Geri Dön

GaN based high efficiency class AB power amplifier design for sub-6GHz 5G transmitter systems

6GHz altı 5G verici sistemleri için GaN tabalı yüksek verimliliğe sahip AB sınıfı güç kuvvetlendiricisi tasarımı

PDF İndir

  1. Tez No: 665855
  2. Yazar: KUDRET ÜNAL
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. MUSTAFA BERKE YELTEN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 73

Özet

Kablosuz veri aktarımı ilk olarak Maxwell, Marconi, Hertz ve Tesla'nın teorik ve Pratik çalışmalarının birikimi sonucu 19. yüzyılın sonlarında gerçekleştirilmiştir. 20. Yüzyılın başlarında hızla gelişen radyo teknolojisi ile telsiz haberleşme ve yaygınlaşmaya başladı. Her geçen gün daha fazla verinin, daha fazla kişiye ulaştırılması ihtiyacı yükselmiş ve kullanılan haberleşme frekansı artan veri miktarına paralel olarak yükselmiştir. İlk cep telefonu görüşmesi 1973 yılında Martin Cooper tarafından yapılmış ve yeni bir dönemin başlangıcı olmuştur. 1G olarak adlandırılan birinci nesil hücresel ağ teknolojisi 70'li yılların sonunda hayatımıza girmiş ve ilerleyen yıllarda 2G,3G, 4G ve 5G ile günümüze gelinmiştir. Birinci nesilden beşinci nesle kadar veri artırım hızı ve frekans bandının daha efektif bir şekilde kullanılması hedeflenmiştir. Yüksek veri aktarım ihtiyacının getirdiği bant genişliği ihtiyacı ile haberleşme frekansı sürekli olarak artmıştır. Birinci nesilde 2.4kbps olan veri aktarım hızının beşinci nesilde 20 Gbps seviyesinde olması planlanmaktadır. 5G Yeni Radyo için 6 GHz altı ve 24 GHz üstü olmak üzere iki farklı frekans spektrumu tanımlanmaktadır. Bu çalışmanın konusu olan güç kuvvetlendiricileri, haberleşme sistemlerinin verici kısımlarında antenden önceki son devre elemanı olarak kullanılır. Güç kuvvetlendiricileri, DC güç kullanarak girişlerindeki işareti güçlendirerek yüksek güce sahip çıkış işareti sağlarlar. Her aktif elektronik elemanda olduğu gibi yüksek güç kuvvetlendiricilerinin de yüksek verimliliğe sahip olması istenir. Verici sistemlerindeki en yüksek güç tüketen eleman güç kuvvetlendirici olduğu için güç kuvvetlendiricisinin verimliliği toplam verici verimliğinde önemli bir yer tutar. Güç kuvvetlendiricileri lineer (akım kaynağı) ve anahtarlamalı güç kuvvetlendiricileri olarak iki ana gruba ayrılır. Lineer güç kuvvetlendiricileri kapı (gate) kutuplamalarına göre A Sınıfı, B sınıfı, AB Sınıfı ve C sınıfı olmak üzere dörde ayrılır. Kapı kutuplamaları tranzistorun giriş işaretinin iletimin açısını belirler. A sınıfı güç kuvvetlendiricileri giriş işareti ile karşılaştırıldığında yüksek bir savak akımına sahip olacak şekilde kutuplanır ve transistor giriş işaretinin büyüklüğünden bağımsız olarak sürekli olarak akım akıtır. DC güç tüketimleri yüksek kutuplama noktası sebebi ile yüksektir ve teorik savak verimliliği en fazla %50'dir. Tranzistor giriş işaretininin tüm açılarında iletimde olduğu için A sınıfı güç kuvvetlendiricileri en doğrusal güç kuvvetlendirici çeşididir. A sınıfı güç kuvvetlendiricilerinin düşük verimliliğine çözüm olarak B sınıfı güç kuvvetlendiricileri tranzistorun kesim noktasında kutuplanır ve tranzistor giriş işaretinin yalnızca yarım periyodunda iletimdedir ve iletim açısı 180 derecedir. Tranzistorun akım ve gerilim eğrilerinin kesişim noktaları A sınıfına göre azaltıldığından DC güç tüketimleri A sınıfı güç kuvvetlendiricilerine oranla daha düşüktür ve teorik savak verimliliği %78 olarak hesaplanmaktadır. C sınıfı güç kuvvetlendiricilerinin kutuplama noktası kesim geriliminin de altında seçilerek iletim açısının 180 dereceden daha küçük olması sağlanır. Tranzistor giriş işaretinin yalnızca küçük bir kısmında iletimdedir ve DC güç tüketimi lineer güç kuvvetlendiriciler arasındaki en düşük sınıftır. Teorik olarak iletim açısı sıfıra yaklaştıkça savak verimliliği %100'e yaklaşır. AB sınfı güç kuvvetlendiricilerinin kutuplama noktası A sınıfı ile B sınıfı arasında seçilir ve transiztorun iletim açısı 180 derece ile 360 derece arasındadır. Teorik savak verimlilikleri %50 ile %78 arasındadır. İletim açısı kuvvetlendiricinin doğrusallığı ile doğrudan ilişkilidir. İletim açısı azaldıkça verimlilik artmakta ancak transiztorun verimliliği de azalmaktadır. Bu sebeple AB