Multi-purpose reconfigurable impedance matching network designs and antenna applications
Çok amaçlı ayarlanabilir empedans uyumlama devresi tasarımları ve anten uygulamaları
- Tez No: 843864
- Danışmanlar: DOÇ. DR. METİN YAZGI, DOÇ. DR. TAYFUN NESİMOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 153
Özet
Günümüz radyo frekans iletişim önkatları yeni iletişim standartlarının gerektirdiği frekans bantlarını kapsayabilmek için birden çok ardışık ve paralel almaç-göndermece ihtiyaç duymaktadır. Ancak, ortaya çıkan yeni iletişim standartlarını kapsayabilmek için daha fazla almaç göndermeç bileşenin kullanılması daha yüksek maliyet, daha büyük baskı devre kartı alanı ve fazladan güç tüketiminin yanında devrelerin hatalı çalışma ihtimalini de artırmaktadır. Ayarlanabilir radyo frekans ve mikrodalga devreleri ardışık ve sıralı konumlandırılmış birden çok almaç-göndermecin sayısının azaltılması yolunda en önemli çözümlerden biridir. Ayarlanabilir bir almaç-göndermeç, klasik önkatların birden çok almaç-göndermeç ile kapsadığı iletişim standartını operasyonel frekans bandını ayarlayarak tek başına kapsayabilir. Ayrıca, ayarlanabilir almaç-göndermeçler, yeni iletişim standartlarına yeniden tasarım ihtiyacı duymadan uyumlanabilir. Ayarlanabilir devre tasarımları sadece maliyetlerin azaltılmasında, devrelerin küçültülmesinde ya da yeni iletişim standartlarının yeni tasarıma ihtiyaç duymadan kapsanmasında değil, dış etkilerden veya devrelerin zarar görmüş kısımlarından dolayı ortaya çıkan performans kayıplarının azaltılmasında da kullanılabilir. Bahsedilen bu avantajları nedeniyle, ayarlanabilir devrelere olan ilgi hem akademik hem de endüstriyel anlamda artmıştır. Geleneksel devre tasarımlarının ayarlanabilir olan uyarlamaları ile değiştirilmesi üzerine akademik çalışmalar yürütülmüş ve yürütülmekte olup, ayarlanabilir devrelerin bazı basit uygulamaları endüstriyel kullanımda yer almaya başlamıştır. Bu devreler arasında tüm önkatlarda kullanılması ile öne çıkan ise empedans uyumlama devreleridir. Tüm radyo frekans ve mikrodalga devrelerin temel bileşeni olarak kullanılmasından dolayı, empedans uyumlama devrelerinin ayarlanabilir olan çeşitleri derinlemesine incelenmelidir. Bu tezde, frekansı ve empedansı ayarlanabilir çok amaçlı özgün empedans uyumlama devrelerinin tasarımları bu devrelerin yapı taşlarının derinlemesine incelemesiyle öne sürülmüştür. Tasarlanan ayarlanabilir empedans uydurma devreleri birçok farklı performans parametresi ile değerlendirilmiştir. Ayarlanabilir empedans uyumlama devrelerinde kullanılacak yapı taşlarından biri olan mikroşerit iletim hatları simülasyon ve ölçümler ile değerlendirilmiştir. Elektromanyetik (EM) simülasyonları ile ölçümler birbirine oldukça yakın sonuç vermiş olup, 0.1 GHz-4.5 GHz frekans bandı içerisinde araya girme kaybı 0.5 dB'den az olmakla beraber, geri dönüş kaybı iletilen sinyalin %1'inden daha azdır. Bu durum radyo frekans sinyalinin oldukça düşük kayıpla iletilebildiğini işaret etmektedir. Ayarlanabilir devreler gerilim ile kontrol edilen birden çok ayarlama elemanı içermektedir. Bu elemanların kontrolü için gerekli DC sinyalini elemanlara ulaştırırken fazladan güç kaybı yaşatmamak için bir DC besleme ağı tasarlanmış ve incelenmiştir. DC besleme ağı kontrol gerilimlerinin birbirine karışmasını önlemek için bir adet DC engelleme kapasitörü, uygun RF toprağı sağlamanın yanında DC güç kaynağı tarafından üretilen parazitik etkileri gidermek için iki adet ayrıştırma kapasitörü ve DC güç kaynağına RF sızıntısını önlemek amacıyla bir adet RF engelleme bobini içermektedir. Kullanılan bu devre elemanlarının değerleri çalışma frekans bantı dikkate alınarak seçilmiştir. Şematik, EM ortak simülasyonları ve ölçümler tasarlanan