X-band hybrid front-end receiver module design for spaceborne synthetic aperture radar applications

Abstract

Sentetik Açıklıklı Radarlar (SAR) kendi oluşturdukları radyo frekans dalgalarını kullanarak hedef görüntüsü oluşturabilen ve oldukça fazla araştırmaya konu olan aktif mikrodalga görüntüleme sistemleridir. Birçok farklı hava ve uzay platformuna yerleştirilebilen Sentetik Açıklıklı Radarların sistem gereksinimleri, bulundukları platformun kendine özel çevresel koşulları ve görev süresi ile ilintili güvenilirlik isterlerine bağlı olarak farklılık gösterebilmektedir. Aktif sensör yapılarından dolayı, sinyal alıcı ve verici ekipmanlar gibi üzerlerinde taşıdıkları mikrodalga ekipmanların elektriksel özellikleri ve performansları görüntüleme kabiliyetlerine doğrudan etki etmektedir. SAR altsisteminin parçaları olan mikrodalga ekipmanlarının tasarım yöntemleri de platform ve görev gereksinimlerine göre oluşturulmaktadır. Mikrodalga ekipmanların tasarım mimarileri; çevresel sıcaklık koşulları, görev süresi boyunca ekipman üzerine düşebilecek radyasyon dozu oranı, ekipmanların görev süresi içinde izin verilen en yüksek arıza yapabilme ihtimali, elektriksel performans gereksinimleri ve üretim teknolojileri gibi tasarım girdileri birlikte değerlendirilerek ortaya konulmaktadır.Bu tez kapsamında, Uzay Platformlarına Uygun Sentetik Açıklı Hibrit Ön-Uç RF Modülü tasarım metodolojisi detaylıca sunulmuştur. RF Modül yapılarının SAR alıcı/verici ekipmanların bir parçası olması, SAR alıcı/verici ekipmanların ise bütün Sentetik Açıklıklı Radar sistemlerinin bir parçası olması göz önünde bulundurularak yukarıdan-aşağıya tasarım yöntemi benimsenmiştir. Yukarıdan aşağıya tasarım yöntemi ile sistem mimarisinden ekipman mimarisine, ekipman mimarisinden RF alt-modül ayrımına geçiş yapılmıştır. Gereksinimleri belirlenen RF hibrid modülün detaylı tasarımı ise uzay koşullarında yüksek güvenilirliğe sahip malzeme, yarı-iletken ve üretim teknolojileri göz önünde bulundurularak belirlenmiştir. İlk bölümde; Sentetik Açıklıklı Radar sistemlerinin çalışma yöntemlerinin, geleneksel radar sistemleri ile birçok benzerlik barındırması nedeniyle öncelikle geleneksel radar sistemlerinin çalışma prensipleri ele alınmıştır. Bir radar sisteminin hedef ayırt edebilme yeteneğini belirleyen mesafe çözünürlüğü ve çapraz açıklık çözünürlüğü özelliklerini etkileyen sistem parametreleri değerlendirilmiştir. Daha sonra Sentetik Açıklıklı Radar çalışma prensipleri ve kuramları incelenmiş, çalışma prensipleri doğrultusunda oluşturulacak radar görüntülerinin kalitesini belirleyen sistem değişkenleri elde edilmiştir. Sentetik Açıklıklı Radar sistemlerinin yerleştirildikleri platformun hareketinden yararlanarak; geleneksel radar sistemlerinin aksine, fiziksel boyutları küçük bir anten kullanarak çok daha büyük radar antenleri ile sağlanabilecek çapraz açıklık çözünürlüklerine ulaşabilecekleri doğrulanmıştır. Sentetik Açıklıklı Radar sistem parametrelerini kullanarak; hedeften yansıyan radar sinyallerinin güç seviyesinin, gürültü seviyesine oranını belirlemek amacı ile SAR Radar denklemi türetilmiştir. Uzay platformlarında kullanılan RF/mikrodalga ekipmanlarının olası bir arıza durumunda tamir ve bakım imkanı olmaması nedeniyle yüksek güvenilirliğe sahip olması gerekmektedir. Tasarımda kullanılan elektronik bileşenlerin ve materyallerin beş ile yirmi yıl arasında değişen uydu operasyon süresince maruz kalacağı sıcaklık değişimleri, iyonize doz etkileri, yüksek enerjili parçaçık etkileşimleri ve vakum ortamı altında performans kaybı olmadan çalışmayı sürdürebilmelidir. Diğer taraftan, fırlatma sırasında fırlatıcı kaynaklı yüksek ivme değerlerine sahip mekanik titreşim ve şok etkilerine karşı zarar görmemelidir. İkinci bölümde; SAR sistemlerinde kullanılan radyo frekans alıcı ekipmanlar ile ilgili taşıyıcı frekans bandı, radar sinyali bant genişliği, dinamik bölge, gürültü faktörü elektriksel tasarım parametreleri ve kullanılan platforma bağlı radyasyon etkisi, yüksek güvenilirlik ihtiyacı, malzeme ve teknoloji limitasyonları değerlendirilmiştir. Uydu platformlarında kullanılan örnek SAR sistemlerinin kabiliyetleri karşılaştırılmış ve ekipman mimari tasarımı aşamalarında