Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11527/15785
Title: Gaas Phemt E-sınıfı Güç Küvvetlendirici Tasarımı
Other Titles: Gaas Phemt Class-e Power Amplifier Design
Authors: Yağcı, Hasan Bülent
Meskoob, Behnoosh
10136803
Elektronik Mühendisliği
Electronics Engineering
Keywords: Güç Rf Kuvvetlendici
Mikrodalga Sistemi
Gaas Phemt Yapılı Transistörler
E_sınıfı
Rf Power Amplifier
Microwave System
Gaas Phemt Transistor
Class_e
Issue Date: 2-Feb-2017
Publisher: Fen Bilimleri Enstitüsü
Institute of Science and Technology
Abstract: Yüksek güçlü RF kuvvetlendiciler mikrodalga sistemlerde genelde verici katında antenden önce yer alır. Bu tür kuvvetlendiricilerin tasarımlarında yüksek frekans elektroniğinin tasarım ilkelerine ek doğrusal olmayan tasarım tekniklerinin de kullanılmak zorundadır. Bir RF güç kuvvetlendiricisi aktif elemana ek olarak giriş ve çıkış katından oluşur. Giriş ve çıkış katı aynı zamanda transistörün giriş ve çıkış empedansını yük ve kaynağın empedansına uydurmak için kullanılır. Bu sayede transistörün girişe uygulanan güç yansıma kaybı olmadan transistöre aktarılır, transistörde kuvvetlendirilen işaret de yüke aktarılır. Güç kuvvetlendicileri yüksek güç tükettiği için üretilen işaretin kayıpsız olarak aktarılması verimin arttırılması açısından önemlidir. Bir güç kuvvetlendiricisinin temel özellikleri şunlardır: Çıkış gücü seviyesi, verim, güç kazancı, bant genişliği ve doğrusallık. Çıkış gücü, bant genişliği ve çalışma frekansı sistem tasarımcıları tarafından belirlenen parametrelerdir. Güç kuvvetlendirici tasarımında bu veriler temel alınarak mümkün olduğunca yüksek verime sahip kuvvetlendirici tasarlanması gerekir. Genelde doğrusallık ile verim arasında test orantı bulunur. Güç kuvvetlendiricilerinin veriminin arttırılabilmesi için doyma bölgesinde çalıştırılması gerekir. Bu da doğrusallığı bozmaktadır. Bu nedenle tasarımcı bu iki değişken arasında en uygun olanı seçmelidir. RF güç kuvvetlendirici tasarımında ilk olarak hangi teknolojinin kullanılacağı belirlenmelidir. Örneğin GaAs yapılı transistörler düşük gerilimle çalışması gereken sistemler için uygunken, GaN yapılı transistörler çok daha yüksek güç gerektiren yüksek gerilimle çalışabilen sistemler için uygundur. Teknolojinin belirlenmesinin ardından sistemde kullanılacak modülasyonun yapısı da dikkate alınarak uygun bir kuvvetlendirici sınıfı seçilir. Kutuplamaya bağlı A ve AB türü kuvvetlendiriciler yüksek doğrusallığa sahipken verimleri düşüktür. Yine kutuplamaya bağlı B ve C sınıfı kuvvetlendiricilerin verimleri daha yüksek olmasına rağmen doğrusallıkları ve kazançları düşüktür. Bu tür kuvvetlenlendicilere ek olarak, çıkıştaki gerilim ve akım şekillendirmesine bağlı olarak E ve F sınıfı gibi kuvvetlendiciler mevcuttur. Bu kuvvetlenlendicilerde harmonikler uygun şekilde sonlandırılarak çıkış katındaki akım ve gerilim şekillendirilerek verim arttırılır. Ancak doğrusallık da azalır. Küp uydular düşük maliyetleri ve hızlı tasarlanabilmeleri sebebiyle ünivetsitelerde sıklıkla bilimsel çalışmalar için tercih edilmektedir. Ancak