Leistungsverstärker für den Einsatz in energiesparsamer Informations- und Kommunikationstechnik

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

Suche nach Makroskopischen Quanteneffekten in maßgeschneiderten 0-κ-Josephsonkontakten

0-κ-Josephsonkontakte sind faszinierende Bauelemente deren experimentelle Realisierung und Untersuchung in den letzten Jahren erst möglich wurde. Diese Arbeit gliedert sich in die Messung des makroskopischen Quantentunnelns der Josephsonphase in einem 0-κ-Kontakt und die Energielevelspektroskopie an solchen Kontakten. Der 0-κ-Josephsonkontakt wird dabei durch einen „gewöhnlichen“ Nb-AlOx-Nb-Kontakt mit einem Strominjektorpaar realisiert. Durch Anlegen eines Injektorstromes lässt sich eine Phasendiskontinuität κ = π einstellen. Dadurch wird das System in einen entarteten Grundzustand gebracht, in dem zwei kritische Ströme Ic± gemessen werden können. Diese beiden kritischen Ströme sind charakteristisch für einen nicht allzu langen 0-κ-Kontakt, dessen räumlich gemittelte Phase zwei Grundzustandswerte ±φ in einem effektiven Doppelmuldenpotenzial annehmen kann. Durch Variieren des Injektorstromes in einem kleinen Bereich um dieses Minimum κ = π ± ε, lässt sich der Abstand der Werte der beiden kritischen Ströme Ic± beliebig einstellen. Für diese beiden kritischen Ströme kann nun der Escapeprozess sowohl im thermischen als auch im quantenmechanischen Regime untersucht werden. Dieser Escapeprozess kann im Bild des Teilchens im gekippten Waschbrettpotenzials beschrieben werden. Das Waschbrettpotenzial wird dabei durch Anlegen eines Biasstromes solange verkippt, bis die Barriere klein genug ist, dass das Teilchen aufgrund thermischer oder quantenmechanischer Fluktuationen über oder durch die Barriere entkommen kann. Die dafür benötigte Energie wird im Falle eines thermischen Escapeprozesses als Aktivierungsenergie bezeichnet und kann mittels Messung der Schaltwahrscheinlichkeit des Kontaktes statistisch bestimmt und mit theoretischen Modellen in verschiedenen Dämpfungsregimes beschrieben werden. Weiterhin wurden Messungen der Temperaturabhängigkeit der Aktivierungsenergie durchgeführt. Unterhalb der Crossover-Temperatur T* vom thermischen ins quantenmechanische Regime, bei diesen Kontakten ist T* ≈ 175mK, wird der Escapeprozess vom makroskopischen Quantentunneln dominiert. Dies spiegelt sich in einer Sättigung der Verteilungsbreite der Schaltstatistikhistogramme wieder und ist ein erster Hinweis auf das Erreichen des quantenmechanischen Regimes. Es wurden weitere Messungen zur Abhängigkeit der Verteilungsbreite vom angelegten Injektorstrom durchgeführt und somit weitere Belege für das makroskopische Quantentunneln gesammelt. Jedoch konnten diese Messungen noch nicht mit den derzeit vorliegenden, theoretischen Vorhersagen in Einklang gebracht werden. Neben den Messungen zum makroskopischen Quantentunneln wurden Spektroskopiemessungen der Energieniveaus, die sich innerhalb der Potenzialmulde ausbilden, durchgeführt. Zunächst wurde die Plasmafrequenz der untersuchten Kontakte experimentell bestimmt und nach parasitären Resonanzen gesucht. Anschließend wurden die Messungen zur Energielevelspektroskopie durchgeführt. In diesen Messungen traten interessante Strukturen auf, die Hinweise für die Anregung der Phase in höhere Energieniveaus innerhalb des Potenzialminimums sind. Da die auftretenden Strukturen weder mit klassischen Simulationen, noch mit dem Auftreten von Störresonanzen erklärbar sind, deutet vieles darauf hin, dass der Escape der Josephsonphase aus dem Grundzustand und höheren, angeregten Zuständen mittels spektroskopischen Untersuchungen nachgewiesen wurde. Deshalb ist ein Vergleich mit quantenmechanischen Simulationen nötig, welcher bisher, aufgrund der