Radar uygulamaları için F sınıfı kuvvetlendirici tasarımı

Abstract

Radarlar mikrodalga elektroniğinin en kapsamlı ve karmaşık konularındandır. Birden çok yapıyı (karıştırıcı, gerilim kontrollü osilatör, anten vb.) içermesinin yanı sıra bu yapıları uyumlu bir şekilde çalıştırmak da stratejik bir mühendislik uygulaması gerektirir. Yakın geçmişe kadar radar sistemleri sürekli olarak artan sivil hava gözlem radar maliyetlerine ve devamlı olarak gelişen askeri aviyonik teknolojilerine cevap verememekteydi. Savunma sanayi başta olmak üzere endüstriyel uygulamalarda da önemli bir kullanım alanı bulunan radar uygulamalarındaki mühim ve güncel bir ihtiyaç da yüksek verimli ve yüksek güç aktarabilecek bir güç kuvvetlendirici yapısıdır.Bu tez çalışmasında, daha yüksek çıkış gücü ve verim sağlamasından dolayı F sınıfı kuvvetlendirici yapısı tercih edilmiştir. Tasarlanan kuvvetlendiricinin veriminin yüksek olmasına, boyutunun küçük olmasına ve radar uygulamalarında kullanılabilir olmasına özellikle dikkat edilmiştir.Yüksek güçlü ve yüksek frekanslı kuvvetlendiriciler, günümüzde HEMT (High Electron Mobility Transistor) yapılı devre elemanlarıyla gerçeklenebilir durumdadır. GaN (Galyum Nitrit) – HEMT aktif elemanı diğer RF güç transistörlerine göre daha yüksek sıcaklıkta çalışabilmektedir. Ayrıca daha yüksek gerilimde çalışabildiği için daha yüksek güç sağlayabilmektedir ve empedansı da yüksek olduğu için bu tez çalışmasında tercih edilmiştir. SiC üzerine yapılan GaN alan etkili transistörlerin bu üstünlükleri, GaN transistörlerin radar uygulamalarında da daha çok tercih edilir hale gelmesini sağlamıştır.Harmoniklerin uygun sonlandırımıyla güç kuvvetlendiricilerinde verimin arttırılabildiği bilinen bir gerçektir. Bu tez çalışmasında, yüksek kazanç sağlaması, gerilim/akım şekillendirme tekniği sayesinde daha yüksek çıkış gücü sağlaması ve devre karmaşıklığının az oluşundan dolayı F sınıfı kuvvetlendirici yapısı tercih edilmiştir. Yapılan analiz ve benzetimlerde ilk 3 harmoniğin uygun sonlandırılmasının devreden beklenilen verimi sağlayacağı, optimum çözüm olarak öngörülmüştür.Tasarımda devre elemanlarından kaynaklı sapmaların ve tolerans duyarlılığının azaltılması amacıyla, olabildiğince az sayıda ayrık devre elemanı kullanılmasına dikkat edilmiştir. Tasarımı yapılan devrenin serim sonrası simülasyonlarına da yer verilerek devrenin performansının gerçeğe en yakın şekilde analiz edilmesi sağlanmıştır.Tasarıma ait elektromanyetik simülasyon sonuçları da oldukça başarılı nitelikte çıkmıştır. İdeal ve serim tasarımı tamamlanan devrenin daha sonra prototip üretimi de tamamlanıp testlere tabi tutulmuş ve elde edilen ölçüm sonuçlarına da yer verilmiştir. Ölçüm sonuçlarının simülasyon sonuçlarıyla uyuşması tasarımın başarılı olduğunun göstergesidir.Son olarak ölçüm sonuçları konuyla ilgili yapılan diğer çalışmalar ile karşılaştırılarak bu çalışmada kaydedilen başarı ve geliştirilmesi/iyileştirilmesi gereken yönleri belirtilmiştir.

Radars are the most comprehensive and complex topics of the microwave electronic systems. In addition to having multiple buildings (mixer, voltage controlled oscillator, antenna, etc.), implementing these structures in a harmonious manner also requires a strategic engineering practice. Until recently, radar systems were unable to respond to ever-increasing civilian aerial surveillance radar costs and continually, evolving military avionics technologies. A significant and current need for radar applications, which have a significant use in industrial applications especially in the defense industry, is also a power amplifier structure that is highly efficient and can transfer high power.In this thesis, F class amplifier structure was preferred because of its ability of higher output power and efficiency. Particular attention has been paid to ensuring that the designed amplifier has a high efficiency, a small size and can be implemented in radar applications.High power and high frequency amplifiers can be realized through HEMT devices. The active element of GaN (Galium Nitride) - HEMT (High Electron Mobility Transistor) can operate at higher temperature compared to other RF power transistors. It can also provide higher power because it can operate at higher voltage and is preferred for this thesis because it has higher impedance. This superiority of GaN field effect transistors on SiC ensures that GaN transistors have become much more preferred in radar applications, as well.It is a known fact that the efficiency of power amplifiers can be increased with proper termination of harmonic waveforms. In this thesis, F class amplifier design was preferred due to high gain with B biasing and high output power with voltage/current waveform shaping technique and less circuit complexity. It is observed in the analyses and simulations that the appropriate termination of the first three harmonics will provide the expected efficiency from the circuit.In the design, a number of discrete circuit elements are minimized in order to reduce their loss and parasitics at higher frequencies. Post-layout electromagnetic simulations of the designed circuit were also included to analyze the performance of the device in a way as close as to reality.The observed electromagnetic simulation results are quite satisfactory. The prototype production was completed and tested and the obtained results are included. The agreement of the measurement results with the simulation results in an indication of the correctness of the design and the success rate.Finally, measurement results are compared with other similar studies on the subject. The achievements recorded in this study and the aspects that can be improved / developed are discussed.