Design and implementation of high power GaN amplifiers with nonlinear optimization techniques

Abstract

In this thesis new and novel optimization methodologies will be prepared to design nonlinear circuits operating at high frequencies. These novel methods can be used to optimize circuits with realistic models and process design kits (PDKs). Thus, nonlinear and complex power amplifiers with wide-band and high-efficient specifications can be designed by applying the proposed optimization algorithms. The developed script runs on a computer and manages the nonlinear simulator and numerical analyzer to optimize the challenging nonlinear circuit design problems regarding the design rules and conditions set by the designer and requirements. The proposed optimization algorithms are implemented in an automated environment with the combinations of electronic design automation (EDA) tool such as ADS and numeric analyzer as MATLAB. This process decreases the dependency to any designer's experience and without any human interruption all the optimization process is performed automatically. Power amplifiers (PAs) consisting of Gallium Nitride (GaN) high electron mobility transistors (HEMTs) will be designed with the proposed optimization algorithms. The PAs' efficiency, gain response, linearity, and bandwidth will be optimized to achieve high performance results regarding the reported studies. The PAs operate at saturation mode and nonlinear region; hence, high dimensions of variables are achieved. EDA tools such as ADS, AWR, etc. include nonlinear optimizations and are successful tools in optimizing circuits; however, additional powerful optimizations are required to deal with large amount of data. Also, the commercial EDA tools face with the problems when the unreliable nonlinear models are used during the optimization process.Therefore, a need for the new simulation environment that is the combination of the EDA tool and numerical analyzer becomes essential. Regarding to the difficulties in commercial EDA tools, it becomes necessary to propose an optimization strategy suitable for nonlinear circuits to be reliable for simulating nonlinear models and also able to challenge many trade-offs of high power amplifiers (HPAs) such as efficiency, linearity and gain flatness. The scope of the proposed methods are based on scrip development for two processes: i) a scrip to control nonlinear simulator (ADS) and numerical analyzer (MATLAB), ii) algorithms to optimize the circuit parameters. These algorithms result in high performance PAs in terms of efficiency, output power, gain, and linearity. The used transistor model is GaN technology due to the several advantages for radio frequency (RF) circuits such as high power density, high thermal conductivity, large breakdown voltage, and good reliability. This technology is suitable for future applications of radar and fifth generation (5G) systems. The importance of this work is divided in to four sections: 1) Providing an automated environment that is a reliable simultaneous co-operation of EDA tool (ADS) and mathematical analyzer (MATLAB); 2) Proposing novel optimization strategy based on intelligent algorithms for RF nonlinear circuits results in best high performance; 3) Substituting the proposed novel optimization technique to the automated environment; and 4) Optimizing the whole PA designs automatically and comparing the results of fabricated PAs with the simulation outcomes.