kullanılmak üzere hedef gereksinimler üretilmiştir. Kablosuz haberleşme sistemlerinde kullanılan tasarım mimarileri, sistem isterlerine göre büyük farklılıklar gösterebilmektedir. Uzay şartlarına uygun kalifikasyona sahip elektronik bileşenlerin yüksek maliyetleri ve limitli çeşitliliği, mimari tasarımda seçilebilecek yöntemleri sınırlandırmaktadır. Üçüncü bölümde; en sık kullanılan alıcı tasarım mimarileri incelenmiş, uzay platformu SAR sistemlerinde kullanılmak üzere zayıf ve güçlü yönleri değerlendirilmiştir. İncelenen mimarilerin avantaj sağladıkları alanlar bir araya getirilerek, özgün Sentetik Açıklıklı Radar Alıcı Ekipmanı mimarisi sunulmuştur. Bilgisayar destekli tasarım ortamları, detaylı tasarım aşamasına geçilmeden önce mimari tasarımı doğrulamak amacı ile kullanılabilmekte böylece öngörülemeyen tasarım eksikliklerinin hızlıca giderilmesi için pratik bir yöntem sağlamaktadır. RF/mikrodalga alıcı ekipmanları için kritik olan kazanç bütçesi, gürültü figürü, lineer operasyon güç seviyesi aralığı, üretilen istenmeyen sinyal seviyeleri gibi performans parametreleri yüksek doğruluk ile gözlemlenebilmektedir. Dördüncü bölümde; sunulan ekipman mimarisinin elektriksel performansını doğrulamak amacı ile sistem seviyesi radyo frekans benzetimleri yürütülmüştür. Sistem seviyesi benzetimleri gerçekçi kılmak amacıyla, uzay platformlarına uygun limitli elektronik bileşenler ve/veya ayrık tasarım yöntemleri belirlenerek benzetimlere girdi sağlanmıştır. Benzetim sonuçları ile doğrulanan SAR alıcı ekipman mimarisinden; çalışılan frekans bandı, elektriksel bileşenlerin bağlantı yöntemleri ve üretim teknolojileri değerlendirilerek Hibrid RF Ön-Uç Modülü kapsamı belirlenmiştir.Beşinci bölümde ise; kapsamı belirlenen Hibrid RF Ön-Uç Modülü'nün içinde bulunan RF/Mikrodalga alt-blokların detaylı tasarım süreçleri ayrıntıları ile sunulmuştur. RF Ön-Uç Modülü; Düşük Gürültülü Yükseltici, Görüntü Bastıran Filtre, Frekans İndirgeme Karıştırıcı, Frekans Çarpıcı, Harmonik Bastıran Filtre ve Lokal Osilatör Yükseltici mikrodalga entegre devrelerini içerisinde barındırmaktadır. Mikrodalga entegre devreler; düşük iletim kaybına, ortam sıcaklığından ve çalışma frekansından etkilenmeyen dielektrik sabitine, yüksek eğilme mukavemetine sahip aluminyum oksit alt katmanları üzerinde gerçeklenmiştir. GaAs yongalar ile yakın termal genleşme katsayısına sahip olan aluminyum oksit malzemesi aynı zamanda sıcaklık değişimleri sırasında genleşmeden kaynaklı kesme gerilmesi etkisini en aza indirgemektedir. İnce film üretim teknolojisi seçilerek yüksek frekanslarda devre performansını etkileyen üretim toleranslarının etkisi zayıflatılmıştır. Düşük Gürültülü Yükseltici devresi; GaAs teknolojisi ile üretilen monolitik mikrodalga tümleşik devre yongası kullanılarak tasarlanmıştır. Geniş bantta yüksek kazanç ve düşük gürültü figürü sağlayabilen yonganın kullanılan bant içi performansı, harici empedans uyumlama teknikleri ile arttırılmıştır. Yonganın ihtiyaç duyduğu besleme gerilimi, altın tel-bağlama üretim yöntemlerine uygun tek katlı kapasitörler ile aktarılarak besleme hattı üzerinde oluşabilecek salınımlar engellenmiştir.Görüntü Bastıran Filtre devresi; mikroşerit dağıtılmış eleman filtre yöntemi ile tasarlanmıştır. Bant-geçiren mikroşerit filtre mimarileri incelenmiş, düzlemsel yapısı ve daha az fiziksel alan kullanımı nedeniyle Firkete Filtre yapısı tercih edilmiştir. Analitik simülasyon yöntemleri ile başlangıç parametreleri belirlendikten sonra, tasarım elektromanyetik Memont Metodu kullanılarak optimize edilmiştir.Frekans İndirgeme Karıştırıcı devresi; çift dengeli mimariye sahip monolitik mikrodalga tümleşik devre yongası kullanılarak tasarlanmıştır. RF giriş portu, lokal osilatör giriş portu ve ara frekans çıkış portuna sahip karıştırıcı devresi; X-Bant'ta aldığı işareti C-Bant'ta üretilen lokal osilatör işaretini kullanarak S-Bant'a indirgemektedir. Karıştırıcı bileşenlerin port empedansları, doğrusal olmayan yapılarından kaynaklı çalışma frekanslarına ve sürülme gücüne göre değişiklik gösterebildiği için giriş/çıkış portlarına ayarlama dolguları yerleştirilmiştir.Frekans Çarpıcı devreleri pasif ve aktif olarak iki grupta incelenmektedir. Pasif