Design of an S-band power combiner system with two parallel power amplifiers and phase shifters

Abstract

RF güç yükselticileri kablosuz iletişim sistemlerinde genel performansı belirleyicibir unsur olarak önemli bir rol oynamaktadır. Radar ya da uzay iletişim sistemlerigibi bazı uygulamalarda, bazen bir tek güç yükselticisinin sağlayabileceğigüçten daha fazla bir güce ihtiyaç duyulduğu durumlar olabilir. Bu gibi durumlarda,tek bir güç yükselticisinin verebileceği maksimum gücü aşabilen güçbirleştiricileri kullanılmalıdır. Bu tezde, klasik ikili (binary) yapıya sahip birgüç birleştiricisinin performansı incelenmektedir. Birleştirici, 3 GHz'de (S-bandı)çalışmakta ve 38 dBm doymuş çıkış gücüne sahip iki güç yükselticisi içermektedir.Giriş/çıkış sinyallerini bölmek/birleştirmek amacıyla giriş ve çıkışta Wilkinsonbirleştiricisi/bölücüsü kullanılmıştır. Bir güç birleştiricisi tasarlarken dikkatedilmesi gereken bir husus, yükseltilmiş çıkış sinyallerinin fazlarının uyumlu olmasıdır.Aksi halde, birleştirme kaybı önemli seviyelere ulaşabilir. 180 derecelik bir fazkayması halinde sinyaller tamamen fazdışı olacak ve çıkışta birbirlerini yok edecekşekilde birleşeceklerdir. Bu nedenle, bu çalışmada, güç birleştiricisinin her bir kolundakifazı control edebilmek amacıyla, aktif devrelerin önüne iki tane ayarlanabilirmikrodalga faz kaydırıcısı konulmuştur. Bu faz kaydırıcılarından elde edilenfaz kaymaları dışarıdan voltaj ile kontrol edilerek istenen değere ayarlanabilmektedir.Böylece, faz kaydırıcılarının, güç birleştiricileri için iki koldaki fazlararasında bir denge ayarlanmasında önemli yapılar olduğu gösterilmektedir. Buçalışmadaki düşünce, çok daha yüksek güç seviyesinin söz konusu olduğu ya dadaha yüksek frekanslarda çalışan uygulamalara da uyarlanabilir.

RF power amplifiers are important blocks in a wireless communication systemthat play a vital role in determining the level of overall performance. In somesituations, more power than a single power amplifier can alone provide is requiredin applications such as a radar or a space communication system. In such cases,power combiners that can surpass the maximum output power level of a singlepower amplifier should be used. In this thesis, we study the performance of apower combiner built in classical binary structure. The combiner operates at3 GHz (S-band) and comprises two power amplifiers which can supply up to38 dBm of saturated power. Wilkinson power dividers/combiners are utilizedat the input/output respectively in order to divide and combine the input andoutput signals. While building a power combiner, one should also note thatthe phases of the amplified signals should be matched at the output or else thelevel of combining loss can reach significant levels. At a phase difference of 180 degrees,the signals will be completely out of phase and will combine destructively atthe output. Therefore, in our study, in order to be able to control the phasesat each arm of the power combiner, two tunable microwave phase shifters areplaced before the active devices. The phase shift generated by these shifters arecontrolled via voltage, hence a desired level of phase shift can be obtained. Bythis, we demonstrate that phase shifters are also important structures for a powercombiner that are instrumental in accomplishing a phase balance between the twoarms. The idea behind the work displayed here can be extended to applicationsrequiring much higher power levels or operating at higher frequencies.