Yüksek verimli geniş bantlı 100W gan hemt güç kuvvetlendiricisi tasarımı
High efficiency wideband 100W gan hemt power amplifier design
- Tez No: 975392
- Danışmanlar: PROF. DR. METİN YAZGI, DOÇ. DR. OĞUZHAN KIZILBEY
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Mikrodalga güç yükselticiler, Microwave power amplifier
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- 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: Belirtilmemiş.
Özet
Kablosuz haberleşme sistemleri, radarlar ve elektronik harp uygulamaları gibi sistemler, kendilerine özgü işaretleri uzak mesafelere iletebilmek için güç kuvvetlendiricilerine ihtiyaç duyar. Bu sistemler, kendilerine ayrılmış frekans bantlarında yayın yapar. Örneğin, bir jammer cihazı 2–6 GHz arasındaki iletişimi kesmek amacıyla kullanılabilirken, 5G haberleşme sistemlerinde 6 GHz altındaki çeşitli frekans bölgeleri kullanılabilir. Her bant için ayrı cihaz tasarlanması; kullanıcılar, tasarımcılar ve girişimciler açısından maliyet, üretim ve tasarım zorlukları doğurur. Bu nedenle güç kuvvetlendirici tasarımlarında geniş bant tercih edilmekte; aynı zamanda işletme maliyetlerini azaltmak ve ürün ömrünü uzatmak amacıyla yüksek verim hedeflenmektedir. Ancak, bu iki kriterin birlikte sağlanabilmesi yeni tasarım yaklaşımlarını gerekli kılar. Özellikle yeni nesil haberleşme sistemlerinin yüksek bant genişliği gereksinimleri nedeniyle, geniş bantlı güç kuvvetlendirici tasarımlarına odaklanılmaktadır. Yüksek güçlü kuvvetlendiricilerde, transistörde oluşan ısının uzaklaştırılması ve yüksek besleme gerilimlerinin yönetimi önemli sorunlardır. Bu sorunlar ancak yüksek verimli yapılarla aşılabilir. Güç kuvvetlendiricilerinde bant genişliğini artırırken verimi korumak amacıyla; reaktans kompanzasyonu, alçak geçiren uyumlama ve gerçel frekans teknikleri gibi yöntemler literatürde yer almaktadır. Ancak bu teknikler genellikle 1 oktav bant genişliği üzerinde uygulanamamaktadır. Dağılmış parametreli kuvvetlendiriciler bu sınıra çözüm sunabilir; fakat düşük kazanç, düşük verim ve büyük boyut gibi dezavantajlar nedeniyle yaygın uygulamaları sınırlıdır. Bu tez çalışmasında, 2–6 GHz bandında çalışan, 100 W çıkış gücüne, 50 dB kazanca ve %35 üzeri verime sahip geniş bantlı bir güç kuvvetlendiricisi yapısı önerilmiş, tasarlanmış ve üretilmiştir. 1 oktav ve üzeri bant genişliğinde, tek katlı ve tek transistörlü bir yapıyla 100 W çıkış gücü elde etmek mümkün olmadığından, çıkış katındaki transistörlerin paralel sürülmesi tercih edilmiştir. Bu doğrultuda Wilkinson güç bölücü ve birleştirici yapıları devreye entegre edilmiştir. Özellikle çıkışta oluşacak yüksek güç nedeniyle, birleştirici tarafındaki izolasyon dirençlerinin güç dayanımları ve yerleşimi kritik önem taşımaktadır. Bu bağlamda, yeni bir güç bölücü/birleştirici devresi önerilmiş, performansı değerlendirilmiş ve patent başvurusu yapılmıştır. Ayrıca, yüksek güç seviyelerinde, 2–6 GHz bandında yüksek verim elde etmek ve harmonik distorsiyonu sınırlamak için yeni bir yaklaşım önerilmiştir. Bu yaklaşımda, transistörün akım akış açısı; bant genişliği, verim ve harmonik distorsiyon arasındaki ilişki dikkate alınarak belirlenmiştir. Belirlenen kutuplama açısına göre çalışma sınıfı“Hibrit AB sınıfı”olarak adlandırılmıştır. Bu yaklaşımı sistematik hale getirmek xxvi amacıyla, belirli bir harmonik seviyesini aşmadan istenilen bant genişliğini sağlayacak akım açılarının belirlendiği bir çizelge oluşturulmuştur. Geniş bantlı çalışmayı desteklemek için, uyumlama devrelerinde N-bölmeli adımlamalı empedans uyumlama tekniği önerilmiş ve kullanılmıştır. Bu