S bant radar uygulamaları için iki katlı 50 watt GaN HEMT f sınıfı güç kuvvetlendiricisi tasarımı

Abstract

Bu tez çalışmasında, S bant radar uygulamalarında kullanılmak üzere 2.7-2.9 GHz frekans bandında çalışacak, yüksek güç ve verimli bir güç kuvvetlendirici tasarımı sunulmuştur. Tasarlanacak devrenin hedeflenen uygulama alanları olan faz dizili radar ve diğer katı hal kuvvetlendirici yapısı kullanan radarlarda kullanımını kolaylaştırabilmek adına modüler bir yapıda olmasına dikkat edilmiştir.Katı hal kuvvetlendiriciler için yüksek güç söz konusu olduğunda galyum nitrit (GaN) teknolojisi diğer alternatifleri olan silisyum (Si) ve galyum arsenit (GaAs)'den en yüksek güç, kazanç ve verim kombinasyonuna sahip olması yönünden üstündür. GaN transistörler yüksek akım yoğunluğu sayesinde aynı miktardaki güçlerin çok daha küçük transistör boyutlarıyla gerçeklenebilmesine imkân vermektedir. Üzerine temellendiği silisyum karbit (SiC)'in üstün ısıl kabiliyeti sayesinde transistör üzerinde oluşan ısıyı çok daha iyi şekilde atabilmektedir. Bunlara ek olarak yüksek besleme gerilimleriyle çalışabilmesinin sonucu olarak daha yüksek çıkış empedanslarına sahip olması da uyumlama devresi tasarımını kolaylaştıran bir diğer artısıdır. Sahip oldukları bu üstün özellikleri ve yüksek güç ihtiyacından dolayı bu tez çalışmasında aktif eleman olarak GaN transistörler tercih edilmiştir.Güç kuvvetlendiricileri tasarımında verim ve doğrusallık gibi isterlere göre tercih edilebilecek farklı sınıflar bulunmaktadır. Bu tez çalışması içerisinde hedeflenen yüksek verimi karşılayabilmesi adına, çıkışındaki çoklu harmonik rezonatörler sayesinde transistörün savak-kaynak uçları arasındaki akım ve gerilim şekillerini biçimlendirerek ideal şartlar altında 100% verime ulaşabilen F sınıfı güç kuvvetlendiricisi kullanılmasına karar verilmiştir. Hedeflenen modüler tasarım yapısını gerçekleyebilmek adına tasarlanacak devre ana kuvvetlendirici ve sürücü kuvvetlendirici katı olmak üzere iki ayrı birime bölünmüştür. Tekrar kullanım kolaylığı, kolay test edilebilirlik ve optimizasyon elverişliliği sunması açısından tasarlanacak iki katın giriş ve çıkış empedanslarının ayrı ayrı 50 Ω'a uydurulması uygun görülmüştür.Devre tasarımına ilk önce ihtiyaçlara uygun transistörler ve dielektrik taban seçilerek başlanmıştır. Ardından sürücü ve ana kuvvetlendirici katları ayrı ayrı tasarlanmıştır. Tasarlanan her kat için öncelikle seçilen transistörlerin karakter analizi yapılmıştır. Ardından seçilen transistörler için yük-çek (load-pull) analizi uygulanmıştır. Yük-çek analizi sonrası tasarım isterlerine göre istenilen verim ve çıkış gücü ikilisini sağlayan giriş ve çıkış empedans değerleri elde edilmiştir. Elde edilen giriş ve çıkış empedanslarına göre uyumlama devreleri tasarlanmıştır. Uyumlama devrelerinin tasarımı esnasında transistörlerin doğrusal olmayan modellerinin sunduğu gerçek (intrinsic) akım ve gerilim değerleri incelenmiştir. Gerçek akım ve gerilim değerlerinin fiziksel olarak incelenmesi mümkün olmadığı için, dalga formu mühendisliği açısından çok önemli bir araç olan bu değerler benzetim yoluyla incelenmiştir. F sınıfı dalga formuna yakın değerlerin elde edilmesinin ardından tasarımdaki bir sonraki adıma geçilmiştir. Mikroşerit hatlar ile tasarlanan uyumlama devreleri oluşabilecek süreksizliklere ve birbirleriyle olan etkileşimlerine karşılık elektromanyetik analiz ile incelenmiştir. Elektromanyetik analiz sonucu devre üzerinde ortaya çıkan performans kayıpları optimizasyonlar ile giderildikten sonra devrenin üretim kısmına geçilmiştir. Sürücü ve ana kuvvetlendirici katlarının birleştirilmesinin ardından devrelerin serimi yapılmış ve üretime hazır hale getirilmişlerdir. Üretilen devre kartları hazırlanan bakır plaka üzerine monte edilmiş ve ölçüm için hazır hale gelmiştir.Son aşama olarak üretilen devrenin performans değerleri ölçülmüştür. Kazanç, güç, verim, doğrusallık ve kararlılık yönünden performans analizleri yapılan devrenin sonuçları değerlendirilmiştir. Ölçümler sonucunda devrede 25 dBm giriş gücü için merkez frekansı olan 2.8 GHz'de elde edilen en yüksek güç ekli verim değeri 71.5%, yine aynı frekans ve giriş gücü için ölçülen çıkış gücü ise 47.2 dBm (~52.5 watt) olmuştur. 25 dBm giriş işareti gücü için 47 dBm (50 watt) ve üzeri çıkış gücü ve 70% üzeri verim 200 MHz'lik (2.7-2.9 GHz) bant genişliği boyunca sağlanmıştır.

