A doherty power amplifier for 5G applications
5G uygulamaları için bir doherty güç yükselteci
- Tez No: 900834
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MEHMET NURİ AKINCI, 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 Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 99
Özet
Yüksek veri hızlarına ve düşük gecikme sürelerine olan ihtiyacın giderek artması, modern iletişim sistemlerini büyük MiMo mimarilerine yöneltmiştir. Bu mimaride, her anten elemanı kendi yükselteç ünitesine ihtiyaç duyar. Daha küçük hücre boyutları ve daha fazla kullanıcı hizmeti, anten elemanlarında, dolayısıyla Güç Yükseltici birimlerinde önemli bir artışa neden olmuştur. Her bir yükselteç güç tüketimi bütçesine önemli bir katkıda bulunur. Bu nedenle hücresel altyapı sistemlerinin Güç Yükselticilerinde verimlilik öncelikli bir konudur. Bu çalışma, n78'in yaygın olarak kullanılan 5G 6 GHz altı bandında bir Doherty PA (DPA) tasarımını göstererek PA verimliliği için mimari bir çözüme odaklanmaktadır. Spektrumu daha verimli kullanmak için, 5G sistemleri yüksek dereceli ve karmaşık modülasyonlar kullanır ve bu da en az 6 dB'lik bir Tepe / Ortalama Güç oranı gerektirir. 6 dB güç geri dönüşlü bir çalışma, geleneksel güç yükselteçlerinin verimlilik performansını önemli ölçüde azaltır. 5G sistem tasarımı, doğrusallık ve verimlilik açısından Güç yükselteçlerine sıkı performans gereksinimleri getirmektedir. 5G sistemindeki OFDM tabanlı modülasyon en az 6 dB tepe-ortalama güç oranı (PAPR) gerektirir; bu nedenle sistem, verimlilik performansını GY'nin maksimum verimlilik sayısına ulaştığı doygunluk seviyesinden 6 dB uzakta tutacak bir güç yükselteçü gerektirir. Doyma verimliliğini artırmak için, transistörün akım kaynağı olarak kullanıldığı geleneksel güç yükselteçlerinde dalga şekli mühendisliği yapılır. Bu teknikler F Sınıfı, ters F Sınıfı, J Sınıfı ve Harmonik Manipülasyon teknikleri olarak sınıflandırılır. Bununla birlikte, bir sistem karmaşık modülasyon şeması kullandığında, çalışması artık doygunluk noktasında değildir. Belirli modülasyon türü için gereken Tepe / Ortalama Güç oranına bağlı olarak PA, doyma noktasından belirli bir dB uzakta çalışacaktır. Verimliliği ve doğrusallığı artırmak için çeşitli teknikler uygulanabilir. Bu tekniklere örnek olarak Doherty PA, Chireix PA, Outphasing PA, Load Modulated Balanced PA, Envelope Tracking ve Bias Modulation verilebilir. Bu teknikler ortalama verimlilik ile doğrusallığı artırır. Farklı sistem gereksinimleri için uyarlanabilir performansı nedeniyle öne çıkan çözümler arasında Doherty yükselteci en iyi yükselteçlerden biridir. Doherty güç yükselteci, AB Sınıfı modunda çalışan bir ana yükselteç ve C Sınıfı modunda çalışan yardımcı yükselteç ile iki yükselteçli bir çözümdür. Bu, Doherty yükseltecin tepe ve ortalama sinyal koşullarında daha yüksek verimliliğe sahip olmasını, bozulmayı azaltmasını ve doğrusallığı artırmasını sağlar. Bu nedenle Doherty güç yükselteci, yüksek PAPR'lı karmaşık modülasyonlu RF sinyallerinin verimli bir şekilde yükseltilmesi için pratik bir çözümdür. Çalışmadaki Doherty güç yükselteci, 5G frekanslarında öncelikli olan n78 5G bandı kullanılarak tasarlanmıştır. Tasarım, 3.6 - 3.8 GHz frekans bandı arasında bir çalışma için optimize edilmiştir. Tasarım sırasında belirlenen GaN HEMT transistörler için uygun besleme değerlerinin bulunabilmesi için DC analizler gerçekleştirilmiştir. Ardından, uygun besleme değerlerine göre yük ve kaynak çekme simülasyonları gerçekleştirilmiş