Design of GaN based S-band high linearitypower amplifier
GaN tabanlı S-band yüksek doğrusallıklı güç amplifikatörü tasarımı
- Tez No: 815625
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HAKAN DOĞAN, DR. ÖĞR. ÜYESİ HÜSEYİN ŞERİF SAVCI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Medipol Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği ve Siber Sistemler Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 85
Özet
Bu tez haberleşme sistemlerinin vericilerinde kullanılmak üzere L ve S frekans bantlarındaki uygulamalar için yüksek doğrusallığı, verimliliği, 1dB sıkıştırma noktası (P1dB) ve kazanç seviyesi bakımından ön plana çıkan iki farklı güç amplifikatörü tasarımı içermektedir. İlk olarak 1-4 GHz arası çalışan yüksek güçlü GaN Sınıf AB güç yükselteci tasarlanıp deney sonuçları elde edilmiştir. İkinci olarak yüksek verimliliği ile ön plana çıkan 3.4-3.6 GHz arasında çalışan GaN Doherty Güç Yükselteci (DGY) tasarlanıp simülasyon sonuçları elde edilmiştir. 1-4 GHz arası çalışan yüksek güçlü GaN Sınıf AB güç yükseltici için seçilen transistör modelinin yük çekme simulasyonları sonucunda ideal yük ve kaynak empedans değerleri elde edildi. Bu değerlere göre dağıtılmış LC merdiven uyumlama yapısı kullanılarak giriş ve çıkış uyumlama devreleri kuruldu. Bu yapı sayesinde çalışma bant genişliği arttırıldı. Gate (-2.55 V) ve Drain voltaj (28 V) beslemeleri için öngerilim ağları kuruldu ve GaN Sınıf AB güç yükselteci için şematik ve anahat simülasyonları yapıldı. Bu simülasyonlarda doğrusallık, verimlilik, 1 dB sıkıştırma noktası, çıkış gücü ve kazanç değerleri elde edildi. Simülasyon sonuçları elde edildikten sonra GaN AB sınıfı güç yükseltecinin üretimi yapılıp ölçüm sonuçları alınmıştır. Ayrıca simülasyon sonuçları ve deney sonuçları karşılaştırılmıştır. Deney sonuçlarında 1 GHz de 18.7 dB, 2 GHz de 14.86 dB, 3 GHz de 11.06 dB ve 4 GHz de 4.6 dB kazanç elde edilmiştir. Güç Katma Verimliliği frekans bandı içinde 32.4-50.93% arasında elde edilmiştir ve 1 dB Compression point 37-39.8 dBm arasında elde edilmiştir. DC-20 GHz arasında yapılan small signal analizi sonucunda güç amplifikatörü koşulsuz kararlılık sağladığı görülmektedir. Bu tezin bir diğer çalışması olan 3.4-3.6 GHz frekans aralığında çalışan GaN DGY tasarımı yapılmıştır. Melez bir yapıya sahip olan DGY esas ve yardımcı amplifikatör olmak üzere iki amplifikatör içermektedir. Esas amplifikatör, genellikle AB sınıfı veya B sınıfa göre tasarlanır ve düşük güç seviyelerinde doğrusallık ve verimlilik sağlar. Yardımcı amplifikatör C sınıfına göre tasarlanır ve yüksek giriş gücü seviyelerinde çalışmaya başlar. Bu sayede yüksek verimliliği, doğrusallığı ve yüksek çıkış gücü paremetleri sağlanır. Giriş bağlantı noktasındaki sinyal iki amplifikatöre hibrit kuplör ile dağılır ve amplifikatörlerinin çıkışlarının birleştirilmesiyle çıkış sinyali elde edilir. Yük çekme simülasyon sonuçlarıyla elde edilen kaynak ve yük empedans değerlerine göre uygun uyumlaştırma devreleri sayesinde 3.4-3.6 GHz arası 200 MHz bant genişliğe sahip DPA tasarlandı ve elektromanyetik (EM) simülasyonları yapıldı. Simülasyonlar sonucunda frekans bandı içinde 10-12 dB arasında kazanç ve 40.8-41.5 dBm aralığında çıkış 1 dB sıkıştırma noktası (OP1dB) elde edilmiştir. Ayrıca DPA 77-84% arası verimliliğe sahiptir.
