Küçük Boyutta Uydular İçin Uhf Bandında Çalışan Rf Güç Kuvvetlendirici Tasarımı Ve Gerçeklenmesi

Abstract

Küçük boyutta uydular için üretilen güç kuvvetlendiricilerinde kullanılması şart olan standart bir merkez frekans değeri belirlenmiştir. Bu tezde, belirlenen standart değer olan 435.250 MHz merkez frekanslı olarak çalışan ve bant genişliği yaklaşık olarak 7 MHz olan radyo frekansı güç kuvvetlendiricisi tasarımı yapılmıştır. Üretilen güç kuvvetlendiricisinin teorik olarak hesaplanan kazanç değeri 23 dB ve çıkış güç değeri 0.6 Watt değerindedir. Üretilecek olan devrenin bütün çizimleri ve bilgisayar ortamındaki simulasyonları Microwave Office AWR programı ile yapılmıştır. Bu tez beş bölümden oluşmaktadır. Bölüm bir, tez hakkında kısa bilgiler veren ve tez konusunun neden seçildiğini belirten ön bilgilerden oluşmaktadır. Bu bölüm içinde genel olarak teze giriş yapılmıştır. Kendi içinde dört alt başlığa ayrılan ikinci bölüm, radyo frekansı güç kuvvetlendircilerinin temellerini konu almaktadır. Bu bölümdeki alt başlıklardan ilkinde kazanç, çıkış gücü, verimlilik, doğrusallık, kararlılık, bozulmalar vs. hakkında literatür bilgileri verilmiştir. Ayrıca tez için oluşturulan grafik ve devre şematikleri bu alt başlıkta yer almıştır. İkinci bölümün bir diğer alt başlığında S parametrelerine geniş bir giriş yapılmış ve S parametrelerinin çeşitleri ile voltaj durağan dalga oranı hakkında bilgiler verilmiştir. Üçüncü alt başlıkta güç kuvvetlendirici sınıfları üzerinde durulmuş ve doğrusal olarak çalışan A sınıfı, B sınıfı, AB sınıfı ve C sınıfı detaylı olarak incelenmiştir. Tez için oluşturulan güç kuvvetlendiricisi A sınıfı olduğu için bu sınıf derinlemesine incelenmiştir. İkinci bölümün son alt başlığında güç kuvvetlendiricisi tasarım temelleri aktarılmıştır. Tezin üçüncü bölümünde bilgisayar ortamında Microwave Office AWR programıyla yapılan deneylere ve gerçek ortamda baskı devrenin spectrum analizörü, osiloskop vb. ölçüm aletleri ile yapılan deneylerine yer verilmiştir. Bilgisayar ortamında ve gerçek ortamda yapılan deneyler iki ayrı alt başlık altında yer almaktadır. Her bir ölçüm detaylı olarak tezde anlatılmıştır. Tez için üretilen güç kuvvetlendiricisi devresinde kullanılan malzemelere ve devrenin ölçüm aşaması için gerekli olan cihazlara da bu bölüm içinde iki ayrı alt başlık verilmiştir. Bu alt başlıklarda malzemeler ve cihazlar tanıtılmıştır. Dördüncü bölümde bilgisayar ortamında ve gerçek ortamda yapılan deneylerin sonuçları karşılaştırılmış ve elde edilen bulgular hakkında yorumlar yapılmıştır. Tezin bütün bölümlerinde olmakla birlikte özellikle dördüncü bölümde önemli karşılaştırmalar yapılmış ve bu karşılaştırmalar tablolar halinde aktarılmıştır. Bu bölümde ayrıca; güç kuvvetlendiriciler konusu üzerine daha önceden yapılan bazı yüksek lisans tez çalışmaları hakkında bilgiler verilmiştir. Üzerinde çalışılan tezin daha önceden yapılan tezler ile karşılaştırılması yapılmış ve aralarındaki farklar özetle anlatılmıştır. Son bölüm olan beşinci bölümde, üzerinde çalışılan tezin neden seçildiği anlatılmış ve literatürde neden önemli olduğuna dair bilgiler verilmiştir. Küçük boyutta uydular için neden kullanıldığı tekrarlanmış ve tezin önemli sonuçları üzerinde tekrar durulmuştur. Ayrıca bu tezden sonra, tezin devamı için doktora aşamasında yapılabilecek çalışmalar aktarılmıştır. Son bölümden sonra, ayrı olarak, tezin bölümlerinde anlatılmayan bazı bilgiler ek kısmında aktarılmıştır. Tezin yazım aşamasında elde edilen bütün sonuçlar detaylı olarak paylaşılmış ve devre şematikleri, grafikler özenle