Yüksek Verimli E Sınıfı Dengeli Güç Kuvvetlendiricisi Tasarımı İçin Yeni Bir Yaklaşım

Abstract

Bu çalışmada, 3.5 GHz – 3.8 GHz sıklık bandında çalışan GaN transistörlü E sınıfı dengeli güç kuvvetlendiricisi tasarlanmıştır. Klasik E sınıfı yapının yüksek sıklıklarda düşük verim ile çalışması nedeniyle ilk önce yeni bir GaN transistörlü tek çıkışlı E sınıfı güç kuvvetlendiricisi önerilmiş ve gerçeklenmiştir. Dengeli yapının oluşturulabilmesi için giriş işaretinin 180° hibrit bağlayıcı ile eşit büyüklüğe ve 180° evre farkına sahip iki işarete bölünmesi gereklidir. Bunu sağlamak amacıyla, geleneksel halka hibritin dar bantlı olma ve büyük alan kaplama sorunlarını çözecek iki yeni hibrit bağlayıcı önerilmiştir. Önerilen iki yeni hibrit bağlayıcı ve geleneksel halka hibrit bağlayıcı gerçeklenmiş, ölçüm sonuçları karşılaştırılmıştır. Tasarlanan hibrit bağlayıcılar yardımıyla, dengeli güç kuvvetlendiricisi tek kart üzerinde gerçeklenmiştir. Gerçeklenen tek çıkışlı ve dengeli kuvvetlendiriciler çıkış gücü, verim, çift dereceli harmonik büyüklükleri bakımından karşılaştırılmıştır. Gerçeklemeler; 0.254 mm kalınlığına ve 2.2 dielektrik sabitine sahip, düşük kayıplı RT5880 dielektrik taban kullanılarak yapılmıştır. Sonuç olarak; önerilen hibrit yapılarının geleneksel halka hibrit bağlayıcının bant genişliğini artırdığı, kapladığı alanı küçülttüğü ve buna ek olarak dengeli E sınıfı kuvvetlendiricinin, tek çıkışlı E sınıfı kuvvetlendiriciye göre yaklaşık 3 dB daha yüksek çıkış gücüne sahip olduğu, yaklaşık 20 dB daha düşük çift dereceli harmonik bileşenlerine sahip olduğu ve güç ekli verimin her iki yapı için de %76 mertebelerinde olduğu sonuçlarına ulaşılmıştır.

In this study, a balanced class E power amplifier has been designed for 3.5 GHz – 3.8 GHz frequency band with GaN transistor. To increase the efficiency of the conventional Class-E structure for high frequencies; a single ended high efficiency class E power amplifier proposed and realized. Because of the fact that the balanced power amplifier have to be symmetrically driven, the RF signal have to be divided into two parts balanced and unbalanced with element of hybrid coupler. Power amplifying and impedance matching was realized with GaN transistors and microstrip lines and at last two divided parts were joined with hybrid coupler again. Due to the fact that conventional ring hybrid coupler has problems such as narrow bandwidth and large area consumption, two new hybrid couplers were proposed. Proposed and conventional hybrid couplers were realized and measurement results were compared. With aid of proposed hybrid couplers, a GaN class E balanced amplifier was designed and realized on a single board. Realized balanced and single ended class E amplifiers were compared in terms of output power, efficiency and even order harmonics. Realizations are made on low loss RT5880 dielectric material with 0.254 mm width and 2.2 dielectric constant. As a result, proposed hybrid couplers increased bandwidth and decreased area consumption of conventional ring hybrid coupler. Also balanced class E power amplifier has approximately 3 dB more output power, approximately 20 dB less even order harmonics than single ended class E power amplifier with %76 power added efficiency.