Linearity And Efficiency İmprovement On Rf Power Amplifiers

Abstract

Sayısal işaret işleme konusundaki gelişmeler, sayısal modülasyon tekniğinin çok hızlı gelişmesini sağlamıştır. Ancak gelişen sayısal modülasyon teknikleri için, RF güç kuvvetlendiricilerinde, çok daha fazla doğrusallığa gereksinim duyulmaktadır. Öte yandan, gezgin terminal ve telefonların güç tüketimi gereksinimini en aza indirmek ve böylece kullanım süresini uzatmak için RF güç kuvvetlendiricilerin verimliliğinin olabildiğince yüksek olması gerekmektedir. Güç kuvvetlendirici verimliliği, sabit istasyonlarda da, işletme maliyetinin düşürülmesi nedeni ile önem kazanmaktadır. Günümüzde kullanımı oldukça fazla yaygınlaşan sayısal radyo ve televizyon yayınları, gezgin terminaller ve bunlara yönelik kurulan yer istasyonları, makine-makine haberleşmesi için kullanılan RF alıcı-vericiler havadaki sıklık bandının çok daha verimli olarak kullanılmasını zorunlu hale getirmiştir. Bu verimliliği artırmanın birinci adımı, RF güç kuvvetlendiricilerinin, daha genel bir ifade ile RF vericilerin gönderilen işareti en az bozulmayla antene aktarabilmelerinin sağlanmasıdır. İkinci adım ise, diğer cihazların kullandıkları komşu kanallara da en az şekilde etki etmelerini sağlayarak iletim sığasının düşmesinin önüne geçmektir. Sıklık bandının verimli kullanılması gerekliliği, yalnızca havadaki sıklık spektrumunun sınırlı olmasından kaynaklanmamaktadır. Analog televizyonlar için yapılan mevcut koaksiyel kablo alt yapısından daha fazla yaralanmak, mevcut telefon hatlarını kullanarak daha yüksek hızlarda İnternet erişimi sağlamak için de doğrusal vericiler yapmak birinci derecede önceliklidir. İki başlık altında toplanan, güç verimliliği ve doğrusallık özelliklerini aynı anda gerçeklemek için bugüne kadar çok çeşitli çözümler üretilmiştir. Verimliliği artırmak için önerilen çözümlerin doğrusallığı düşürmesi, doğrusallığı artırmak için yapılması gerekenlerin ise güç verimliliğini düşürmesi, her bir amaca uygun farklı bir çözüm bulunması gerekliliğini doğurmuştur. Gün geçtikçe gelişen sayısal teknoloji ile işlemcilerin artan veri işleme hızı, sayısal modülasyon yöntemlerinin ve RF kuvvetlendiricilerin doğrusallığını artırmaya yönelik sayısal önceden bozma tekniklerinin gelişmesine önemli katkı sağlamaktadır. Gelişen RF güç tranzistoru teknolojisi ile de verimliliği artırmaya yönelik yeni çözümler üretilmektedir. Her iki tekniğin birleştirilmesi ile üstün nitelikli RF vericiler tasarlanabilmektedir. Bu çalışmada, RF kuvvetlendiricilerin verimlilik ve doğrusallığı araştırılarak, her iki özelliği de en iyi ölçüde gerçekleyebilecek yöntemler incelenmiştir. Verimlilik konusunda ilk çalışmalar, radyo yayınlarında işletme giderlerini azaltmaya yönelik olarak başlamış ve günümüzde de hem işletme giderlerini azaltmak hem de taşınabilir kablosuz terminaller için, kullanım sürelerini artırmak için devam etmektedir. Öte yandan gelişen yakın alan haberleşme sistemleri için, enerjisini çeşitli şekillerde kendi üretmek zorunda olan RF alıcı-vericilerde de çıkış gücü çok küçük olan RF kuvvetlendiriciler kullanılmasına karşılık verimlilik oldukça önemli bir özelliktir. 1930'lu yıllarda çok yüksek güçlü radyo istasyonlarında işletme giderlerini azaltmak için, W.H. Doherty bir RF kuvvetlendiriciyi (ana kuvvetlendirici), çeyrek dalga empedans dönüştürücü ile ikinci bir RF kuvvetlendiriciye (tepe kuvvetlendirici) bağlayarak verim artışı sağlamıştır. Düşük güçlerde tepe kuvvetlendirici kapalı tutulmakta, ana kuvvetlendiriciye çeyrek dalga empedans dönüştürücü üzerinden bağlan yük, ana kuvvetlendiricinin daha erken doymaya yaklaşmasına neden olarak verim artışını sağlamaktadır. Yüksek güçlerde tepe kuvvetlendirici devreye girerek, ana kuvvetlendiriciye doğru dinamik yük modülasyonu yaparak ana kuvvetlendiricinin doyma sınırında kalmasını sağlamaktadır. Aynı yıllarda