Optimum performanslı mikrodalga kuvvetelendirici tasarımı

Abstract

ÖZET Aktif mikrodalga eleman karakterizasyonu ve geniş bandlı mikrodalga kuvvetlendiricisi tasannu, haberleşme mühendisHğinin en önemli ilgi alanlarından biri olmaya, günümüzde de devam etmektedir, özellikle, mikrodalga kuvvetlendiricisi tasarımında, sistem performansını optimize edebilmek amacı ile birçok modern nümerik yöntem kullanılmaktadır. Bu yöntemlerde genellikle, bir çalışma bandı boyunca kazanç (GT) üzerinde yoğunlaşılırken, giriş uyumsuzluğu (Vi), gürültü faktörü (F), çıkış uyumsuzluğu (Vout), gibi diğer performans ölçü kriterleri hesaba alınmaz. Diğer taraftan, 'optimizasyon' prosesi, sistemin performans model parametrelerine, yüksek dereceli nonlineer bağımlı bir prosestir. Aslında, bir optimizasyon prosesinde, aktif eleman fiziksel limitleri ve/ya da F, Vi, GT ve band genişliği B performans ölçüleri ara-ilişkileri bilinmeksizin, istenilen F, Vi, GT değerleri, 'referans' değer takımı olarak verilebilir. Fakat, bu (Freq, VÎreq, GTreq) üçlüsünün uyumsuzluğu nedeni ile, optimizasyon prosesi, sık sık başarısızlıkla sonuçlanabilir. Çalışmada, bu handikapları yenmek amacıyla önce kuvvetlendiricide kullamlan aktif elemanın potansiyel performans karakteristikleri elde edilmiş ve bu karakteristikler ile hedef uzayı teşkil edilerek kuvvetlendirici optimizasyonunu gerçeldeştMlmiştir. Bir mikrodalga transistorun potansiyel performans karakteristikleri üç aşamada elde edilebilir: İlk aşamada mikrodalga transistorun işaret ve gürültü parametreleri elemanın çalışma domeninde elde edilir. Çalışma domeni; frekans (f), kutuplama parametreleri (VDS, EDS) ve konfigürasyon tipi (CT)'den ibarettir. Bu aşamada işaret ve gürültü parametreleri modellenmesinde yapay sinir ağı ve bulanık mantık sofistike soft modelleme teknikleri kullamlmıştır. ikinci aşama çalışma domeninde uyumlu performans (Freq, Vireq, GTreq) üçlüleri ile kaynak (ZSreq) ve yük (ZLreq) sonlandırma fonksiyonlarının elde edilmesidir. Son aşamada mikrodalga kuvvetiendiricisinin tasarımı için transistorun potansiyel performans karakteristikleri oluşturulur. Kuvvetlendirici optimizasyonu için ilk aşamada potansiyel performans karakteristikleri incelenerek hedef uzayı oluşturulmuştur. Optimizasyonun ikinci aşaması olarak probleme uygun çok amaçlı hata (=amaç) fonksiyonu teşkil edilir. Son aşamasında hata fonksiyonunun hedef uzayı içinde global minimumunu bulmak için algoritma teşkil edilmesidir. Bu çalışmada optimizasyon algoritması olarak genetik algoritma ve başlangıç koşullan rasgele optimize edilmiş Nelder-Mead Simpleks algoritmalan kullamlmıştır. Son olarak optimizasyon sonucu bulunan devre elemanlan ile bütün devre analiz edilmiş ve sonuçlar belli başlı iki profesyonel simülasyon paketi ile karşılaştınlmış ve makul olarak uygun olduğu gösterilmiştir. Anahtar Kelimeler: Mikrodalga Kuvvetlendirici, Transduser Güç Kazancı, Giriş VSWR, Gürültü Faktörü, Genetik Algoritma, Simpleks Algoritma, Bulanık Mantık, Yapay Sinir Ağı. xm

ABSTRACT Characterisation of active microwave devices and design of the wideband microwave amplifiers are still among the major interests in the communication engineering. Especially, in designing microwave amplifiers, many sophisticated numerical methods are utilised to optimise the system performance. Generally, the optimisation is focused on the transducer power gain (Gt) over the frequency band of operation without controlling the other performance criteria such as the noise (F), the input VSWR (Vj), and the output VSWR (V0). It should also be mentioned that the optimisation process of the performance is highly nonlinear in terms of the descriptive parameters of the system. Certainly, within the optimisation process, one can easily imbed the desired performance goals without knowing the physical limits and/or compromise relations among F, V; and Gt and bandwidth B appropriately. But unfortunately, this process, often fails in hitting the desired goals. However, in this work to overcome all these the above-mentioned handicaps firstly the potential performance characteristics of the active element employed in the amplifer are obtained to form the target space of the optimization. Potential performance characteristics of a microwave transistor can be obtained from the following three major stages: In the first stage, the signal and noise behaviors of the transistor is modeled in the operation domain of the device. The operation domain consists of the frequency f, bias condition VDs, Ids and the configuration type CT. In the modelling of the active device, sophisticated soft computing modelling technics such as neural network and fuzzy logic are used succesfully. In the second stage, the compatible (F, Vi, Gt) triplets and the (Zs, Zl) termination functions are obtained in the operation domain of the device. In the final stage, the potential performance characteristics of the device are obtained for purpose of the space target to be used in optimization on the system. In the optimization procces of the amplifier, firstly the target space is formed subject to the potantial performance of the device and the limits of the technology used in realization. In the second stage a multiobjective error function is chosen subject to the features of the system. Final stage is to chose and program the optimization algorithm to determine the global minimum of the error function within the target space. In this work the two different algorithms called as the genetic and Nelder-Mead Simplex with randomly optimized initial values are utilized in the optimization process. In the end the complete analysis of the whole system is done using the resulted optimization parameters and the results are compared with the results of the two Professional soft packets and shown that all of them are agreed well. Key Words: Microwave Amplifier, Transducer Power Gain, Input VSWR, Noise Figure, Genetic Algorithm, Simplex Algorithm, Fuzzy Logic, Artificial Neural Network. XIV