Design of broadband amplifiers for microwave transmitters via real frequency techniques
Mikrodalga vericileri için geniş bantlı kuvvetlendiricilerin gerçel frekans teknikleri kullanılarak tasarlanması
- Tez No: 929424
- Danışmanlar: PROF. DR. BEKİR SIDDIK BİNBOĞA YARMAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 126
Özet
Maxwell, Marconi, Hertz ve Tesla gibi önemli bilim insanlarının öncülük ettiği kablosuz iletişimin evrimi, 19. yüzyılın sonlarından itibaren teknoloji üzerinde büyük bir etkiye sahipti. 20. yüzyılın başlarında radyo teknolojisi ilerledikçe kablosuz iletişim yaygınlaştı, böylece sivil, endüstriyel, askeri ve tıbbi uygulamalar dahil olmak üzere çeşitli sektörlerde önemli bir rol oynadı. Antenler ve güç amplifikatörleri, elektromanyetik dalga yayılımının temel ilkelerine dayanan kablosuz iletişim sistemlerinin temel bileşenleridir. WI-FI, WIMAX gibi ticari iletişim sistemlerinin yükselişi ve 5G ile 6G teknolojilerinin devamlı gelişimi, antenler ve güç amplifikatörleri pazarını genişletti. Bu teknolojiler günümüzün ticari ortamının ayrılmaz bir parçasıdır ve antenlerin olduğu gibi, mikrodalga güç amplifikatörlerinin de çok yönlü uygulamalarla uzay araştırmaları ve teknolojileri üzerindeki etkilerini genişletmektedir. Mevcut ve yeni ortaya çıkan kablosuz iletişim sistemlerinin çeşitliliği, benzersiz özelliklere sahip, sürekli gelişen antenleri ve güç amplifikatörlerini gerektirmektedir. Mikrodalga mühendisleri, çeşitli modülasyon türleri ve frekans bantları nedeniyle anten ve güç amplifikatörü tasarımı çalışmalarını özellikle ilgi çekici bulmaktalar. Uygulama anten tasarımı, bant genişliği, ışın hüzmesi genişliği, polarizasyon ve kazanç gibi kritik faktörlere odaklanır. Güç amplifikatörü tasarım süreci, güç kazancı, çıkış gücü, verimlilik ve amplifikatör bant genişliği gibi spesifik tasarım parametreleri dikkate alınarak amplifikatör için anten ve güç transistörünün seçilmesiyle başlar. Geniş bant antenlerin ve geniş bant güç amplifikatörlerinin tasarımı, özellikle farklı amaçlar için farklı dalga boyları boyunca iletişimi entegre eden sistemler için bir araştırma odağı olarak çok önemlidir. Geniş bantlı antenlerin ve amplifikatörlerin tasarlanması, özellikle tipik olarak tek bir rezonans frekansına sahip mikroşerit yama antenleriyle uğraşırken zorluklar doğurmaktadır Bu zorlukların üstesinden gelmek ve geniş bantlı frekanslarda rezonansı mümkün kılmak için transistör çıkışı ile anten girişi arasında empedans uyumlaştırma devresi kullanıldı. Tasarım yaklaşımı, empedans uyumlaştırma sorunu için Birleşik Gerçek Frekans Teknikleri olarak bilinen yeni RFT-LS (Gerçel Frekans Teknikleri) modelinin kullanılmasını içermektedir. Çalışmanın bir bölümü Birleştirilmiş Gerçek Frekans Teknektiği (U-RFT) yöntemine ayrılmıştır. Bu yöntem özellikle geniş bantlı mikrodalga amplifikatörlerin tasarımında çok kullanışlıdır. Bu yöntemde kayıpsız bir ekolayzır, birim normalize edilmiş saçılma parametreleri cinsinden tanımlanır ve eşleştirilecek blokların saçılma parametreleri kullanılarak hesaplamalar yapılır. U-RFT yöntemi, diğer bilgisayar destekli tasarım (CAD) algoritmalarına kıyasla daha hızlı ve daha erişilebilirdir. Geniş bant mikrodalga amplifikatörlerinin tasarımı için doğası gereği uygundur. Yöntem, sistemin dönüştürücü güç kazancını (TPG) eşleştirilecek şekilde optimize eder. Ancak kazanç optimizasyonu tek başına başarılı uyumlaştırma devrelerini sağlayamayabilir. Önerilen yöntem, tüm amplifikatör bloğu için türetilmiş denklemlere dayalı olarak saçılma parametrelerini optimize ederek giriş ve çıkış uyumlaştırma devrelerinin eşzamanlı tasarımını mümkün kılar. Yaklaşım, mikrodalga mühendisleri için kapsamlı bir tasarım aracı sağlayan, MATLAB'da yazılmış paket programlar aracılığıyla uygulanmaktadır. Çalışmanın bir başka bölümü, üç ana bölüme ayrılan Birleşik Gerçel Frekans Teknikleri (U- RFT) yöntemini araştırmaktadır: Birleşik RFT'nin Temel Kavramları, U-RFT aracılığıyla GBWL'nin (Kazanç-Bant Genişliği