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5-2016

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

MMIC-Verstärker PD

MMIC-Verstärker PD Rbias = (V CC - V d ) x I bias PD MMIC = V d x I bias Für einen ERA-51SM+ an 9 V und mit V d = 4,5 V sowie I bias = 60 mA erhält man: PD gesamt = 9 V x 60 mA = 540 mW PD Rbias = (9 V - 4,5 V) x 60 mA = 270 mW PD MMIC = 4,5 V x 60 mA = 270 mW Das sind ganz beachtliche Werte. Der Widerstand wird mit über 1/4 W belastet, ein solcher Nennwert für ihn ist vielleicht gerade noch vertretbar. Der Einsatz zweier 1/8-W-Typen ist wegen der besseren Wärmeverteilung zu überlegen. Im MMIC sorgen die 270 mW für ein starkes Ansteigen der Sperrschichttemperaturen. Mit Verschieben der Device Voltage kann man die Gesamtverlustleistung anders aufteilen, jedoch nur durch Senken der Betriebsspannung und/ oder des Bias-Stroms wirklich reduzieren. Erhöhte Temperatur im MMIC führt üblicherweise zum Sinken von V d . Was bedeutet das für die Verlustleistung im MMIC? Angenommen seien obige Werte und ein Absinken um 90 mV, z.B. durch die Temperaturerhöhung von 20 auf 50 °C (30 K) bei einem Typ mit -3 mV/K. Dann erhöht sich I bias entsprechend der Typ nomineller Bias- Strom in mA Spannungsänderung von 2% (90 mV/4,5 V) auf 61,2 mA. Nun ist zu rechnen: PD MMIC = 4,41 V x 61,2 mA = 269,9 mW Der erhöhte Strom wird bezüglich Verlustleistung also durch die niedrigere Spannung kompensiert; die Verlustleistung bleibt hier praktisch gleich. Das passiert auch bei wesentlich kleineren Spannungen und Bias-Widerständen. Dazu sei folgender Fall betrachtet: V CC = 5 V, V d = 2,5 V bei 25 °C, R bias = 8,2 Ohm, I bias also 305 mA bei 25 °C und -3 mV/K. PD gesamt = 5 V x 305 mA = 1,525 W PD Rbias = (5 V - 2,5 V) x 305 mA = 762,5 mW PD MMIC = 2,5 V x 305 mA = 762,5 mW Nun steige die Temperatur auf 85 °C. Damit ändert sich V d um -3 mV/K x 60 K = -180 mV. Der Bias-Strom steigt daher auf I bias = (5 V - 2,32 V) / 8,2 Ohm = 327 mA. Die neuen Wert sind nun: PD gesamt = 5 V x 327 mA = 1,635 W PD Rbias = (5 V - 2,32 V) x 327 mA = 876,4 mW PD MMIC = 2,32 V x 327 mA = 758,6 mW typ. V d -Änderung/Bias- Strom-Änderung in mV/mA Diese Betrachtung allein genügt jedoch nicht, da die mit steigendem Bias-Strom steigende Device Voltage hinzukommt. Dadurch sinkt der Bias-Strom wieder. Temperaturänderungen haben also einen nicht allzu leicht fassbaren Einfluss auf die Verlustleistung und somit Ausfallwahrscheinlichkeit des MMICs. Temperaturkompensierende Bias-Beschaltung Eine alternative Methode des Biasings, welche geringe Betriebsspannungen und somit Verlustleistungen erlaubt, die Stabilität des Bias-Stroms jedoch