teze eklenmiştir. Teze başlama aşamasında literatür çalışmaları iyi bir şekilde araştırılmış ve yüksek lisans tezleri, radyo frekansı güç kuvvetlendirici kitapları, IEEE yayınları, makaleler, bildiriler ve lisans tezleri detaylıca incelenmiştir. Daha sonra tez çalışmasının RFMD’nin üretmiş olduğu SGA9289z güç kuvvetlendiricisi ile yapılması danışman ve tez öğrencisi tarafından uygun görülmüştür. Transistor için tasarımı yapılacak olan kutuplama devresi, A sınıfı güç kuvvetlendirici devresinin çalışma prensibine uygun olarak dizayn edilmiştir. Kutuplama devresinde kullanılan direnç değerlerine analitik hesaplamalara göre ve transistorun veri sayfasından elde edilen bilgilere göre karar verilmiştir. Transistorun çalıştığı gerilim değerleri ve kutuplama akımı da veri sayfasındaki bilgiler esas alınarak oluşturulmuştur. Kutuplama devresinin tasarımından sonra devrenin giriş kısmına ve çıkış kısmına istenilen bant genişliği, kazanç değeri ve S parametrelerini verecek giriş ve çıkış devreleri eklenmiştir. Empedans uyumuna dikkat edilerek giriş ve çıkış devreleri güncellenmiş ve bilgisayar ortamında yapılan simulasyonlara devam edilmiştir. Empedans uyumunun gerçekleştirilmesi sırasında Microwave Office AWR programının iFilter özelliğinin yanı sıra; S11, S12, S21 ve S22 değerlerinin standart bir güç kuvvetlendirici devrede olması gereken değerleri de dikkate alınmıştır. Kararlılık analizlerine ve voltaj durağan dalga oranına göre güç kuvvetlendiricisinin çalışmasına en uygun görülen devre şematiği oluşturulmuştur. Elde edilen devre şemasının baskı devre işlemine geçmesi için bakır plaka üzerine yerleşim planının çıkarılması gerekmektedir. Microwave Office AWR programı ile baskı devre yerleşim planı çıkartılmıştır. Bu aşamada devrenin boyutunun yeterince küçük olmasına özen gösterilmiştir. Devrede kullanılacak olan bütün elemanların SMD eleman olması istenmiştir. Bu sayede devrenin olabildiğince küçük olması sağlanmıştır. Devredeki 24mm uzunluğundaki hat gibi bazı hatların uzun olmasından dolayı bu hatlar kıvrılmış bir şekilde baskı devreye çizilmiştir. MWO AWR programının bu özelliği sayesinde devrenin boyutu önemli ölçüde küçülmüştür. Sonuç olarak bilgisayar programında baskı devreye hazır hale getirilen devrenin boyutu 2,5cm en ve 3,3cm boy oranındadır. Üretilen baskı devrede kullanılan elemanların özellikleri hakkında ve baskı devrenin karakteristik özellikleri hakkında detaylı bilgilere tezde yer verilmiştir. Devredeki toprak bağlantılarının yeterince çok olması radyo frekansı güç kuvvetlendirici devreleri için gerekli bir durumdur. Bu durumun sağlanması için devrenin üst yüzeyinde toprak için yeterince büyük bir alan ayrılmıştır. Devrenin alt kısmı tamamen toprak olarak basılmıştır. Üst yüzeydeki toprak bağlantılarını alt yüzeydeki toprağa bağlamak için devrenin birçok yerinde hole olarak adlandırdığımız delikler açılmıştır. Bu sayede devrenin toprak bağlantısı istenilen ölçütlere ulaşmış olacaktır. Bilgisayar ortamında üretilen baskı devre gerçek ortamda üretilmiş ve devredeki kapasite, indüktans, direnç ve transistorlar devreye lehimlenmiştir. Son olarak devrenin giriş ve çıkışına SMA konnektörler lehimlenmiş ve devre gerçek ortamda deney ölçümlerine hazır hale getirilmiştir. Bilgisayar ortamında çizilen devre ve gerçek ortamda bakır levha üzerine basılan devre resimlerine tezde yer verilmiştir. Üretilen baskı devrenin kazanç değeri, S parametreleri, çıkış gücü ve verimi sinyal jeneratörü, osiloskop ve spectrum analizörü vb. ölçüm aletleri sayesinde ölçülmüş ve gerçek ortamda yapılan deney ile bilgisayar ortamında yapılan deneyler karşılaştırılmıştır. Sonuçlar ve karşılaştırmalar tezde başlıklar halinde detaylı olarak incelenmiştir. Sonuç olarak, küçük boyutta uydular için kullanılmaya elverişli bir radyo frekansı güç kuvvetlendirici devresi tasarlanmış ve gerçekleştirilmiştir.

