Design und Optimierung hochlinearer ferroelektrischer Varaktoren für steuerbare Hochfrequenz-Leistungsverstärker

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Beschreibung

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.