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GaN GaN RF RF New New Generations for Generations for Space Telecom Space Telecom Prof. Nuno Borges Carvalho Dept. Electrónica, Telecomunicações e Informática Instituto de Telecomunicações Universidade de Aveiro [email protected] http://www.av.it.pt/nbcarvalho

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GaNGaN RF RF New New Generations for Generations for Space TelecomSpace Telecom

Prof. Nuno Borges Carvalho Dept. Electrónica, Telecomunicações e Informática

Instituto de Telecomunicações Universidade de Aveiro

[email protected] http://www.av.it.pt/nbcarvalho

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IntitutoIntituto de de TelecomunicaçõesTelecomunicações AveiroAveiro--PolePole

Prof. Nuno Borges Carvalho Dept. Electrónica, Telecomunicações e Informática

Instituto de Telecomunicações Universidade de Aveiro

[email protected] http://www.av.it.pt/nbcarvalho

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--> IT Aveiro > IT Aveiro --> Radio Systems > Radio Systems

Radios Systems Characterization

and Design

Software Defined Radio Receiver Dynamic Range Increase

Software Defined Radio Transmitter Efficiency

RF-DC Converter Efficiency

Analysis of nonlinear behavior for: Power Measurements

Wireless Power Transmission

www.av.it.pt/rs/

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RF PayloadsRF Payloads RF Payloads impose high value of power been delivered to earth …

[email protected]

Travelling Wave Tube Amplifiers – TWTA –Still been used intensively in space

applications …

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Evolution of Evolution of RF Payload Power TransmissionRF Payload Power Transmission

TWTA

Heavy, Expensive, big sized …

GaAs

Low Power capabilities, good for low noise applications

GaN

Promissing Technology for high power and also low noise applications

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Why GaN on space ?

Commercial Broadband

Satcom

(VSAT-16MBPS)

Commercial Satcom

Transmitters

(VSAT-1MBPS)

X-Band Military Radar

Commercial

Communications Base

Stations

GaN

GaAs

Si

1 10 1000.1

1.0

10.0

100.0

1 000.0

10 000.0

100 000.0

Ma

xim

um

Po

we

r (W

)

Frequency (GHz)

Power and Frequency Theoretical limits for

Si, GaAs and GaN devices

Evolution of Evolution of RF Payload Power TransmissionRF Payload Power Transmission

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Introduction and motivationIntroduction and motivation » AlphaSat project and Participants

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Introduction and motivationIntroduction and motivation The main objective of the project is to test GaN Technology in space, mainly European versions.

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GaNGaN TechnologyTechnology o Transistor technology suplied by FBH

( Fredinand-Braun-Institut)

o Cosmic radiation immunity

o High frequency operation

o High power handling

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Circuit SelectionCircuit Selection o Amplifier

Pros: Optimum for mimic future applications of GaN technology onboard of

satellites, possibility to study TWTA future changes.

Cons: High values of consumed power, need for external signal source and driver

circuit, mass increase due to several circuits need for data gathering.

o Oscillator Pros: No need for extra signal excitation sources, possibility of including all

circuitry and its measurement systems inside the same box, reduction of

power consumption and mass.

Cons: Do not excite all characteristics of the technology under study.

Selected Circuit

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Oscillator CircuitOscillator Circuit o Oscillator based on traditional Colpitz configuration

o Frequency of oscillations imposed by payload restrictions (near 2GHz)

o Ceramic resonator for high Q

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o Prototype should consider high frequency

oscillations due to impressive transistor quality

o Oscillations near 12-15GHz.

D1

D2

Oscillator CircuitOscillator Circuit

Stubs for high frequency spurious reduction

Measurement circuit Power measurement

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Oscillator PrototypeOscillator Prototype ˃ Optimization of size and box weight, hardness

» Concerns with material CET, electrical and thermal conductivity.

» Gold wire for bonding

» Epoxy glues to attach chip

» Adhesives glues to PCB

» Nickel and gold plating

» Bonding with gold wire

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Oscillator PrototypeOscillator Prototype

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Oscillator PrototypeOscillator Prototype Thermal test cycles

Between -20ºC and 70ºC a

maximum frequency drift of 12

MHz.

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Oscillator PrototypeOscillator Prototype Vacuum tests

To avoid any particles or gases released

not expected

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Oscillator PrototypeOscillator Prototype EMC tests

- US Military, agreement concern

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

L e v e l [ d Bµ V/ m ]

2 G 2 . 2 G 2 . 4 G 2 . 6 G 2 . 8 G 3 G 3 . 2 G 3 . 6 G

Fr e q u e n c y [ Hz ]

+

+

+x

x

x

M a r k e r : 2 . 2 G Hz 3 8 . 1 d Bµ V/ m

x M ES CTTB_ EBB_ 1 1 _ r e d + M ES CTTB_ EBB_ 1 1 _ r e d 2

M ES CTTB_ EBB_ 1 1 _ p r e M ES CTTB_ EBB_ 1 1 _ p r e 2

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Overall Overall experimentexperiment

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Final prototypeFinal prototype Oscillators: Supply and control RF power, Id Supply values temperature Radiation level measurements

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FM Radio

Radio over 3G

DAB Satellite

Radio over TDT

LTE …

Improved Radios will have impose cleaver ways to power management.

This implies that radios will have “intelligence”

from its own.

Challenges Challenges University of Aveiro Approach

[email protected]

1º Prémio PLUG APRITEL 2010

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AcknowledgementsAcknowledgements We would like to thank the fruitful discussions with: Prof. José Carlos Pedro, Prof. Nuno Matos and Eng. Cupido Prof. Mendiratta and Eng. Jorge Monteiro for the vacuum tests and finally to Portuguese Communications Authority (ANACOM) for the electromagnetic compatibility tests.

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Start Apr - 2012

posrad.web.ua.pt

Post graduation in Radio System DesignPost graduation in Radio System Design

POSRAD is an advanced postgraduate course that offers an

opportunity for electrical engineers to update and advance

their knowledge on the area of wireless communication systems.