Optimizasyon yöntemleri, çekici özellikleri ve uygun genelleme kabiliyetleri nedeniyle son zamanlarda araştırmacıların dikkatini çekmiştir. Optimizasyon, bazı veri setlerine karşılık gelen bazı işlevleri en aza indirme ve /veya en üst düzeye çıkarma işlemidir. Yaygın uygulamalar arasında minimum maliyet, minimum hata, optimum tasarım yönetimi ve maksimum kar elde edilmesi sayılabilir. Tezde, optimizasyon problemleri, optimizasyonun avantajları, dezavantajları, ve problem sınıflandırmaları dikkate alınmıştır. Sayısal yöntemlerle, yinelemeli hesaplama teknikleri kullanılarak çözüm bulunabilir, burada sayısal yöntemlere ek olarak, farklı çözüm teknikleri karşılaştırılmış ve değerlendirilmiştir. Simülasyon tabanlı tasarımlarda, binlerce fonksiyonun değerlendirilmesi gerekmektedir. Tezde, kompakt, düşük maliyetli ve düşük profilli yapılar ortaya çıkaran tasarım problemlerini çözmek için çeşitli optimizasyon yöntemleri dikkate alınmıştır. Farklı optimizasyon yöntemlerinin geçerliliği; sağlamlık, basit uygulama ve tatmin edici optimizasyon performansı açısından değerlendirilir. Elektromagnetik tasarım sorunlarının üstesinden gelmek için yeterli araçlara sahip uygun optimizasyon yöntemleri, her yöntemin avantajları ve dezavantajları dikkate alınarak seçilmiştir. Hedeflenen tasarım parametreleri, tam dalga ve elektromagnetik simülasyonlara odaklanılarak hesaplanmıştır. Optimizasyon yöntemleri genellikle evrimsel bir şekilde optimal çözümlere götürür. Son on yıllarda yapısal optimizasyon, tasarım sürecinde dikkate değer bir araç olarak sunulmuştur. Yeni nesil ağlar alanında pek çok optimizasyon problemi ile karşılaşılmaktadır. Bu nedenle, belirlenen problemler için en iyi ve uygun optimizasyon çözümleyicisini aramak araştırmacılar için önemli bir husustur. Bu nedenle, belirlenen problemleri çözmek için yeni optimizasyon yöntemlerinin uygulanması verimli olacaktır. Sayısal optimizasyon tekniklerinin kullanımı, optimum tasarım mekanik yapı gerektirir ve uygun maliyetli yapılar sağlar. Optimizasyon süreci, inşaat ve mühendislik maliyetlerini düşürerek yenilikçi tasarım çözümlerine yol açar. Optimizasyon süreci, sırasıyla yapısal bileşenlerin boyutlarının, şekillerinin ve uzamsal dağılımının optimize edildiği boyut optimizasyonu, şekil optimizasyonu ve topoloji optimizasyonu olmak üzere üç gruba ayrılır. Bu üç grupta sınır koşullarıyla amaç işlevinin belirlenmesi hayati bir süreçtir. Optimizasyon yöntemleri, tasarım değişkenlerini dikkate alarak yerel (tipik olarak gradyan tabanlı) veya evrensel (tipik olarak gradyan tabanlı olmayan veya evrimsel) algoritmalar gerektirir. Optimizasyon süreçleri, yazılım araçlarını kullanarak çeşitli önemli faydalar sağlar. Optimizasyon sürecinin en belirgin yararı, sistem tasarımlarının verimliliğinin arttırılmasıdır, yani genel tasarımların akışındaki iyileşmedir. Etkili ve iyi organize edilmiş süreçler, hedeflenen tasarım çıktılarını geliştirmek için fırsatlar sağlar. Telekomünikasyon alanında, en uygun çözümleri sağlayan tekniklere odaklanmak için özel çabalar sarf edilmektedir. Çeşitli optimizasyon yöntemleri, tamsayı veya ayrık değerlerle sınırlı tasarım değişkenlerinin bir kısmını ya da tamamını içerir. Genel olarak, algoritmalar, doğrudan uygulama ile verimli bir şekilde ele alınabilen yan kısıtlamaları araştırır. Optimizasyon sürecinde gereksiz adımlar ortadan kalkar. Kısa sürede, daha az hata ile tasarım özellikleri elde edilebilir. Uygun bir optimizasyon algoritması kullanarak tasarım süreci, uygun yazılım araçlarıyla desteklenen hızlı, esnek ve verimli bir şekilde çalışabilir. Ek olarak, sıkı bir şekilde organize edilmiş süreçler, sürekli iyileştirmeyi kolaylaştırır. Sonuç olarak, optimizasyon süreçleri, en iyi amaç fonksiyon değerini üreten tasarım değişkeni değerlerinin kombinasyonunu belirler. Bu tezde, yüksek frekanslarda çalışan doğrusal olmayan devreleri tasarlamak için yeni ve özgün optimizasyon yöntemleri önerilmiştir. Bu yöntemler kullanılarak devre tasarımı, devrelerin gerçekçi modelleri ile standart bilgisayarlı benzetim araçlarını kullanarak optimize edilebilmektedir. Bu sayede geniş bantlı ve yüksek verimli doğrusal olmayan ve tasarımı karmaşık adımlar gerektiren güç kuvvetlendiricileri, önerilen optimizasyon algoritmaları ile sistematik bir şekilde tasarlanabilmektedir. Tezde geliştirilen optimizasyon yordamı sayesinde, güncel teknolojinin gerektirdiği zorlayıcı tasarım kısıtlarına rağmen, doğrusal olmayan devre tasarım probleminin optimum çözümü, standart benzetim programları ve sayısal analiz programları kullanılarak elde edilebilmektedir. Önerilen optimizasyon algoritmaları ile ADS ve MATLAB gibi sayısal analiz