olup optimum yük ve kaynak empedans değerleri belirlenmiştir. Doherty güç yükseltecinin tasarımı sırasında belirlenmesi gereken Doherty tasarım parametresi 0.5 olarak belirlenmiştir. Bu değerin belirlenmesinde hedef OPBO değeri olan 6 dB'den faydalanılmıştır. Önerilen DPA üzerinde bulunan faz kaydırma ve empedans dönüştürme hatları da belirlenen Doherty tasarım parametresine göre Ropt = 50 Ω olarak hesaplanmıştır. Hem belirlenen Ropt değerine göre hem de yük/kaynak çekme analizleri sonucunda elde edilen yük ve kaynak empedans değerlerine göre, öncelikle AB Sınıfı'nda çalışan ana aktif cihaz için giriş ve çıkış uyumlandırma hatları belirlenmiştir. Bunun yanı sıra, yardımcı aktif cihaz için ana yükseltece ait giriş uyumlandırma hattı ile çıkış uyumlandırma hatlarına benzer topolojide uyumlandırma hatları kullanılmıştır. Sonuçta elde edilen ana ve yardımcı güç yükselteçleri topolojileri faz kaydırma ve empedans dönüştürme hatları ile birleştirilmiştir. Ayrıca, OPBO değerinin etkilendiği önemli unsurlardan biri olan giriş güç bölücü devresi, giriş işaretinin gücünü 1.2:1 (ana cihaz:yardımcı cihaz) bölecek şekilde ayarlanmış olup simülasyonlarda en az 6 dB OPBO seviyesinde yardımcı yükseltecin devreye girmesi sağlanmıştır. Tüm bileşenlerin birleştirilmesinden sonra DPA'in üretimi için uygun düzen oluşturulmuş ve DPA gerber dosyaları devre üreticisine gönderilmiştir. Simülasyon programında yapılan elektromanyetik analizlere göre (Method of Moments), iki adet 10W GaN HEMT transistör kullanılarak 43 dBm (20 W) çıkış gücü elde edilmiş ve %73 savak verimliliği elde edilmiştir. Doherty bölgesi 38dBm çıkış gücünde başlar ve bu da 6dB güç geri çekimi ile verimli bir çalışma sağlar. Doherty bölgesinde %53'e varan bir savak verimliliği elde edilmiş ve tüm bant boyunca 10 dB'lik bir kazanç elde edilmiştir. Küçük ve büyük sinyal koşulları altında tüm frekanslarda koşulsuz kararlılık gereksinimi, tasarımın farklı aşamalarında kapsamlı bir analiz gerektirir. Bu çalışmada, birden fazla aktif cihaz bulunan devrelerde kararlılık analizi için, S parametrelerine dayalı olması ve transistörün iç bileşenlerine erişim gerektirmemesi nedeniyle Ohtomo yaklaşımı kullanılmıştır. Ohtomo yaklaşımında Nyquist yöntemi kullanılmıştır. Nyquist yöntemi 10 MHz ile 10 GHz arasındaki frekanslar için uygulanmıştır. Sonuç olarak, önerilen DPA kararlıdır, çünkü 1 + j*0 noktasını çevreleyen döngü kazancı yoktur. Önerilen DPA'nın prototipi üretilmiş ve gerçek zamanlı küçük ve büyük sinyal testleri gerçekleştirilmiştir. Testler sırasında prototip DPA'nın tasarım süresi boyunca sadece hedeflenen frekans aralığı olan 3.6 - 3.8 GHz arasında istenilen kazanç değerlerinde çalışmadığı, yapılan“tuning”işleminden sonra hem eksi değerlerde olan küçük sinyal kazanç değerleri yükseltilmiştir hem de bant genişliği arttırılarak prototip DPA'in 3.2 - 4 GHz frekans aralığında (n77 5G bandı) çalışması sağlanmıştır. Bu frekans aralığında Doherty savak verimliliği karakteristiğinin elde edildiği görülmüştür. Sonuçta prototip DPA üzerinde 10 W GaN HEMT transistörlerden ikisi kullanılarak yapılan testlerde en fazla 41.6 dBm (yaklaşık 15 W) çıkış gücü elde edilmiş ve %67 savak verimliliği elde edilmiştir. Doherty bölgesi 32 - 38.2 dBm çıkış gücünde başlamaktadır ve bu da 0.5 - 7.8 dB OPBO arasında değişen çıkış güçleri ile verimli bir çalışma sağlamaktadır. Doherty bölgesinde, %67'ye varan bir savak verimliliği elde edilmiş ve tüm bant boyunca 3.5 - 7.9 dB arasında bir kazanç elde edilmiştir.
