Design of a highly efficient and linear driver power amplifier for 5G applications
5G uygulamaları için yüksek verimli ve dogrusal sürücü güç kuvvetlendiricisi tasarımı
- Tez No: 917106
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MUSTAFA BERKE YELTEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 109
Özet
Kablosuz haberleşme sistemleri iki nokta arasında herhangi bir fiziksel bağlantı olmadan bilgi iletilmesini sağlamaktadır. Bu iletim genellikle radyo frekansı sinyalleri kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Kablosuz haberleşmeyi sağlayan sistemlere ise alıcı, verici veya alıcı-verici denilmektedir. Günümüzde haberleşmeye olan ihtiyaç arttıkça düşük frekanslardaki tayfın tıkanıklığı ve daha hızlı veri iletimi talebi kablosuz haberleşme sistemlerini daha yüksek frekanslarda kullanmaya yönlendirmiştir. Ayrıca, kullanıcı açısından daha kullanılabilir bir frekans tayfı elde etmek için yeni nesil kablosuz haberleşme sistemlerinde ortogonal frekans bölmeli çoklama gibi modülasyon teknikleri kullanılmaktadır. İletilecek olan bilgi sinyalinin alıcıya güçlü bir şekilde ulaşması için vericilerde antenden önce güç kuvvetlendiricisi adı verilen bir alt devre bloğu kullanılmaktadır. Güç kuvvetlendiricileri temel olarak girişindeki sinyali, beslemeden çektiği güç ile giriş sinyali formunda çıkışına yansıtan elektronik devrelerdir. Güç kuvvetlendiricileri bir verici sistemindeki en çok güç tüketen eleman olduğundan performansı bu sistemler için kritiktir. Güç kuvvetlendiricilerinin performans kriterleri arasında doğrusallık, verimlilik, çıkış gücü, kazanç ve bant genişliği gibi parameterler bulunabilir. Bir güç kuvvetlendiricisinin verimli bir şekilde çalışabilmesi için girişine yeterli miktarda gücün sağlanması gerekmektedir. Fakat güç kuvvetlendiricisinin öncesinde kullanılan devre blokları genellikle bu gücü sağlayamamaktadır. Bu yüzden verici sistemlerinde genellikle birden fazla, tipik olarak iki, güç kuvvetlendiricisi kullanılır. İki katlı bir güç kuvvetlendiricisi modül olarak ele alındığında, birinci kat sürücü katı, ikinci kat ise çıkış katı olarak adlandırılabilir. Yeni nesil kablosuz haberleşme sistemlerinde kullanılan karmaşık modülasyon teknikleri hem genlik hem de faz değişimini içerebilir. Bu teknikleri kullanan sistemlerde, bir güç kuvvetlendiricisinin girişine tepe güçte bir sinyal veya ortalama güçte bir sinyal gelebilir. Ancak giriş sinyali çoğunlukla ortalama güçtedir. Bu tepe-ortalama güç oranı 5G gibi yeni nesil haberleşme sistemlerinde 6 ila 15 dB arasında değişebilmektedir. Geleneksel güç kuvvetlendirici topolojileri tepe güçte çalışacak şekilde verimi maksimum seviyede elde etmeye göre tasarlanır. Ancak güç kuvvetlendiricisinin girişinde yüksek tepe-ortalama güç oranlı bir sinyal geldiğinde, geri güç seviyelerinde verim azalacaktır. Araştırmacılar bu sorunu çözebilmek için çeşitli teknik geliştirmiş ve geliştirmeye devam etmektedir. Fakat, bu teknikler çoğunlukla çıkış katı için araştırılmaktadır. İki katlı bir güç kuvvetlendiricisi modülü için çıkış katından her ne kadar ortalama verim arttırma tekniği uygulanmış olsa da sürücü katının verimsizliğinden dolayı toplam verim, bir diğer adıyla hat verimliliği, düşük olacaktır. Toplam verim hem sürücü katındaki hem de çıkış katındaki güç kuvvetlendiricisinin verimini içermektedir. Ayrıca, çıkış katının güç kazancı toplam verimin sürücü verimine olan bağlılığını