frekans çarpıcı devreleri varaktör ve Schottky diyotların doğrusal olmayan karakteristikleri kullanılarak, aktif frekans çarpıcı devreleri ise transistörlerin doğrusal olmayan çalışma aralığında sürülmesi ile gerçeklenebilmektedir. Pasif frekans çarpıcı devrelerin yüksek giriş gücü ihtiyacı ve yüksek dönüşüm kaybına sahip olması nedeniyle, aktif frekans çarpıcı mimarisi seçilmiştir. Transistör seçiminde S-Bant ve C-Bant arasında geniş bantlı empedans uyumlaması imkanı sağlayan ve yüksek kazanç verebilen SiGe HBT teknolojisi seçilmiştir.Harmonik Bastıran Filtre devresi; mikroşerit dağıtılmış eleman filtre yöntemi ile tasarlanmıştır. Mikroşerit filtreler arasında en az fiziksel alan kullanımına ve en yüksek harmonik sinyal bastırma oranına sahip olması nedeni ile Parmakarası Filtre yapısı tercih edilmiştir. Analitik benzetim yöntemleri ile başlangıç parametreleri belirlendikten sonra, tasarım elektromanyetik Memont Metodu kullanılarak optimize edilmiştir.Aluminyum oksit alt-katmanları üzerinde tasarlanan mikrodalga entegre devreleri kovar taban plakası üzerine yerleştirilerek bir araya getirilmiş ve Hibrid Ön-Uç Modülü oluşturulmuştur. Modül içinde yüksek güçlü lokal osilatör sinyalinin RF giriş sinyaline kuplajını zayıflatmak amacı ile devreler iki ayrı kavite içine yerleştirilmiştir. Tasarlanan SAR Alıcı Hibrid Ön-Uç Modülü 7500-8500 MHz giriş frekans aralığında 250 MHz'lik radar sinyal bant genişliği, 35 dB dönüşüm kazancı sağlayabilmekte ve 1.1W'tan daha az güç tüketmektedir.

Synthetic Aperture Radars (SARs) are widely investigated active microwave imaging systems which generate their own source of radiation. Due to their active sensing nature, electrical performance and specification of microwave equipments such as SAR Receivers and Transmitters directly effects the imaging performance. On the other hand, synthetic aperture radars can be integrated into various airborne and spaceborne platforms. Design methodology for microwave equipments greatly differs with utilized platforms owing to unique environmental conditions and reliability requirements. In the scope of this thesis, Spaceborne SAR Receiver Front-End Hybrid Module design methodology is presented in detail. Firstly, Synthetic Aperture Radar theory of operation has been briefly disclosed to reveal crucial radar parameters that determine the quality of constructed radar images. Subsequently, SAR receiver related design parameters are introduced which will be used as design constraints on following chapters. Platform related design challanges and their sources such as radiation tolerance and low probability of failure due to long mission lifetimes are elaborated in detail. Because of the fact that SAR receiver front-end modules are part of a complete receiver equipment, their electrical specifications and design constraints are correlated to receiver system architecture that they are integrated. Therefore most commonly used receiver design architectures are examined and a unique SAR receiver architecture has been proposed. System level RF simulation approach has been chosen to validate electrical performance of the proposed receiver. Prior to system level simulations, part selection process which is severely constrained by space environment, electrical performance and reliability concerns are presented in detail. Consequently, receiver front-end module has been isolated from proposed SAR receiver architecture based on frequency of operation, interconnection methods of circuit elements and manufacturing technology preferences. Finally, detailed design process of each individual RF/Microwave sub-blocks which reside in SAR Receiver Hybrid Front-End Module is presented in depth. Designed microwave integrated circuits (MICs), namely; LNA, Image Reject Filter, Downconversion Mixer, Frequency Doubler, Harmonic Rejection Filter and LO Buffer Amplifier are integrated into single enclosure to construct hybrid front-end structure. Designed SAR Receiver Hybrid Front-End module can operate within 7500-8500 MHz input frequency with 250 MHz signal bandwidth, provide more than 35 dB conversion gain and 50dB Image Rejection while requiring power consumption less than 1.1W.