Die überwiegende Mehrheit der Radarsender benötigt aktive Bauelemente, die HF-Ausgangsleistungen im Kilowatt- und sogar Megawattbereich erzeugen können. Wanderfeldröhren (TWTA) werden häufig für diese Anwendungen eingesetzt. Diese Bauelemente sind jedoch sperrig, teuer und können Zuverlässigkeitsprobleme aufweisen. Obwohl Halbleiterverstärker theoretisch effizienter sind, war ihre Leistung bisher durch die maximal anlegbare Spannung aufgrund der kritischen Durchbruchfeldstärke dieser Materialien begrenzt. Dies erfordert sehr hohe Ströme und eine größere Baugröße. Der Betrieb mit hohen Strömen verringert die Effizienz aufgrund von Verlusten und der Tatsache, dass große Bauelemente eine hohe Kapazität und eine sehr niedrige Impedanz aufweisen, was die Betriebsfrequenz und Bandbreite einschränkt [1]. Die GaN-Technologie bietet nun eine Lösung für dieses Problem.
Festkörperverstärker ersetzen bereits Wanderfeldröhren in einigen Hochleistungs-Mikrowellenanwendungen. Die niedrigen Betriebsspannungen führen jedoch zu einer sehr großen zugehörigen Schaltung, was ein komplexeres Bauelement zur Folge hat und die Produktionsausbeute sowie die Zuverlässigkeit verringert. Halbleitertechnologien mit großem Bandabstand (WBG), wie beispielsweise GaN, erreichen Leistungsdichten, die fünfmal höher sind als die von herkömmlichen GaAs-Feldeffekttransistoren und bipolaren Heteroübergangstransistoren. Der entscheidende Vorteil liegt in der reduzierten Schaltungskomplexität, der höheren Verstärkung und Effizienz sowie der gesteigerten Zuverlässigkeit. Insbesondere Radarsysteme werden von der Weiterentwicklung dieser Technologie profitieren.
GaN ist die Zukunft.
Die Entwicklung von Halbleitern mit großer Bandlücke, wie GaN oder GaN-basierten Legierungen, ermöglicht die Herstellung aktiver HF-Bauelemente, insbesondere von HEMT-Transistoren (High Electron Mobility Transistors), mit deutlich höherer Ausgangsleistung. Diese Verbesserung der HF-Ausgangsleistung beruht auf den besonderen Eigenschaften dieses Materials, darunter eine hohe Durchbruchfeldstärke, ein hoher Sättigungswert der Elektronendriftgeschwindigkeit (EDV) und, bei Verwendung von SiC-Substraten, eine höhere Wärmeleitfähigkeit. Die Daten in Tabelle 1 [2] ermöglichen einen Vergleich der Materialien Si, GaAs, SiC und GaN. Die höhere Wärmeleitfähigkeit von SiC und GaN reduziert den Temperaturanstieg an der Sperrschicht durch Eigenerwärmung. Die fünf- bis sechsmal höhere Durchbruchfeldstärke von SiC und GaN verschafft diesen Materialien einen Vorteil gegenüber Si und GaAs für HF-Leistungsbauelemente [2]. SiC ist ein Material mit großer Bandlücke (3,2 eV), weist jedoch eine geringe Elektronenbeweglichkeit auf, was seinen Einsatz in Hochfrequenzverstärkern erschwert. SiC ist zudem in seiner Anwendung eingeschränkt, da seine Wafer teuer, klein und von geringer Qualität sind.
Obwohl die Ladungsträgermobilität in GaAs-Bauelementen deutlich besser ist, kompensieren die hohen Spitzen- und Sättigungsgeschwindigkeiten der Elektronendiffusionsspannung (EDV) in GaN-HEMTs deren vergleichsweise geringere Mobilität und ermöglichen so deren Einsatz bei hohen Frequenzen. Diese Vorteile von GaN, kombiniert mit der hohen Linearität und dem geringen Rauschen von HEMT-Architekturen, machen diese Bauelemente geeignet für die Herstellung von Hochleistungs-Radarverstärkern.