fehlenden quantenmechanischen Berechnungen, noch nicht durchgeführt werden konnte. Die in dieser Arbeit vorgestellten Experimente geben erste, klare Hinweise auf das quantenmechanische Verhalten von 0-κ-Josephsonkontakten, konnten jedoch bisher noch nicht mit den theoretischen Modellen zufriedenstellend beschrieben werden. Diese Arbeit konnte dennoch eine Grundlage für weitere Untersuchungen des quantenmechanischen Verhaltens von 0-κ-Josephsonkontakten schaffen.0-κ-Josephson junctions are fascinating electronic devices the experimental realization and investigation of which became possible during the last decade. The present work contains measurements of the macroscopic quantum tunneling and the energy level spectroscopy of the Josephson phase of a 0-κ-junction. The 0-κ-Josephson junction is realized via a conventional Nb-AlOx-Nb-junction with a pair of current injectors. By feeding a current through the injectors a phase discontinuity of κ = π can be adjusted to form a degenerated ground state in which two critical currents Ic± can be measured. These two critical currents are characteristic for a 0-κ-junction of moderate length. The spatially averaged phase has two values ±φ for the ground state in the effective double well potential. By varying the injector current in a small range around the minimum κ = π + ε, the gap between the two critical currents is freely tunable. The escape process in the thermal and quantum regime is investigated. This escape process is described in the picture of a particle in a tilted washboard potential. By applying a bias current the potential can be tilted until the barrier is small enough that the particle can escape from the well due to thermal fluctuations or by tunneling through the barrier. The energy needed for a thermal escape is called activation energy and can be determined via statistical measurements of the switching current. To describe these measurements theoretical models for different damping regimes are available. Furthermore, measurements of the temperature dependence of the activation were performed. Below the crossover temperature T* from the thermal to the quantum regime the escape process is dominated by macroscopic quantum tunneling. A crossover temperature of T*≈175mK was obtained for the measured samples. The crossover to the quantum regime results in a saturation of the width of the measured Ic-histograms and is a first hint that the quantum regime has been reached. To collect more evidence for the macroscopic quantum tunneling measurements of the dependence of the saturation width of the Ic-distribution on the injector current were performed. The results of the measurements could not be brought in line with presently existing theoretical models. Further, spectroscopy measurements of the energy levels forming inside the potential well were performed. First, the Josephson plasma frequency was determined and parasitic resonances were identified. In the energy level spectroscopy measurements some structures appeared hinting to the excitation of the phase to higher energy levels inside the potential minima. These structures could not be explained either by classical simulations or by parasitic resonances and are a clear hint for the escape of the Josephson phase out of the ground state and higher excited states. A comparison with simulations based on quantum mechanical calculations is still missing. The experiments performed in this thesis gave first clear hints on the quantum mechanical behavior of 0-κ-Josephson junctions, although a comparison with theoretical models could not satisfactorily be done so far. However this thesis could establish a basis for future investigations of the quantum mechanical behavior of 0-κ-Josephson junctions

