Geri Dön

Performance assessment of nonlinear active devices to design broadband microwave power amplifiers via virtual gain optimization

Doğrusal olmayan aktif elemanların performans analizi ve sanal kazanç optimizasyonuyla genişbandlı mikrodalga güç kuvvetlendiricisi tasarımı

PDF İndir

  1. Tez No: 837056
  2. Yazar: SEDAT KILINÇ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. İSMAİL SERDAR ÖZOĞUZ, PROF. DR. BEKİR SIDDIK BİNBOĞA YARMAN
  4. Tez Türü: Doktora
  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: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 122

Özet

Bu çalışmada, geniş-bandlı mikrodalga güç kuvvetlendiricilerinin tasarımında kullanmak üzere geliştirilmiş olan bir dizi orjinal yöntem sunulmaktadır. Güç kuvvetlendiricileri, kablosuz iletişim sistemlerinde temel devre blokları arasında yer almaktadır. Bir güç kuvvetlendiricisinin temel görevi, iletilmek istenen bilgiyi barındıran taşıyıcı elektromanyetik dalgayı, antenden gönderilmeden önce son defa kuvvetlendirerek yeterli seviyeye yükseltmektir. Sivil ve askeri kablosuz haberleşme sistemlerinin yanı sıra, radar uygulamaları, medikal mikrodalga ısıtma ve görüntüleme uygulamaları da elektromanyetik dalgaların yayınımı prensibine dayandığı için güç kuvvetlendiricilerinin kullanım alanları olarak gösterilebilir. Günümüzde popüler ticari haberleşme sistemleri olan 5G, 6G, wi-fi vb. sistemler de güç kuvvetlendiricilerinin önemli bir pazarını oluşturmaktadır. Yapay uydular ve uzay sondalarındaki kablosuz sistemler de mikrodalga güç kuvvetlendiricilerinin uzay araştırmalarında ve uzay teknolojilerindeki kullanım alanlarına örnek verilebilir. Tüm bu mevcut ve gelişmekte olan farklı kablosuz haberleşme sistemleri, yeni modülasyon türleri ve kullanılan farklı frekans bandları, farklı özelliklerde güç kuvvetlendiricilerinin geliştirilmesine ihtiyaç duymaktadır. Bu durum da, mikrodalga mühendisleri için güç kuvvetlendiricisi tasarımı üzerine yapılan çalışmaları cazip hale getirmektedir. Pratik anlamda, güç kuvvetlendiricisi tasarım süreci, güç kazancı, çıkış gücü, verimlilik, band-genişliği gibi hedeflenen tasarım parametreleri dikkate alınarak, kuvvetlendiricide kullanılacak güç transistörünün seçilmesiyle başlar. Tasarımda kullanılacak aktif eleman yani güç transistörü seçildiğinde, giriş ve çıkış uyumlaştırmasının uygun biçimde yapılabilmesi için aktif elemanın doğrusal olmayan davranışının karakterize edilmesi gereklidir. Günümüzde, katı-hal güç kuvvetlendiricisi tasarımında yüksek güç ve yüksek band genişliği sağlama kapasiteleri nedeniyle Galyum-Nitrür (GaN) transistörlerin kullanılması yaygın bir uygulamadır. Ayrıca, çeşitli amaçlarla farklı dalga boylarındaki haberleşme sistemlerini bir arada bulunduran sistemler için geniş-bandlı güç kuvvetlendiricisi tasarımı önem arz eden bir araştırma konusudur. Bununla birlikte, verici sistemin en çok güç tüketen birimi olduğundan, güç kuvvetlendiricisinin kazancının ve veriminin de geniş bir frekans bandı boyunca olabildiğince yüksek olması hedeflenir. Aktif elemanın doğrusal olmayan davranışı, genellikle çeşitli tekniklerle modellenerek bilgisayar destekli tasarım ortamlarına aktarılır. Böylelikle kuvvetlendirici tasarımı yaparken, istenilen elektriksel giriş, çıkış ve kutuplama şartları içerisinde kuvvetlendiricinin çalışması analiz edilir. Yani