etkilemektedir. Genellikle, sürücü katında doğrusal ve yüksek kazançlı bir güç kuvvetlendiricisi kullanılır. Ancak bu kullanımda, çıkış katının da kazancının görece düşük olmasıyla beraber toplam verimi büyük ölçüde azaltacaktır. Bu yüzden sürücü katında da doğrusal olmayan yüksek verimli bir güç kuvvetlendiricisi kullanmak modülün toplam verimini arttıracaktır. Sürücü katındaki güç kuvvetlendiricisini yüksek verim elde etmek için doyum bölgesinde yani doğrusal olmayan bölgede kullanırken toplam doğrusallığı da göz önünde bulundurmak gerekir. Genlik-genlik ve genlik-faz modülasyon bozulmaları, komşu kanal güç oranı, ve hata vektörü büyüklüğü yeni nesil kablosuz haberleşme sistemlerinin doğrusallık ölçüt metrikleridir. Güç kuvvetlendiricilerinde verimlilik ve doğrusallık iki zıt parametredir. Ancak sürücü katında yüksek verim elde ederken doğrusallığın korunumu, devre tasarım teknikleri ile elde edilebilir. Bir güç kuvvetlendiricisinde doğrusal olmayan etkilerin kaynağı, genellikle kullanılan transistöre atfedilir. Transistörün doğrusal olmayan geçiş iletkenliği parametresi savak-kaynak akımında bozulmalara ve Galyum Nitrür yüksek elektron hareketliliği transistörlerde kazancın yavaşça sıkışmasına yol açacaktır. Bu etkiler haberleşme sistemlerinde istenilmeyen etkilerdendir ve genlik-genlik modülasyon bozulmalarına sebebiyet verecektir. Bu bozulmayı en aza indirgemek için derin bir AB sınıfı güç kuvvetlendiricisi kullanılabilir. Bir başka doğrusal olmayan bozulma ise, transistörün yüksek giriş gücü seviyelerinde diz bölgesine etkileşime girmesidir. Bu etkileşim istenmeyen harmoniklerin gerilim ve akım dalga formlarında bulunmasına sebebiyet verecektir. Transistörün çıkışında, yani savak kısmında, bütün harmonikleri kısa devre ederek bu etki azaltılabilir. Ancak bu işlem devre karmaşıklığını ortaya çıkaracağından sadece 2. ve 3. harmonikler için kısa devre sonlandırması yapmak da yeterli olacaktır. Bu etkiler önemli ölçüde genlik-genlik modülasyonu bozulmalarını etkileyen faktörlerdir. Bir transistörde doğrusal olmayan giriş kapasitansı ise genlik-faz modülasyonu bozulmalarının birinci dereceden kaynağıdır. Bu etkiyi de azaltabilmek için transistörün girişinden görülen 2. harmonik empedansı kısa devre olarak sonlandırılmalıdır. Giriş kapasitansındaki değişim aynı zamanda giriş uydurma devresini de etkileyecektir. Bu yüzden giriş uydurma devresinin tasarımı da doğrusallık için önem atfetmektedir. Modern kablosuz iletişim sistemlerinde karşılaşılan temel zorluk, karmaşık modülasyon şemalarıyla uğraşmaktır. Güç kuvvetlendiricileri bu tür vericilerdeki kritik bileşenler olduğundan, tasarımları dikkate değer bir akademik araştırma konusu haline gelmiştir. 5G uygulamaları için güç kuvvetlendiricilerinin yüksek verimli ve doğrusal çalışmasının sağlanması istenmektedir. Genellikle yüksek verimli güç kuvvetlendiricileri tasarımı son aşamanın konusudur ve sürücü aşamasından yeterli kazançla doğrusal çalışma elde edilir. Ancak, daha önce de belirtildiği gibi, modern kablosuz iletişim sistemleri düşük hat verimliliği sorunu yaşamaktadır. Bu bakış açısıyla bu tez, sürücü güç kuvvetlendiricisi tasarımına odaklanmaktadır. Doğrusal sürücü güç kuvvetlendiricilerinin geleneksel tasarımından farklı olarak, bu tezdeki sürücü güç kuvvetlendiricisi, yüksek verim elde etmek için doğrusal olmayan bölgede çalıştırılmaktadır. Dikkate değer doğrusallık performansına sahip yüksek verimli