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7-2020

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

HF-Technik Bild 4:

HF-Technik Bild 4: Blockaufbau zweier VSAT-Systeme dem ergibt sich ein ungünstiger Wirkungsgrad. GaN-Geräte benötigen keine Hochspannungsnetzteile. • Festkörper-GaN-Technologie erzeugt ein geringeres Rauschen und ermöglichen eine bessere Linearität als TWTAs. Die Rauschwerte für mittlere Leistung können bei TWTAs etwa 30 dB betragen gegenüber etwa 10 dB für eine integrierte monolithische Festkörper- GaN-Mikrowellen-PA-Schaltung (MMIC). • Ein weiterer Betriebsvorteil des GaN-Senders ist der reduzierte Oberwellengehalt im Ausgangssignal. GaN-Vorteile für Satcom GaN bietet eine Reihe weiterer Vorteile gegenüber TWTAs und anderen Festkörpertechnologien speziell für Satcom-Anwendungen: • Zuverlässigkeit und Robustheit Zuverlässigkeit ist extrem wichtig in Satcom-Anwendungen. GaN bietet aus mehreren Gründen eine viel höhere Zuverlässigkeit als TWTAs: Bei TWTAs verursacht ein Ausfall der Röhre insgesamt eine Leistungsaufschlüsselung. Im Gegensatz dazu bietet eine räumliche Kombinationstechnik wie Spatium höhere Robustheit und Zuverlässigkeit. Der Ausfall eines Transistors bedeutet hier nicht, dass die gesamte Einheit heruntergefahren wird; stattdessen funktioniert sie weiterhin mit den verbleibenden GaN-Verstärker-MMICs. Jedes Festkörpergerät ist für sich genommen auch hochzuverlässig, obwohl die Lebensdauer eines Transistors theoretisch begrenzt ist. Aufgrund der Elektromigration ist die Zeit bis zum Ausfall normalerweise erst nach 100 Jahren abgelaufen. • hohe Energieeffizienz Dies reduziert auch die Wärmeabgabe, was weiter zu einer höheren Zuverlässigkeit beiträgt. • hohe Betriebstemperatur Darüber hinaus toleriert GaN wegen seiner großen Bandlücke viel höhere Betriebstemperaturen, sodass die Kühlung reduziert werden kann. Das führt zu kompakten Bauformen, ohne die Leistung und Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen. Dieser Punkt der Reduzierung des Bedarfs an Lüftern und Kühlkörpern ist auch infolge des dadurch reduzierten Gewichts wichtig für die Größenanforderungen an die Satelliten und daher die Kosten für den Start in den Orbit. • kleine, leichte Geräte Gewicht und Größe sind zu kritischen Faktoren in Satcom- Anwendungen geworden mit dem Trend zu kleineren Satelliten und dem Wachstum anderer Satcom-Anwendungen für unterwegs. Die GaN-Technologie ermöglicht eine hohe HF- Leistung, einen kleinen Ausgangs- und Einschaltwiderstand sowie eine hohe Durchbruchspannung, um Satelliten und andere Anwendungen zu optimieren. Die höhere Leistungsdichte führt zu weniger Gewicht und Größe pro gegebener Einheit der Ausgangsleistung. Die hohe Durchbruchspannung ermöglicht den Betrieb mit höherer Spannung und erhöhtem Wirkungsgrad und hilft, die Impedanzanpassungsanforderungen zu vereinfachen, was den Bedarf an Tuning-Komponenten reduziert und somit eine kleinere Board- Größe ermöglicht. • geringer Stromverbrauch Hohe Betriebsspannung bzw. niedriger Stromverbrauch bedeutet geringere Betriebskosten und weniger Wärme, die man ableiten muss. Das bedeutet reduzierte Kosten für Hersteller und Betreiber. • thermische Robustheit & Breitbandigkeit Die Reduzierung des Temperaturanstiegs in einem System macht es einfacher, die Leistung zu steigern und die Kosten für diese Anwendung zu senken. Weil die GaN-Technologie eine hohe Leistung bietet, effizient ist und höhere Betriebstemperaturen toleriert, kann diese Technologie Systementwicklern dabei helfen, innerhalb engerer thermischer Bereiche RFFEs mit hoher Leistung und Frequenzbandbreite zu entwerfen. Erhöhte Bandbreite wird in der gesamten Kommunikationsbranche gefordert. Heutige GaN-Module und -Leistungsverstärker ermöglichen Breitbandbetrieb zur Unterstützung der Bandbreitenanforderungen von 5G und anderer kommenden Anwendungen. • einfache Integration Die Integration wird jetzt in Satcom-RFFEs möglich. Die Nachfrage nach kleineren Lösungen etwa für Luftfahrtanwendungen und Satelliten fordern hersteller dazu auf, kleinere Lösungen anzubieten. Daher ersetzen sie große diskrete HF-Frontends mit mehreren Technologien durch monolithische vollintegrierte Lösungen. GaN-Hersteller begleiten diese Prozess und bieten vollintegrierte Lösungen, die Sende- und Empfangskette in einem einzigen Paket kombinieren. Diese reduzieren Systemgröße, Gewicht und Time to Market. Wichtige GaN-Satcom- Anwendungen GaN geht seinen Weg in vielen kommerziellen und militärischen Satcom-Anwendungen einschließlich Satelliten, Manpack, Satcom-Mobiltechnik, Verkehrsflugzeuge und VSATs (Very Small Aperture Terminals). In der Raumfahrtindustrie ersetzt GaN aufgrund seiner Vorteile wie geringe Größe, geringes Gewicht und hohe Effizienz Si und GaAs. Die im Vergleich zu Si kleinere Chip-Größe eines GaN-Projekts ermöglicht auch Leistungsverbesserungen in Power-Switching-Anwendungen. Parasitics wie Ausgangskapazität und Layout-Induktivität werden reduziert, was zu einer geringeren Einfügungsdämpfung und einem Betrieb mit höherer Frequenz führt. Darüber hinaus werden derzeit neue vollelektrische Satel- 42 hf-praxis 7/2020