sınıfı güç kuvvetlendiricileri verimlilik/doğrusallık dengesi açısından dengeli bir güç kuvvetlendiricisi sınıfıdır. Bu çalışmada 5G 6 GHz altı frekans bandı için yüksek kazançlı, 3 dB bastırma noktasında yüksek verimliliğe ve 10W çıkış gücüne sahip AB sınıfı bir güç kuvvetlendiricisi tasarımı hedeflenmiştir. Tasarım frekansı olarak 3.3 GHz- 3.6 GHz frekans aralığı seçilmiştir. Diğer yarıiletkenler ile karşılaştırıldığında GaN (Galyum Nitrür) yüksek bant aralığı, yüksek kırılma gerilimi, yüksek electron doygunluk hızı ve SiC (Silikon Karbür) tabanlar ile kullanıldığında yüksek ısıl iletkenliğe sahip olması sebebiyle yüksek frekans, yüksek güç uygulamaları için uygun bir adaydır. Yüksek güç yoğunluğu ile aynı miktarda çıkış gücü GaN tabanlı transistörler ile daha küçük bir alanda sağlanabilir. Yüksek çıkış güç ve frekanslarında diğer materyallerle karşılaştırıldığında çok daha iyi sonuçlar vermesi sebebi ile AB Sınıfı Güç Kuvvetlendiricisi tasarımda GaN tabanlı bir transistor kullanılmasına karar verilmiş ve bu amaçla Qorvo firmasına ait QPD1009 tranzistör modeli seçilmiştir. QPD1009 transistorunun doğrusal olmayan modeli Modelithics firmasının Qorvo GaN kütüphanesi öğrenci destek programı ile edinilmiş ve AWR Microwave Office tasarım programına aktarılmıştır. Transistor ilk olarak ideal tasarım elemanları ile kutuplanmış ve DC-IV eğrileri oluşturularak AB Sınıfı çalışmaya uygun bir kutuplama noktası belirlenmiştir. Buna göre transistorun 50V kaynak gerilimi için 59 mA savak akımına sahip olduğu nokta seçilmiştir. Güç kuvvetlendiricisinin istenilen 3 dB bastırma noktasında istenilen güç eklenmiş verim, kazanç ve çıkış gücünü sağlamsı için gereken yük ve kaynak empedansları yükle-çek analizi ile 3.3 GHz, 3.4 GHz, 3.5 GHz ve 3.6 GHz frekanslarında belirlenmiştir. Giriş-çıkış besleme hatları transistorun çalışma frekansında yüksek empedans gösterecek şekilde tasarlanmıştır. Transistorun geniş frekans aralığında kararlılık göstermesi için kapı besleme hattı üzerine ve giriş hattı üzerine direnç eklenmiştir. Bu sayede transistorun istenmeyen salınım yapması engellenmiştir. İdeal elemanlar ile yapılan benzetim sonuçlarının gerçeklenmesi için taban seçimi yapılmış ve 0.762 mm kalınlığında Rogers 4350B tabanın kullanılmasına karar verilmiştir. Yükle-çek analizi ile belirlenen yük empedans değerleri savak besleme hattı ile birlikte tasarlanmıştır. Çıkış katının tasarımının ardından giriş uyumlama devresi tasarlanmıştır ve tüm tasarım tasarım parçaları birleştirilmiştir. Birkaç tekrarlama ile giriş çıkış katı uyumlaması, PAE, kazanç ve çıkış gücü iyileştirilmiştir. Tasarlanan devrenin elektromanyetik benzetimi yapılarak gerçek ortamda mikro şerit hatların karakteristik davranışları incelenmiş ve hat boyutlarında küçük ayarlamalar yapılmıştır. Çıkış gücü, kazanç, güç eklenmiş verimlilik ve ana işaretin ikinci ve üçüncü harmonik bileşenleri için son benzetimler yapılmıştır. Yapılan benzetimler sonucu tasarlanan devrenin 3.3 GHz – 3.6 GHz bant aralığında 10W çıkış gücü, %55'ten daha yüksek güç eklenmiş kazanç, yaklaşık 19 dB doğrusal kazanç sağladığı görülmüştür. Elektromanyetik benzetimin ardından devrenin AWR tasarım programında serimi tamamlanmış ve üretime gönderilmiştir. Üretimin ardından devrenin montajı yapılmıştır. Küçük işaret analizi ölçümleri Vektörel Network Analizörü ile yapılmıştır. Giriş yansımasının tasarımdan farklı olduğu görülmüş ve istenen frekans bandına taşımak için giriş hattı üzerine bakır bant eklenmiştir. Çıkış gücü, kazanç ve yük eklenmiş verimlilik ölçümleri için kullanılan elemanların frekans ve güç bağımlı etkilerini ortadan kaldırmak adına ölçüm düzeneği oluşturuldu ve zayıflatıcı, kablo, konektör kayıpları için kalibrasyon yapıldı. Yapılan ölçümler sonucu devrenin beklenen kazancı sağladığı gözlemlendi, ancak çıkış gücü 38-38.5 dBm, güç eklenmiş verimlilik %40 civarında ölçülmüştür. Aradaki farkın transistorun çıkış empedansının tasarımda ve gerçekteki farklılıktan kaynaklanabileceği belirlendi ve çıkış katı empedans uyumlama elemanlarının farklı değerler ile değiştirilerek ölçüm sonuçlarının önceki sonuçlarla karşılaştırılması ve daha iyi bir çıkış empedans noktası bulunmasına karar verildi.

