Yüksek frekans uygulamalarına yönelik faz kaydırıcı devre tasarımlarında yeni olanaklar
New approaches in phase shifter circuit designs towards high-frequency applications
- Tez No: 1001887
- Danışmanlar: PROF. DR. FIRAT KAÇAR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tezde, modern haberleşme sistemlerinde kritik öneme sahip faz kaydırıcıların performans, doğruluk ve entegrasyon düzeylerini artırmaya yönelik yeni tasarım yaklaşımları sunulmaktadır. Beşinci nesil (5G) ve ötesi kablosuz haberleşme, radar, seyrüsefer, füze güdüm vb. sistemlerinde faz kaydırıcılar; sinyal yönlendirme, zamanlama hassasiyeti ve anten örüntüsünün kontrolünde belirleyici rol üstlenmektedir. Bu nedenle faz doğruluğu, bant genişliği, iletim kaybı ve kararlılık gibi elektriksel performans göstergelerinin yanı sıra fiziksel boyut ve çip alanı da tasarımın temel kriterlerindendir. Bu bağlamda, tez çalışması faz kaydırıcı tasarımını yalnızca devre düzeyinde değil, fazlı dizi anten sistemlerinin bütünsel performansını etkileyen bir mühendislik problemi olarak ele almaktadır. Çalışma kapsamında, bant geçiren, yüksek geçiren ve alçak geçiren tabanlı yapılar, anahtarlamalı devre mimarileri ile simetrik latis (kafes) yöntemleri kullanılarak oluşturulan çeşitli faz kaydırıcı topolojileri ayrıntılı biçimde incelenmiş ve bunlara ek olarak özgün çok bitli bir faz kaydırıcı devresi önerilmiştir. Bu değerlendirmeler doğrultusunda, anahtarlamalı devre yaklaşımı temel alınarak çok bitli CMOS faz kaydırıcı tasarımlarına odaklanılmıştır. Literatür incelemeleri, faz kaydırıcı tasarımlarındaki temel tasarım zorluğunun fiziksel boyut gereksinimi olduğunu ortaya koymaktadır. Bu gereksinimi en çok etkileyen ve tasarım esnekliğini sınırlayan başlıca eleman ise RF devrelerinde yaygın biçimde kullanılan endüktörlerdir. Bu sınırlamayı aşmak amacıyla tez kapsamında pasif endüktörlerin yerini alabilecek özgün bir CMOS aktif endüktör mimarisi geliştirilmiştir. Önerilen tasarım, literatürde“jiratör”(gyrator) olarak bilinen yapıya dayalı akım–gerilim dönüştürücü tabanlı bir endüktans eşdeğerine sahiptir ve kalite faktörünü artırmak amacıyla yapıya geri besleme direnci entegre edilmiştir. Geçiş iletkenliğini yükseltirken güç tüketimi ve gürültüyü azaltan Gm-artırma tekniği kullanılarak aktif endüktörün ayarlanabilirliği genişletilmiştir. Geliştirilen aktif endüktör, çok küçük çip alanı, geniş endüktans ayar aralığı ve yüksek frekanslarda kararlı çalışma özellikleriyle modern haberleşme devrelerindeki kompaktlık gereksinimlerine önemli bir çözüm sunmaktadır. 180 nm RFCMOS teknolojisi ile 1.8 V besleme gerilimi altında tasarlanan aktif endüktör, 4.5 nH ile 215 nH arasında ayarlanabilir endüktans sunmakta ve yaklaşık 4.1 GHz'e kadar endüktif davranış göstermektedir. Tasarımın kararlılığı, sıcaklık, köşe ve Monte Carlo analizleri ile doğrulanmıştır. Önerilen aktif endüktörün bir doğrulaması olarak ve pratik RF sistemlerinde uygulanabilirliğini göstermek amacıyla, yapı 0.8–2.1 GHz bandında çalışan, 13.43–13.88 dB aralığında kazanca sahip geniş bantlı bir CMOS RF küçük işaret kuvvetlendiricisine entegre edilmiştir. Gerçekleştirilen ayrıntılı analizler neticesinde başarımı doğrulanmıştır. Bu doğrulamanın ardından, tezin temelini oluşturan 5-bitlik faz kaydırıcı tasarımı geliştirilen aktif endüktörle bütünleştirilmiştir. Faz kaydırıcı topolojisindeki toprağa bağlı tüm endüktörler, gerekli ayarlamaların yapılmasının ardından önerilen aktif endüktör mimarisiyle değiştirilerek devrenin fiziksel boyutu önemli ölçüde azaltılmıştır. Bu entegrasyon yalnızca alan kazancı sağlamamış aynı zamanda faz doğruluğunun iyileştirilmesi, bant içi davranışın daha kararlı hâle gelmesi ve faz hatasının küçülmesi gibi önemli performans artışları da sağlamıştır. 