Ultra Wideband 5 W Hybrid Power Amplifier Design Using Silicon Carbide MESFETs

Aufgrund des hohen Bandabstandes von SiC besitzen SiC-MESFETs ein hohe Duruchbruchspannung und können folglich bei hohen Versorgungsspannungen betrieben werden. Darüber hinaus besitzen sie eine hohe Elektronensätigungsgeschwindigkeit und Wärmeleitfähigkeit. Aufgrund diese eigenschaften eignen sich diese bauelemente hervorragend für die Entwiklung von breitbandigen Leistungsverstärkern bis in den unteren GHz-Bereich. In dieser Arbeit wird ein neues empirisches Modell für SiC MESFET vorgeschlagen. Ein kommerziell erhältlicher, gehäuster MESFET Typ (CREE CRF24010) wird für die Entwicklung des Modelles verwendet. Messungen wurden sowohl in Arbeitspunkten mit als auch ohne Vorspannung durchgeführt um die Gleichungen und Parameter abzuleiten. Die Cold FET Technik wurde verwendet um die parasitären extrinsischen Elemente zu bestimmen, während die arbeitspunktabhängigen Elemente des Modelles analytisch bei mehreren Arbeitspunkten bestimmt wurden. Nichtlineare Gleichungen für die arbeitspunktabhängigen Elemente wurden ebenfalls abgeleitet. Das so entwickelte Modell für den SiC MESFET wurde sowohl hinsichtlich des Kleinsignal als auch des Großsignalverhaltens überprüft. Fünf verschiedene Generationen von Breitband-Leistungsverstärkern wurden auf Grundlage des entwickelten Modelles implementiert. Dabei wurde keinerlei Impedanztransformator eingesetzt. Eine neuartige breitbandige Biasstruktur wurde entwickelt, um gute Isolation und geringe Verluste über die angestrebte Bandbreite zu erreichen. Die Anpassungsnetzwerke an Eingang, Ausgang und zwischen den Stufen sowie die Parallel-Rückkopplung wurden mit Hilfe von Mikrostreifenleitungstechnik realisiert um die Bandbreite zu erhöhen und die Stabilität zu verbessern. Als erste Generation wird ein einstufiger 5 Watt Leistungsverstärker mit einem SiC MESFET entworfen und aufgebaut, der den Frequenzbereich von 10 MHz bis 2,4 GHz abdeckt. Eine Leistungsverstärkung von 6 dB, 37 dBm Ausgangsleistung, 33% PAE und 52 dBm OIP3 wurden erreicht. Ein zweistufiger Leistungsverstärker mit hoher Verstärkung für die selbe Bandbreite, der einen GaAs und einen SiC MESFET in Kaskade verwendet, wurde ebenfalls aufgebaut. Typische Werte von 23 dB Leistungsverstärkung, 37 dBm Ausgangsleistung, 28 % PAE und 47 dBm OIP3 wurden erreicht. Der Einfluss der Treiberstufe auf die Leistungs- und Linearitätseigenschaften der zweiten Generation wurde untersucht. Basierend auf SiC Chips wurden die dritte und vierte Generation in Form von einstufigen und zweistufigen ultra-breitband Leistungsverstärkern implementiert, die das Frequenzband von 1 MHz bis 5 GHz abdecken. Der Einfluss des GaAs FET Treibers in der vierten Kategorie auf die Gesamteigenschaften wurde ebenfalls diskutiert. Unter Einsatz der Rückkopplungs-Kompensationstechnik wurde ein schmalbandiger 10 W Leistungsverstärkerentwurf mit hoher Verstärkung, basierend auf einem SiC Chip, als fünftes Beispiel vorgestellt. Alle Leistungs- und Linearitäts-Ergebnisse wurden über das gesamte Frequenzband ermittelt. Die Entwurfsprozedur wird detailliert beschrieben und die Ergebnisse werden diskutiert und ausführlich mit den Simulationen verglichen.SiC MESFETs have an enormous potential for realizing high-power amplifiers at microwave frequencies due to their wide band-gap features of high breakdown field, high electron saturation velocity and high operating temperature. In this thesis, a new empirical model for SiC MESFET is proposed. A commercially packaged high power MESFET device (CREE CRF24010) is adopted for the model development. Both hot and cold bias condition measurements are performed to derive equations and parameters. Cold FET technique is used to extract the parasitic extrinsic elements whereas the bias-dependent model elements are extracted analytically from multiple bias points. Nonlinear equations for the bias dependent elements are derived, too. The derived model for the SiC MESFET has been verified in small signal as well as large signal performances. Five different generations of broadband power amplifiers based on the developed model have been implemented. No impedance transformer was used at all. A novel broadband choke structure has been developed to obtain good isolation and low loss over the desired bandwidth. Input, interstage and output matching networks and shunt feedback topology have been designed based on microstip technique to increase the bandwidth and improve the stability. In the first generation, a single stage 5-watt power amplifier using a SiC MESFET covering the frequency range from 10 MHz to 2.4 GHz is designed and fabricated. A power gain of 6 dB, 37 dBm output power, 33 % PAE and 52 dBm OIP3 have been achieved. A high gain two stage power amplifier covering the same bandwidth using a GaAs- and a SiC- MESFET in cascade also has been fabricated. Typical values of 23 dB power gain, 37 dBm output power, 28 % PAE and 47 dBm OIP3 have been obtained. The impact of the driver stage on power and linearity performances of the second generation has been discussed. Based on SiC Chip, the third and the fourth generation represent ultra wideband single stage and two stage power amplifiers, covering the frequency band from 1 MHz to 5 GHz have been simulated. Small signal and harmonic balance simulations based on ADS have been introduced. The impact of the GaAs FET driver in the fourth category on the overall performances also has been discussed. Using feedback compensation technique, a 10-W narrow band high gain power amplifier design based on SiC Chip has been presented as a fifth example. All power and linearity results were obtained over the whole frequency band. The design procedure is given in detail and the results are being discussed and compared with simulations extensively

Breitbandige Frequenzweichen für die Parallelisierung von Millimeterwellen-Messtechnik