H. Chireix, doğrusal olmayan sabit genlikli iki kuvvetlendirici kullanarak genlik modülasyonlu işaretlerin doğrusal olarak kuvvetlendirilmesini sağlayan bir yöntem geliştirmiştir. Evre saptırmalı verim artırma tekniği olarak adlandırabileceğimiz bu yöntem, farklı evrelerde olan iki sinüzoidal işaretin toplanması esasına dayanır. İki kuvvetlendiricinin girişlerine uygulanan uygun genlik-faz modülasyonlu işaretlerin kuvvetlendirildikten sonra toplanması ile istenen genlik modülasyonlu işaret elde edilebilmektedir. Daha sonraki yıllarda, eğrisel bir RF kuvvetlendiricinin besleme gerilimi, giriş işaretine göre modüle edilerek verim artışı sağlayan iki yöntem geliştirilmiştir. Bu yöntemlerden birincisi giriş işaretinin zarfını yok etmek ve doğrusal olmayan bir kuvvetlendiricinin besleme gerilimini değiştirerek yeniden oluşturmak, ikincisi ise kuvvetlendirici besleme gerilimini zarftan biraz daha fazla yaparak verim artışı sağlamaktır. İkinci yöntemde zarf yok edilmediği ve doğrusal kuvvetlendirici kullanıldığı için daha iyi sonuçlar elde edilebilmektedir. Bu çalışmada, Doherty yöntemi, uygulamada fazla devre elemanı gerektirmediği için tercih edilmiştir. Evre saptırmalı verim artırma tekniğinde genlik-faz modülasyon devrelerine ihtiyaç duyulmaktadır. Diğer iki yöntemde ise RF kuvvetlendiricinin besleme gerilimi değiştirilmesi gerektiği için DC-DC çeviricilere ihtiyaç duyulmaktadır. Doherty yönteminde ise uygun bir empedans çevirici devre ve az sayıda pasif devre elemanı ile çözüm üretmek mümkündür. 1980 yıllarına kadar tüplü güç kuvvetlendiricilerinde kullanılan Doherty tekniği, daha sonraki yıllarda tranzistorlu güç kuvvetlendiricilerinde de kullanılmaya başlanmıştır. Raab 1987 yılında Doherty güç kuvvetlendiricinin yüksek verim aralığının daha geniş bir alanda da sağlanabileceğini analitik olarak göstermiştir. 1990 yıllarda az sayıda Doherty uygulaması raporlanmışken 2000'li yıllarda ve daha sonra çok fazla sayıda araştırma ve uygulama çalışmaları raporlamıştır. İlk olarak uygun Doherty çalışma şartlarının oluşması için ana ve tepe kuvvetlendiricilerin çıkışında bulunan empedans çeviricilerinden sonra faz ofset hatlarının gerektiği raporlanmıştır. Çok hızlı gelişen sayısal modülasyon tekniklerine paralel olarak yoğunlaşan akademik araştırmalar sonucunda Doherty uygulamaları verim, doğrusallık ve frekans bant genişliğinin artırılması yönünde daha da fazla geliştirilmiştir. Bunlar arasında çok katlı, asimetrik, çift bantlı, çift girişli, evirilmiş Doherty güç kuvvetlendiricilerini sayabiliriz. Bu tez çalışmasında RF kuvvetlendiriciler doğrusallık ve güç verimliliği açısından incelenmiş ve Doherty tekniği ile ilgili literatürde yapılan çalışmalar özet olarak verilmiştir. Literatürde yapılan hemen hemen bütün analitik analizlerde ana ve tepe kuvvetlendirici ideal olarak alınmış, çıkışta kullanılmak zorunda olunan empedans çevirici hesaba katılmamıştır. Sadece ofset hatlarının hesabına yönelik olarak empedans çeviricinin s-parametreleri kullanılarak analitik bir çözüm önerilmiştir. Bu çalışmada ise empedans çevirici devreler de hesaba katılarak temel Doherty güç kuvvetlendiricinin akım ve gerilim eşitlikleri iki-port ABCD parametreleri kullanılarak çıkarılmıştır. Çıkarılan bu akım ve gerilim eşitlikleri kullanılarak uygun Doherty çalışma koşullarının sağlanması için üç önemli tasarım kuralı belirtilmiş ve bu kuralların sağlanabilmesi için ana ve tepe kuvvetlendiricilerin çıkışına konulması gereken ofset hatlarının faz değerleri diğer devre parametreleri (empedans çevirici devre ve çeyrek dalga empedans çevirici) cinsinden verilmiştir. Ayrıca ana ve tepe kuvvetlendiricide kullanılan tranzistorların eğim oranları da benzer şekilde devre parametreleri cinsinden analitik olarak hesaplanmıştır. Bir sonraki aşamada ise π-tipi bir empedans çevirici kullanılarak tranzistorların parazitik çıkış