HF-Technik Tabelle 1: Die IEEE-Mikrowellenbänder liten untersucht. GaN wird ein Schlüsselelement für diese Entwicklungen sein. Größenreduzierung, geringes Gewicht und geringer Stromverbrauch sind wichtig für den Erfolg. Einige GaN-Lieferanten wie Qorvo haben ihre Technologie für den Weltraum qualifiziert, was die klaren Möglichkeiten für GaN in diesem Sektor unterstreicht. GaN ist auch bereit, den VSAT- Satcom-Sektor mit niedrigerer Leistung zu transformieren. Die Verwendung von VSAT-Systemen expandiert: Diese Terminals werden für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, einschließlich fester und tragbarer Breitbandsysteme für Verbraucher-, Handels-, Verteidigungs- und Seekommunikation sowie für Transaktionenverarbeitung, Datenerfassung und Fernüberwachung. GaN ersetzt GaAs und arbeitet traditionell mit allen GaAs-Systemen zusammen, die in VSATs aufgrund seiner Fähigkeit verwendet werden, eine höhere Ausgangsleistung bereitzustellen, die höhere Geschwindigkeiten unterstützt und erhöhte Bandbreite für höheren Datendurchsatz ermöglicht. Dies beschleunigt anspruchsvolle Anwendungen wie die kommerzielle Zweiwege-Anwendung oder die Datenübertragung von Videos und anderen großen Dateien. GaN übertrifft Si auch in PA-bezogenen Anwendungen. Die Zuverlässigkeit von GaN unter rauen Umgebungsbedingungen ist auch in diesem Bereich wichtig. VSAT-Geräte finden in der Regel Verwendung in Umgebungen, in denen sie rauen Bedingungen ausgesetzt sind. Fortschritte im Wärmemanagement mit einzigartigen Gehäusen verbessern die schon hohe Zuverlässigkeit von GaN unter diesen Bedingungen weiter. Zwei VSAT-Anwendungen auf hohem Niveau unter Verwendung von GaN-PAs sind in Bild 4 gezeigt. Fazit GaN transformiert das HF- Frontend über mehrere Satcom- Anwendungssektoren hinweg. GaN ersetzt traditionelle Technologien wie TWTAs, GaAs und Si, weil es zuverlässiger, effizienter, kleiner und besser in der Leistungsdichte ist und geringeren Stromverbrauch ermöglicht. Satcom-Hersteller verwenden GaN, um die aktuelle Satcom-Technik durch neue Produkte zu verbessern, welche es wiederum ermöglichen, neue Wege zu gehen und mögliche neue Anwendungen zu erkunden. Die Autoren: David Schnaufer Technischer Marketing Manager, Unternehmensmarketing Dean White Direktor für Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungsmarktstrategie, Infrastruktur- und Verteidigungsprodukte ◄ Ich bin wieder fit. Sport hilft in jeder Lebenslage. Heiko Herrlich, Profi-Fußballtrainer hf-praxis 7/2020 43

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