In dieser Arbeit wird der neuartige Einsatz von breitbandigen kontinuierlichen Frequenzweichen für die Parallelisierung von Millimeterwellen-On-Wafer-Messtechnik vorgestellt. Die Frequenzweichen können in On-Wafer-Messspitzen integriert werden, um so den parallelen Einsatz von Messtechnik für unterschiedliche Frequenzbereiche zu ermöglichen. Ziel ist die nachhaltige und kostengünstige Erweiterung bestehender On-Wafer-Messtechnik zum Erfassen eines größeren Frequenzbereiches bei einmaliger Kontaktierung des Messobjektes, ohne dabei die On-Wafer-Messspitzen und die sensible Messtechnik für unterschiedliche Frequenzbänder austauschen, warm laufen lassen und erneut kalibrieren zu müssen. Anhand skalierter Prototypen wird eine modellbasierte Methode für den Entwurf breitbandiger kontinuierlicher Frequenzweichen mit Stepped-Impedance-Tiefpassfiltern und Bandpassfiltern aus gekoppelten Leitungsresonatoren im Detail beschrieben. Das methodische Vorgehen mit Modellierungen der Filterstrukturen ermöglicht einen effizienten Entwurf und die Optimierung breitbandiger kontinuierlicher Frequenzweichen mit einer Vielzahl an einstellbaren Parametern, bei der Optimierungen in elektromagnetischen Feldsimulationen nicht mehr zielführend sind. Die benötigte Anzahl elektromagnetischer Feldsimulationen kann mit den einfachen Berechnungen der Filtermodelle erheblich reduziert werden, was den gesamten Entwurfsprozess verkürzt und zielgerichtet strukturiert. Als Schlüsselkomponente der entworfenen Diplexer wird eine neuartige T-Verzweigung vorgestellt, deren Geometrie eigens zur Verschaltung der verwendeten Filter optimiert ist. Mit der neuartigen Struktur ist es möglich, alle relevanten Kenngrößen der T-Verzweigung so einzustellen, dass die komplementären Filter optimal aufeinander angepasst werden können. Dünnschicht-Polyimidplatinen und filigran gefräste Gehäuse mit $\mu$m-Präzision ermöglichen die erstmalige Realisierung von breitbandigen kontinuierlichen Frequenzweichen für den mmW-Frequenzbereich DC - 110 GHz - 170 GHz und erweitern damit den aktuellen Stand der Forschung hin zu höheren Frequenzen. Die realisierten Diplexer werden mit 3 Tor Streuparametermessungen bis 170 GHz charakterisiert. Auftretende Fertigungstoleranzen werden durch sorgfältige Analyse der gefertigten Leiterplatten-Nutzen und individuelle Anpassung der Gehäusestrukturen teilweise ausgeglichen und in umfassenden Toleranzanalysen ausführlich untersucht

In-vivo-²³Na-Magnetresonanztomographie des Körperstamms bei 7 Tesla

Das Ziel dieser Arbeit war es, die In-vivo-23Na-Magnetresonanz(MR)-Bildgebung des Körperstamms bei B0 = 7 Tesla zu ermöglichen. Zur Anregung der 23Na-Kernspins sowie zur Detektion der 23Na-Magnetisierung wurde eine 23Na-HF-Körperspule entwickelt, aufgebaut und optimiert. Drei Spulenkonfigurationen der ovalen, eng anliegenden Birdcage-Spule wurden untersucht: Zur Erhöhung der Homogenität des Sende- und Empfangsfeldes wurde im ersten Optimierungsschritt die herkömmliche Zweikanal-Einspeisung zu einer Vierkanal-Einspeisung erweitert. Im zweiten Optimierungsschritt wurde durch eine Anpassung der Sendephasen der relative Flipwinkelfehler in einem Bereich der Größe (23×13×10) cm³ von 8,6 % auf 4,9 % reduziert. Die 23Na-HF-Körperspule mit vier Empfangskanälen stellt ein relativ homogenes Sendefeld ((11,97 ± 0,59) μT, HF-Sendeleistung 2,4 kW) sowie Empfangsfeld zur Verfügung, welche einen großen Bereich des Körperstamms abdecken. Daher ermöglicht die HF-Körperspule erstmalig die Aufnahme von In-vivo-23Na-MR-Bildern der gesamten Breite des Körperstamms eines Erwachsenen mit einer großen Abdeckung in Längsrichtung bei B0 = 7 Tesla (Sichtfeld FOV = (40 cm)³). In den rekonstruierten 23Na-MR-Bildern treten Verschmierungen aufgrund der Atembewegung auf. Daher wurde das intrinsische Atemsignal retrospektiv aus den 23Na-MR-Daten bestimmt. Basierend auf diesem Atemsignal wurden die aufgenommenen MR-Daten in zwei Atemzustände (eingeatmet, ausgeatmet) aufgeteilt, was zu einer Reduktion der Verschmierungen führt. Die Zuordnung basierend auf dem intrinsischen und dem extrinsischen Atemsignal (Atemgurt) zeigte für drei Probanden eine gute Übereinstimmung von (90,6 ± 2,8) % bei der 23Na-Lungen-MR-Bildgebung und von (82,3 ± 3,8) % bei der 23Na-MR-Bildgebung des Abdomens