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    Leistungsverstärker für den Einsatz in energiesparsamer Informations- und Kommunikationstechnik

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    Thematisch eingebettet in das Forschungsgebiet der energiesparsamen Informations- und Kommunikationstechnik (IKT), beschäftigt sich diese Dissertation mit dem Entwurf und der Analyse von Leistungsverstärkern (LV) für drahtlose Übertragungssysteme. Die Arbeit konzentriert sich einerseits auf den asymmetrischen Doherty-Leistungsverstärker (DPA), welcher in einem Ausgangsleistungs-Backoff (OBO) von mehr als 6 dB einen zusätzlichen Ef fizienzhochpunkt aufweist. Andererseits wird die Topologie des geschalteten inversen Klasse-E Verstärkers beleuchtet, der sich durch einen theoretischen Wirkungsgrad von 100 % auszeichnet und daher für den Einsatz in energiesparsamer IKT von besonderem Interesse ist. Das Breitbandverhalten des DPA wird zur Optimierung der Leistungseffizienz (PAE) theoretisch analysiert. Hierbei wird der Einfluss der charakteristischen Impedanz des Impedanzinverters (IT) im Main-Pfad untersucht. Daran anknüpfend werden drei asymmetrische Sub-6 GHz DPA mit unterschiedlichen IT entworfen. Labormessung ergeben eine maximale PAE zwischen 52 % und 63 % bei einer Ausgangsleistung von 41 dBm bis 42 dBm, was für einen derartigen LV mit einer Mittenfrequenz oberhalb von 3 GHz den höchsten Wert im Vergleich zum Stand der Technik darstellt. Neben diesem diskreten Aufbau werden zwei weitere integrierte asymmetrische DPA-Designs in Galliumnitrid (GaN) bzw. Siliziumgermanium (SiGe) vorgestellt. Für den GaN-DPA mit Chebyshev-Anpassnetzwerk wird in der Messung eine abweichende Phasenlage zwischen Peak- und Main-Pfad detektiert, die nachträglich durch Bonddrahtmodifikation auf dem Chip verbessert wird. Der Schaltkreis erreicht eine hohe PAE im OBO von 34 % bis 54 %. Der dritte Entwurf untersucht einen zweistufigen asymmetrischen DPA in SiGe, der auf einer Analyse des WLAN-Standards bei 60 GHz basiert. Diese Analyse ergibt ein Verhältnis von maximaler zu mittlerer Ausgangsleistung (PAPR) von 8 dB. Der LV erreicht im Frequenzbereich von 59 GHz bis 67 GHz den vergleichsweise höchsten Leistungsgewinn von 22 dB. Die inverse Klasse-E Topologie wird als Ausgangsstufe in einem polaren Vektormodulator mit niedriger Versorgungsspannung verwendet. Eine theoretische Analyse der Topologie zeigt, dass die für einen effizienten Betrieb erforderlichen Induktivitäten geringer sind als beim klassischen Klasse-E Verstärker. Der daraus resultierende geringere Bedarf an Chipfläche macht diese Topologie besonders für stark skalierte CMOS-Prozesse interessant. Es werden zwei integrierte Schaltkreise (IC) in 45 nm bzw. 22 nm CMOS entworfen. Das Prinzip des Vektormodulators wird mit dem in 45 nm gefertigten IC getestet. Zur Steigerung der Ausgangsleistung auf bis zu 19,3 dBm wird die Topologie in eine neuartige inverse Klasse-E Gegentaktstufe überführt. Die kompakte Schaltung zeichnet sich durch eine hohe relative Bandbreite von 70,5 % aus. Neben den rein schaltungstechnischen Inhalten der Arbeit wird in einer kollaborativen Studie das Reduktionspotential von Treibhausgasemissionen durch IKT untersucht. Ziel ist der interdisziplinäre Brückenschlag zwischen Umwelt- und Ingenieurwissenschaften, um die ganzheitliche Sichtweise auf das Thema energieeffizienter IKT zu erweitern. Am Beispiel deutscher Konferenzreisen für das Jahr 2030 wird anhand einer Szenarioanalyse gezeigt, dass die deutschen CO2-Emissionen durch den Einsatz neuartiger 2D/3D-Videokonferenzsysteme jährlich um bis zu 20, 51 MtCO2e gesenkt werden könnten. Dies entspräche rund 2,7 % der gesamtdeutschen Emissionen. In diesem Teil der Arbeit werden mögliche Chancen des IKT-Beitrags zur Erreichung der Klimaziele deutlich. Unklar bleibt allerdings, ob es zu Rebound-Effekten kommt und wie Ressourcenbedarf und Recycling der Technologie in Zukunft nachhaltig gestaltet werden können