sayede yüksek frekanslardaki kayıplar azaltılmış ve verim korunmuştur. Hibrit A/AB sınıfı yapı ile bu teknik birleştirildiğinde, bant boyunca yüksek verim elde edilmiştir. Tez çalışması, pasif ve aktif devre tasarımı olmak üzere iki aşamada gerçekleştirilmiştir. İlk olarak güç bölücü/birleştirici yapılar tasarlanmış ve üretilmiştir. Ardından 10 W ve 35 W kuvvetlendirici prototipleri oluşturulmuş, ancak bu yapılarla tüm bantta hedeflenen çıkış gücü ve verime ulaşılamadığı görülmüş ve yeni bir yapı önerilmiştir. Sonrasında, önerilen yeni yapıdaki ön kuvvetlendirici, sürücü ve güç katları tasarlanmış ve üretilmiştir. Ana kuvvetlendirici blokları oluşturulmuş, tüm devreler tek kartta entegre edilmiştir. Son aşamada ise 100 W'lık nihai güç kuvvetlendiricisi tasarlanarak benzetimleri yapılmış ve üretime hazır olma durumu teyit edilmiştir. Üretimi gerçekleştirilen 100 W güç kuvvetlendirici devresinin ölçümü sırasında, özellikle çıkış katındaki transistörlerde aşırı ısınmaya bağlı bozulma riski gözlenmiştir. Yapılan analizler sonucunda bu aşırı ısınma durumunun iki temel nedenden kaynaklandığı belirlenmiştir. Birinci neden, kullanılan mevcut taban malzemesinin düşük ısıl iletkenliği, çıkış katında ortaya çıkan yüksek ısının etkin biçimde ortamdan uzaklaştırılmasını sınırlamaktadır. İkinci neden ise, çıkış katında kullanılan güç kuvvetlendirici devrelerinin yüksek giriş yansıma katsayısından dolayı, sürücü kat çıkış gücünün bir kısmının geri yansımasına yol açarak sistem kararlılığını olumsuz etkilemesidir. Bu bulgular, yüksek güçlü genişbantlı kuvvetlendirici tasarımlarında etkin termal yönetim ve katlar arası empedans uyumunun güvenilir çalışma açısından kritik rol oynadığını göstermektedir. Bu kapsamda, sorunların giderilmesi için daha yüksek ısıl iletkenliğe sahip alternatif bir taban malzemesinin kullanılmasıyla termal performansın artırılması ve sürücü ile çıkış katı arasına uygun bir izolatörün entegre edilmesiyle geri yansımaların en aza indirilmesi planlanmıştır. Bu doğrultuda, gelecek çalışmalarda önerilen taban malzemesi değişimi ve izolatör entegrasyonu ile devre yeniden üretilecek, ölçümler güvenli koşullar altında tamamlanarak tasarımın performans sınırları kapsamlı şekilde ortaya konacaktır. Bu tez kapsamında geliştirilen güç kuvvetlendirici yapısı, geniş bantta yüksek güç ve yüksek verim gereksinimlerini aynı anda karşılayarak, bu alandaki temel tasarım zorluklarına çözüm sunmaktadır. Literatürde bu üç özelliği eşzamanlı olarak sağlayan benzer bir yapı bulunmamaktadır. Mevcut 100 W sınıfı ticari kuvvetlendiriciler çoğunlukla dar bantlı çalışmakta veya düşük verim sergilemektedir. Bu çalışmada, hedef performans değerlerine ulaşmak amacıyla transistör seçimi, geniş bantta empedans uyumunu sağlayacak küçük ve büyük işaret devre analizleri, çok katlı kuvvetlendirici mimarisi ve güç bölücü/birleştirici entegrasyonu bir bütün olarak ele alınmıştır. Literatürde benzer örneklerin çoğu 2–6 GHz bandında 100 W çıkış gücü ve %25'in üzerinde verim elde etmekte yetersiz kalırken, bu tez çalışmasında geliştirilen yapıda %35'in üzerinde verimle 50 dBm çıkış gücü başarılmıştır. Elde edilen sonuçlar, tasarımın hem akademik olarak literatüre özgün bir katkı sunduğunu hem de sanayi uygulamaları açısından patentlenebilir bir nitelik taşıdığını göstermektedir. Böylece, geniş bantlı, yüksek güçlü ve yüksek verimli bir kuvvetlendirici yapısı, tasarım, üretim ve test aşamalarıyla birlikte doğrulanarak ortaya konmuştur. Ortaya konan özgün yapı ile ilgili bir patent başvurusu hazırlanmış ve tescil süreci başlatılmıştır.