aufrechterhält, besteht darin, eine temperaturkompensierende Bias- Beschaltung statt eines einzigen einfachen Widerstands vorzusehen. Diese kleine Schaltung besteht aus einem Thermistor mit linearem positivem Temperaturkoeffizienten, der parallel zu einem regulären Chip- Widerstand liegt. Diese Parallelschaltung sollte so bemessen werden, dass ihr Widerstand so mit der Temperatur ansteigt, dass der Bias-Strom temperaturkonstant wird. Kommerziell erhältliche Chip- Thermistoren weisen einen hohen TCR (Temperature Coefficient of Resistance) auf, typisch typ. V d -Änderung/ Temperaturänderung in mV/K ERA-1SM+ 40 9,4 -2 ERA-2SM+ 40 8,1 -2,5 ERA-3SM+ 35 3,6 -2,3 ERA-4SM+ 65 10,4 -2,9 ERA-4XSM+ 65 10.4 -2,9 ERA-5SM+ 65 6,9 -3,2 ERA-5XSM+ 65 6,9 -3,2 ERA-6SM+ 70 11,8 -3,2 ERA-8SM+ 36 6,4 -0,5 ERA-21SM+ 40 8,8 -2,3 ERA-33SM+ 40 3,8 -2,9 ERA-50SM+ 60 3,8 -3,2 ERA-51SM+ 65 5,8 -3,2 Tabelle: Device-Voltage-Variation durch Bias-Strom und Temperatur sind 4500 ppm/K (= 0,45%/K) für den Nennwertbereich 51 bis 510 Ohm. Der für die Stabilität von I bias erforderliche Temperaturkoeffizient für R bias ist viel geringer, und daher kommt es zur Parallelschaltung von Thermistor und normalem Widerstand. Die Bestimmung der Werte einer solchen Beschaltung muss bei R bias und der Variation von V d gegenüber der Temperatur ansetzen. Wegen seiner hohen Temperaturempfindlichkeit wird der Thermistor oft deutlich größer als der Widerstand sein. Sind die Widerstände gleich groß, so hat die Gesamtschaltung den halben TK des Thermistors. Ist der Thermistor doppelt so groß, hat die Gesamtschaltung 1/3 seines TKs. Als Beispiel sei folgende Parallelschaltung betrachtet: Widerstand = 56 Ohm Thermistor bei 25 ° = 100 Ohm und bei 26 °C = 100,45 Ohm (+ 0,45%) R bias bei 25 °C = 35,8974 Ohm R bias bei 26 °C = 35,9553 Ohm R bias -Veränderung = 0,16% Mit z.B. -4 mV/K beträgt der Temperaturgang einer 2,5 V Device Voltage -0,16%/K, sodass hier eine gute Kompensation zu vermuten wäre. Für andere Betriebsbedingungen sind andere Thermistor-Widerstands-Kombinationen optimal. Stets geht es darum, den Bias- Strom konstant zu halten, sodass auch Verlustleistung und MTTF erhalten bleiben. Nicht beachtet wurde der Temperaturkoeffizient des Widerstands. Ein Dickfilm-Chip-Typ hat typisch 100 ppm/K. Das ist vernachlässigbar gegenüber dem TK des TCRs. Abschließend lässt sich festhalten, dass die Berechnungen für einen stabilen Arbeitspunkt teils kompliziert sind und dass der Entwickler gut beraten ist, seine Applikation im Einsatztemperaturbereich gründlich auszutesten und erforderlichenfalls nach erneuter Berechnung oder empirisch zu optimieren. ◄ 14 hf-praxis 5/2016

