Küçük uydular için X bant GaN SiC-HEMT F sınıfı yüksek verimli güç kuvvetlendiricisi tasarımı ve RF güç fetleri için faz ile genlik duyarlığı analizi

Uzay yarışının başlamasıyla birlikte insan yapımı uydular üzerinde yapılan çalışmalar, gelişen teknolojinin bütün imkanlarından faydalanarak daha da artan bir hızla devam etmektedir. Disiplinler arası çalışmanın en güzel örneklerinden birisi olan uydularda, haberleşme sistemleri önemli bir yere sahiptir. Uydulardan veri alınması, bir uydunun çalışmaya devam ettiğinin en önemli kanıtıdır. Uyduların dünya ile tek bağının telsiz iletişim sistemi olması, uydu haberleşme sistemini uydunun en önemli elemanlarından birisi yapmaktadır. Günümüzde uydu teknolojileriyle ilgili çalışmalar küçük uydular sayesinde daha küçük bütçeler ile yapılabilir hale gelmiştir. Küçük uyduların düşük fırlatma maliyeti ve kısa sürede tasarlanabiliyor oluşu, küçük uyduların üniversitelerde tasarlanabilir seviyeye gelmesini sağlamıştır. Gelişen elektronik, makina ve malzeme bilimleri sayesinde küçük uyduların yetenekleri de artmış, bu sayede uzayla ilgili birçok bilimsel çalışma da küçük uydular ile yapılabilir hale gelmiştir. Bilimsel araştırmalara ek olarak firmaların tasarladığı cihazlar da düşük maliyetlerinden dolayı küçük uydular ile denenmeye başlamıştır. Küçük uydular maliyet, tasarım ve fırlatmada kolaylık sağlasa da iki önemli sorunu da beraberinde getirmektedir: Yüksek hızda hareket etmeleri sonucu dar bir iletişim penceresine sahip olmaları ve kısıtlı yüzey alanı sebebiyle enerji üretiminin de sınırlı olması. Küçük uydular, alçak yörünge olarak adlandırılan 400-2000 km aralığında yörüngeye oturtulmaktadır. Dünyaya yakın şekilde konumlandırıldıkları için dünya etrafında dönüş hızları da çok yüksek olmaktadır. Dünyaya olan uzaklığına bağlı olarak yaklaşık 7,5 km/saniye hızlarla hareket eden küçük uyduların ufuktan görünmeye başlamasıyla birlikte uydudan veri alınmaya başlanmaktadır. Ancak çok hızlı hareket etmelerinden dolayı veri aktarım süresi kısa olmaktadır. Birkaç dakikalık bu süre içerisinde iletişim hızından dolayı iletilmesi gereken verinin tamamını aktarmak mümkün olamayabilmektedir. Dar iletişim penceresi sebebiyle daha kısa sürede daha yüksek hızda veri gönderilmesi ihtiyacı doğmaktadır. Yüksek veri hızlarına erişebilmenin bir yolu bant genişliğinin arttırılmasıdır. Artan bant genişliği, daha yüksek frekanslı bir taşıyıcı işaret kullanımı ihtiyacını beraberinde getirmektedir. İletişim hızını arttırmanın bir diğer yolu da modülasyon türünü değiştirerek daha fazla sembol iletimi sağlayacak yapıların tercih edilmesidir. Ancak modülasyonun daha karmaşık hale getirilmesi elektronik devrelerin de buna uygun tasarlanmasını zorunlu hale getirmektedir. Özellikle çıkışta bulunun yüksek güçlü kuvvetlendiricilerin doğrusal olması gibi önemli ihtiyaçlar, tasarımcı açısından önemli kısıtlar getirmektedir. Küçük uyduların hacmi küçük olduğu için uydunun yüzey alanı da küçük olmaktadır. Bu nedenle uyduya yerleştirilebilecek güneş paneli sayısı da sınırlanmakta, daha az enerji üretimine sebep olmaktadır. Bu kısıt da daha verimli ve daha küçük boyutlu devreleri tercih edilir hale getirmektedir. Bu tez çalışmasında, küçük uydularda kullanılabilecek X bantta çalışan bir yüksek güçlü kuvvetlendirici tasarımı sunulmuştur. Tasarlanan kuvvetlendiricinin veriminin yüksek olmasına, boyutunun küçük olmasına ve uzay ortamına dayanıklı malzemelerden üretilmesine özellikle odaklanılmıştır. Yüksek güçlü ve yüksek frekanslı kuvvetlendiriciler HEMT yapılı devre elemanlarıyla gerçeklenebilir durumdadır. GaN SiC-HEMT aktif elemanı diğer RF güç transistörlerine göre daha yüksek sıcaklıkta çalışabilmektedir. Ek olarak daha yüksek gerilimde çalışabildiği için daha yüksek güç sağlayabilmektedir ve empedansı da yüksek olduğu için tasarım açısından kolaylık sağlamasından dolayı bu tez çalışmasında tercih edilmiştir. SiC üzerine yapılan GaN alan etkili transistörlerin bu üstünlükleri, GaN transistörleri uzay uygulamalarında da daha çok tercih edilir hale gelmesini sağlamıştır. Harmoniklerin uygun sonlandırımıyla güç kuvvetlendiricilerinde verimin arttırılabildiği bilinen bir gerçektir. Bu tez çalışmasında, AB sınıfı kutuplama sayesinde yüksek kazanç sağlaması, gerilim/akım şekillendirme tekniği sayesinde daha yüksek