kapasiteleri de hesaba katılarak temel Doherty güç kuvvetlendiricinin frekans cevabı analiz edilmiştir. Analitik analiz çalışmaları, ofset hatlarının ve tranzistor eğimlerinin güç verimi ve doğrusallığa etkileri incelenerek tamamlanmıştır. Analizler sonucunda tepe kuvvetlendiricinin çıkışındaki ofset hattındaki çok büyük olmayan faz değişimlerinin Doherty güç kuvvetlendiricinin verim ve çıkış gücüne etkisinin çok fazla olmadığı görülmüştür. Ancak ana kuvvetlendiricinin çıkışındaki ofset hattındaki küçük faz değişimleri dahi verim ve çıkış gücünü önemli ölçüde etkilemektedir. Bunun nedeni çeyrek dalga empedans çeviricinin getirdiği 90º fazın ofset hattındaki faz hatasından dolayı bozulması, sonuç olarak ise Doherty güç kuvvetlendiricinin uygun çalışması için gerekli etkin yük modülasyonunun tam olarak yapılamamasıdır. Ana ve tepe kuvvetlendiricilerdeki tranzistorların eğim oranlarına yönelik olarak yapılan analizlerde ise genlik oranı ve faz farkları ayrı ayrı incelenmiştir. Tepe kuvvetlendiricinin eğiminin idealden az olması ana kuvvetlendiricinin aşırı doyuma girmesine, sonuç olarak ise çıkış işaretinin kırpılmasına neden olmaktadır. Bu da, Doherty güç kuvvetlendiricinin yüksek verim aralığında doğrusal çalışma özelliğinin kaybolmasına neden olmaktadır. Eğimin idealden fazla olması ise ana kuvvetlendiricinin doyma sınırı altına düşmesine, sonuç olarak da verimin azalmasına neden olmaktadır. Eğimler arası faz farkının idealden farklı olması genliğin idealden farklı olması ile benzer sonuçları doğurmaktadır. Uygun eğimde tranzistorların seçimi ile ideal genlik oranları sağlanabilir. Ancak faz farkları, giriş empedans çevirici devrelerin tasarım veya imalat farkları nedeni ile idealden farklı olabilir. Bu faz farkının çıkış ofset hatları ile ideal hale getirilmesi halinde, Doherty çalışma koşulları bozulacağından, tepe kuvvetlendiricinin girişine konulacak bir faz kaydırıcı devre kullanılarak ideal faz değeri oluşturulmalıdır. Yapılan çalışmaları deneysel olarak doğrulamak için, galyum nitrid tranzistorlar kullanılarak 790-862 MHz. bandında çalışan, 100W çıkış gücünde iki farklı Doherty güç kuvvetlendirici tasarlanmıştır. Birinci kuvvetlendiricide ana kuvvetlendirici ofset hattı ayrık eleman kullanılarak optimize edilmiş ve tepe kuvvetlendiricinin çeşitli kutuplama gerilimleri için güç, verim ve kazanç değerleri çıkarılmıştır. Tepe kuvvetlendiricinin idealden düşük ve yüksek kutuplama değerleri için çıkış güç ve verim değerlerinin düşük olduğu gözlenmiştir. Tasarlanan ikinci kuvvetlendirici de ofset hatları transmisyon hatları kullanılarak imal edilmiş ve bunlar ana ve tepe kuvvetlendirici çıkışına takılmıştır. Çeşitli ofset değerlerinde imal edilen bu ofset hatları kullanılarak verim değerleri ölçülmüş ve analitik olarak yapılan çalışmalar doğrulanmıştır. Ana kuvvetlendirici çıkışındaki ofset hattının idealden az farklı olmasının bile verimi önemli ölçüde düşürdüğü görülmüştür. Ayrıca tepe kuvvetlendirici girişine konulan ayarlanabilir biz faz kaydırıcı devre ile de giriş fazı farkının verime etkisi ölçülmüş, sonuçların analizlerle uyumlu olduğu görülmüştür

Advances in digital signal processing led a very rapid development in the digital modulation technique area. However, emerging digital modulation techniques need more linearity in RF power amplifiers. On the other hand, the efficiencies of RF power amplifiers should be as high as possible in order to minimize power consumption of mobile terminals, and thus lead to reduced battery size and prolonged battery life. In the base station applications, high efficiency leads to reduced power demand of both the RF power amplifiers and the cooling equipment, thus reduces both equipment and operating cost. Nowadays pretty much widespread use of digital radio and television broadcasting, mobile terminals and ground stations established for them