Mikrowellenkomponenten Neue Freiheitsgrade bei Leistungsteilern/ Combinern für Laboranwendungen M&P Messi & Padoni hat die Palette seiner dämpfungsarmen Koaxkabeln nach oben hin erweitert. Das neue Ultraflex 13 hat 13 mm Außendurchmesser JFW Industries (Indianapolis) ist einer der führenden Hersteller von Abschwächern, Schaltern und Leistungsteilern/Combiner für die Hochfrequenztechnik. Ein Novum für Prüf- und Testaufbauten in Laborumgebung stellt das neue Leistungsteiler/Combinerkonzept dar. Die konfigurierbaren Leistungsteiler der JFW-Modellserie 50PDA- 150-XX sind in 19“-Technologie ausgeführt, so dass der Anwender absolute Freiheit bei einer kundenspezifische Konfiguration hat. Aktuell können bis zu 14 verschiedene Einsteckkarten, je nach Anwendungsfall, bestückt und in das Einschubsystem (4HE, 19-Zoll) aufgenommen werden. Das Angebot an Standardeinschüben umfasst aktuell insgesamt sieben verschiedene Konfigurationen mit jeweils 5 W Belastbarkeit. Die Module in 2-, 4- oder 8-Wegetechnik decken den Frequenzbereich von 689 bis 3000 MHz ab. Eine kundenspezifische Bestückung der Einschubmodule ist auf Anfrage möglich. ■ EMCO Elektronik GmbH www.emco-elektronik.de Neue dämpfungsarme Koaxkabel von Messi & Paoloni und verbindet extrem geringe Dämpfung mit hoher Flexibilität. Das Kabel ist bis 10 GHz spezifiziert und für hohe Leistungen geeignet, z.B. 2200 W bei 150 RF-Lambda neu bei EMCO Die Nachfrage nach HF-Komponenten zeigt einen kontinuierlichen Anstieg. Grund genug für die EMCO ihr Produktportfolio mit neuen Lieferanten auszubauen. RF-Lambda ist ein international renommierter Hersteller der sich auf die Entwicklung und Herstellung von High-Quality-Komponenten spezialisiert hat. Neben dem Militärmarkt und der Wireless- Infrastructure ist RF-Lambda in der Satelliten-Kommunikation, der Medizintechnik und im Automotive-Bereich bis zu Frequenzen von 100 GHz vertreten. RF-Lambda ist zudem ISO-9001-zertifiziert. ■ EMCO Elektronik GmbH www.emco-elektronik.de MHz oder 500 W bei 1000 MHz. Die Dämpfung beträgt bei 150 MHz nur 3,6 dB/100 m, bei 435 MHz nur 6,4dB/100 m. Der Außenleiter besteht aus insgesamt 168 Drähten in 24 Flechtgruppen. In Zusammenhang mit dem feindrähtigen Innenleiter aus geglühtem Reinkupfer ist die Flexibilität so hoch, dass das Kabel auch um einen Antennenrotor herumgeführt werden kann: der Biegeradius beträgt 80 mm bei einmaliger Biegung (fest verlegt), oder 127 mm bei mehrmaliger Biegung bei bewegtem Kabel. Durch den dichten Außenleiter und die kunststoffbeschichtete Kupferfolie wird ein Schirmungsmaß von >105 dB erreicht, was die Einkopplung von Störungen drastisch reduziert. Das Kabel ist vergleichsweise leicht (knapp 17 kg/100 m) wodurch die mechanische Belastung auf frei hängende Teilbereiche gering gehalten wird. Zum Anschluss sind N- und PL- Stecker verfügbar. ■ WiMo Antennen und Elektronik GmbH info@wimo.com www.wimo.com Mikrowellen-Dioden in Micro-Surface Mount-Technologie Halbleiter-Bauelemente in monolithischer „Micro-Surface Mount“-Technologie (M2) für die Oberflächenmontage ersetzen herkömmliche Beam-Lead-Gehäuse in vielen Designs. Die monolithischen Bauteile von M-Pulse sind in einer neuartigen Bauweise hergestellt, die in höherer Produktionsausbeute und besserer Zuverlässigkeit resultiert. Die elektrischen Parameter sind dabei besser oder zumindest gleichwertig. Die Montage erfolgt einfach mittels Silber-Epoxid-Leitkleber oder durch einlöten bzw. einlegieren. Diese mechanisch widerstandsfähigeren Bauelemente sind auch einfacher in der Handhabung und Montage, da keine Bruchgefahr mehr besteht und sich Bondstellen erübrigen. Die Zuverlässigkeit erhöht sich durch die verbesserte mechanische Festigkeit, Wegfalls des Bondens sowie geringere Leistungsempfindlichkeit, bedingt durch die kleinere thermische Impedanz. Die wesentlichen Verbesserungen empfehlen das Produkt als direkten Ersatz in laufender Herstellung, aber auch für kommerzielle Anwendung in großer Stückzahl. Für neue Entwicklungen sollte diese Gehäuseform wegen ihrer Kostenvorteile und gesteigerten Zuverlässigkeit unbedingt bevorzugt werden. M-Pulse Microwave bietet PIN-, NIP-, Varaktor-, Schottky-, und Step-Recovery-Dioden, sowie Kondensatoren in dieser Micro-Surface-Mount- Technologie an. Schottky-Dioden sind auch in Ring- und Brückenkonfigurationen erhältlich. ■ CBF Electronics Vertriebs GmbH info@cbf-electronics.de www.cbf-electronics.de hf-praxis 5/2016 15

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