çalışma, derin AB sınıfı işlem ve devre tasarım teknikleri yoluyla elde edilmiştir. Geri giriş gücü seviyelerinde düşük verimliliğin üstesinden gelmek için sürücü güç kuvvetlendiricisinin savak besleme gerilimine besleme modülasyonu uygulanmıştır. Savak terminalinin besleme gerilimi ayrı seviyelerde taranmıştır. Bu yaklaşım, sürücü güç kuvvetlendiricisinin ortalama verimlilik özelliklerini geliştirecektir. Bununla birlikte, savak gerilimi için en uygun yük hattı yörüngesini değiştirmek, genlik-genlik modülasyonu dönüşüm tepkisini bozar. Bu metodoloji doğrusallık ve kazanç pahasına benimsenmiştir. Bu nedenle tasarım aşamasında, maksimum çalışmada tatmin edici küçük sinyal kazancı ve farklı besleme gerilimi seviyeleri için kazanç dengesizliği dikkate alınmıştır. Besleme modülasyonlu çalışma nedeniyle bozulan doğrusallık performansı sayısal önceden bozma tekniği kullanılarak da iyileştirilebilecektir. Bu tezde, CGH40006P adlı ticari olarak kullanıma hazır bulunan bir galyum nitrür transistör, 0.762 milimetre yalıtkan ve 0.35 mikrometre bakır kalınlıklarına sahip RO4350B taban kullanılarak bir sürücü güç kuvvetlendiricisi Advanced Design System adlı programda simülasyon ortamında tasarlanmıştır. Sürücünün geçit ve savak besleme gerilimleri sırasıyla -2.85 V ve 20 V olarak seçilmiştir. Bu besleme gerilimleri sürücü güç kuvvetlendiricisinin derin AB sınıfı olarak çalışmasına yol açmıştır. Sükunet savak-kaynak akımı, doygun savak-kaynak akımının %5.3 'ü olarak, yani 76 mA seçilmiştir. Doğru akım çalışma noktası belirlendikten sonra bir güç kuvvetlendiricisinde bulunan alt devre blokları tasarlanmıştır. Bu bloklar geçit ve savak öngerilimleme devreleri ve kararlılık devresidir. Kararlılık devresi, güç kuvvetlendiricisinin hem küçük sinyal hem de büyük sinyal koşulları altında koşulsuz olarak kararlı olmasını sağlamaktadır. Öngerilimleme devreleri ise yüksek frekans sinyalini besleme hattından ayırarak sinyal kaçağını önler. Ayrıca bu blokların tasarımı ve bloklarda kullanılacak olan kapasitörlerin seçiminin doğrusallık üzerinde önemli bir etkisi vardır. Alt blokların tasarımı tamamlandıktan sonra yük-çekme ve kaynak-çekme simülasyonları yapılmıştır. Bu simülasyonlarda daha gerçekçi sonuçlar elde etmek için tasarlanan alt blokların elektromanyetik simülasyon sonuçları kullanılmıştır. Simülasyon sonucu maksimum eklenmiş güç verimliliğine göre elde edilen empedanslar giriş ve çıkış uydurma devrelerinde kullanılmıştır. Sürücü güç kuvvetlendiricisinin tasarımı bittikten sonra, tasarlanan alt blokların elektromanyetik sonuçları, transistörün doğrusal olmayan modeli, ve pasif bileşenlerin modelleri kullanılarak simülasyon ortamında performansı test edilmiştir. Sonuçlara göre sürücü güç kuvvetlendiricisi 3.5 GHz frekansında, %63.36 eklenmiş güç verimliliği, 35.4 dBm çıkış gücü, 16.2 dB küçük sinyal kazancı sağlamaktadır. Ayrıca, 3 dB sıkışma noktasına kadar çıkış fazında yalnızca 16 derecelik bir değişim gözlenmiştir. Modüle edilmiş sinyal ölçümlerinde ise, girişe 40 MHz band genişliğinde 8.5 dB tepe-ortalama güç oranı sahip bir 5G sinyali uygulandığında -31.6 dBc komşu kanal güç oranı ve %5.3 hata vektörü büyüklüğü elde edilmiştir. Kuvvetlendiricinin savak gerilimi 10 V ile 20 V arasında 2 V adımlarla taranarak besleme modülasyonlu çalışma uygulanmıştır. Bu işlem sonucunda 12 dB ve 9 dB geri giriş gücü seviyelerinde yaklaşık %15 ila %20 eklenmiş güç verimliliği elde edilmiştir.