Ein weiterer Vorteil von GaN-HEMTs liegt im großen Energieversatz zwischen dem Leitungsband von GaN und der AlGaN-Barriereschicht. Dies ermöglicht eine signifikante Steigerung der Ladungsträgerdichte im Kanal von GaN-basierten HEMTs im Vergleich zu anderen Materialien (bis zu 10¹³ cm⁻² und höher). Die Möglichkeit, höhere Spannungen zu verwenden, erhöht die Leistungsdichte zusätzlich. Die Leistungsdichte ist ein entscheidender Parameter für Hochleistungsbauelemente, da eine höhere Leistungsdichte kleinere Chipgrößen ermöglicht und die Anpassung von Ein- und Ausgängen vereinfacht. Abbildung 1 zeigt den schnellen Anstieg der HF-Leistungsdichte über die Zeit für einen GaN-X-Band-FET (Feldeffekttransistor).
Die hohen Betriebsspannungen und die hohen Leistungsdichten, die mit Breitband-HF-Bauelementen erreicht werden, bieten viele Vorteile beim Design, der Fertigung und der Montage von Leistungsverstärkern im Vergleich zu Silizium-LDMOS- (Lateral Double-Diffuse MOS) oder
GaAs-MESFET-Technologien (Metal Epitaxial Semiconductor Field-Effect Transistor). Die GaN-HEMT-Technologie bietet eine hohe Leistung pro Kanalbreite, was kleinere und wirtschaftlichere Bauelemente bei gleicher Ausgangsleistung ermöglicht. Dies vereinfacht nicht nur die Fertigung, sondern erhöht auch die Impedanz der Bauelemente. Die mit der GaN-Technologie erzielbare hohe Betriebsspannung macht Spannungswandler überflüssig und senkt somit die Gesamtsystemkosten.
Der Weg ist klar.
Abbildung 2 [2] zeigt den Verlauf der Ausgangsleistung über der Frequenz für Halbleiterbauelemente und Mikrowellenröhren, die den aktuellen Stand der Technik repräsentieren. 
Traditionell wurden Röhrenverstärker wie gittergesteuerte Verstärker, Magnetrons, Klystrons, Wanderfeldröhren und Kreuzfeldverstärker (CFAs) als Leistungsverstärker in Radarsendern eingesetzt. Diese Verstärker erzeugen hohe Leistungen, arbeiten aber typischerweise mit geringen Tastverhältnissen. Klystron-Verstärker bieten im Mikrowellenbereich höhere Leistungen als Magnetrons und ermöglichen zudem die Verwendung komplexerer Signalformen. Wanderfeldröhren ähneln Klystrons, weisen jedoch größere Bandbreiten auf. CFAs zeichnen sich durch ihre großen Bandbreiten, geringe Verstärkung und kompakte Bauweise aus.
Halbleiter-Leistungsverstärker (SSPAs) unterstützen lange Impulse und Signalformen mit hohem Tastverhältnis. Obwohl die einzelnen Elemente von SSPAs eine geringe Verstärkung aufweisen, können sie kombiniert werden, um die gewünschte Leistung zu erzielen. Silizium-Bipolartransistoren, Galliumarsenid-MESFETs und Galliumarsenid-PHEMTs (pseudomorphe HEMTs) gehören zu den in SSPAs verwendeten Bauelementen. GaN-HEMTs lassen sich kombinieren, um einen SSPA mit höherer mittlerer Ausgangsleistung und damit größerer Radarreichweite zu realisieren.
Wie Abbildung 2 zeigt, erzeugen Festkörpertransistoren im S-Band HF-Leistungen von unter 200 Watt, wobei die Ausgangsleistung mit steigender Frequenz abnimmt [1]. Die HF-Ausgangsleistung von GaAs-FETs liegt im S-Band bei etwa 50 Watt und im Ka-Band bei ca. 1 Watt. Die Ausgangsleistung von GaAs-FETs wird primär durch die niedrige Drain-Durchbruchspannung begrenzt. Halbleiterbauelemente aus Materialien mit größerer Bandlücke, wie z. B. GaN, bieten deutlich bessere Leistung.
