GaAs pHEMT E-sınıfı güç küvvetlendirici tasarımı

Yüksek güçlü RF kuvvetlendiciler mikrodalga sistemlerde genelde verici katında antenden önce yer alır. Bu tür kuvvetlendiricilerin tasarımlarında yüksek frekans elektroniğinin tasarım ilkelerine ek doğrusal olmayan tasarım tekniklerinin de kullanılmak zorundadır. Bir RF güç kuvvetlendiricisi aktif elemana ek olarak giriş ve çıkış katından oluşur. Giriş ve çıkış katı aynı zamanda transistörün giriş ve çıkış empedansını yük ve kaynağın empedansına uydurmak için kullanılır. Bu sayede transistörün girişe uygulanan güç yansıma kaybı olmadan transistöre aktarılır, transistörde kuvvetlendirilen işaret de yüke aktarılır. Güç kuvvetlendicileri yüksek güç tükettiği için üretilen işaretin kayıpsız olarak aktarılması verimin arttırılması açısından önemlidir. Bir güç kuvvetlendiricisinin temel özellikleri şunlardır: Çıkış gücü seviyesi, verim, güç kazancı, bant genişliği ve doğrusallık. Çıkış gücü, bant genişliği ve çalışma frekansı sistem tasarımcıları tarafından belirlenen parametrelerdir. Güç kuvvetlendirici tasarımında bu veriler temel alınarak mümkün olduğunca yüksek verime sahip kuvvetlendirici tasarlanması gerekir. Genelde doğrusallık ile verim arasında test orantı bulunur. Güç kuvvetlendiricilerinin veriminin arttırılabilmesi için doyma bölgesinde çalıştırılması gerekir. Bu da doğrusallığı bozmaktadır. Bu nedenle tasarımcı bu iki değişken arasında en uygun olanı seçmelidir. RF güç kuvvetlendirici tasarımında ilk olarak hangi teknolojinin kullanılacağı belirlenmelidir. Örneğin GaAs yapılı transistörler düşük gerilimle çalışması gereken sistemler için uygunken, GaN yapılı transistörler çok daha yüksek güç gerektiren yüksek gerilimle çalışabilen sistemler için uygundur. Teknolojinin belirlenmesinin ardından sistemde kullanılacak modülasyonun yapısı da dikkate alınarak uygun bir kuvvetlendirici sınıfı seçilir. Kutuplamaya bağlı A ve AB türü kuvvetlendiriciler yüksek doğrusallığa sahipken verimleri düşüktür. Yine kutuplamaya bağlı B ve C sınıfı kuvvetlendiricilerin verimleri daha yüksek olmasına rağmen doğrusallıkları ve kazançları düşüktür. Bu tür kuvvetlenlendicilere ek olarak, çıkıştaki gerilim ve akım şekillendirmesine bağlı olarak E ve F sınıfı gibi kuvvetlendiciler mevcuttur. Bu kuvvetlenlendicilerde harmonikler uygun şekilde sonlandırılarak çıkış katındaki akım ve gerilim şekillendirilerek verim arttırılır. Ancak doğrusallık da azalır. Küp uydular düşük maliyetleri ve hızlı tasarlanabilmeleri sebebiyle ünivetsitelerde sıklıkla bilimsel çalışmalar için tercih edilmektedir. Ancak bu uydular çok küçük olduğu için üretebildikleri güç de sınırlı olmaktadır. Sınırlı bu gücün en verimli şekilde kullanılabilmesi için verimi yüksek devreler tercih edilmektedir. Küp uydularda haberleşme için düşük bant genişliğine sahip basit modülasyon yapıları tercih edilir. Bu nedenle küp uydu vericilerindeki güç kuvvetlendiricilerinin yüksek verimli olması öncelikli tasarım hedefidir. Bu tez çalışmasında, standart küp uydu gerilimi olan 5V ile çalışabilecek, yüksek verime sahip kuvvetlendirici tasarlanması hedeflenmiştir. Aktif eleman olarak GaAs pHEMT seçilmiştir. Birçok farklı firmanın paketlenmiş yapıdaki transistörleri incelenmiştir. Avago firmasının ATF-511P8 GaAS pHEMT'i 5V ile çalışmaya uygun, yüksek kazanç sağlayabilen ve kolaylıkla temin edilebilen bir eleman olduğu için tercih edilmiştir. Verimin yüksek olması için E ve Test-E sınıfı kuvvetlendirici yapısına karar verilmiştir. Tasarımın mümkün olduğunca yüksek verime ve kazanca sahip olması gerektiği için kuvvetlendirici AB sınıfı olarak kutuplanmıştır ve bu yapı ile E sınıfı ve Ters-E sınıfı tasarım yapılmıştır. Klasik E ve Test-E sınıfına ek olarak bu tez çalışmasında iki sınıf birleştirilerek daha keskin bant seçici karakteristiğe sahip bir kuvvetlendirici de tasarlanmıştır. Küp uydu vericileri genelde 435 MHz bandında çalışmaktadır. Bu nedenle tasarımda ayrık elemanların kullanılması gereklidir. Birçok RF pasif devre elemanı bu bantta yüksek Q değerine sahiptir ve rahatlıkla kullanılabilmektedir. Ancak tasarım gereği harmoniklerin de dikkate alınması ihtiyacından dolayı yüksek güce dayanıklı RF pasif elemanların daha yüksek frekanslardaki davranışları giderek bozulmaktadır. Bu durum tasarım ve gerçekleme aşamalarında önemli bir zorluk olarak ortaya çıkmıştır. Tasarımın ilk