bilgisayar benzeşimleri ile tasarım süreci ilerler. Aktif elemanların son derece doğrusal olmayan davranışı nedeniyle, istenen özelliklere sahip kuvvetlendiricinin tasarımı, diğer bir ifadeyle, uygun giriş ve çıkış uyumlaşım devrelerinin elde edilmesi, yalnızca devre teorisi eşitlikleriyle mümkün olamamaktadır. Bu nedenle, günümüzde güç kuvvetlendiricisi tasarlarken, genellikle kaynak-çekme ve yük-çekme adı verilen teknikler kullanılır. Şöyle ki, belirli çalışma koşullarında tranzistor için uygun kaynak tarafı ve yük tarafı sonlandırma empedansları tespit edilir. Bu işlem, cihazı çeşitli empedans değerleri ile sonlandırarak ve her sonlandırma empedans değerinde kazanç ve verimlilik gibi önceden belirlenmiş performans kriterlerini ölçerek gerçekleştirilir. Sonlandırma empedanslarının gerçel ve sanal kısımları, optimum kaynak ve yük empedanslarını bulmak için Smith Abağı üzerindeki belirli bir empedans bölgesinde taranır, her bir tarama adımında transistörün çıkış gücü, kazancı, verimi vs. kaydedilir. Bu işlem farklı frekanslarda tekrarlanarak her bir frekans değeri için optimum kaynak/yük-çekme empedansı tespit edilir. Kaynak/Yük-çekme işlemi, laboratuvarda ölçüm ekipmanları ile yapıldığı gibi aktif elemanın modelinin kullanarak bilgisayar benzeşimleriyle de yapılabilir. Ayrıca belirli frekanslardaki optimum kaynak/yük çekme verileri, üretici firmalar tarafından elemanların kataloğunda da genellikle verilmektedir. Ölçülen kaynak/yük-çekme empedans verileri yardımıyla band genişliği dar olan bir güç kuvvetlendiricisinin tasarımı kompleks eşlenikle uyumlama metodlarıyla kolayca yapılabilir. Ancak, band-genişliği artarsa tasarım görevi zorlaşır. Geniş bandlı bir tasarım için, ilgilenilen frekans bandı içerisindeki güç kuvvetlendiricisi performansını optimize etmek amacıyla yeterince çok sayıda ayrık frekansta kaynak/yük-çekme empedans verilerini belirlememiz gerekir. Ardından, giriş uyumlama devresi ve çıkış uyumlama devresinin kaynak/yük-çekme empedans değerleri gözetilerek tasarlanması gerekmektedir. Bu amaçla tasarımcılar genellikle bir takım uyumlaşım devre topolojileri veya önceden tanımlı analitik devre fonksiyonları seçerler. Ardından fonksiyonun parametrelerini veya devrelerdeki kapasite, bobin, iletim hattı gibi pasif elemanların değerlerini hesaplar ve optimize ederler. Böylelikle ilgili kaynak/yük-çekme empedans veri setine uyan ya da empedans değerlerine olası en yakın sonucu veren eleman değerlerinin saptanması amaçlanır. Bu aşamada belirtmek gerekir ki çeşitli kuvvetlendirici parametrelerini optimize etmek üzere elde edilmiş olan ayrık kaynak/yük-çekme empedansları, istenilen bir frekans bandı boyunca gerçeklenebilir devre fonksiyonlarına karşı gelen değerler olmayabilir yani pozitif reel fonksiyonları tanımlamayabilir. Bu nedenle çalışmamızda, verilen kaynak/yük-çekme datasının belirli bir frekans bandı içerisinde pozitif reel fonksiyon olup olmadığını belirlemek için bir test prosedürü geliştirilmiştir. Daha sonra da verilen ayrık empedans datasını, devre topolojisinden bağımsız olarak gerçeklenebilir devre fonksiyonu şeklinde modellenmesni sağlayan orjinal bir yöntem önerilmiştir. Gerçel Frekans Çizgisel Hat tekniğine dayanan bu yöntem ile, verilen kaynak/yük empedansının performans analizi de yapılabilmektedir. Şöyle ki, eğer kullanılan kaynak/yük-çekme