Konzepte für breitbandige, effiziente Leistungsverstärker im Millimeterwellenbereich basierend auf verteilten aktiven Transformatoren
Final Report Abstract
Aufgrund der im Laufe des Projekts gewonnenen Erkenntnisse wurden manche der im DFG-Antrag genannten Arbeitspakete tiefergreifender untersucht als andere. Hierbei wurde versucht die vorhandenen Ressourcen möglichst effizient einzusetzen. Von den wissenschaftlichen Zielen wurden die Punkte I-V vollständig abgearbeitet. Es wurde das bisher in der Literatur verwendete DT/DAT Modell entscheidend verbessert, um auch im Millimeterwellenfrequenzbereich optimale DTs/DATs entwickeln zu können (Punkt I). Die abgeleiteten Designgleichungen ermöglichen den Entwurf von optimalen DT Einheitszellen für die Optimierungsziele: maximale Bandbreite und maximale Effizienz. Für den verwendeten Fraunhofer IAF Prozesses wurden die für das jeweilige Optimierungsziel am Besten geeigneten Einheitszellengeometrien bestimmt. Die für diese Geometrien berechneten Eigenschaften bezüglich Bandbreite, Effizienz, Amplituden- und Phasensymmetrie zeigen gleichzeitig die Grenzen des auf dem IAF Prozess erreichbaren auf (Punkt II). Mit der durch EM-Simulationen bestimmten bestmöglichen DT/DAT Einheitszellengeometrie wurden verschiedenen DT/DAT- Geometrien, bestehend aus mehreren Einheitszellen, untersucht. Nach Abwägend der Vor- und Nachteile wurde eine neuartige, gerade DT Geometrie als am Besten geeignet für den zum Einsatz kommenden III-V Halbleiterprozess ausgemacht (Punkt III & IV). Die gewählte Anordnung ermöglicht den kompakten Entwurf von sehr breitbandigen Leistungsverstärkern in einer neuartigen Leistungsverstärkertopologie, die das breitbandige Parallelschalten von mehreren niederohmigen Verstärkerstufen ermöglicht (Punkt V). Die DTs an Ein- und Ausgang sorgen für die niederohmige Umgebungsimpedanz der Verstärkerstufen, welche wiederum den Entwurf von breitbandigen Verstärkerstufen deutlich vereinfacht. Durch die erfolgreiche Untersuchung der wissenschaftlichen Ziele des DFG-Antrags und die dabei entwickelten Gleichungen, Modelle und Methoden ist es möglich die im DFG-Antrag genannten Ziele des DT/DAT-basierten Leistungsverstärker-Designs zu erreichen. Dies wurde auf eindrucksvolle Art und Weise mit den zwei in diesem Bericht aufgeführten Leistungsverstärkern verdeutlicht. Der bisherige Stand der Technik im Leistungsverstärkerdesign im Millimeterwellenfrequenzbereich im Vergleich mit den beiden im Laufe des DFG-Projekts entwickelten Leistungsverstärken zeigt: Vor allem in Punkto Bandbreite konnte der Stand der Technik mit den Ergebnissen dieses DFG-Projekts deutlich verbessert werden.
Publications
- “Design and Evaluation of Realizable and Compact Low-Impedance Transmission Lines for Two Top-Metal-Layer Semiconductor Processes,” in Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings (APMC), Nov. 2014
Pahl, P.; Diebold, S.; Krause, S.; Gulan, H.; Pauli, M.; Massler, H.; Leuther, A.; Kallfass, I.; and Zwick, T.
- „Distributed Transformers for Broadband Monolithic Millimeter-Wave Integrated Power Amplifiers“, Dissertation, KIT, ISBN 978-3-7315-0409-2, 2014
Pahl, P.
(See online at https://dx.doi.org/10.5445/KSP/1000048002) - "A 50 to 146 GHz Power Amplifier Based on Magnetic Transformers and Distributed Gain Cells", IEEE Microwave Wireless Components Letters, Sep. 2015
Pahl, P.; Wagner, S.; Massler, H.; Diebold, S.; Leuther, A.; Kallfass, I.; Zwick, T.
(See online at https://doi.org/10.1109/LMWC.2015.2456639) - "Efficiency Optimized Distributed Transformers for Broadband Monolithic Millimeter-Wave Integrated Power Amplifier Circuits", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Volume: 65, Issue: 12, Dec. 2017, 4901-4913
Pahl, P; Leuther, A.; Kallfass, I.; Zwick, T., Wagner, S., Massler, H.
(See online at https://doi.org/10.1109/TMTT.2017.2729514)