Özet (Çeviri)

Wireless data transfer was first performed at the end of the 19th century as the result of the theoretical and practical studies of Maxwell, Marconi, Hertz, and Tesla. At the beginning of the 20th century, with the rapidly developing radio technology, wireless communication started to become widespread. With each passing day, the need to deliver more data to more people has increased and the communication frequency used has increased in parallel with the increasing amount of data. The first mobile phone call was made by Martin Cooper in 1973 and marked the beginning of a new era. The first-generation cellular network technology, called 1G, entered our lives in the late 70's and in the following years, it has come to the present day with 2G, 3G, 4G and 5G. From the first to the fifth generation, it is aimed to increase data rate and use frequency band more effectively. With the need for bandwidth brought by the high data transfer requirement, the communication frequency has increased continuously. The data transfer rate of 2.4kbps in the first generation is planned to be 20 Gbps in the fifth generation. For 5G New Radio, two different frequency spectrums are defined as below 6 GHz and above 24 GHz. The power amplifiers that are the subject of this study are used as the last circuit element before the antenna in the transmitting parts of communication systems. Power amplifiers provide high power output signal by amplifying the signal on their inputs using DC power. As with every active electronic element, high power amplifiers are also desired to have high efficiency. Since the highest power consuming element in transmitter systems is the power amplifier, the efficiency of the power amplifier has an important share in the total transmitter efficiency. Power amplifiers are divided into two main groups as linear (current source) and switched power amplifiers. Linear power amplifiers are divided into four as Class A, Class B, Class AB, and Class C with the bias point of the transistor. Gate bias determines the conduction angle of the transistor. Class A power amplifiers are biased to have a high drain current compared to the input signal, and the transistor continuously flows current regardless of the input signal power. DC power consumption is high due to high quiescent current and their maximum theoretical drain efficiency is 50%. Class A power amplifiers are the most linear power amplifier type because it is in conduction at all angles of the input signal. As a solution to the low efficiency of class A power amplifiers, class B power amplifiers are biased at the cutoff point of the transistor and transistor is in conduction only half the period of the input signal and the conduction angle is 180 degrees. Since the overlapping portions of the current and voltage curves of the transistor are reduced compared to Class A, DC power consumption is lower than Class A power amplifiers and the theoretical drain efficiency is calculated as 78%. The bias point of the Class C power amplifiers is selected below the cut-off voltage, so that the conduction angle is smaller than 180 degrees. Transistor conducts current for only a small portion of the input signal and DC power consumption is the lowest among the linear power amplifier classes. Theoretically, as the conduction angle approaches zero, drain efficiency approaches 100%. The bias point of class AB power amplifiers is chosen between class A and class B, and the conduction angle of the transistor is between 180 degrees and 360 degrees. Theoretical drain efficiency is between 50% and 78%. Conduction angle is directly related to the linearity of the amplifier. As the conduction angle decreases, the efficiency increases, but the efficiency of the transistor decreases. For this reason, class AB power amplifiers is a good power amplifier class in terms of efficiency / linearity balance. In this study, a Class AB power amplifier having high gain, high efficiency and delivering 10W output power at 3 dB suppression point was designed for 5G Sub-6 GHz applications. 