2.2–3.6 GHz bandında çalışan, giriş ve çıkış yansıma katsayıları –10 dB'nin altında bir faz kaydırıcı elde edilmiştir. Faz doğruluğu açısından, bant boyunca RMS faz hatası 3.3°'nin altında kalmıştır. Tüm topraklanmış pasif endüktörlerin aktif endüktörlerle değiştirilmesi sayesinde yaklaşık 0.17 mm²'lik toplam çip alanı kaplamaktadır. Böylelikle, gerçekleştirilen analizlerde düşük RMS faz hatası, stabil çalışma ve geniş bantlı davranış gibi mikrodalga devrelerdeki gereksinimlerle uyumlu sonuçlar ortaya konulmuştur. Elde edilen sonuçlar, özgün aktif endüktör mimarisinin faz kaydırıcılara entegrasyonunun yeni nesil haberleşme sistemlerinde elektronik devre tasarımına yeni olanaklar sunduğunu göstermektedir. Bu çalışma, pasif endüktör kaynaklı alan kısıtlarını ortadan kaldırarak faz kaydırıcıların kompakt hâle gelmesini sağlamış, farklı topolojilerin aktif elemanlarla yeniden tasarlanabilmesine olanak tanımış ve yüksek performanslı RF mikrodalga uygulamaları için alternatif bir tasarım yaklaşımı ortaya koymuştur. Geliştirilen aktif endüktör tabanlı faz kaydırıcılar, radar, seyrüsefer, anten faz dizileri ve geniş bantlı devreler gibi geleceğin haberleşme teknolojilerinde kullanılabilecek ölçeklenebilir, tümleştirmeye uygun ve yüksek doğrulukla çözümler sunmakta, düşük faz hatalı ve tümleşik devreye uygun faz kaydırıcı mimarileri açısından literatüre anlamlı bir katkı sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis presents new design approaches aimed at improving the performance, accuracy, and integration level of phase shifters, which are of critical importance in modern communication systems. In fifth-generation (5G) and beyond wireless communication, radar, navigation, missile guidance, and related systems, phase shifters play a decisive role in signal steering, timing accuracy, and antenna pattern control. Therefore, in addition to electrical performance metrics such as phase accuracy, bandwidth, insertion loss, and stability, physical size and chip area are also fundamental design criteria. In this context, the thesis addresses phase shifter design not merely at the circuit level, but as an engineering problem that directly affects the overall performance of phased-array antenna systems. Within the scope of this work, various phase shifter topologies formed using band-pass, high-pass, and low-pass filter-based structures, switched-circuit architectures, and symmetric lattice (grid) methods have been examined in detail. In addition, an original multi-bit phase shifter circuit has been proposed. In particular, lattice-based differential architectures have been shown to offer significant advantages in maintaining phase accuracy over a wide bandwidth and reducing amplitude imbalance. Based on these evaluations, the study focuses on multi-bit CMOS phase shifter designs employing switched-circuit approaches. Literature reviews indicate that one of the primary design challenges in phase shifter implementations is the requirement for large physical dimensions. The component that most strongly influences this requirement and limits design flexibility is the inductor, which is widely used in RF circuits. To overcome this limitation, an original CMOS active inductor architecture capable of replacing passive inductors has been developed in this thesis. The proposed design is based on a current–voltage conversion structure with an inductance equivalent derived from a configuration commonly referred to as a“gyrator”in the literature, and a feedback resistor is integrated to enhance the quality factor. A Gm-boosting technique is employed to extend the tunability of the active inductor while increasing transconductance and simultaneously reducing power consumption and noise. The developed active inductor offers a significant solution to compactness requirements in modern communication circuits through its extremely small chip area, wide inductance tuning range, and stable operation at high frequencies. Implemented in 180 nm RFCMOS technology under a 1.8 V supply voltage, the active inductor provides a tunable inductance range from 4.5 nH to 215 nH and exhibits inductive