verisi gerçeklenebilir bir devre fonksiyonuna karşılık gelmiyorsa, bu veriye ilişkin kazanç-band genişliği analizi yapılarak uyumlaşım için ey iyi sonuç, diğer bir ifadeyle, band içerisinde güç aktarım seviyesi en yüksek olan çözüm elde edilebilmektedir. Böylelikle, bu tekniğin kaynak-çekme empedansına uygulanmasıyla aktif elemanın bir sinyal kaynağından güç çekme performansı tespit edilebilir. Benzer şekilde yük-çekme datasının analizi ile de aktif elemanın çıkışındaki yüke güç aktarım sınırları belirlenebilir. Bu sınırları nicel olarak ifade etmek amacıyla, çalışmada“Güç Performans Ürünü (Power, Performance Product PPP)”adı verilen yeni bir metrik tanımlaması yapılmıştır. Bu metrik ile verilen bir kaynak/yük-çekme veri seti ile, ilgili aktif elemanın istenen frekans band içerisinde kullanışlı olup olmayacağı pratik olarak analiz edilmektedir. Öyle ki Güç Performans Ürünü ifadesinin 25%'ten düşük çıkması durumunda, transistöre aktarılan ve transistörden çekilmesi istenen gücün yarıdan fazlasının aktarılamadığı, ziyan olduğu anlamına gelmektedir. Bu durumda, ilgili tranzistörün ilgili frekans bandı için kullanışsız olduğu ve değiştirilmesi gerektiği sonucu çıkarılabilir. Çalışmada önerilen, en yüksek kazanç seviyesine ulaşmayı ve en-başarılı gerçeklenebilir kaynak/yük empedanslarını tespit etmeyi sağlayan orjinal ve kullanışlı yöntem“Sanal Kazanç Optimizasyonu”olarak adlandırılmıştır. Bu yöntemin minimize edilmek istenen hata fonksiyonunu daima yakınsak biçimde global minimuma götürdüğü ve böylelikle ilgili aktif eleman için optimum-gerçeklenebilir kaynak/yük empedanslarının tespit edildiği gösterilmiştir. Nümerik olarak üretilen gerçeklenebilir kaynak ve yük empedansları analitik olarak modellenmektedir. Sonuç olarak, bu empedanslar optimum giriş ve çıkış uyumlaştırma devre topolojilerini elde etmek amacıyla Darlington Sentezi kullanılarak sentezlenir. ticari olarak temin edilebilen bir GaN mikrodalga tranzistörünün verilen kaynak/yük-çekme verileri kullanılarak geniş bandlı, yüksek kazançlı ve verimli güç kuvvetlendiricisi tasarımları örnek olarak sunulmuştur. Tasarım örneği olarak, CGH40010 GaN tranzistörü kullanılmış ve bu elemanın kataloğunda yer alan kaynak/yük-çekme verilerinin gerçeklenebilirliği test edilmiştir. Daha sonra bu veriler önerilen sanal kazanç optimizasyonu yöntemiyle modellenmiştir. 0.8-3.0GHz band aralığında kazanç-band genişliği analizi de yapılarak, band içerisindeki minimum değeri en yüksek kazanç seviyesine sahip çözüm üzrinden başarılı bir tasarım yapılmıştır. İdeal pasif devre elemanlarından oluşan uyumlaşım devreleri, pratik üretime uygun olarak kısmen mikroşerit hatlara dönüştürülmüşür. Tasarlanan güç kuvvetlendiricisi, çalışma bandı boyunca 38.8dBm'den 40.05dBm'e değişen çıkış gücü, 49%'dan 70.6%'ya değişen güç-ekli verim ve TPG=11.4±0.6 dB kazanç başarımı sağlamaktadır. Bir diğer örnekte de, olası kararlılık elemanları, bağlantı hatları, DC bağlaşım kapasiteleri, transiztörün kaynak/yük empedans verisi ile birlikte kurgusal bir uyumlaşım problemi tanımlanmış ve bu problem çözülerek tasarım yapılmıştır. Bu tasarımda uyumlaşım elemanları, kaskad bağlı eş-uzunluklu iletim hatları olarak sentezlenmiştir. Ortalama kazanç 11.5dB, çıkış gücü 40.5 dBm ve ortalama savak verimi 61.7% olacak şekilde 500 MHz-3 GHz band aralığında tasarlanmıştır.