3.3 GHz - 3.6 GHz frequency range has been chosen as the design frequency. Since it gives much better results compared to other materials at high output power and frequencies, it was decided to use GaN (gallium nitride) transistor in the design and QPD1009 model of Qorvo was chosen for this purpose. The nonlinear model of the QPD1009 transistor was provided by Modelithics Qorvo GaN Library Student Support Program and imported to the AWR Microwave Office design program. First, the transistor was biased with ideal design elements and DC-IV curves were created and a bias point suitable for Class AB operation was determined. Accordingly, the point where the transistor has 59 mA drain current for 50V source voltage was selected. Load-pull analysis was performed to determine the load and source impedances at 3 dB compression point which satisfies the design goals at specified frequency interval. Input-output supply circuit are designed to show high impedance at the operating frequency of the transistor. To ensure the transistor's stability in a wide frequency range, resistors are added on the gate feed line and on the input line. In this way, unwanted oscillation of the transistor is prevented. In order to realize the simulation results made with ideal elements, the substrate selection was made, and it was decided to use the 0.762 mm thick Rogers 4350B substrate which is a well-known and widely used substrate in high frequency designs. Load impedance values determined by load-pull analysis were designed with the drain feed line. The input matching circuit has been designed and the entire design has been combined. With a few iterations on input and output circuitry, PAE, gain and output power were improved. By making electromagnetic simulation of the designed circuit, the characteristic behavior of microstrip lines in the real environment was examined and small adjustments were made in the line sizes. Final simulations were made for output power, gain, efficiency with added power and second and third harmonic components of the main signal. As a result of the simulations, it was seen that the designed circuit provided 10W output power in the 3.3 GHz - 3.6 GHz band, a gain of more than 55% and a linear gain of about 19 dB, and the design of the power amplifier was completed. Designed amplifier was manufactured and assembled for the measurements. As a result of the measurements made, it was observed that the circuit provided the expected gain, but the output power was 38-38.5 dBm and the power added efficiency was measured around 50%. It was determined that the difference might be related with the output impedance difference of the transistor in simulation and relatity, and it was decided to replace the output stage impedance matching elements with different values and to compare the measurement results with the previous results and to find a better output impedance point.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    809122

    A compact two stage GaN power amplifier design for sub-6GHz 5G base stations

    6GHz altı 5G baz istasyonuları için kompakt iki katlı GaN güç yükselteç tasarımı

    BURAK BERK TÜRK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SERKAN ŞİMŞEK

    DR. ÖĞR. ÜYESİ HÜSEYİN ŞERİF SAVCI

  2. Tez No

    815625

    Design of GaN based S-band high linearitypower amplifier

    GaN tabanlı S-band yüksek doğrusallıklı güç amplifikatörü tasarımı

    FURKAN HÜRCAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Medipol Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği ve Siber Sistemler Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HAKAN DOĞAN

    DR. ÖĞR. ÜYESİ HÜSEYİN ŞERİF SAVCI

  3. Tez No

    363540

    WCDMA uygulamaları için yüksek doğrusallıklı güç kuvvetlendiricisi tasarımı

    High linear power amplifier design for WCDMA applications

    RAMAZAN ATA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OSMAN PALAMUTÇUOĞULLARI

  4. Tez No

    721341

    Two-stage broadband class-AB high power amplifier design using GaN HEMT technology

    GaN HEMT teknolojisini kullanan iki aşamalı geniş bant AB sınıfı yüksek güçlü amplifikatör tasarımı

    DOĞAN CAN TURT

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiÖzyeğin Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. AHMED HALİD AKGİRAY

  5. Tez No

    539830

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

    X-bant GaN tabanlı mikroşerit MMIC güç yükselteci

    ULAŞ ÖZİPEK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EKMEL ÖZBAY

Geri Dön