Sınırı) değerlendirilmesi ve uyumlaştırma devreleri için modeller oluşturmaktadır. Geniş bant rezonansını elde etme çabası, Konik ve Horn antenleri ve daha sonra Mikroşerit yama anteni dahil olmak üzere çeşitli geometrik anten şekillerinin test edilmesini içermektedir. Ancak normal Mikroşerit anten yapıları istenilen dar bant rezonansının (100-200MHz) elde edilmesiyle sınırlıdır. Bu nedenle, performanslarını değerlendirmek için simüle edilen Monopol anten yapılarının ve bunların varyasyonlarının test edilmesine yol açan alternatif yaklaşımlar araştırılmıştır. Güç Amplifikatörü (PA) tasarım süreci boyunca farklı transistörlerle simülasyonlara tabi tutuldu. Başlangıçta simülasyonlar, Mini-Circuits`in SAV581+ Modelini kullanarak ve küçük işaret analizi yapılarak devremizi tasarlamıştık, sonraki tasarım MACOM`un DC-6GHz aralığında çalışan CGH40010 HEMT Galyum Nitrür – GaN Güç Amplifikatörüne dayanıyordu. Ancak en son tasarım çalışması, MACOM`un DC-6GHz aralığında çalışan CG2H40010F HEMT Galyum Nitrür – GaN Güç Amplifikatörü temel alan simülasyon ve tasarıma doğru yöneldi. Anten modellerinin ve güç amplifikatörlerinin Birleşik Gerçek Frekans Teknikleri ile birleştirilmiş bu kapsamlı incelemesi, geniş bant rezonansının elde edilmesine ve mikrodalga sistemlerinin performansının optimize edilmesine yönelik sistematik bir yaklaşımı göstermektedir.
Özet (Çeviri)
The evolution of wireless communication, led by notable figures including Maxwell, Marconi, Hertz, and Tesla, had a major impact on technology from the late 19th century. As radio technology advanced in the early 20th century, wireless communication became widespread and played a crucial role in various sectors, including civil, industrial, military, and medical applications. Antennas and power amplifiers are vital components within wireless communication systems, grounded in the fundamental principles of EM wave propagation. The rise of commercial communication systems such as Wi-Fi and WiMax and the ongoing development of 5G and 6G technologies have expanded the market for antennas and power amplifiers. These technologies are integral to today's commercial landscape and extend their impact on space research and technologies, underscoring the versatile applications of antennas and microwave power amplifiers. The diverse landscape of existing and emerging wireless communication systems necessitates continuously advancing antennas and power amplifiers with unique features. Microwave engineers find the study of antenna and power amplifier design particularly intriguing due to the various modulation types and frequency bands. In practical applications, antenna design emphasizes crucial factors, including bandwidth, beamwidth, polarization, and gain. The power amplifier design process begins with selecting the antenna and power transistor for the amplifier, considering specific design parameters like power gain, output power, efficiency, and amplifier bandwidth. The design of broadband antennas and power amplifiers is significant as a research focus, particularly for systems that integrate communication across different wavelengths for diverse purposes. Designing wideband antennas and amplifiers poses challenges, especially when dealing with microstrip patch antennas that typically have a single resonance frequency. A double-matching network between the transistor output and antenna input was employed to address these challenges and enable resonance across multiband frequencies. The design approach involved using the new model of RFT-LS (Real Frequency Technics), known as Unified Real Frequency Techniques, for double-matching problems. A chapter in the work is dedicated to the Real Frequency Technique (RFT) method, specifically SRFT (Simplified Real Frequency Technique). This method is particularly useful for designing broadband microwave amplifiers. In this method, a lossless equalizer is characterized through its unit-normalized scattering parameters, and