Özet (Çeviri)
Wireless communication systems enable data transmission from one point to another through non-physical connections, primarily using radio frequency signals. Transmitters use power amplifiers to ensure the transmitted signal reaches the receiver with adequate strength. Power amplifiers are the components with the highest power consumption in a transmitter system, making their performance critical. Key performance parameters include linearity, gain, efficiency, output power, and bandwidth. Power amplifiers require sufficient input power for efficient operation, often necessitating a multi-stage configuration, with a driver stage followed by an output stage. Modern wireless systems like 5G employ complex modulation techniques involving amplitude and phase variations, resulting in signals with high PAPR ranging from 6 to 15 dB. Conventional PA designs are optimized for peak power efficiency, but efficiency decreases significantly at back-off levels due to high PAPR signals. Addressing this issue necessitates innovative techniques, often focused on the output stage. However, the entire system's efficiency is also influenced by the driver stage, which traditionally uses high-linearity designs with moderate efficiency. Enhancing driver stage efficiency while maintaining adequate linearity can improve overall system performance. This thesis proposes a novel approach to designing a highly efficient and linear driver power amplifier by operating in the nonlinear deep Class AB region. While traditional driver power amplifiers prioritize linearity, this design integrates supply modulation to optimize the drain bias voltage, improving back-off efficiency without significantly compromising linearity. The driver power amplifier was designed and simulated in Advanced Design System software, employing a CGH40006P GaN HEMT transistor on a RO4350B substrate. The PA operates at 3.5 GHz with a -2.85 V gate and 20 V drain bias, achieving deep Class AB operation. The design includes sub-circuit blocks for biasing and stability, optimized for linearity and efficiency. Load/source pull simulations determined the impedance for maximum power-added efficiency used in IMN and OMN. Simulations indicate that the driver power amplifier achieves a PAE of 63.36%, an output power of 35.4 dBm, and a small signal gain of 16.2 dB at 3.5 GHz. Moreover, the output phase change is only 16° up to the 3 dB compression point. For a modulated 5G NR signal with an 8.5 dB PAPR and 40 MHz bandwidth, the driver power amplifier delivers an ACPR of -31.62 dBc and an EVM of 5.3%. Supply modulation across 10–20 V improves back-off efficiency by approximately 15% and 20% at 12 dB and 9 dB back-off levels. These results demonstrate the feasibility of integrating nonlinear, high-efficiency driver power amplifiers into modern communication systems.
Benzer Tezler
- Ac-coupled supply modulator desıgn ın 130 nm PD-SOI technology
130 nm PD-SOI teknolojisinde ac-kuplajlı kaynak modülatorü tasarımı
FURKAN BARİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET TEKİN
DR. ÖĞR. ÜYESİ ERTAN ZENCİR
- CMOS class E pover amplifiers for wireless communications
Kablosuz iletişim için CMOS E sınıfı güç kuvvetlendiricileri
KATİBE İLHAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2003
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN PALAMUTÇUOĞULLARI
- Deep learning based dynamic turkish sign language recognition with leap motion
Derin öğrenme tabanlı leap motıon ile dinamik türk işaret dili tanıma
BURÇAK DEMİRCİOĞLU KAM
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HATİCE KÖSE
- Fotovoltaik panel beslemeli alternatif akım (AA) pompa motoru için sürücü devre tasarımı ve simülasyonu
Design and simulation of driver circuit for alternating current (AA) pump motor fed by photovoltaic panel
UĞUR HARMANCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiHarran ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. NURETTİN BEŞLİ