Für die Prüfung bestimmter EMV-Kraftfahrzeugstandards sind hohe elektrische Felder, in unterschiedlichen Frequenzbändern, nötig. Beispiele für solche Standards sind der GMW 3097 von General Motors und der ES-XW7T-1A278-AC von Ford. Um die dafür nötigen Prüfanforderungen zu erfüllen, haben die Unternehmen Emco und Prâna zusammen ein HF-Verstärkersystem mit einer typischen Dauerstrichleistung (CW) von 1.000 W entwickelt. Basis des Verstärkersystems ist ein in Betriebsart A arbeitender Halbleiter aus Galliumnitrid (GaN).
Halbleiter für Frequenzen größer 1 GHz
GaN gilt als technologischer Durchbruch auf dem Gebiet der HF-Leistungstransistoren. Der enorme Vorteil des aus Gallium und Stickstoff bestehenden III-V-Halbleiters ist seine große elektronische Bandlücke von 3,39 eV. Zudem verfügt er über eine sehr hohe Leistungsdichte von über 30 W/mm und ist sehr robust. Verglichen mit herkömmlichen Halbleitern auf Siliziumbasis, kann er bei höheren Temperaturen betrieben werden und widersteht einem elektrischen Feld von mehr als 3,106 V/cm. Auf Grund dieser Eigenschaften erlaubt der GaN-Halbleiter hohe Vorspannungen von ≥50 V und unterstützt eine große Wärmeableitung. Dadurch ist er ideal für den Einsatz in HF-Leistungsverstärker geeignet.
Hohe Linearität durch Klasse-A-Betriebsart
Der GaN-Halbleiter des Verstärkers arbeitet im Klasse-A-Betrieb. Das bedeutet, der Leistungsverstärker wird hauptsächlich über seine Ausgangsleistung, den Eingangspegel und die DC-Leistungsaufnahme charakterisiert. Die 1-dB-Kompressionsleistung ist dabei als Grenze zwischen Linear- und Sättigungsbetrieb definiert. Der 1-dB-Kompressionspunkt befindet sich an der Stelle, an der der Wert für die Leistungsverstärkung um 1 dB von demjenigen der Kleinsignalverstärkung abweicht und somit in Kompression geht. Abhängig von der eingesetzten Transistortechnologie liegt der maximale Wirkungsgrad im Bereich zwischen dem 1-dB- und 3-dB-Kompressionspunkt.
Relevant für die Qualifizierung von EMV-Störfestigkeitssystemen ist außerdem die Linearität, beziehungsweise der erlaubte Oberwellenanteil. Die EMV-Standards fordern eine Oberwellenunterdrückung von mindestens 13 dBc, bei 50 Ω Last. Der Klasse A Betrieb gewährleistet eine hohe Linearität. So ist die Oberwellenunterdrückung am 1-dB-Kompressionspunkt mit über 20 dBc spezifiziert.
Vier Endstufeneinheiten für 4 GHz
Das Verstärkersystem SW800 ist modular aufgebaut. Es besteht aus vier identischen Endstufeneinheiten, die in einem
32 HE 19-Zoll-Rack untergebracht sind. Um die Gesamtleistung von bis zu 1.000 W auf nur einen Ausgang zu führen, kommt auf der Ausgangseite ein 4-Wege-Combiner zum Einsatz. Teil der Ausgangsbeschaltung ist ein Doppelrichtkoppler, der zur internen Überwachung und der Regelung und Anzeige der Vorwärts- und reflektierten Leistung dient. Die Koppelpfade für Vorwärts- und reflektierter Leistung können außerdem als HF-Monitorausgänge genutzt werden. Essentiell für eine maximale Ausbeute ist eine identische Phasenlage des Vierergespanns.
Alle Messungen erfolgten gemäß den oben angesprochenen theoretischen Grundlagen. Gemessen wurde die Ausgangsleistung des Verstärkersystems am 1-dB-Kompressionspunkt sowie am 3-dB-Kompressionspunkt. Im Frequenzbereich von
800 MHz bis 3,6 GHz liefert es eine lineare Ausgangsleistung von bis zu 600 W. Der gemessene Leistungsabfall im restlichen Frequenzband bis 4 GHz beträgt lediglich 50 W. Als Maximalspezifikation konnten Leistungsspitzen im Sättigungsbereich von bis zu 1700 W nachgewiesen werden. Die für dieses Design gewählte Betriebsart Klasse A ermöglicht über den gesamten Frequenzbereich gute Linearitätseigenschaften von weniger als -20 dBc.
Der Aufbau für EMV-Störfestigkeitsprüfungen erfolgte gemäß der Standards von Ford und General Motors. Die resultierenden Prüffeldstärken in horizontaler und vertikaler Polarisationsausrichtung sind in Abbildung 1 und 2 dargestellt. In allen Konfigurationen konnte Normkonformität erreicht werden. Das elektrische Feld entspricht somit den von den Standards geforderten Grenzwerten. Im Radarband 2,7 bis 3,1 GHz lagen einige Messpunkte sogar nahe der 650 V/m Markierung. Lediglich bei 1.220 MHz näherte sich das elektrische Feld in vertikaler Ausrichtung dem geforderten Minimalwert von
600 V/m an. Anzumerken ist, dass sich der Verstärker im linearen Betrieb befindet. Das heißt gemäß den Standards liegen die harmonischen Anteile bei ≤ -13 dBc. Das HF-Verstärkersystem SW800 ist somit ein gutes Beispiel, wie sich hohe elektrische Felder für die EMV-Störfestigkeitsprüfungen nach Ford und General Motors erzeugen lassen.