DC besleme ağının araya girme kaybının 0.25 dB'den ve geri dönüş kaybının ise -20 dB'den az olduğunu göstermiştir. Ayrıca, DC güç kaynağı tarafındaki girişin RF iletim hattından izolasyonunun -30dB'den daha iyi olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca, ayarlanabilir empedans uydurma devresinde kullanılan ayarlama elemanlarının sınır değeri olan 8V gerilim altında tasarlanan besleme ağı, tam DC engelleme performansına ulaşmıştır. Bu sayede DC gerilime hassas olan devre elemanları birbirlerinden bağımsız şekilde kontrol edilebilecektir. Yapı taşlarından sonuncusu olan“aşırı ani”varaktör diyotlar analitik hesaplamalar, simülasyonlar ve ölçümlerle derinlemesine incelenmiştir. DC gerilim değişimine geleneksel“ani”varaktör diyotlara göre çok daha hassas olmasından dolayı“aşırı ani”varaktör diyotların eş değer devre modelleri daha tutarsızdır. Daha doğru eş değer devre modeli oluşturabilmek için varaktör diyotlar farklı koşullarda incelenmiştir. İlk olarak varaktör diyotlar düşük frekansta öz rezonans frekans değerinden olabildiğince uzakta olacak şekilde değerlendirilmiştir. Düşük frekans ölçümleri ile uygulanan ters besleme gerilimine göre kapasitans değerinin değişim eğimini gösteren derecelendirme faktörü ve kapasitans değişim oranı için ölçüm sonuçlarına dayanan düzeltmeler önerilmiştir. Yüksek frekans incelemesi ile varaktör diyotların öz rezonans frekansı farklı gerilim değerleri altında belirlenmiş, belirlenen bu frekans değerleri ile paketlemeden doğan parazitik değerleri eş değer devre modelinde kullanılmıştır. Son olarak varaktör diyotların çok amaçlı ayarlanabilir empedans uydurma devresi için kullanılabilirliğini değerlendirmek için kalite faktörü ile birlikte araya girme kayıpları belirlenmiştir. Varaktör diyotların kalite faktörü üzerlerine uygulanan ters besleme gerilimi ile birlikte artmakla beraber 50 MHz frekansta 1100'a ulaşmıştır. Araya girme kaybı ise 0.1 GHz - 5 GHz frekans bandında 0.35 dB olarak belirlenmiştir. Hem kalite faktörü hem de araya girme kaybı ölçümleri bu varaktör diyotların ayarlanabilir uyumlama devresi için gerekli beklentileri karşıladığını göstermiştir. Yapı taşlarının incelenmesinden ve ölçüme dayanan devre modellerinin oluşturulmasından sonra ayarlanabilir empedans uydurma devresi varaktörlerin parazitik değerilerini içerecek ve içermeyecek şekilde analitik olarak sentezlenmiştir. Sentezlenen bu ilk devre daha sonra kalite faktörünü yükseltmek amacıyla seri kolunda daha az devre elemanı barındıracak şekilde geliştirilmiş olarak tekrar tasarlanmıştır. Geliştirilmiş bu devrenin, ilk devredeki gibi parazitiklerin devre sentezinde entegre edildiği ve edilmediği olmak üzere iki faklı versiyonu mevcuttur. Tasarlanan bu dört empedans uydurma devresi ilk olarak araya girme kayıplarına göre değerlendirilmiştir. Bu değerlendirmeler şematik ve EM ortak simülasyonları ile birlikte ölçüm sonuçları ile yapılmıştır. Şematik simülasyonları ilk tasarıma sahip empedans uydurma devrelerinin ölçüm sonuçlarını tahmin etmede daha başarılı iken, geliştirilmiş empedans uydurma devresinin ölçüm sonuçlarını ön görme konusunda EM ortak simülasyonları daha başarılı olmuştur. Ölçüm sonuçlarına göre hem ilk hem de geliştirilmiş tasarımların paratizikler değerlendirilerek oluşturulmuş versiyonları 1.5 dB'nin altında araya girme kaybı gösterirken, parazitiklerin içerilmediği versiyonlarda araya girme kaybı 2.5 dB'nin altındadır. Smith abağı empedans kapsamını sağlama konusunda belirleyici olan kalite faktörünün nitelendirilmesi ile empedans uydurma devrelerinin incelemesine devam edilmiştir. EM ortak simülasyonları ölçüm sonuçlarına yakınsama anlamında şematik simülasyonlardan daha iyi sonuçlar göstermiştir. Empedans uydurma devrelerinin hem