behavior up to approximately 4.1 GHz. The stability of the design has been verified through temperature, process corner, and Monte Carlo analyses. As a validation of the proposed active inductor and to demonstrate its applicability in practical RF systems, the structure has been integrated into a broadband CMOS RF small-signal amplifier operating in the 0.8–2.1 GHz frequency band and achieves a gain of 13.43–13.88 dB. Detailed analyses confirm the successful performance of the proposed approach. Following this validation, the 5-bit phase shifter design that constitutes the core of this thesis has been integrated with the developed active inductor. All grounded inductors in the phase shifter topology have been replaced with the proposed active inductor architecture after appropriate tuning, resulting in a significant reduction in the physical size of the circuit. This integration not only provides substantial area savings but also leads to notable performance improvements, including enhanced phase accuracy, more stable in-band behaviour, and reduced phase error. Operating in the 2.2–3.6 GHz frequency band, the phase shifter achieves input and output reflection coefficients below –10 dB, while the RMS phase error remains below 3.3° across the band. By replacing all grounded passive inductors with active inductors, the total chip area is limited to approximately 0.17 mm². Consequently, the analysis results demonstrate performance characteristics that are well aligned with microwave circuit requirements, including low RMS phase error, stable operation, and wideband behaviour. The obtained results demonstrate that integrating the proposed original active inductor architecture into phase shifter designs enables new possibilities in electronic circuit design for next-generation communication systems. By eliminating the area constraints imposed by passive inductors, this work enables more compact phase shifter implementations, facilitates the redesign of various topologies using active components, and introduces an alternative design approach for high-performance RF and microwave applications. The developed active-inductor-based phase shifters provide scalable, integration-friendly, and high-accuracy solutions suitable for future communication technologies such as radar, navigation, antenna phased arrays, and broadband circuits, thereby making a meaningful contribution to the literature on low-phase-error, fully integrated phase shifter architectures.
Benzer Tezler
- Linearity and efficiency improvement on RF power amplifiers
RF kuvvetlendiricilerde doğrusallık ve verimin iyileştirilmesi
ÖMER AYDIN
Doktora
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Ana Bilim Dalı
PROF. OSMAN PALAMUTÇUOĞULLARI
- The comparison of energy consumptions for OOK and BPSK modulationsin wireless sensor networks
Kablosuz algılayıcı ağlarda OOK ve BPSK modülasyonları için enerji tüketimlerinin karşılaştırılması
OMRAN TABAJOU
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSakarya ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ NÜKHET SAZAK
- Synthesis and applications of new polyaniline-based polymers and its composites
Yeni polianilin esaslı polimer ve kompozitlerinin sentezlenmesi ve uygulamaları
FATMA TUBA ÇOĞALMIŞ
Doktora
İngilizce
2025
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BAHİRE FİLİZ ŞENKAL
- Yapay sinir ağları ile elektronik devre tasarım otomasyonu ve performans optimizasyonuna yönelik yeni yaklaşımlar
Novel approaches to electronic circuit design automation and performance optimization using artificial neural networks
FUNDA DAYLAK
Doktora
Türkçe
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. İSMAİL SERDAR ÖZOĞUZ
- Novel high performance ota structures suitable for continuous time ota-c filters
Sürekli zaman ota-c süzgeçlere uygun yüksek performanslı yeni ota yapıları
ALİ ZEKİ
Doktora
İngilizce
1998
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN KUNTMAN