programlarının bir arada çalıştırılmakta ve devre tasarımının tamamen otomatik şekilde yapılmasını sağlayan bir otomasyon sistemi (EDA) elde edilmiş olmaktadır. Bu sistem sayesinde devre tasarımı tamamen otomasyon sürecine uygun hale getirilmiştir. Bu süreç, karmaşık RF devre tasarımının herhangi bir tasarımcının deneyimine bağımlılığı azaltmakta ve herhangi bir müfahele olmaksızın, tüm optimizasyon sürecinin otomatik olarak tamamlanmasını sağlamaktadır. Tezde geliştirilen optimizasyon ortamı kullanılarak haberleşme sistemlerinde çok yaygın bir şekilde kullanılan ve başarımı o ölçüde kritik bir blok olan GaN HEMT mikrodalga güç kuvvetlendirici devresi tasarlanmaktadır. Bu kritik yapıların tasarımı geliştirilen tasarım otomasyon ile, verimlilik, kazanç yanıtı, doğrusallık ve bant genişliği gibi kriterler açısından literatürdeki güncel yayınlarda elde edilen başarımlarla erişecek şekilde yapılmaktadır. Güç kuvvetlendiricileri doyma modunda çalıştığında doğrusal olmayan davranış göstermektedir. Bu çalışma bölgesinde transistorların model parametreleri uygun olmayan değerler almakta, bu durum ise ticari devre tasarım araçlarının optimizasyon algoritmasında sorun çıkarmaktadır. Bu sorun nedeniyle tasarım araçlarının optimizasyon algoritmaları uygun olmayan çıkış değerler üretmekte, tasarım sürecinin gecikmesine veya kesintiye uğramasına neden olmaktadır. Ek olarak, bu araçlar yüksek boyuttaki değişkenleri idare edememekte ve mikrodalga devrelerini optimize etmek için kabul edilebilir çözümler bulamamaktadır. Mikrodalga güç kuvvetlendiricilerde kullanılan elemanların doğrusal olmayan modellerinin simülasyon ortamında güvenilir bir şekilde kullanılabilmesi için, standart optimizasyon araçları yetersiz kalmakta, uygun bir optimizasyon stratejisi geliştirmek gerekmektedir. Optimizasyon performansını artırmak ve süreci hızlandırmak için, sayısal analiz programı (MATLAB) ile EDA aracının (ADS) aynı anda çalışmasına imkan sağlayan bir otomasyon algoritması önerilmiştir. Bu tezde, GaN teknolojisi, yüksek güç yoğunluğu, yüksek termal iletkenlik, büyük kırılma gerilimi ve yüksek güvenirlik gibi RF devreler için sağlayacağı önemli avantajlar nedeniyle seçilmiştir. Bu teknolojisi radar ve beşinci nesil (5G) haberleşme sistemlerin gelecekteki uygulamaları için anahtar bir teknolojidir. Önerilen otomasyon yönteminde iki aşamalı optimizasyon yordamını temel almaktadır. İlk aşamada, doğrusal olmayan devre simülatörü ve sayısal analiz yapısını kontrol eden bir yordam kullanılmakta iken ikinci aşamada devre parametrelerini optimize etmek için bir ordam geliştirilmiştir. Tüm optimizasyon tasarım sisteminin ana komut dosyası ve kodları MATLAB üzerinde çalışmaktadır. Komut dosyasının ve kodun etkin bir şekilde geliştirilmesi, tasarım probleminin çözümünün bulunması için kritiktir. Bu nedenle, geliştirilen otomasyon programı sadece temel bir kontrol algoritmasından oluşmamakta, kararlılık, yakınsama ve simülasyon akışını kontrol etmek için ek rutinler içermektedir. Öte yandan doğrusal olmayan devre simülasyon aracı yalnızca elektriksel parametrelerleri kullanarak ilgili adımda geliştirilen devreyi analiz etmek için kullanılacaktır. Ancak komut dosyası, performansı iyileştirmek için bileşen değerlerini ve işlem noktalarını değiştirebilir. Doğrusal olmayan devre simülasyon aracı olarak ticari bir yazılım kullanılmaktadır ve bu aracın geliştirilmesine yönelik bir bir çalışma tezde yapılmamıştır. Bu çalışmada yapılan önemli katkılar dört madde halinde verilebilir: 1) EDA aracı (ADS) ve matematiksel analiz programının (MATLAB) eşzamanlı işbirliği içinde güğvenli şekilde çalıştığı otomatikleştirilmiş bir tasarım ortamı sağlamak; 2) Doğrusal olmayan RF devreleri için akıllı algoritmalara dayalı yeni bir optimizasyon stratejisi önermek; 3) Önerilen yeni optimizasyon tekniğini otomatikleştirilmiş ortama dahil etmek; 4) Otomasyon yöntemi ile farklı PA tasarımlarını otomatik olarak optimize etmek ve üretilmiş PA'ların test sonuçlarının simülasyon sonuçlarıyla karşılaştırılmasıyla geliştirilen aracın başarımını doğrulamak.