arbeitspunkten bestimmt wurden. Nichtlineare Gleichungen für die arbeitspunktabhängigen Elemente wurden ebenfalls abgeleitet. Das so entwickelte Modell für den SiC MESFET wurde sowohl hinsichtlich des Kleinsignal als auch des Großsignalverhaltens überprüft. Fünf verschiedene Generationen von Breitband-Leistungsverstärkern wurden auf Grundlage des entwickelten Modelles implementiert. Dabei wurde keinerlei Impedanztransformator eingesetzt. Eine neuartige breitbandige Biasstruktur wurde entwickelt, um gute Isolation und geringe Verluste über die angestrebte Bandbreite zu erreichen. Die Anpassungsnetzwerke an Eingang, Ausgang und zwischen den Stufen sowie die Parallel-Rückkopplung wurden mit Hilfe von Mikrostreifenleitungstechnik realisiert um die Bandbreite zu erhöhen und die Stabilität zu verbessern. Als erste Generation wird ein einstufiger 5 Watt Leistungsverstärker mit einem SiC MESFET entworfen und aufgebaut, der den Frequenzbereich von 10 MHz bis 2,4 GHz abdeckt. Eine Leistungsverstärkung von 6 dB, 37 dBm Ausgangsleistung, 33% PAE und 52 dBm OIP3 wurden erreicht. Ein zweistufiger Leistungsverstärker mit hoher Verstärkung für die selbe Bandbreite, der einen GaAs und einen SiC MESFET in Kaskade verwendet, wurde ebenfalls aufgebaut. Typische Werte von 23 dB Leistungsverstärkung, 37 dBm Ausgangsleistung, 28 % PAE und 47 dBm OIP3 wurden erreicht. Der Einfluss der Treiberstufe auf die Leistungs- und Linearitätseigenschaften der zweiten Generation wurde untersucht. Basierend auf SiC Chips wurden die dritte und vierte Generation in Form von einstufigen und zweistufigen ultra-breitband Leistungsverstärkern implementiert, die das Frequenzband von 1 MHz bis 5 GHz abdecken. Der Einfluss des GaAs FET Treibers in der vierten Kategorie auf die Gesamteigenschaften wurde ebenfalls diskutiert. Unter Einsatz der Rückkopplungs-Kompensationstechnik wurde ein schmalbandiger 10 W Leistungsverstärkerentwurf mit hoher Verstärkung, basierend auf einem SiC Chip, als fünftes Beispiel vorgestellt. Alle Leistungs- und Linearitäts-Ergebnisse wurden über das gesamte Frequenzband ermittelt. Die Entwurfsprozedur wird detailliert beschrieben und die Ergebnisse werden diskutiert und ausführlich mit den Simulationen verglichen.