A semi-analytic method to design wideband microwave amplifiers

Abstract

Bu çalışmada, Normalleştirilmiş Kazanç Fonksiyonu (NGF: Normalized Gain Function) olarak adlandırılan yeni bir yöntem kullanılarak genişband mikrodalga yükselteç tasarımı yapılmaktadır. NGF yöntemi, literatürde çok iyi tanınan SRFT (Simplified Real Frequency Technique) yarı-analitik nümerik yöntemi ile birleştirilerek kullanılmakta, yükselteç giriş/çıkış empedans uyum devre fonksiyonları ve devreleri elde edilmektedir. Türeve-dayalı optimizasyon algoritmaları yerine fminsearch arama algoritması kullanılarak yakınsaması daima garanti edilebilir ve gerçeklenebilir empedans fonksiyonları elde edilebilmektedir. fminsearch optimizasyonuna dayalı NGF yöntemi ile SGA (Sloping Gain Amplifier) tasarımı yapılmaktadır. Tezde, bu türden bir eğik kazançlı genişband SGA yükselteç önerilmesinin nedeni SGA türü yükseltecin aynı bandda çalışan düz kazançlı genişband FGA (flat gain amplifier) yükselteç ile karşılaştırıldığında; gerek a) ortalama verimliliğinin daha yüksek, gerekse b) ?hiçbir geribesleme devresi kullanmaksızın? düşük giriş/çıkış/iç yansıma katsayılarına sahip olmasıdır. Bunun aksine, bir FGA?nın giriş ve çıkış yansıma katsayısı değerlerinin düşük elde edilebilmesi; ancak ve ancak kullanılan aktif elemana bir geribesleme uygulanması ile mümkündür. Tezde; SGA türü yükseltecin geniş bir çalışma bandında eğik bir kazanç şekline sahip olmasının, bu tür yükseltecin ?hiçbir geribeslemeye ihtiyaç duymaksızın? daha yüksek ortalama verim ve düşük giriş/çıkış/iç yansımalarına sahip bir yükselteç olarak kullanılabileceği gösterilmektedir. Ayrıca, SGA türü yükselteçlerin özellikle X bandı gibi çok yüksek frekanslarda FGA türü yükselteçlere göre daha verimli oldukları hesaplanmıştır. Bu anlamda, günümüzde halen çok sayıda dar bandlı PA (Power Amplifier) kullanmak zorunda olan tüm taşınabilir kablosuz ekipmanların (örneğin 0.8-5.2 GHz aralığında çalışan çok standardlı çok modlu cep telefonları) sadece bir adet genişbandlı SGA türü bir mikrodalga yükselteçle donatılması, esnek SDR (Yazılım Radyo, Software Defined Radio) teknolojilerine uygunluk açısından büyük önem arzetmektedir. SGA yükselteçleri geleneksel negatif geribeslemeli ve dengeli yükselteçlere göre tasarımı daha kolay, daha ucuz, daha hafif devreleri olanaklı kılmaktadır. Giriş/çıkış yansımalarını azaltmak üzere LRA (Least Reflection Approach) ve BRA (Balanced Reflection Approach) yaklaşımları önerilmekte ve kullanılmaktadır. Ayrıca, SGA türü yükseltecin genlik ve faz cevabına uygun olarak SDR birimi üzerinde Genlik ve Faz Sayısal Ön-Düzeltme Birimi (AP-DPD: Amplitude and Phase Predistortion Unit) önerilmektedir.

In this work, wideband microwave amplifier designs are done using a novel methodology we call as ?NGF (Normalized Gain Function)?. NGF method is used in combination with SRFT (Simplified Real Frequency Technique) semi-analytic method, which is a very well-known numerical solver in the literature, and eventually impedance functions and corresponding circuits of input/output matching networks are obtained. Rather than using gradient-based optimization algorithms, search algorithms such as fminsearch are used to obtain optimizations which are always convergent and gives realizable immitance functions. With fminsearch-based NGF, SGA (Sloping Gain Amplifier) design can be done. The thesis proposes such a wideband SGA kind amplifier design because of its a) higher average efficiency compared to a wideband FGA (flat gain amplifier) operating in the same band and b) low input/output/internal reflectances without using any feedback network. On the contrary, it is well-known that an FGA could have low input/output reflectances if and only if it is constructed with an active device around which a feedback network is placed. In the thesis, it has been shown that having of sloping gain shape along a wide frequency band of operation makes an SGA more efficient and low (input/output) reflective without using any feedback. Calculations have showed that SGA has higher efficiency than FGA especially at very high frequencies such as X band. It is rather important to realize the output stage of a traditional mobile phone with only one such a wideband SGA instead of using a large number of narrow band amplifiers. Such wideband single SGA output topology is also very suitable to the flexible SDR (Software Defined Radio) technologies. SGA design approach allows us to obtain easier, cheaper, lighter mobile equipment than negative amplifier and balanced amplifier approaches. Furthermore, novel LRA (Least Reflection Approach) and BRA (Balanced Reflection Approach) are proposed to reduce the input/output reflections. Moreover, a unit, AP-DPD (Amplitude and Phase Predistortion), is proposed to be placed into the SDR in accordance with the amplitude and phase response of the SGA.