Im Laufe der Zeit haben sich verschiedene Kenngrößen etabliert, die die Bewertung verschiedener Halbleiter mit Potenzial für Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf bei hohen Betriebsfrequenzen ermöglichen. Diese Kennwerte zielen darauf ab, die wichtigsten Materialeigenschaften in einem einzigen qualitativen Wert zusammenzufassen. So berücksichtigt der Johnson-Kennwert (JFOM = ECR vsat/p) die Durchbruchfeldstärke des elektrochemischen Widerstands (ECR) und die Sättigungsspannung der Elektronendichte (EDV) Vsat. Wie Abbildung 3 [3] zeigt, ist der Johnson-Kennwert für GaN mindestens 15-mal so hoch wie der von GaAs.
Aethercomm geht davon aus, dass die Leistung von GaN-HEMTs im Jahr 2010, sofern sich der Wachstumstrend bei GaN im aktuellen Tempo fortsetzt, wie in Abbildung 4 dargestellt aussehen wird. GaN wird seine Konkurrenten schon bald übertreffen.
Effizienz ist entscheidend.
Moderne Radarsysteme für militärische Anwendungen stellen aufgrund der Notwendigkeit, Größe, Gewicht und Kosten zu reduzieren, neue Anforderungen an HF-Leistungsverstärker. Die wichtigsten Spezifikationsänderungen konzentrieren sich zunehmend auf die Verbesserung der Verstärkereffizienz, um den Gleichstrombedarf zu senken und die Systemzuverlässigkeit durch geringere Verlustleistung der Komponenten zu erhöhen. Mikrowellenbauelemente auf Basis von Breitbandlücken- und Hocheffizienztechnologien werden die Systemleistung weiter steigern.
Die parasitäre Kapazität und die hohe Durchbruchspannung von GaN-HEMTs machen sie ideal für den Betrieb in hocheffizienten Klasse-E- und Klasse-F-Verstärkermodi. Beide Modi weisen einen theoretischen Wirkungsgrad von 100 % auf. Kürzlich haben einige GaN-Transistorhersteller hybride Klasse-E-Verstärker implementiert. Typische Ergebnisse sind 10 Watt Ausgangsleistung im L-Band mit Wirkungsgraden zwischen 80 % und 90 %.
Aethercomm lieferte kürzlich ein Klasse-F-Verstärkermodul für L-Band-Anwendungen. Die gewünschte Ausgangsleistung musste 50 Watt bei einem Gesamtwirkungsgrad des Verstärkers von 60 % übersteigen. Aufgrund der engen Projektfristen war es notwendig, auf Standard-Transistoren zurückzugreifen, anstatt eine kundenspezifische Hybridlösung zu entwickeln.
Die Endstufe des Leistungsverstärkers wurde mit einem symmetrischen Paar von GaN-gekapselten HEMT-Transistoren im F-Betrieb realisiert. Die Anpassungsnetzwerke, einschließlich der für den F-Betrieb notwendigen Oberwellenabschlüsse, wurden zunächst mit einem idealen Transistormodell entworfen. Anschließend wurden parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten des Transistorgehäuses berücksichtigt und die Anpassungsnetzwerke so modifiziert, dass die erforderlichen Oberwellenabschlüsse auf der jeweiligen Transistorebene erhalten blieben. Daraufhin wurde der Verstärker mit einem nichtlinearen Transistormodell simuliert und die Anpassungsnetzwerke zur Optimierung von Wirkungsgrad und Leistungsaufnahme angepasst. Für
die F-Ausgangsstufe wurde ein Single-Ended-Prototyp aufgebaut. Mit minimalem Optimierungsaufwand wurden ein Drain-Wirkungsgrad von 75 %, eine Ausgangsleistung von 40 Watt und eine Verstärkung von 16 dB erzielt. Die Ergebnisse stimmten weitgehend mit den Simulationsergebnissen überein. Da für die Treiberstufe keine geeigneten GaN-Bauelemente mit geringem Stromverbrauch verfügbar waren, wurde ein dreistufiger Treiber mit GaAs-MESFETs im A-Betrieb entwickelt. Ursprünglich ging man davon aus, dass die Treiberstufen im Hocheffizienzmodus arbeiten müssten, um den erforderlichen Wirkungsgrad (PAE) zu erreichen. Analysen zeigten jedoch, dass bei geeigneter Transistordimensionierung der A-Betrieb zulässig ist. Der Treiber hatte eine Verstärkung von 40 dB und eine Leistungsaufnahme von 10 Watt.