bu uydular çok küçük olduğu için üretebildikleri güç de sınırlı olmaktadır. Sınırlı bu gücün en verimli şekilde kullanılabilmesi için verimi yüksek devreler tercih edilmektedir. Küp uydularda haberleşme için düşük bant genişliğine sahip basit modülasyon yapıları tercih edilir. Bu nedenle küp uydu vericilerindeki güç kuvvetlendiricilerinin yüksek verimli olması öncelikli tasarım hedefidir. Bu tez çalışmasında, standart küp uydu gerilimi olan 5V ile çalışabilecek, yüksek verime sahip kuvvetlendirici tasarlanması hedeflenmiştir. Aktif eleman olarak GaAs pHEMT seçilmiştir. Birçok farklı firmanın paketlenmiş yapıdaki transistörleri incelenmiştir. Avago firmasının ATF-511P8 GaAS pHEMT’i 5V ile çalışmaya uygun, yüksek kazanç sağlayabilen ve kolaylıkla temin edilebilen bir eleman olduğu için tercih edilmiştir. Verimin yüksek olması için E ve Test-E sınıfı kuvvetlendirici yapısına karar verilmiştir. Tasarımın mümkün olduğunca yüksek verime ve kazanca sahip olması gerektiği için kuvvetlendirici AB sınıfı olarak kutuplanmıştır ve bu yapı ile E sınıfı ve Ters-E sınıfı tasarım yapılmıştır. Klasik E ve Test-E sınıfına ek olarak bu tez çalışmasında iki sınıf birleştirilerek daha keskin bant seçici karakteristiğe sahip bir kuvvetlendirici de tasarlanmıştır. Küp uydu vericileri genelde 435 MHz bandında çalışmaktadır. Bu nedenle tasarımda ayrık elemanların kullanılması gereklidir. Birçok RF pasif devre elemanı bu bantta yüksek Q değerine sahiptir ve rahatlıkla kullanılabilmektedir. Ancak tasarım gereği harmoniklerin de dikkate alınması ihtiyacından dolayı yüksek güce dayanıklı RF pasif elemanların daha yüksek frekanslardaki davranışları giderek bozulmaktadır. Bu durum tasarım ve gerçekleme aşamalarında önemli bir zorluk olarak ortaya çıkmıştır. Tasarımın ilk aşamasında transistörün doğrusal olmayan modeli temin edilmiştir. Bu model bilgisayar destekli tasarım aracına yüklenmiş ve modelin doğrulu incelenmiştir. Bunun için temel analiz devreleri hazırlanmış ve üreticinin sağladığı ölçüm değerleri ile karşılaştırılmıştır. Modelin doğru bir şekilde yüklendiğinin belirlenmesinin ardından DC IV eğrileri incelenmiş, uygun çalışma noktası belirlenmiştir. Yükle-Çek (Load-Pull) analizleri ile istenilen çıkış gücü ve kazancı sağlayacak empedans değerleri belirlenmiştir. Bu empedans değerlerinin belirlenmesi ile E sınıfı sonlandırma için gerekli çıkış kapasitesi hesaplanmış ve E sınıfı sonlandırma sağlayacak endüktans değeri ve ek kondansatör değeri belirlenmiştir. Bu aşamada düşük gerilimle çalışıldığı için ve GaAs transistörlerin dayanma gerilimleri de düşük olduğu için RF işaretin tepe değerinin yükseldiği seviyeler dikkatli bir şekilde incelenmiştir. Transistörün zarar görmeyeceği uygun bir sonlandırma belirlenmiştir. Bu durum transistörü güvenli bir aralıkta tutsa da gerilim ve akım şekillendirmesini etkilediği için verimin düşmesine sebep olmuştur. Ancak uzay ortamında en kötü koşulların dikkate alınması gerektiği için transistörün fazla zorlanmamasına karar verilmiştir. Gerekli empedans değerleri belirlendikten sonra ilk