Özet (Çeviri)
Wireless communication systems, radars, and electronic warfare applications require power amplifiers (PAs) to transmit dedicated signals over long distances. These systems operate within designated frequency bands. For instance, a jammer may be employed to disrupt communication between 2–6 GHz, while various sub-6 GHz frequency bands are utilized in 5G communication systems. Designing a separate device for each frequency band poses significant challenges in terms of design complexity, production, and cost for users, engineers, and developers. Therefore, wideband PA designs are preferred. Moreover, in order to reduce operational costs and extend product lifetime, high-efficiency designs are increasingly targeted. Achieving both wideband operation and high efficiency concurrently necessitates innovative design approaches. Due to the demanding bandwidth requirements of next-generation communication systems, research has increasingly focused on wideband PA architectures. In high-power amplifiers, effective heat dissipation from the active device (i.e., the transistor) and the management of high supply voltages are critical design considerations. These challenges can only be addressed through efficient amplifier structures. Several techniques have been proposed in the literature to increase bandwidth while maintaining high efficiency, including reactance compensation, low-pass matching networks, and real frequency techniques. However, these approaches are generally ineffective beyond one octave of bandwidth. Distributed parameter amplifier designs may alleviate this limitation, but their practical application remains constrained due to drawbacks such as low gain, reduced efficiency, and relatively large physical dimensions. In this thesis, a novel wideband PA structure with high output power and high efficiency operating in the 2–6 GHz band has been proposed, designed, and fabricated. The amplifier achieves an output power of 100 W, a gain of 50 dB, and an efficiency exceeding 35%. It is not feasible to deliver 100 W output power over a one-octave bandwidth using a single-stage, single-transistor configuration. Therefore, the output stage transistors are driven in parallel, necessitating the use of Wilkinson power divider and combiner networks. Given the high power levels in the output stage, the power handling capacity and layout of the isolation resistors in the combiner network are of critical importance. Accordingly, a novel power divider/combiner circuit has been proposed, its performance analyzed, and a patent application filed. Furthermore, a new approach has been introduced to achieve high efficiency (>35%) and control harmonic distortion across the 2–6 GHz band in high-power (>80 W) systems. In this approach, the current conduction angle of the active device is determined by considering the trade-offs between large-signal bandwidth, efficiency, and harmonic distortion. The resulting amplifier class has been termed“Hybrid Class AB.”To provide designers with a systematic method, a guideline chart has been developed indicating the conduction angles that satisfy a specified bandwidth without exceeding harmonic distortion limits. To support wideband operation, an N-section stepped impedance matching technique has been proposed and implemented. This technique minimizes high-frequency losses within the operating band, thus maintaining overall efficiency. When combined with the Hybrid Class AB structure, this matching strategy enables highly efficient operation across the entire band. The thesis is structured in two main parts: passive and active circuit design. Initially, power divider/combiner circuits were designed and fabricated. Subsequently, 10 W and 35 W PA prototypes were developed. However, these early designs did not meet the desired performance across the full band. a new configuration has been proposed to meet the design requirements. In response, preamplifier, driver and power stages were designed and fabricated, followed by the design and implementation of the main PA building blocks in the new proposed structure. All components were later integrated onto a single board. Finally, the complete 100 W PA circuit was designed, simulated, and validated. During the characterization of the fabricated 100 W wideband PA, excessive temperature rise was observed in the output stage transistors, leading to a significant risk of thermal degradation. Detailed analysis indicated that this issue mainly stemmed from two underlying mechanisms. The first was the limited thermal conductivity of the employed substrate material, which constrained the heat dissipation path and prevented efficient removal of the generated thermal energy from the output stage. The second factor was the high input return loss of the output power amplifier modules, which caused partial power reflection from the output stage back toward the driver, thereby deteriorating impedance matching and reducing system stability. These results underline the critical importance of both efficient thermal management and proper interstage impedance matching in the design of high-power wideband PA architectures. To address these challenges, future work will focus on enhancing thermal performance through the adoption of a substrate material with higher thermal conductivity and mitigating reflected power effects by integrating a wideband circulator or isolator between the driver and output stages. The redesigned amplifier will be re-fabricated and characterized under controlled thermal conditions to thoroughly assess its performance limits and validate the proposed improvements. The power amplifier structure developed within the scope of this thesis addresses the fundamental design challenges associated with simultaneously achieving wide bandwidth, high output power, and high efficiency. In the literature, no comparable design has been reported that successfully meets all three of these criteria at once. Existing 100 W-class commercial amplifiers are typically narrowband or exhibit limited efficiency. In this thesis study, to meet the targeted performance specifications, transistor selection, extensive small- and large-signal circuit analyses for wideband impedance matching, a multi-stage amplifier architecture, and the integration of Wilkinson-type power divider/combiner networks were comprehensively investigated. While most of the existing designs reported in the literature fail to deliver 100 W output power with efficiency exceeding 25% across the 2–6 GHz band, the proposed structure achieves 50 dBm output power with power added efficiency above 35% throughout the operating bandwidth. The obtained results demonstrate that the proposed design not only provides a novel academic contribution to the literature but also exhibits patentable potential for industrial applications. Consequently, a wideband, high-power, and high-efficiency amplifier structure has been successfully designed, fabricated, and experimentally validated. A patent application based on the proposed architecture has been prepared, and the registration process has been initiated.
Benzer Tezler
- 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
- Linearity and efficiency improvement on RF power amplifiers
RF kuvvetlendiricilerde doğrusallık ve verimin iyileştirilmesi
ÖMER AYDIN
Doktora
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Ana Bilim Dalı
PROF. OSMAN PALAMUTÇUOĞULLARI
- Küp uydular için, VHF/UHF bandı aktarıcı tasarımı ve gerçeklemesi
VHF/UHF transponder design for cubesats
HASAN ONUR ÇAKAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MUSTAFA BERKE YELTEN
- Türkiye'de yerli olarak yapılan elektriksel ışık kaynaklarının tarımsal amaçlarla ilgili aydınlatma karakteristikleri üzerinde bir araştırma
Başlık çevirisi yok
ALİ BAŞÇETİÇELİK
- 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