computations are performed using the scattering parameters of the blocks to be matched. The SRFT method is faster and more accessible than other computer-aided design (CAD) algorithms. It's inherently suitable for designing broadband microwave amplifiers. The method optimizes the system's transducer power gain (TPG) to be matched. However, more than gain optimization is needed to ensure successful matching networks. For instance, an amplifier engineered to achieve a specific flat gain level may demonstrate inadequate input and/or output reflection characteristics. To address this, the work emphasizes the integration of optimization goals for input/output reflections along with TPG in the SRFT method. Customized objective functions optimize multiple performance metrics, ensuring achieving various goals and specifying optimization priorities. The proposed technique goes beyond the conventional SRFT method, where input/output matching circuits are typically created separately, leading to a time-consuming iterative design sequence. The proposed method optimizes scattering parameters based on derived equations for the entire amplifier block, enabling the simultaneous design of the input/output matching circuit. The approach is implemented via package programs written in MATLAB, providing a comprehensive design tool for microwave engineers. Another chapter in the work explores the Unified Real Frequency Techniques (U-RFT) method, divided into three main parts: Basic Concepts of Unified RFT, Assessment of GBWL (Gain-Bandwidth Limit) via Uni RFT, and Building Models for Network Functions. The effort to achieve wideband resonance involved testing various geometric shapes of antennas, including Conical and Horn antennas and, later, the microstrip patch antenna. However, regular Microstrip antenna structures are limited to achieving the desired wideband resonance (100-200MHz). Therefore, alternative approaches were explored, leading to the testing of monopole antenna structures and their variations, which were simulated to assess their performance. The Power Amplifier (PA) underwent simulations with different transistors during the design process. Initially, simulations were based on the small signal analysis of Mini-Circuits SAV581+ transistor; later, MACOM`s CGH40010 transistor operating in the range of DC-6GHz was used. However, the final design work shifted towards simulation and design based on MACOM`s CG2H40010F Power Amplifier HEMT Gallium Nitride – GaN Transistor. This comprehensive exploration of antenna models and power amplifiers, combined with Unified Real Frequency Techniques, demonstrates a systematic approach to achieving wideband resonance and optimizing the performance of microwave systems.
Benzer Tezler
- 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
SEDAT KILINÇ
Doktora
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL SERDAR ÖZOĞUZ
PROF. DR. BEKİR SIDDIK BİNBOĞA YARMAN
- Yüksek verimli ve geniş bantlı güç kuvvetlendirici tasarımı
High efficient and wideband power amplifier design
BURAK ŞAHİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. METİN YAZGI
- Geniş bandlı empedans uydurucu devre tasarımı için genişletilmiş frekans bandı yaklaşımı ile çözüm
Extended frequency band approach for broad band impedance metching circuit design
ELVAN BANU SALTIK
Yüksek Lisans
Türkçe
1992
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF. DR. OSMAN PALAMUTÇUOĞULLARI
- Yüksek dinamik aralıklı, Si-Ge tranzistorlu, 8-11GHz simetrik sürümlü B sınıfı kuvvetlendirici tasarımı
High dynamic range 8-11GHz push-pull class B amplifier with SiGe transistor technology
HİLAL HİLYE CANBEY
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MÜRVET KIRCI
- Mikrodalga meme kanseri hipertermi düzeneği için antipodal vivaldi anten tasarımı
Antipodal vivaldi antenna design for microwave breast cancer hyperthermia applicator
NUR BANU AKA
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TUBA YILMAZ ABDOLSAHEB