Nowadays, the increasing competition in wireless communication in both military and civil applications has brought an endless search for more efficient, less power consuming, lighter and compact products. The efficiency of the power amplifiers, which are the most power consuming and heat producing part, is of great importance in the products that are designed to be long lasting and require as little maintenance as possible. High efficiency has become a critical need for power amplifiers because it means longer battery life, lower operating temperatures and simpler external cooling systems. The RF power amplifier design by its nature contains a trade off between efficiency, output power and linearity. Although the main objective is to design the best power amplifier in all its features, it is necessary to waive performance in area in order to achieve better performance in another.One of the areas with high power needs is radar applications. There are many radars operating in the S-band covering the frequency range of 2-4 GHz. Primary surveillance radars (PSR), air traffic control radars (ATC), airport surveillance radars (ASR), meteorological radars and sea search radars are important examples of radars operating in S-band. Although these types of radars are generally based on a central single transmitter system, phased array radar systems that provide electronic beam steering are becoming more common.In this dissertation, a high power and efficient power amplifier design which will work in 2.7-2.9 GHz frequency band is presented for use in S band radar applications. It has been paid attention that the circuit to be designed has a modular structure in order to facilitate its use in the targeted application areas which are phase array radars and other radars that use solid state PAs.When it comes to high power for solid state amplifiers, the GaN technology is superior to its alternatives, Si and GaAs, in terms of the highest combination of power, gain and efficiency. The high current density of GaN transistors allows the same amount of power to be produced with much smaller transistor sizes. Thanks to the superior thermal capability of the SiC on which GaN is based, it can better dissipate the heat generated on the transistor. In addition, the fact that it has higher output impedances as a result of its ability to work with high supply voltages is another advantage that facilitates the matching circuit design. Because of their superior properties and high power requirements of the circuit, GaN transistors were preferred as active elements in this thesis.There are different classes in the design of power amplifiers that can be chosen according to requirements of applications such as efficiency and linearity. In this thesis, in order to meet the targeted high efficiency, it is decided to use class F power amplifier which can achieve 100% efficiency under ideal conditions by shaping the current and voltage shapes between the drain-source ends of the transistor by using the multiple harmonic resonators at its output. In order to realize the targeted modular design structure, the circuit to be designed is divided into two separate units as main amplifier and driver amplifier stages. In order to provide ease of reuse, easy testability and optimization, it has been found appropriate to matching the input and output impedances of the two stages to 50 Ω separately.Circuit design was first started by selecting transistors and dielectric substance suitable for the needs. Then the driver and main amplifier stages are designed separately. Characteristic analysis of the selected transistors was performed. Then load-pull analysis was performed for the selected transistors. After load-pull analysis, input and output impedance values were obtained according to the design requirements, which provide the desired efficiency and output power pair. The matching circuits are designed according to the obtained input and output impedances. During the design of the matching circuits, the intrinsic current and voltage values of the non-linear models of the transistors were examined. Since it is not possible to physically examine the intrinsic current and voltage values, these values, which are a very important tool in terms of waveform engineering, have been examined by simulation. After obtaining the values close to the class F waveform, the next step in the design was proceeded. The matching circuits designed with microstrip lines were examined by electromagnetic analysis in order to detect possible discontinuities and performance losses. After eliminating the performance losses unveiled by the electromagnetic analysis, the production part of the circuit has been started. After the putting together the driver and the power stage, the circuits were made ready for production. The produced circuit boards are mounted on the prepared copper plate and became ready for measurement.As the last step performance values of the produced circuit were measured. The results of the performance analysis were evaluated in terms of gain, power, efficiency, linearity and stability. As a result of the measurements, the highest power added efficiency value obtained, at 2.8 GHz center frequency and for 25 dBm input power, was 71.5%, and the output power measured for the same frequency and input power was 47.2 dBm (~ 52.5 watts). For the 25 dBm input power level, more than 47 dBm (~ 50 watts) output power and 70% power added efficiency are achieved over a bandwidth of 200 MHz (2.7-2.9 GHz).