olarak ideal pasif devre elemanları kullanılarak E sınıfı, Ters-E sınıfı ve birleştirilmiş yapı bilgisayar destekli ortamda incelenmiştir. Gerilim ve akım şekillerinden istenilen sonlandırmanın sağlandığı görüldükten sonra gerçek devre elemanları ile tasarıma geçilmiştir. Bu aşamada bazı üreticilerin sağladığı modellerin yetersiz oluşu bu elemanların benzetimlerde kullanımını oldukça zorlaştırmıştır. Ek olarak ayrık devre elamanlarının değerlerinin belli olması da önemli bir kısıt olarak karşıma çıkmıştır. İdeal devre elemanlarının yerine mümkün olan en uygun gerçek devre elemanları yerleştirildiğinde beklendiği gibi verimin %2-4 arasında düştüğü gözlenmiştir. Bu aşamada çıkış katında farklı sonlandırma topolojileri de ele alınmıştır. Gerçek devre elemanlarının ardından bu devre elemanlarını birbirine bağlayacak mikroşerit hatlar yerleştirilmiştir. Bu mikroşerit hatlar da tasarımı doğrudan etkilemiştir. Bilgisayar ortamında çeşitli en iyileştirme yöntemleri kullanılarak mümkün olan en yüksek verim elde edilmeye çalışılmıştır. Tasarımın son haline gelmesinin ardından 3 tip kuvvetlendiricinin üretilebilmesi için serimleri hazırlanmıştır. Düşük maliyeti ve uzay koşullarına da uyumlu olmasından dolayı 1mm kalınlığında standart FR4 taban tercih edilmiştir. Elektronik devre kartları üniversite bünyesindeki prototip makinasında hazırlanmıştır. Elektronik devre kartlarının hazırlanmasının ardından devre elemanları montajlanmış ve elektronik testler yapılmıştır. İlk olarak devrelerin kararlılığı incelenmiştir. Devrelerin farklı kutuplama koşulları altında da kararlı olduğu belirlendikten sonra RF karakteristiğinin belirlenmesi için ölçümlere başlanmıştır. İlk yapılan ölçümlerde devrelerin merkez frekanslarının bir miktar kaydığı ve kazançlarının da beklenilenden düşük olduğu görülmüştür. Pasif devre elemanlarının yüksek frekanstaki tepkilerinin beklenilenden farklı olmasından dolayı bu farklılık ortaya çıkmıştır. Aynı değerde farklı üreticilerin devre elemanları ve yakın değerlerdeki devre elemanları kullanılarak çeşitli denemeler yapılmıştır. Benzetim sonuçlarına göre elde edilen güç eklenmiş verim değerleri klasik E-Sınıfı yapı için %50, karma yapı için %43 ve Ters-E-Sınıfı yapı için %37’dir. Ölçümlerin sonucunda benzetimlerle karşılaştırıldığında kazanç ve çıkış gücü daha düşük, verim ise daha yüksek ölçülmüştür. Ölçümler sırasında devre üzerinde bazı ince ayarlamalar da yapılmıştır. Ek olarak karma yapılı E-Sınıfı devrede rezonans yapısında 49 nH ve 56 nH olarak iki farklı endüktans değeri ile iki ayrı devre hazırlanmıştır ve her biri ayrı ayrı ölçülmüştür. Ölçüm sonuçlarına göre elde edilen güç eklenmiş verim sonuçları E-Sınıfı için %35, Ters-E-Sınıfı için %40, 47nH ile karma tasarım için %57 ve 56 nH ile karma tasarım için %37 olarak ölçülmüştür. Bütün ölçüm sonuçları son bölümde ayrıntılı olarak verilmiştir. Hazırlanan devreler küp uydulardaki ihtiyacı karşılayacak şekilde 435 MHz civarında 1 W çıkış gücü sağlamaktadır. Doğrudan 5V ile çalışabildikleri için ek bir DC-DC dönüştürücü olmadan kullanılabilir.