Özet (Çeviri)
This thesis includes two different power amplifier designs that stand out in terms of linearity, efficiency, 1dB compression point (P1dB) and gain level for applications in L and S band frequencies to be used in transmitters of communication systems. First, a high-power GaN Class AB power amplifier operating at 1-4 GHz was designed and experimental results were obtained. Secondly, GaN Doherty Power amplifier (DPA) operating between 3.4-3.6 GHz, which stands out with its high efficiency, was designed and simulation results were obtained. Optimum load and source impedance values were obtained because of load pull simulations of the selected transistor model for the high power 1-4 GHz GaN Class AB Power Amplifier (PA). According to these values, input and output matching networks were established using the Distributed LC ladder matching network structure. Thanks to this structure, the working bandwidth has been increased. Bias networks were established for gate and drain Voltage (28 V) feeding. Schematic and layout simulations were made for GaN Class AB power amplifier. In these simulations, linearity, efficiency, 1 dB compression point, output power and gain results were obtained. After the simulation results, GaN Class AB power amplifier was produced, and experimental measurement results were taken. The simulation results and experimental results were compared. Experimental results show a gain of 18.7 dB at 1 GHz, 14.86 dB at 2 GHz, 11.06 dB at 3 GHz and 4.6 dB at 4 GHz. Power Added Efficiency (PAE) was achieved in the band between 32.4-50.93% and a 1 dB Compression point was achieved between 37-39.8 dBm. As a result of DC-20 GHz small signal analysis, the power amplifier provides unconditional stability. Another study of this thesis, GaN DPA working between 3.4-3.6 GHz has been designed. Having a hybrid structure, DPA includes two amplifiers. These are main (carrier) and peaking (auxiliary) amplifier. The main amplifier is usually designed to Class AB or B, ensuring linearity and efficiency at low power levels. The peaking amplifier is designed to Class C and starts up at high input power levels. In this way, it provides high efficiency, linearity, and high output power parameters. The input signal is distributed to the two amplifiers with a hybrid coupler and the output signal is obtained by combining the outputs of the amplifiers. EM simulations were made for DPA with operating frequency range of 3.4-3.6 GHz, thanks to optimum matching circuits established according to the source and load impedance values obtained with the load pull simulation results. As a result of the simulations, 10-12 dB gain and 40.8-41.5 dBm OP1dB were obtained in the frequency band. In addition, DPA has an efficiency of 77-84%.
Benzer Tezler
- 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
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. METİN YAZGI
DOÇ. DR. OĞUZHAN KIZILBEY
- Çamaşır makinası uygulamasında gan yarı iletkenanahtarlar ile yüksek güç yoğunluklu ve verimlievirici tasarımı
Design of high efficiency and high power densityinverter using gan semiconductors for washing machine
TANER YAZICI
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT YILMAZ
- Design considerations, modeling and characterization of GaN HEMTs and design of high frequency and high power MMIC amplifiers
GaN HEMT yapılarının tasarımı, modellenmesi ve ölçümleri, ve yüksek hızlı ve yüksek güçlü MMIC yükselteçlerin tasarımı
ÖMER CENGİZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN PALAMUTÇUOĞULLARI
- Design and development of X-band GaN-based low-noise amplifiers
X-bant GaN tabanlı düşük gürültülü yükselteç tasarımı ve geliştirilmesi
SALAHUDDIN ZAFAR
Doktora
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKMEL ÖZBAY
- S-band gan based low noise mmic amplifier design and characterization
S-bant gan tabanlı düşük gürültülü yükselteç tasarımı ve karakterizasyonu
MUHİTTİN TAŞCI
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKMEL ÖZBAY