Design of an X-band GaN based microstrip MMIC power amplifier

RF ve mikrodalga güç yükselteçleri, günümüz iletişim ve radar sistemlerinin hayati bileşenlerindendir. Bu bileşenlerin tasarımları, yüksek güç ve yüksek frekans rejimindeki aygıt kısıtlamaları ile; doğrusal olmayan büyük-işaret çalışma koşullarında tasarımın kendi çetinlikleriyle birlikte, ciddi zorlukları da beraberinde getirmektedir. Galyum Nitrür (GaN) tabanlı yüksek elektron hareketlilikli transistör (HEMT) teknolojisi, yüksek güç yoğunlukları, mm-dalga frekanslarına kadar çalışabilme kabiliyetleri ve üstün malzeme özellikleriyle, önemli bir potansiyel barındırmaktadır. Bu çalışmada, Bilkent Üniversitesi Nanoteknoloji Araştırma Merkezi'nde (NANOTAM) geliştirilen 0.25 μm Silisyum Karbür (SiC) tabanlı GaN mikrofabrikasyon prosesi, ve bu proses ile üretilen aygıtların karakterizasyon adımları gösterilmiştir. X-bant uygulamalarına yönelik transistör başarımının iyileştirilmesi için gerçekleştirilen deneysel transistör serimi ve kapı geometrisi tarama çalışmaları sunulmuştur. Pasif devre elemanlarının elektro-manyetik benzetim tabanlı model kütüphanesi oluşturulması anlatılmıştır. Son olarak, X-bant için tasarlanan monolitik mikrodalga entegre devre güç yükselteci tasarımı ve adımları, ayrıntılı biçimde açıklanmıştır. Üretilen yükselteç devrelerinin benzetim ve ölçüm sonuçları paylaşılarak yorumlanmıştır.Yonga boyutları 4.3 mm x 2.3 mm'nin altında olan devreler, ölçümlerde 8.5 GHz - 11.5 GHz frekans aralığı boyunca 24 dB üzerinde küçük işaret kazancı vermektedir. 13.5 Watt (41.3 dBm) üzerindeki çıkış güçleri ve %31 ile %38 arası güç ekli verimlilik değerleri, oda sıcaklığında gerçekleştirilen darbeli mod ölçümlerinde 6 dB kazanç kısılması altında, 8.5 GHz - 11 GHz bandı boyunca elde edilmiştir. RF power amplifiers are crucial components of modern radar and communication systems. However, their design poses some challenges due to device limitations in high power and high frequency regime, as well as inherent difficulties of designing for nonlinear large-signal device operation. Gallium Nitride (GaN) based High Electron Mobility Transistors (HEMT) are promising candidates due to their superior material qualities, high power densities and ability to operate up to mm-wave frequencies. In this thesis, 0.25 μm GaN on SiC microfabrication process of Bilkent University Nanotechnology Research Center (NANOTAM) is presented. Transistor characterization procedure is demonstrated. Ideal transistor layout for design goals is selected and the transistor gate structure is optimized for X-band performance. A model library for microstrip passive circuit elements based on electromagnetic simulations has been developed. Finally, design and measurements of an X-band microstrip Class AB two-stage Monolithic Microwave Integrated Circuit (MMIC) PA, based on the same process are presented in detail. With die sizes smaller than 4.3 mm by 2.3 mm, fabricated MMICs operate at 8.5 - 11.5 GHz band with 24 dB small-signal gain. More than 13.5 W (41.3 dBm) output power (P6dB) and 31% - 38% power-added efficiency are achieved throughout the 8.5 - 11 GHz band in pulsed mode on-wafer measurements. 94