    High-Efficiency Millimeter-Wave Front-Ends for Large Phased-Array Transmitters

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    The ever-increasing demand for wireless broadband connectivity requires infrastructure capable of supporting data transfer rates at multi-Gbps. To accommodate such heavy traffic, the channel capacity for the given spectrum must be utilized as efficiently as possible. Wideband millimeter-wave phased-array systems can enhance the capacity of the channel by providing multiple steerable directional beams. However the cost, complexity, and high power consumption of phased-array systems are key barriers to the commercialization of such technology. Silicon-based beam-former chips and scalable phased-array technology offer promising solutions to lower the cost of phased-array systems. However, the implementation of low-power phased-array architectures is still a challenge. Millimeter-wave power generation in silicon beam-formers suffers from low efficiency. The stringent linearity requirements for multi-beam wideband arrays further limits the achievable efficiency. In scalable phased-arrays, each module consists of an antenna sub-array and a beam-former chip that feeds the antenna elements. To improve efficiency, a design methodology that considers the beam-former chip and the antenna array as one entity is necessary. In this thesis, power-efficient solutions for a millimeter-wave phased-array transmitter are studied and different high-efficiency power amplifier structures for broadband applications are proposed. Initially, the design of a novel 27-30 GHz RF front-end consisting of a variable gain amplifier, a 360 degree phase shifter, and a two-stage linear power amplifier with output power of 12 dBm is described. It is fabricated using 0.13 μm\mu m SiGe technology. This chip serves as the RF core of a beam-former chip with eight outputs for feeding a 2×\times2 dual-feed sub-array. Such sub-arrays are used as part of large phased-arrays for SATCOM infrastructure. Measurement results show 26.7 \% total efficiency for the designed chip. The chip achieves the highest efficiency among Ka-band phased-array transmitters reported in the literature. In addition, original transformer-based output matching structures are proposed for harmonic-tuned power amplifiers. Harmonic-tuned power amplifiers have high peak-efficiency but their complicated output matching structure can limit their use in beam-former RF front-ends. The proposed output matching structures have the layout footprint of a transformer, making their use in beam-former chips feasible. A 26-38 GHz power amplifier based on a non-inverting 1:1 transformer is fabricated. A measured efficiency of more than 27 \% is achieved across the band with an output power of 12 dBm. Furthermore, two continuous class F1F^{-1} power amplifiers using 1:1 inverting transformers are described. Simulation results show a peak-efficiency of 35 \% and output power of 12 dBm from 24 to 30 GHz. A common-base power amplifier with inverting transformer output matching is also demonstrated. This amplifier achieves a peak-efficiency of 42 \% and peak output power of 16 dBm. Finally, a low-loss Ka-band re-configurable output matching structure based on tunable lines is proposed and implemented. A double-stub matching structure with three tunable segments is proposed to maximize the impedance matching coverage. This structure can potentially compensate for the antenna impedance variation in phased-array antennas

    A 40-67GHz power amplifier with 13dBm PSAT and 16% PAE in 28 nm CMOS LP

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    A design methodology for interstage and output matching networks for wide-band Power Amplifiers for wireless applications is proposed. Leveraging wideband inductively coupled resonators, we apply Norton transformations for impedance matching. A two-stage differential PA with neutralized common source stages has been realized in 28 nm CMOS using low-power devices. The PA delivers 13 dBm saturated output power over 40-67GHz bandwidth with a peak power-added efficiency of 16% without power combining. To the best of author's knowledge, the presented PA shows state-of-the art performances with the largest fractional bandwidth among mm-wave PAs reported so far
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