ilk hem de geliştirilmiş tasarımlarında parazitik değerlendirmesinin kalite faktörü üzerinde iyileştirici etkisi olduğu açıkça görülmüştür. Bu durum, doğru devre sentezinin devrenin seri kollarındaki devre elemanı sayısını azaltmaktan daha önemli olduğu sonucunun çıkartılmasına katkı sağlamıştır. Ancak, seri kollardaki devre elemanı sayısını azaltmanın da devrenin kalite faktörünü arttırmaktaki etkisi halen mevcuttur. En yüksek kalite faktörü 70 değeriyle iyileştirilmiş tasarımın parazitikleri hesaba katılarak oluşturulmuş versiyonunda elde edilmiştir. Empedans uydurma devrelerinin doğrusal olmayan davranışları 1-dB sıkıştırma noktalarının ölçümü ile elde edilmiştir. Ölçüm düzeneği bir ön yükseltecin ayarlanabilir empedans devrelerinin girişine bağlanması ile oluşturulmuştur. Ön yükseltecin 1-dB sıkıştırma noktasına ulaşmadığından emin olunduktan sonra, ölçüm düzeneğinin bir bütün olarak gözlenen 1-dB sıkıştırma değeri empedans uydurma devrelerinin 1-dB sıkıştırma değerini vermiştir. İlk tasarımın hem parazitikleri hesaba katarak hem de katmayarak oluşturulan versiyonları 24.5±0.2 dBm olmak üzere neredeyse eşit sonuçlar vermiştir. En düşük 1-dB sıkıştırma değeri geliştirilmiş tasarımın parazitikler hesaba katılmadığı versiyonunda 23.5 dBm olarak gözlenirken en yüksek değer geliştirilmiş devrenin parazitiklerin hesaba katıldığı versiyonunda 25.8 dBm olarak gözlemlenmiştir. Ayarlanabilir empedans uydurma devrelerinin simülasyon ve ölçümlerinde son olarak Smith abağı kapsamı değerlendirilmiştir. Empedans kapsamının ölçülebilmesi için devrede kullanılan ayarlanabilir devre elemanlarının 0V'tan 8V'a kadar 0.2V aralıklarla kontrolü ile oluşturulabilecek tüm kombinasyonlardaki değerleri elde edilmiştir. Şematik simülasyonlar EM ortak simülasyonlarına göre ölçüm sonuçlarına daha yakın tahmin sunmuştur. Ölçülen Smith abağı kapsamının kalite faktörü ile aynı doğrultuda olması, tasarım ile ilgili dikkat edilen noktaların son noktada kanıtlanmasını sağlamıştır. En yüksek Smith abağı kapsaması geliştirilmiş tasarımın parazitiklerin devre sentezine katıldığı versiyonunda elde edilmiştir. Bu tasarım 0.9 GHz ve 2.2 GHz frekans bandı arasında en az % 50 Smith abağı empedans kapsaması sunmaktadır. Tasarlanan ayarlanabilir empedans uyumlama devresinin literatürdeki diğer çalışmalar ile karşılaştırmasında frekans ayarlama, doğrusal olmayan davranış, araya girme kaybı ve gürültü cevabı parametreleri değerlendirildiğinde daha iyi performansa sahip olduğu görülmüştür. Bu geliştirme, gelişmiş ayarlama elemanları için doğru devre modellerinin kullanılması ve detaylı devre sentezi ile elde edilmiştir. Diğer ayarlanabilir empedans uydurma devreleri ile karşılaştırıldığında en iyi performansa sahip olan geliştirmiş empedans uydurma devresi tasarımın parazitikler hesaba katılarak oluşturulmuş versiyonu antenlerde ortaya çıkan empedans değişimlerini gidermek için kullanılmıştır. 50 Ω giriş empedansına sahip bir yama antenin serbest uzay koşullarında simülasyon ve ölçüm sonuçları elde edilmiştir. Daha sonra bir insan kafasına yaklaştırıldığında antenin giriş empedansındaki değişim hem simülasyon hem de ölçüm sonuçlarında elde edilmiştir. Anten giriş empedansı insan kafasına yaklaştığında artık 50 Ω değerine sahip olmadığı gözlemlenmiştir. Bu durumda antene bağlı almaç göndermeç iletişimi sağlayabilmek için serbest uzay koşullarında olduğundan daha fazla güç tüketmek zorundadır. Ancak, tasarlanan ayarlanabilir empedans uydurma devresi sayesinde giriş empedans değeri tekrar 50 Ω değerine uyumlanabilmiştir. Bu sayede daha verimli güç iletimi sağlanmıştır. Bununla birlikte, belirtilen antene merkez frekansını ayarlayabilme yetkinliği ayarlanabilir empedans uydurma devresi ile kazandırılmıştır.