çıkış gücü sağlaması ve devre karmaşıklığının az oluşundan dolayı F sınıfı kuvvetlendirici yapısı tercih edilmiştir. Yapılan analiz ve benzetimlerde ilk 3 harmoniğin uygun sonlandırılmasının devreden beklenilen verimi sağlayacağı görülmüştür. Çıkış katında 2. harmonik kısa devre, 3. harmonik de açık devre olarak sonlandırılmıştır. Giriş katında ise 2. ve 3. harmonikler kısa devre olarak sonlandırılmıştır. Devre tasarımında olabildiğince az sayıda ayrık devre elemanı kullanılmasına dikkat edilmiştir. Bu sayede devre elemanlarından kaynaklı sapmaların azaltılması hedeflenmiştir. Devrede uzay şartlarına dayanıklı SMA dişi tip konnektörler kullanılmıştır. Tasarım ilk olarak transistörün doğrusal olmayan modelinin kullanılan bilgisayar destekli yazılım aracına uygun şekilde yüklenmesi ile başlamıştır. Yüklenen transistör modelinin uygun şekilde çalıştığı doğrulandıktan sonra tasarıma başlanmıştır. Tasarımın ilk aşamasında giriş ve çıkış katındaki harmonik sonlandırıcı devreler tasarlanmıştır. Daha sonra yükle-çek (load-pull) analizi yapılarak giriş ve çıkış empedansı belirlenmiştir. Bu empedans değerlerini sağlayacak empedans uydurucu devrelerin de tasarlanmasıyla devre tasarımı tamamlanmıştır. Devrede ağırlıklı olarak mikroşerit devre elemanı kullanıldığı için ve devre boyutu da küçük olduğu için mikroşerit hatların birbirleriyle olan etkileşimlerini ve süreksizlik etkilerini daha doğru analiz edebilmek için elektromanyetik benzetimler de yapılmıştır. Devrede gerekli düzeltmeler ve ince ayarlar yapılarak devrenin istenilen elektriksel özellikleri sağlamasının ardından devrenin üretim aşamasına gelinmiştir. Serimi hazırlanan devrede taban üzerindeki bakır hatlar altın ile kaplanmıştır. Giriş ve çıkış katı olarak 2 ayrı parça halinde üretim yapılmıştır. Giriş ve çıkış devre kartları, kullanılan taban esnek olduğu için fiziksel şekil bozulmasını önlemek için pirinçten yapılmış taşıyıcı panellere sabitlenmiştir. Bu taşıyıcı metaller ve transistör de pirinçten yapılmış ekranlama işlevi görecek olan bir metal kutuya yerleştirilmiştir. Montaj işlemlerinin tamamlanmasının ardından ilk olarak kararlılıkla ilgili analizler yapılmıştır. Farklı kutuplama değerleri altında osilasyon olup olmadığı incelenmiştir. Akım-gerilim eğrileri çıkartılarak transistörün doğru akım altındaki davranışı incelenmiştir. Devrede kararlılık ve doğru akım açısından bir sorun olmadığı görüldükten sonra devrenin küçük işaret altındaki davranışı incelenmiştir. Kazanç ve yansıma değerleri incelenmiş, benzetimler ile karşılaştırılmıştır. Benzetimler ile büyük fark olmadığı görüldükten sonra güç kazancı, çıkış gücü ve verim ölçümüne geçilmiştir. Devre üzerinde yapılan ince ayardan sonra ölçülen en yüksek güç eklenmiş verim (PAE) 8.1GHz'de 27dBm giriş gücü ile % 52.1 olmuştur. Aynı frekans ve giriş gücünde çıkış gücü 36.6dBm (~4.5W) olarak ölçülmüştür. %50 ve üzeri verim için bant genişliği yaklaşık 300MHz'dir (7.9-8.2 MHz) ve kazanç da 9-10 dB arasındadır. Kuvvetlendirici 37dBm (5W) çıkış gücü sağlayabilmektedir. Güç kuvvetlendiricileri doğrusal olmayan bölgede çalıştırıldıkları için giriş işareti ile çıkış işareti arasındaki genlik ve faz değerinin değişimi düzenli olmamaktadır. Bu durum kuvvetlendiricinin doğrusallığını bozmaktadır. Doğrusallığı bozulan bir kuvvetlendirici de kuvvetlendirdiği işaretin yapısını bozacağı için modülasyonu da etkilemektedir. Bu nedenle bu değişimin ve doğrusallıktaki bozulmanın incelenerek haberleşme sistemin modülatör kısmının buna göre tasarlanması önemli bir ihtiyaçtır. Tez çalışmasında F sınıfı kuvvetlendirici tasarımına ek olarak güç transistörlerinde faz ve genlik duyarlığı da incelenmiştir. Tek değişkenli, 1. dereceden duyarlık analizi ile inceleme yapılmıştır. Yapılan analiz ile bir güç transistöründeki baskın parazitik elemanların devrenin faz ve genlik cevabına etkisinin ağırlıkları belirlenmiştir. Sayısal analizlerde ticari bir GaN SiC-HEMT transistörün üretici firma tarafından sağlanan teknik bilgileri kullanılmıştır. Elde edilen sayısal verilere göre çıkış direnci faz duyarlığı üzerindeki en baskın elemandır. Genlik duyarlığında da gm değerinden sonra en baskın eleman yine çıkış direnci olarak belirlenmiştir. Elde edilen ifadeler genel olup farklı bir alan etkili transistör için de benzer hesaplamalar yapılabilir.