Geri Dön

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

PDF İndir

  1. Tez No: 809122
  2. Yazar: BURAK BERK TÜRK
  3. Danışmanlar: PROF. DR. SERKAN ŞİMŞEK, DR. ÖĞR. ÜYESİ HÜSEYİN ŞERİF SAVCI
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  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: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 79

Özet

Hem ticari hem de askeri sistemler kablosuz iletişim ağlarını kullanır. Bu ağlar radar, mobil iletişim, Wi-Fi, uydu haberleşmesi ve daha nicesi dahil olmak üzere geniş bir uygulama yelpazesine sahiptir. Bütün uygulamaların ihtiyaçlarını karşılamak için farklı gereksinimleri ve farklı çözümleri vardır. Mobil iletişimin gelişimi 1970'li yıllarda 1G ile başlamış ve yeni nesillerin geliştirilmesiyle radyo iletişim pazarında kendine yer bulmuştur. Nesillerin ilerlemesi ve mobil uygulamaların artmasıyla birlikte bant genişliği, veri hızı gibi faktörler önem kazanmıştır. 2019 yılında 5G Yeni Radyo, daha yüksek veri hızı, daha geniş frekans bantları, daha düşük gecikme özellikleri ile dünya çapında yaygınlaşmaya başlamıştır. Ayrıca, 5G Yeni Radyo için daha fazla frekans bandı mevcuttur. Bunlar 6GHz altı ve mmdalga olarak adlandırılır. Adından da anlaşılacağı gibi, 6 GHz altı frekans bantları önceki neslin bantları da dahil olmak üzere 6 GHz'ten düşük frekans bantlarını barındırır. 6GHz altı frekans bantlarında 3.4-3.6 GHz frekans bandı önemli bir yere sahiptir. Öte yandan, mmdalga frekans bantları 24 GHz'in üzerindedir. Düşük gecikme hedefi sebebi ile, mühendisler yeni nesil baz istasyonları için yeni çözümler geliştirmektedirler. Bunlardan biri, daha küçük baz istasyonlarını geleneksel makro baz istasyonlarından daha sık yerleştirmektir. Bu küçük baz istasyonları Mikro, Pico, Femto istasyonları olarak adlandırılır. Bu küçük baz istasyonları hem kapalı hem açık mekanlar için kullanılabilecek cihazlar olup kapsama alanı problemlerini de azaltmaktadır. Baz istasyonlarının boyutları küçüldükçe, bu istasyonların vericileri ve alıcıları için yeni teknolojik gelişmeler gerekmektedir. Vericiler güç yükselteçleri içerdiğinden, önemli miktarda DC güç harcadıkları bilinmektedir ve bu sebeple uygun termal koruma altyapısı gerekmektedir. Ayrıca, küçük istasyonlara yönelik artan taleple birlikte, istasyonlardaki vericilerin boyutu karşılaşılabilecek ısı sorunları ile birlikte dikkate alınmalıdır. En önemli sorunlardan biri vericilerin önemli olan bir bileşeni güç yükselteçlerdir. Bunlar verici sistemlerin son unsurudur ve DC gücü kullanarak RF gücünü yükseltir. Verici sistemlerde güç yükseltece gelen gücün büyüklüğün az olduğu durumlarda eğer güç yükseltecin kazancı düşükse, ön-yükselteç kullanılması da sisteme ek bir yük getirmektedir. Bu çalışmada, güç yükselteç incelenmiştir. Güç yükselteçlerin boyutu 5G Yeni Radyo için kullanılan küçük baz istasyonlarında önemli bir rol oynamaktadır. Ayrıca güç yükselteçlerinin boyutlarının küçük olması nedeniyle güç yoğunluğu ve ısıl iletkenlik yönetimleri incelenmiştir. Transistör teknolojisi 1950'lere dayanmaktadır ve ilk olarak Si yarı-iletkenleri gerçeklenmiştir. Teknolojinin gelişmesiyle GaAs yarı-iletken teknolojisi mikrodalga alanında birçok yerde kullanılmaya başlanmıştır. 