Özet (Çeviri)

In this thesis, we proposed a structured set of sequential procedures to design broadband microwave power amplifiers. A power amplifier is a major building block in transceivers for wireless communications. The output stage of a transmitter, amplifies the modulated electrical signal over a power amplifier connected to an antenna. To design solid-state microwave power amplifiers, active devices such as radio frequency (RF) power transistors are used. Nowadays, it is a common practice to employ Gallium Nitrate (GaN) transistors in RF power amplifier designs due to their high electron mobility and high-power delivering capacity. In practice, power amplifier design process starts with careful selection of the power transistor considering the design parameters such as the required output signal power to be delivered, drain/power-added efficiency of the amplifier, transducer power gain over the specified bandwidth, etc. Once the power transistor is selected, its nonlinear behavior is characterized by determining the optimum source-pull (SP) and load-pull (LP) impedances to design an RF power amplifier for optimum gain and efficiency. As they are obtained, these impedances may not be realizable network functions over the desired frequency band to yield the input and the output matching networks for the amplifier. Therefore, in this thesis, first, we introduce a new method to test if a given impedance is realizable. Then, a novel“Real Frequency Line Segment Technique”based numerical procedure is introduced to assess the gain-bandwidth limitations of the given source and load impedances, which in turn results in the ultimate RF power-intake and power-delivery capacity of the amplifier. During the numerical performance assessment process, a robust tool called“Virtual Gain Optimization”is presented. In the course of performance assessment process, a new definition called“Power-Performance-Product”is introduced to measure the quality of an active device. Examples are presented to test the realizability of the given source/load-pull data and to assess the gain-bandwidth limitations of the given source/load-pull impedances for a 45W-GaN power transistor, over 0.8-3.8 GHz bandwidth. In the second part of the thesis, we present the actual design and implementation of the novel methods in a sequential manner. As the result of the proposed methods, firstly, the power-intake and power-delivery capacity of the active device are assessed for a 10W-GaN power transistor over 800 MHz-3.0 GHz bandwidth. We determined the optimum realizable source and load impedance data via the virtual gain optimization. Then, the optimum source and load impedance data is modelled as realizable network functions. Generated realizable network functions are synthesized using the Darlington synthesis which in turn yields optimum input and output matching network topologies with component values. Eventually, the designed power amplifier is manufactured. It is shown that the computed and the measured performance of the amplifier agrees within acceptable limits. Hence, we obtained an avaragre of 10 Watts output power with 11.4±0.6 dB gain and 49% to 76 % power added efficiency. In the third part, we introduce a new matching concept, so-called Virtual or interchangebly Fictitious Matching (FM), which may be defined between the artificially generated non-Foster passive immittances, over a lossless equalizer [E]. These immittances may not necessarily belong to physical devices, rather, they are fabricated like a source-pull or load-pull impedances to maximize the gain, the output power, the efficiency, and to minimize the output harmonics of the nonlinear-active device under consideration. In Fictitious Matching problems, equilezer [E] is constructed between the virtually produced generator immittance data K_GF and the load immittance data K_LF to optimize the power transfer in the passband. In this regard, [E] is described by means of its back-end driving point input immittance in Darlington sense, and it is determined as the outcome of the optimization process. The input and the output impedances are synthesized as commensurate transmission lines as they are cascaded. It is demonstrated that the new concept of virtual matching can be utilized to build broadband power amplifiers. In this part, solving virtual matching problem successively, the input and the output matching networks of a power amplifier are designed over 500 MHz-3 GHz with the average gain of 11.5dB, the output power of 40.5 dBm, and an average drain efficiency of 61.7%.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    323897

    Kurşun ekstrüzyon sönümleyicinin çelik bir birleşimin davranışına etkisi

    The effect of the lead extrusion damper on the behaviour of a steel beam-column connection

    MUSTAFA KOÇAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ERCAN YÜKSEL

  2. Tez No

    384919

    Mevcut yüksek katlı betonarme binaların hasar görebilirliğinin kırılganlık eğrileri yardımıyla belirlenmesi

    Evaluate damage potential with fragility curves for existing high rise R.C. Building

    HÜSEYİN KEMAL DAL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BEYZA TAŞKIN AKGÜL

  3. Tez No

    421209

    Klasik ve alternatif titreşim yutucuların incelenmesi

    Investigating the classical and alternative vibration absorbers

    RIDVAN DOĞRU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KENAN YÜCE ŞANLITÜRK

  4. Tez No

    439560

    2011 Van depreminden etkilenmiş bir yapının farklı kabullerle deprem güvenliğinin belirlenmesi ve karşılaştırılması

    Seismic performance evaluation with different assumptions and comparison of a real building which was exposed to 2011 Van earthquake

    EBRU TOY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATMA GÜLTEN GÜLAY

    YRD. DOÇ. DR. İHSAN ENGİN BAL

  5. Tez No

    731344

    Nonlinear performance assessment of rc buildings based on displacement design by implementing tsc2018 with comparison to the eurocode

    Betonarme binaların şekildeğiştirmeye dayalı doğrusal olmayan performans değerlendirmesinin tbdy2018 ve ec8 ile karışlaştırmalı olarak gereçekleştirilmesi

    AROVA KONAK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    İnşaat MühendisliğiDicle Üniversitesi

    Yapı Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. İDRİS BEDİRHANOĞLU

Geri Dön