Özet (Çeviri)
Modern radio frequency communication front-ends utilize multiple parallel and cascaded transceivers to accommodate new communication standards that require additional frequency band allocations. However, the utilization of more and more transceiver modules to accommodate emerging communication standards results in higher costs, additional power consumption, larger circuit board sizes, and an increased probability of failure. Reconfigurable radio frequency circuits have become a promising solution to eliminate the deployment of multiple transceivers. A reconfigurable transceiver can cover multiple communication standards by changing its operational frequency that conventional front-ends require numerous transceivers. Also, reconfigurable transceivers can be configured with new communication standards without necessitating new transceiver designs. The use of reconfigurable circuit designs is not only advantageous in terms of reducing costs, board sizes, and enabling versatility in the utilization of new standards but also performance deviations caused by external effects and damaged parts of the circuits can be compensated. Owing to the mentioned advantages, interest in reconfigurable circuits has increased gradually both in academia and industry. The replacement of conventional circuits with reconfigurable versions has been studied in literature and basic implementations have been utilized by the industry over the years. One of these circuits which is used in all front-ends is impedance matching networks. Since impedance matching networks are at the core of all radio frequency and microwave circuit designs, reconfigurable versions have to be deeply investigated. In this thesis, novel frequency and load-tunable multi-purpose reconfigurable impedance matching network designs are proposed by starting from their building blocks and designed networks are evaluated in terms of various performance metrics. Microstrip transmission lines that are used in the reconfigurable impedance matching networks are simulated and measured first. Electromagnetic (EM) simulations and measurements are in good agreement and indicate less than 0.5 dB insertion loss with less than 1% signal power reflection inside the 0.1 GHz-4.5 GHz frequency band. Since the reconfigurable networks include tuning elements that have to be properly controlled without introducing additional power loss, a DC bias network is designedand examined. The bias network includes a DC blocking capacitor, two decoupling capacitors, and an RF choke inductor. Component values are calculated by considering operational frequency. Schematic, EM Co-simulations, and measurements revealed that insertion loss of the bias network is less than 0.25 dB with -20 dB return loss at the input and -30 dB isolation at the DC port. Also, the designed bias network achieves complete DC blocking performance under 8 V which is the control voltage limit of the tuning components. In this way, tunable circuit elements that are sensitive to DC voltage change can be controlled independently from each other. As a final building block, hyperabrupt varactor diodes are examined with analytical calculations, simulations, and measurements. Since hyper-abrupt varactor diodes are more sensitive to DC bias voltage than conventional abrupt varactor diodes, their equivalent circuit models are less accurate. In order to construct a more accurate measurement-based model, first, the low-frequency response of the varactor diodes is examined. The grading factor and capacitive tuning ratio of the varactor diode are corrected according to measurement results. High frequency response of the varactor diode demonstrates self resonance frequency which is used for revision of package parasitics. Finally, the varactor diode's Q-factor and insertion loss are obtained to evaluate applicability on the desired multi-purpose reconfigurable impedance matching network. The Q-factor of the varactor diode increases with the applied reverse bias voltages and reaches to 1100 at 50 MHz. Insertion loss is less than 0.35 dB between 0.1 GHz and 5 GHz. Both the Q-factor and insertion measurements reveal that the selected varactor diode suits expectations on the tuning element well. After examining building blocks, and constructing measurement-based circuit models, a reconfigurable impedance matching network is analytically synthesized with and without including varactor diode parasitics. The initial design is then modified to reach a better Q-factor which includes fewer components on the series branch of the circuit.A modified design is also synthesized with and without parasitic injection. First, designed matching networks are examined in terms of insertion loss with schematic, EM Co-simulations, and measurements. Schematic simulations