aşamasında transistörün doğrusal olmayan modeli temin edilmiştir. Bu model bilgisayar destekli tasarım aracına yüklenmiş ve modelin doğrulu incelenmiştir. Bunun için temel analiz devreleri hazırlanmış ve üreticinin sağladığı ölçüm değerleri ile karşılaştırılmıştır. Modelin doğru bir şekilde yüklendiğinin belirlenmesinin ardından DC IV eğrileri incelenmiş, uygun çalışma noktası belirlenmiştir. Yükle-Çek (Load-Pull) analizleri ile istenilen çıkış gücü ve kazancı sağlayacak empedans değerleri belirlenmiştir. Bu empedans değerlerinin belirlenmesi ile E sınıfı sonlandırma için gerekli çıkış kapasitesi hesaplanmış ve E sınıfı sonlandırma sağlayacak endüktans değeri ve ek kondansatör değeri belirlenmiştir. Bu aşamada düşük gerilimle çalışıldığı için ve GaAs transistörlerin dayanma gerilimleri de düşük olduğu için RF işaretin tepe değerinin yükseldiği seviyeler dikkatli bir şekilde incelenmiştir. Transistörün zarar görmeyeceği uygun bir sonlandırma belirlenmiştir. Bu durum transistörü güvenli bir aralıkta tutsa da gerilim ve akım şekillendirmesini etkilediği için verimin düşmesine sebep olmuştur. Ancak uzay ortamında en kötü koşulların dikkate alınması gerektiği için transistörün fazla zorlanmamasına karar verilmiştir. Gerekli empedans değerleri belirlendikten sonra ilk olarak ideal pasif devre elemanları kullanılarak E sınıfı, Ters-E sınıfı ve birleştirilmiş yapı bilgisayar destekli ortamda incelenmiştir. Gerilim ve akım şekillerinden istenilen sonlandırmanın sağlandığı görüldükten sonra gerçek devre elemanları ile tasarıma geçilmiştir. Bu aşamada bazı üreticilerin sağladığı modellerin yetersiz oluşu bu elemanların benzetimlerde kullanımını oldukça zorlaştırmıştır. Ek olarak ayrık devre elamanlarının değerlerinin belli olması da önemli bir kısıt olarak karşıma çıkmıştır. İdeal devre elemanlarının yerine mümkün olan en uygun gerçek devre elemanları yerleştirildiğinde beklendiği gibi verimin %2-4 arasında düştüğü gözlenmiştir. Bu aşamada çıkış katında farklı sonlandırma topolojileri de ele alınmıştır. Gerçek devre elemanlarının ardından bu devre elemanlarını birbirine bağlayacak mikroşerit hatlar yerleştirilmiştir. Bu mikroşerit hatlar da tasarımı doğrudan etkilemiştir. Bilgisayar ortamında çeşitli en iyileştirme yöntemleri kullanılarak mümkün olan en yüksek verim elde edilmeye çalışılmıştır. Tasarımın son haline gelmesinin ardından 3 tip kuvvetlendiricinin üretilebilmesi için serimleri hazırlanmıştır. Düşük maliyeti ve uzay koşullarına da uyumlu olmasından dolayı 1mm kalınlığında standart FR4 taban tercih edilmiştir. Elektronik devre kartları üniversite bünyesindeki prototip makinasında hazırlanmıştır. Elektronik devre kartlarının hazırlanmasının ardından devre elemanları montajlanmış ve elektronik testler yapılmıştır. İlk olarak devrelerin kararlılığı incelenmiştir. Devrelerin farklı kutuplama koşulları altında da kararlı olduğu belirlendikten sonra RF karakteristiğinin belirlenmesi için ölçümlere başlanmıştır. İlk yapılan ölçümlerde devrelerin merkez frekanslarının bir miktar kaydığı ve kazançlarının da beklenilenden düşük olduğu görülmüştür. Pasif devre elemanlarının yüksek frekanstaki tepkilerinin beklenilenden farklı olmasından dolayı bu farklılık ortaya çıkmıştır. Aynı değerde farklı üreticilerin devre elemanları ve yakın değerlerdeki devre elemanları kullanılarak çeşitli denemeler yapılmıştır. Benzetim sonuçlarına göre elde edilen güç eklenmiş verim değerleri klasik E-Sınıfı yapı için %50, karma yapı için %43 ve Ters-E-Sınıfı yapı için %37'dir. Ölçümlerin sonucunda benzetimlerle karşılaştırıldığında kazanç ve çıkış gücü daha düşük, verim ise daha yüksek ölçülmüştür. Ölçümler sırasında devre üzerinde bazı ince ayarlamalar da yapılmıştır. Ek olarak karma yapılı E-Sınıfı devrede rezonans yapısında 49 nH ve 56 nH olarak iki farklı endüktans değeri ile iki ayrı devre hazırlanmıştır ve her biri ayrı ayrı ölçülmüştür. Ölçüm sonuçlarına göre elde edilen güç eklenmiş verim sonuçları E-Sınıfı için %35, Ters-E-Sınıfı için %40, 47nH ile karma tasarım için %57 ve 56 nH ile karma tasarım için %37 olarak ölçülmüştür. Bütün ölçüm sonuçları son bölümde ayrıntılı olarak verilmiştir. Hazırlanan devreler küp uydulardaki ihtiyacı karşılayacak şekilde 435 MHz civarında 1 W çıkış gücü sağlamaktadır. Doğrudan 5V ile çalışabildikleri için ek bir DC-DC dönüştürücü olmadan kullanılabilir.