Özet (Çeviri)
The ever-increasing need for high data rates and low latency steered modern communication systems toward massive MiMo architectures. In this architecture, each antenna element requires its amplifier unit. Smaller cell sizes and more user service have forced a significant increase in antenna elements, so the Power Amplifier units. Each amplifier is a substantial contributor to the power consumption budget. Therefore, efficiency is a primary concern in Power Amplifiers of cellular infrastructure systems. This study focuses on an architectural solution for Power Amplifier efficiency by demonstrating a Doherty PA (DPA) design in a widely used 5G sub-6GHz band of n78. This thesis focuses on the efficient RF output power generation of 5G base stations from an architectural perspective. A Doherty Power Amplifier is designed using for n78 5G band that is prioritized for the upcoming deployment. The design is optimized for an operation between the 3.6 - 3.8 GHz frequency band. The output power of 43 dBm (20 W) was obtained by using two of the 10W GaN HEMT transistors and a drain efficiency of 73% was obtained. The Doherty region starts at 38 dBm output power which allows an efficient operation with 6 dB power back off. A drain efficiency of up to 53% was obtained in the Doherty region and a gain of 10 dB is obtained over the entire band. The requirement of unconditional stability at all frequencies under small and large signal conditions demands a thorough analysis at different phases of design. For multi – stage stability analysis, the Ohtomo approach was also utilized in this study, for its convenience of being based on S – parameters and not requiring access to the transistor's internal components. Nyquist method is used in Ohtomo approach. Nyquist method was applied for frequencies between 10 MHz and 10 GHz. As a result, the proposed DPA is stable because there is no loop gain surrounding the 1+ j∗0 point. The prototype of the proposed DPA was fabricated and real-time small and large signal tests were performed. During the tests, it was found that the prototype DPA did not work only in the desired frequency range of 3.6 - 3.8 GHz during the design period, and after the tuning process, Doherty drain efficiency characteristics were obtained in the frequency range of 3.2 - 4 GHz (n77 5G band). Accordingly, The output power of 41.6 dBm (approximately 15 W) was obtained by using two of the 10W GaN HEMT transistors and a drain efficiency of 67% was obtained. The Doherty region starts at 32 - 38.2 dBm output power, allowing an efficient operation with 0.5 - 7.8 dB power back off. A drain efficiency of up to 67 % was obtained in the Doherty region, and a gain of 3.5 - 7.9 dB was obtained over the entire band.
Benzer Tezler
- Optimizing Doherty power amplifier output networks for maximized bandwidth
Doherty güç yükselteci çıkış birleştirme devresi optimizasyonu
SİNAN ALEMDAR
Doktora
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDULLAH ATALAR
- WCDMA uygulamaları için yüksek doğrusallıklı güç kuvvetlendiricisi tasarımı
High linear power amplifier design for WCDMA applications
RAMAZAN ATA
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN PALAMUTÇUOĞULLARI
- Innovative approaches in Doherty amplifier design for higher efficiency and wider frequency bandwidth
Verim arttırımı ve frekans bandı genişletimi için Doherty yükselteci tasarımında yenilikçi yaklaşımlar
NECİP ŞAHAN
Doktora
İngilizce
2013
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞİMŞEK DEMİR
- A highly efficient Doherty power amplifier based on class AB and class C at 2.6 ghz
2,6 GHz?de yüksek verimlilikle çalışan AB sınıfı ve C sınıfı tabanlı Doherty güç yükselticisi
ERHAN KUŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2010
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiDokuz Eylül ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YEŞİM ZORAL
- LTE için geniş bantlı ve yüksek verimlilikli doherty güç yükselteç tasarımı
Başlık çevirisi yok
KAAN KOCA
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEDEF KENT PINAR
DR. ÖĞR. ÜYESİ HÜSEYİN ŞERİF SAVCI