A basic single-stage power amplifier circuit includes an active device, input matching circuit to match with source impedance, and an output matching circuit to match with load impedance. In a power apmlifier design, there are important parameters to be considered. These parameters include selection of active device, technology of active device, class of operaiton, intput and output matching network structure design, biasing, range of frequency, operation parameters such as required output power, gain, Power Added Efficiency (PAE), Input and Ouput Insertion Loss, S-parameters, etc. All these parameters shall be considered in the design and reaching design goals will end up in a successful design. Nowadays with improvements in designing wireless communiction systems with specific applications such as hand-hold wireless devices, space telecommunication subsystems, etc. it is important to have highly reliable, efficient, small-sized systems, given the limited input power source (generally battery), attaining desirable output power level and gain. The aim of this thesis is designing Class-E and Inverse-Class-E power amplifier with low voltge consumption in UHF band with application in small satellites. One of the main properties of this design is being supplied with only 5V which will result in elimintating a DC-DC down-converter in the next stage of a system. To reach this aim, class-E structure has been selected in order to have maximum possible PAE and high gain with the available input power, and other design specifications which will be discussed and mentioned in details in the text. Besides, Inverse-Class-E structure and a novel mix of Class-E and Inverse-Class-E has also been designed and tested to compare the function of each structure. Suitable transistor (available in market) and active device technology has been selected, different input and output matching networks have been designed and examined, biasing network has been designed carefully, and satisfying results for the given design goals has been achieved. Advanced Design System 2015.01 (ADS) is the software used for the design and circuits prepared and tested in RF Electronics Laboratory of Istanbul Technical University. The challenges of this project was designing Class-E and Inverse-Class-E power amplifier, while having output matching circuit, maintaining design simplicity with low voltage which resulted in very limited choices in using lumped elements. Furthermore, using lumped passive elements transformation into transmission lines is not feasible in UHF band as the lines will be very long and it makes the implementations almost impossible. Therefore, transmission lines were used only between lumped passive elements to make connections. On the other hand, using lumped passive elements resulted in having a very lossy system, that for instance, a design with PAE=59% turned to PAE=44% after implementing real passive element models and transmission lines. The main point in designing Class-E and Inverse-Class-E power amplifier is selecting the right biasing point which is almost considered as deep class-AB biasing point and the main affecting part of system is the output matching network. Thus, different output matching networks have been designed and examined and the result is, the simpler the circuit becomes, the higher efficiency can be obtained. Simplicity and using least passive elements were key factors in this design due to using lossy passive element models and the frequency domain. In this project, GaAs technology has been selected and ATF-511P8 is the active device, from Avago Technologies manufacturer. Process of input and output matching network designs has been presented in appendix .Three designes for Class-E, Inverse-Class-E and mixture of Class-E and Inverse-Class-E has been designed, fabricated and tested. Results indicated the importance of keeping simplicity of design, while satisfying design goals. On the other hand, superiority of functionality for Class-E power amplifier has been proved by having higher PAE than the other two designs. Novelty of this project is using a mixture of Class-E and Inverse-Class-E power amplifier which has been designed and tested for the first time. 1mm thickness standart RF4 substrate is preferred due to durable structure and low cost. According to our previous cube-satellite experiences, it is suitable for low-Earth-orbit (LEO) conditions. Very few references was found about Inverse-Class-E which shows how implementation of this structure is hard, and not ideally practical. Thus, part of the thesis concentrates on desiging and implementation of this structure. Furthermore, a mixture of Class-E and Inverse-Class-E including series inductance, shunt capacitance and parallel-tuned circuit in the output matching network has been designed, manufactured and tested for the first time. This will give an insight to a new structure for power amplifiers and can be further improved for future works. Simulated PAEs of Class-E, mixed strucure and Inverse-Class-E designs are 50%, 43% and 37% respectively. Measuremed gain, PAE and output power are slightly different than simulated values. In simulations, higher output power and gain but lower PAE was achieved while in measurements it was vice versa. It is impartant to mention that the mixed design was manufactured for two values of inductors 49nH and 56nH and each of them was measured separately. Measurement PAEs are 35% for Class-E, 40% for Inverse-Class-E, 57% for Mixed Design with 47nH and 37% for Mixed Design with 56nH. All results are presented in detailed at last chapter. Desinged GaAs amplifiers are suitable for cube-satellite UHF band transmitters due to small size and low voltage stable operation. In a standard cube-satellite, they can be used without an additional DC-DC convertor.
Description: Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2016
URI: http://hdl.handle.net/11527/15785
Appears in Collections:Elektronik Mühendisliği Lisansüstü Programı - Yüksek Lisans

Files in This Item:
There are no files associated with this item.


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.