and frequency band used by RF transceivers for the machine-to-machine communication has made it mandatory to use a lot more efficient. The first step of the improvement of the efficient use of the frequency band is to transfer signal to the antenna with a minimum distortion. The second step is to enable the use of channels of neighbor's device, with minimum impact on other devices, to prevent at least, the capacitance fall of transmission. The necessity of efficient use of the frequency band in the air is not only because of the limited frequency spectrum available. The linearity of transceivers play an important role for benefiting more from the existing coaxial cable infrastructure of analog televisions and for providing a high speed of internet access from the existing telephone lines. A wide variety of solutions has been developed for power efficiency and linearity, which are two important titles of RF amplifiers features. The unavoidability of linearity degradation to improve efficiency and the unavoidability of efficiency degradation to improve linearity of the proposed solutions has given rise to the need for a practical solution in a different way. The development of the digital technology and increasing data processing speed of processors provide, day by day a significant contribution to the development of digital pre-reversal techniques intended to improve the linearity of RF amplifiers and digital modulation. New solutions are produced to improve efficiency, by developing RF power transistor technology. Superior RF transmitters can be designed by combining both techniques. This study investigates the linearity and the efficiency of RF amplifiers and, to the best extent realizations of both properties. The first studies in the field of efficiency started in order to reduce operating costs for radio broadcasts, nowadays, additionally, reducing operating costs as well as for increasing the use durations of portable wireless terminals. On the other hand, because of the emerging near-field communication systems, RF amplifiers efficiency becomes to be an important feature for small devices that have small power and that have to produce its own output power. Various linearization and efficiency enhancements techniques is investigated available in the literature. RF power amplifier classes and design techniques are compared for 4G base station applications. Suitable solution is chosen which is Doherty power amplifier in this work according to design objectives. By using ABCD cascade two-port parameters, a new analytic method is proposed to design Doherty power amplifier including its output matching circuits and output parasitic components of the active device. Three important design rules are defined to implement basic Doherty power amplifier, which one is the transconductance ratio of the main and peaking active devices, two others for calculation of the offset line values for main and peaking branches. With the proposed method, an ideal basic Doherty power amplifier analyzed using MATLAB and results are compared with RF CAD simulation outputs. In this analysis, a π-type matching circuit is used for output impedance transformation networks. Microstrip transmission lines are used to implement offset lines. Effect of the variation on component parameters is analyzed and results are discussed. Frequency response analysis is also presented. Finally, two Doherty power amplifiers are designed and implemented which, first amplifier has lumped component on the phase offset circuits, and the second uses microstrip offset lines and dual drive operation to demonstrate the proposed method. Properties of active devices that have different technologies are compared and main parameters of selected Gallium Nitride transistor are presented. High power amplifier design steps are also discussed.