2000'lerin başında GaN yarı-iletken teknolojisi için çalışmalar yapılmıştır. GaN transistörleri, GaAs ve Si yarı iletken teknolojilerine göre termal iletkenlikleri daha iyi ve güç yoğunlukları daha yüksek olduğu için popülerlik kazandılar. Ayrıca bu transistörler RF gücünü daha yüksek güç seviyelerine yükseltebilir ve daha geniş bant genişliklerine sahiptirler. Buna ek olarak, ön-yükselteç kullanılmasını engellemek için güç yükselteçlerin kazançlarının yüksek olması gerekir. Bu nedenlerden dolayı, 5G küçük baz istasyonlarının gereksinimlerini karşılamak için kompakt bir GaN HEMT güç yükselteci modülü tasarlanmıştır. Termal nedenlerden dolayı, güç yükselteçlerinin verimliliği çok önemlidir. Harcanan DC gücün ısıya dönüşmesi sebebiyle daha düşük DC güç kullanımıyla daha yüksek RF güç çıkışı sağlanması elzemdir. Geleneksel güç yükselteçleri, kutuplama noktalarına göre belirlenen sınıflara ayrılır. Bunlar A sınıfı, B sınıfı, C sınıfı ve AB sınıfıdır. A Sınıfı teorik olarak en az verimli, C sınıfı ise en verimli olanıdır. Ayrıca doğrusallık, karmaşık modülasyon sistemleri nedeniyle telekomünikasyonda önemli bir faktördür. Sınıf A, tüm geleneksel sınıflar içerisinde en doğrusal, C Sınıfı ise en az doğrusal olanıdır. Hem lineerlik hem de verimliliğin önemli olmasının bir sonucu olarak, güç tükselteç modülümüz verimliliği ve doğrusallığı dengeleyen AB Sınıfında çalışır. Bu çalışmada, yüksek kazanç, yüksek doğrusallık ve yüksek verimlilik ile kompakt bir iki aşamalı güç yükselteç modülü tasarlanmıştır. 2 adet çip GaN HEMT transistör, 0201 paketli komponentlerin uyumlama devreleri olarak baskı devre plaka üzerinde yapılmıştır. Tasarım aşamasında ideal komponentler ile ön tasarım yapılmış sonrasında iletim hatları eklenmiştir. Çip transistör kullanılması sebebiyle uyumlama devreleri ile bağlantıları 25 µm altın wire bondlar ile yapılması öngörülmüş; bütün yapılan tasarım çalışmalarında simülasyonlara bu altın tellerin indüktif, kapasitif ve resistif efektleri eklenmiştir. Serim çalışması, komponentler ve çip transistörler optimum yerleşim planı ile tasarlanmıştır. Transistörlerin büyük işaret modellemeleri üretici firmadan tedarik edilmiş; sınıf seçimi, kararlılık devresi ve harmonik simülasyonlar bu modelleme ile simüle edilmiştir. Tasarlanan güç yükselteç modülü 10x6 mm boyutlarındadır. Boyutlar göz önüne alındığında, alternatif tasarım seçeneği MMIC teknolojisidir; ancak GaN tabanlı bir yonga plakasının maliyeti bizim çözümümüzden önemli ölçüde daha pahalıdır. Serim tasarımının EM simülasyonunda elde edilen sonuçlar ile kullanılan komponentlerin ideal olmayan modellemeleri birlikte simüle edilmiştir. Simülasyonlar sonucu, 3.5 GHz merkez frekansında 0.1 dB kazanç sıkıştırma değerinde 5W çıkış gücü elde edilmiştir. GY modülünün kararlılığı seri dirençlerle sağlanmıştır. Tasarlanan güç yükselteç modülünde, die bonder ve wire bonder makineleri kullanılarak çip transistörlerin baskı devre üzerinde bağlantısı sağlanmıştır. Dizilen paketli komponentler ile modül üretilmiş ve gerçeklenmiştir. Küçük işaret ve büyük işaret ölçüm düzenekleri hazırlanmış ve modül test edilmiştir. Küçük işaret ölçümünde vektör network analizör ile S-parametre verileri ölçülmüş; büyük işaret ölçümlerinde sinyal üreteç ile belirlenen frekanslarda RF güç üretilip GY modününün girişine bağlanmıştır. Yükseltilen güç de spektrum analizörde gözlemlenmiştir. EM simülasyonundaki ızgaraların yoğunluğunun düşük olması ve frekans bandının yeteri kadar yüksek isabetle taranmaması sebebiyle oluşan hatalar ölçümlerle farklı sonuç vermiştir. Yapılan ölçümlerde tasarlanmış güç yükselteç modülünün uyumlama devrelerinin kaydığı ve merkez frekansın 3.5 GHz'den 3.1 GHz bandına yaklaştığı gözlemlenmiştir. Frekansın kayması sebebiyle büyük işaret ölçümleri 3.4 GHz'de yapılmış; 18,5 dB kazanç, 2W üzerinde çıkış gücü elde edilmiş; %30 verimlilik gözlemlenmiştir. Farklı frekans değerlerinde tasarlanan güç yükselteç modülünün satüre olduğu güç değerleri incelenmiştir. Simülasyonlar, ayarları düzeltilen EM simülasyonları ile tekrarlanmış ve ölçümler ve simülasyon sonuçlarının eşleştiği gözlemlenmiştir.

