Design und Optimierung hochlinearer ferroelektrischer Varaktoren für steuerbare Hochfrequenz-Leistungsverstärker (eBook)

In dieser Arbeit werden steuerbare passive Hochfrequenzkomponenten auf Basis nichtlinearer Barium-Strontium-Titanat-Dickschichten hinsichtlich ihrer Eignung für die Verwendung in Leistungsverstärkern im Mikrowellenbereich untersucht. Langfristiges Ziel ist die Erhöhung der Gesamteffizienz der Leistungsverstärker bei gleichzeitig hoher Dynamik des Eingangssignals mittels adaptiver Last- und Quellimpedanzanpassung. Dies erfordert steuerbare Anpassnetzwerke hoher Li- nearität und gleichzeitig hoher Steuerbarkeit und Güte. Die relative Permittivität des verwendeten Materialsystems kann durch ein elektrisches Feld kontinuierlich variiert werden. Die durch die Verwendung geeigneter Dotierungen optimierten BST-Dickschichtvaraktoren bieten aufgrund ihrer Steuerbarkeit τε > 30 % und hohen Güte Q > 100 für Frequenzen bis 3 GHz und einer sehr hohen Linearität, charakterisiert durch einen Interceptpunkt dritter Ordnung von rund 60 dBm, eine bisher nicht vorhandene Möglichkeit, die Gesamteffizienz von Leistungsverstärkern erheblich zu erhöhen. Zur Verifikation der Anwendbarkeit und Abschätzung des Einsatzpotentials steuerbarer passiver BST-Mikrowellenkomponenten wurde unter anderem die Großsignalmodellierung durchgeführt und ein leistungsfähiger Desi- gnprozess entwickelt. Dieser Designprozess basiert auf einer multiskaligen Optimie- rung steuerbarer BST-Dickschichtkomponenten und berücksichtigt die besonderen Anforderungen von Hochleistungsanwendungen. Basierend hierauf wurde unter anderem ein vollständig auf einem BST-Dickschichtsubstrat integriertes Modul mit fünf parallelen Anpassnetzwerken für eine spätere hybride Integration mit fünf Transistorzellen einer PowerBar zu einem steuerbaren Leistungsverstärker entwi- ckelt und charakterisiert. Auf der dabei verwendeten BST-Keramik mit einer Größe von 6,3 mm × 8,1 mm wurden zudem alle erforderlichen Schaltungselemente zur Entkopplung von hochfrequenz- und gleichspannungsführenden Leitern als auch die erforderlichen Induktivitäten in hybrider Montagetechnik integriert. Neben den schaltungstechnischen Voraussetzungen, welche den Einfluss der externen Be- schaltung der Komponente berücksichtigen, werden in dieser Arbeit verschiedene Metriken zur Bewertung und zum Vergleich von steuerbaren Leistungsverstärkern aufgestellt und analysiert.