Die finale Leistungsverstärkerkonfiguration erreichte einen maximalen Wirkungsgrad von 63 % und eine Ausgangsleistung von 75 Watt. Bei P2dB betrug die Ausgangsleistung 65 Watt und der Wirkungsgrad 61 %. Tabelle 2 zeigt die Verstärkerkennlinien für verschiedene Ausgangsleistungen. Da die letzte F-Stufe schwellenstromgesteuert ist und keinen Drainstrom aufweist, bietet der Verstärker einen großen Betriebsbereich für niedrige Leistungspegel. Die Verstärkung erreicht ein Maximum und fällt dann ab, sobald die maximale Ausgangsleistung erreicht ist. Tabelle 2 zeigt den Wirkungsgrad dieser Schaltung für verschiedene Ausgangsleistungen.
Aethercomm hat außerdem ein 200-Watt-GaN-HEMT-Bauelement auf einem SiC-Substrat entwickelt, das auf maximale Leistungsverstärkung (PAE) und hohe Ausgangsleistung im Frequenzbereich von 1215 MHz bis 1390 MHz ausgelegt ist. Dabei wurden Wirkungsgrade von über 56 % bei einer Ausgangsleistung von über 205 Watt (P3dB) erzielt.
Viele SSPAs für Radaranwendungen sind mit HF-Halbleiterbauelementen im C-Betrieb ausgelegt. Diese Betriebsart ermöglicht einen sehr effizienten Betrieb der Einzeltransistorstufe; allerdings ist die Verstärkung des C-Transistors mit typischerweise 6 dB so gering, dass der Effizienzvorteil durch die vielen zusätzlichen Verstärkungsstufen, die zur Erreichung der gewünschten Ausgangsleistung benötigt werden, wieder verloren geht.
Fazit:
Zukünftige Radarsysteme, wie beispielsweise solche auf Basis aktiver Phased-Array-Radare, benötigen zunehmend effizientere und kleinere Sensor-Sensor-Verstärker (SSPA). Der Wunsch nach extrem schnellen Abtastzeiten, größeren Erfassungsreichweiten, der Fähigkeit, eine große Anzahl von Zielen zu orten und zu verfolgen, einer geringen Abfangwahrscheinlichkeit und der Möglichkeit, als Störsender zu fungieren, erfordert innovative und kostengünstige Transistortechnologie. Jüngste Entwicklungen im Bereich der GaN-HEMTs (Hocheffiziente Mikrowellentransistoren) ermöglichen die Entwicklung hocheffizienter Verstärker im Mikrowellenbereich. GaN-HEMTs bieten einen hohen Spitzenstrom bei geringer Ausgangskapazität sowie eine extrem hohe Durchbruchspannung und Leistungsdichte. Diese einzigartige Kombination von Eigenschaften ermöglicht es Entwicklern, Verstärker mit einer deutlich höheren Gesamtleistung als mit derzeit verfügbaren Alternativtechnologien zu realisieren.
Weitere Informationen oder ein Angebot
Referenzen
[1] RJ Trew, „Transistorverstärker mit großem Bandabstand für verbesserte Leistung in Mikrowellen- und Radaranwendungen“, 15.
Internationale Konferenz über Mikrowellen, Radar und drahtlose Kommunikation, MIKON 2004, Band 1, 17.–19. Mai 2004, Seiten 18–23.
[2] CE Weitzel, „HF-Leistungsbauelemente für die drahtlose Kommunikation“, IEEE MTT-s Digest, Band 1, 2.–7. Juni 2002, Seiten 285–288.
[3] T. Kikkawa, K. Imanishi, M. Kanamura und K. Joshin, „Aktuelle Fortschritte bei hochzuverlässigen GaN-HEMTs für die Massenproduktion“, CS MANTECH Konferenz, 24.–27. April 2006, Seiten 171–174.
Technische Abteilung von Altaix Electronics, SAL.