provide better estimation for measurement results in initial designs whereas EM Co-simulations are in better agreement with measurements for modified designs. The initial and modified designs with parasitic injection have less than 1.5 dB insertion loss and less than 2.5 dB insertion loss without parasitic injection inside the operational frequency band. Then evaluations are continued with the Q-factor which is the key indicator of broad Smith-chart impedance coverage. EM Co-simulations show better performance in terms of estimating measurement results compared to schematic simulations. Measurement results demonstrate Q-factor of the parasitic injected designs have a higher Q-factor than those without parasitic injection. This reveals that proper circuit synthesis is more important than reducing the number of components in series branches to obtain a higher Q-factor. However, reducing components in series branches still contributes to obtaining a higher Q-factor. The highest Q-factor is obtained on the modified design with parasitic injection with 70. The nonlinear behavior of impedance matching networks is also evaluated by determining output 1-dB compression points. A measurement set-up is constructed by using a preamplifier and the output of the amplifier is connected to matching networks. Measured results reveal that initial designs have almost the same 1-dB output compression point around 24.5±0.2 dBm, where the modified design with parasitic injection reaches the highest with 25.8 dBm and without parasitic injection has the lowest value with 23.5 dBm. Finally, Smith-chart impedance coverage of each matching network is examined with simulations and measurements. In order to measure the impedance coverage, an algorithm is proposed that measures the input impedance of matching networks under every possible combination of varactor diode reverse bias voltage from 0 V to 8 V with 0.2 V steps. Schematic simulations are in better agreement with the measurement results. Q-factor measurement results are aligned with the Smith-chart coverage which verifies the design concerns. The highest impedance coverage is obtained with the parasitic injected modified design which provides at least 50 % impedance coverage between 0.9 GHz and 2.2 GHz. Comparison with similar works reveals that the designed reconfigurable impedance matching network has superior performance in terms of frequency tunability, nonlinearity, insertion loss, and noise figure. This improvement is achieved by using a proper circuit model for enhanced tuning elements and detailed circuit synthesis. The modified design with parasitic injection which has the best performance among the other designs is used in antenna mismatch compensation. A simple patch antenna matched to 50Ω is simulated and measured in free space. Then, in proximity to the human head, the change in the input impedance of the antenna is observed with simulations and measurements. When the antenna is close to the human head, the input impedance is no longer matched to 50Ω. In that case, the transceiver has to consume more power to ensure communication. However, with the help of the designed matching network, input impedance change is compensated by tuning the input impedance to 50Ω for efficient power transmission. Moreover, a center frequency tuning feature is provided to the antenna with the help of the designed reconfigurable impedance matching network.
Benzer Tezler
- Modern haberleşme sistemleri için çok bandlı ayarlanabilir mikrodalga filtre tasarımı ve iki/üç/dört bandlı band geçiren filtre uygulamaları
Multi-band tunable microwave filter design for modern communication systems and dual/triple/quad band bandpass filter applications
ALİ KÜRŞAD GÖRÜR
Doktora
Türkçe
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiPamukkale ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CEYHUN KARPUZ
- Çok amaçlı FPAA tabanlı sistem geliştirme platformu tasarımı
Design of multi purpose FPAA based system developing board
VOLKAN ONURSOY
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiErciyes ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RECAİ KILIÇ
- Radion pattern reconfigurable horn antenna based on parasitic layer concept
Başlık çevirisi yok
MEHMET TANAĞARDI
- Yeniden yapılandırılabilir hesaplama tabanlı çok kullanıcılı işletim sistemi
Reconfigurable computing based multi-user operating system
TANER GÜVEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolKocaeli ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SUHAP ŞAHİN
- Modular reconfigurable robot module design, construction and control
Modüler yeniden yapılandırılabilir robot modülü tasarımı, üretimi ve kontrolü
ALİ KILIÇ
Doktora
İngilizce
2016
Makine MühendisliğiGaziantep ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SADETTİN KAPUCU