In this thesis, the radio frequency power amplifier which can be used for small satellites is designed. The RF power amplifier has 23 dB gain and 0.6 Watt output power theoretically. It is designed in Microwave Office AWR (Applied Wave Research) program. The power amplifier center frequency is 435.250 MHz which is the standard frequency of small satellites. The bandwidth is about 7 MHz and the gain is flat around the center frequency. In the thesis, there are five chapters and the chapter one covers an introduction part which gives preliminary information about the thesis. The second chapter tells about the power amplifier basics which are given with four subtitles. One of the subtitles includes gain, output power, efficiency, linearity, stability, distortion, etc. The other subtitle gives information about S parameters and S parameters specifications. Later, the classes of power amplifiers and amplifier design fundamentals are given in the other subtitles. In the third chapter, the experiments are written in detail. The materials and the equipment are also given in this chapter. Experiments which are done in Microwave Office AWR program and in the real world are given in the third chapter too. The forth chapter shows the results and discussion about the experiments done in program and in real. There are also comparisons in this chapter. Finally, the last chapter which has conclusion part is given. As a start point of this work, the literature was researched very deeply among the M.Sc. theses, RF power amplifier books, IEEE publications, the articles and B.Sc. theses which were analyzed well. Later, it was decided that the power amplifier could be designed with SGA9289z medium discrete power transistor which is taken from RFMD (RF Micro Devices). The bias circuit for the transistor was designed according to the circuit specifications. The input and output circuit of the transistor were designed and impedance matching circuits were added. The optimum circuit was reached with controlling the S parameters, VSWR (voltage standing wave ratio), stability, etc. All of the components which were used in the circuit were SMD (surface mount device) product and they were very small, as a result, the power amplifier circuit dimensions were 2,5cm × 3.3cm. The components used in the amplifier circuit were explained in detail in the thesis. The circuit layout is drawn in the same program that is Microwave Office AWR. Later, it is printed out to the PCB (printed circuit board) and all of the components are soldered to the PCB. The SMA (subminiature version A) connectors are soldered to the input and output of the circuit to measure characteristics of the power amplifier. Finally, graphic results which are gain, output power, S11, S12, S21, S22 values and efficiency are obtained with using spectrum analyzer, oscilloscope, signal generator and the other equipment which are given in the third chapter. In the conclusion chapter of the thesis, it is given that why this thesis is important in the literature and why it can be used for small satellites. There is also information about the other works that can be done after this thesis work. Finally, there are appendix sections at the end of the thesis; some of the knowledge is given in this part.