Özet (Çeviri)

Both commercial and military systems use wireless communication networks. The range of applications is wide, including radar, mobile communications, Wi-Fi, SATCOM and many more. They all have different requirements and different solutions to meet their needs. The development of mobile communications began with 1G in the 1970s, and new generations have found their place in the radio communications market. In 2019, 5G New Radio has started to be expanded worldwide with higher data rate, wider frequency bands, lower latency features. Moreover, there are more frequency bands are available for 5G New Radio. These are called sub-6GHz and mmWave. As the name suggests, the sub-6 GHz frequency bands are below the 6 GHz frequency bands, including the bands of the previous generation. On the other hand, mmWave frequency bands are above 24 GHz. With the goal of low latency, engineers are developing new solutions for the next generation of base stations. One solution is to deploy smaller base stations more frequently than traditional macro base stations. These small cell base stations are called Micro, Pico, Femtocells. As the size of base stations has decreased, the transmitters and receivers of the cells require new technological developments. As the transmitters contain power amplifiers, they are known to dissipate significant amounts of DC power and require appropriate thermal protection. Also, with the increasing demand for small cells, the size of the transmitters must also be considered, along with the nuisance of heat. One of the most important component of the transmitters is power amplifiers. They are the last element of the transmitter before the antenna and amplify the RF power using DC power. In this work, the power amplifier is studied. The size of the power amplifiers play important role for the 5G New Radio small base station cells. Also, due to the size of power amplifiers being small, the power density and thermal conductivity managements are examined. GaN transistors gained popularity over GaAs and Si semiconductor technologies since their thermal conductivity is better and their power density is higher. They are also capable of amplifying higher power levels and have broader bandwidths. For these reasons a compact GaN HEMT power amplifier module is designed to meet the requirements of 5G small cell base stations. For thermal reasons, the efficiency of the power amplifier is crucial. The traditional power amplifiers are divided into classes that is determined by their bias points. These are Class A, Class B, Class C and Class AB. Class A is theoretically the least efficient and Class C is the most efficient. Also, the linearity is important factor in telecommunications because of complex modulation systems. Class A is the most linear and Class C is the least linear of all classes. As a result of this compromise, our power amplifier module operates in Class AB, which balances efficiency and linearity. In this work, a compact two-stage power amplifier module is designed with high gain, high linearity and high efficiency. 2 bare die GaN HEMT transistors are used with 0201 packaged lumped components for matching circuits on a laminate PCB. The PA module measures 10x6 mm. Given these dimensions, the alternative design option is MMIC technology, but the cost of a GaN-based wafer is significantly higher than our solution. A large signal model of the transistor is used and simulated with the EM co-simulation. The simulations are resulted as the output power level of 5W with 0.1 dB gain compression at the center frequency 3.5 GHz. The stability of the PA module is secured with series resistors. The designed power amplifier module is manufactured and implemented with the die transistors and components by using die bonder and wire bonder machines. Small signal and large signal measurement setups are prepared and the device is tested. Due to the mesh settings the designed power amplifiers matching circuits are shifted. 18.5 dB gain is measured with 30% PAE at the output power level of 2W. The simulations are repeated with accurate EM simulations and the results are matched.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    613293

    S bant radar uygulamaları için iki katlı 50 watt GaN HEMT f sınıfı güç kuvvetlendiricisi tasarımı

    Design of two stage 50 watt GaN HEMT class f power amplifier for s band radar applications

    SÜHEYB ABDURRAHMAN BOZDEMİR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. METİN YAZGI

    DOÇ. DR. OĞUZHAN KIZILBEY

  2. Tez No

    517897

    Gan-based robust low-noise amplifier

    Gan tabanlı dayanıklı alçak gürültülü yükselteç

    OĞUZ KAZAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HATİCE ÖZLEM AYDIN ÇİVİ

    DR. FATİH KOÇER

  3. Tez No

    718066

    Simulation and circuit design of an inverter driver with sensorless field oriented control for a PMSM used in compressor

    PMSM kullanılan kompresör için ve algılayıcısız alan yönlendirmeli kontrol kullanılan evrici sürücünün benzetim ve devre tasarımı

    TOLGA ODABAŞI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. LALE ERGENE

  4. Tez No

    421127

    3 LT dizel motorun çift kademeli turboşarj sisteminden tek kademeli turboşarj sistemine dönüştürülmesi

    Investigation and optimization of the engine parameters when switching to single turbocharger from bi-turbocharger in the 3L V6 engine

    VEYSEL TEKÇE

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. HİKMET ARSLAN

  5. Tez No

    887780

    İnsan gen yolaklarında ikâme modelleme ve makine öğrenmesi kullanarak varyant analizi

    Variant analysis in human gene networks using surrogate modelling and machine learning

    FURKAN AYDIN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilgisayar Bilimleri Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ SÜHA TUNA

Geri Dön