RF Devreler İçin Güç Ölçme Ve Adaptif Kontrol Uygulaması. Power Measurement and Adaptive Control Application for RF Circuit

Transkript

1 S Ü L E Y M A N D E M İ R E L Ü N İ V E R S İ T E S İ T E K N İ K B İ L İ M L E R M E S L E K Y Ü K S E K O K U L U S U L E Y M A N D E M I R E L U N I V E R S I T Y T E C H N I C A L S C I E N C E S V O C A T I O N A L S C H O O L S D U T E K N İ K B İ L İ M L E R D E R G İ S İ S D U J O U R N A L O F T E C H N I C A L S C I E N C E S YIL CİLT SAYI SAYFA : 20 : : : RF Devreler İçn Güç Ölçme Ve Adaptf Kontrol Uygulaması MESUD KAHRİMAN, ADNAN KAYA Süleyman Demrel Ünverstes, Mühendslk Mmarlık Fakültes, Elektronk ve Haberleşme Mühendslğ Bölümü, Isparta Özet: Empedans uyumlandırma, RF sstemlerde güç tüketm ve snyal sevyesnn en az bozulma le alıcıya aktarılmasında oldukça öneml br yer teşkl etmektedr. Geleneksel yöntemler le farklı empedans uyumlandırma sstemler mevcuttur. Bu çalışmada öncelkle, sstemde lerleyen ve yansıyan RF snyaller tespt edlmştr. Daha sonra sstemn mkrodenetleyc le adaptf kontrolü gerçeklenmştr. Önerlen sstemn, farklı frekanslardak tepks ncelenmştr. Anahtar Kelmeler: RF güç ölçme, mkrodenetleyc, adaptf kontrol Power Measurement and Adaptve Control Applcaton for RF Crcut Abstract: Impedance matchng s a very mportant part n RF systems wth power consumpton and at least deteroraton of the sgnal level transferred to the recever. There are dfferent mpedance matchng systems n tradtonal methods. In ths study, frstly, transmted and reflected RF sgnals have been dedected and besdes, system has been controlled wth mcroprocessesor. However, dfferent frequency reponses of proposed system were nvestgated. Keywords: RF power measurment, mcrocontroller, adaptve control. Grş Yükselteçler elektronk sstemlern temel bloklarından brdr. Düşük güçlü mkrodalga yükselteç tasarımı, (MTA) gelşmş radar uygulamaları snyal üretm, kablosuz haberleşme sstemlernde kullanılan mkrodalga sstemler ve chazlar çn gerekldr (Rohde, 2000; Pozar, 998). En genel ve temel MTA tasarım yöntemlernden br mkroşert teknolojsdr. Bu çalışmada yükselteç tasarımında gerekl olan uyumlandırma devreler çn kapalı form açıklamaları uygun br şeklde kullanılacaktır. Küçük snyal yükselteçler haberleşme sstemlernn en öneml parçalarındandır (Pozar, 998). Bu yükselteçler alıcı zncr çnde kullanıldığında, alıcıların genş br snyal bölgesnde tepk vermeler gerektğnden, mnmum performans düşümüyle genş br dnamk bölgeye sahp olarak çalışmalıdırlar (Kluge ve ark., 2003). İstenen snyal çok güçlü olduğunda alıcıdak yükseltme snyal sonrak katlar çn bozulmanın çok fazla olacağı sevyelere kadar ulaştırablecektr. Böylece sonuçta daha düşük snyal gürültü oranı (SNR) veya daha yüksek bt hata oranı (BER) oluşacaktır. Bu şu anlama gelmektedr: sstem kazancı azalırken snyal gücü artmaktadır. Bu durumda mnmum ger dönüş kaybına sahp yüksek uyumlandırma devre formları kullanılablr (Tomas, 994). Bu çalışmada grş uyumlandırmasının değşmesyle rezonans frekansı ve kazancı değşeblen yükselteçler çn tasarım prosedürler sunulmaktadır. Grş ve çıkışta anlık konjugate uyumlandırma durumları ncelenmekterr. Bu tasarım metodolojs le, uyumlandırma devrelernn tasarımında P, L ve T devreler örnek verleblr (Doddaman ve ark., 2007; Esame ve ark., 2006). 29 Sonuçta bu sstemler empedans değşmler le çalışma noktasındak değşmler kompanze edeblr. Özellkle alıcıda, lmtler çnde potansyel snyal gürültü oranı (SNR) en y olacak şeklde tasarım yapılmalıdır. Bu çalışmadak gb RF ön uç temel şlemnde, blnen br modülasyon formatında ve frekans bölgesnde veya belrl br frekansta radyo dalgalarının letme şlemlernn yapıldığı ya da algılama şlemlernn yapıldığı açıktır. Bu modüllerle letlen blg, ses, data veya vdeo olablr. Alıcı, letlen frekansla rezonansa gelecek şeklde ayarlanmalıdır. Alınan snyaller, çevreden gelen dğer snyallerden ve gürültü snyallernden fltrelenr ve demodülasyon şlemnden hemen sonra yükseltlr (Stece, 999). Özetle, RF devreler çn güç ölçme ve adaptf kontrol uygulamaları son zamanlarda önem kazanmıştır. 2.Empedans Uyumlandırma Kaynak ve yük arasında uyumlandırma çn brçok teknk, lteratürde kullanılmıştır. Empedans ayarlama devreler RF yükselteçler, anten uyumlandırma devreler gb çeştl elektronk uygulamalarda kullanılmaktadır. Bu tp uyumlandırma sstemler anten ve ön parça arasında uyumlandırma sağlamaktadır. Elektromanyetk şartların değşmes, sstemlerdek karmaşıklık sevyelernn artması uyumlandırma sstemlerne olan lgy arttırmaktadır. Öncelkle yük altında ön modüller optmum vermllkle çalışmazlar. Yansıyan güçler nedenyle yükselteçten aktarılan güçte de antenden ışıyan güçte de azalma olmaktadır (George ve ark., 2005). Yansıyan durum. eştlktek gb fade edlr.

2 E E r RF Devreler İçn Güç Ölçme Ve Adaptf Kontrol Uygulaması, M. Kahrman ve A. Kaya () Sstemde snyal zayıflamasını ve bozulmayı önlemek, fonksyon blokları arasındak empedans uyumsuzlukları nedenyle snyal yansımalarını mnmze edeblmek çn, yüksek frekans test ekpmanlarının da empedansı olan 50 ohm karakterstk empedans referans alınmaktadır. IC ve MCM (çoklu çp modülü) çn GHz frekanslarında bağlantı hatları oldukça kısadır ve bu yüzden alt devreler arasındak 50 ohm problem çok öneml değldr. Sonuçta kaynak ve yük arasındak empedans uyumsuzluğunun olduğu sstemlerde enerj tüketm artmakta ve letşm kaltes zarar görmektedr ve hatta yansımadak snyal sevyes çok yüksekse ve zolatör kullanılmamışsa antenl verc sstemlernde grş modüller elektrksel olarak zarar göreblr. Bu çalışma çn örnek br sstem olarak Şekl dek uyumlandırma sstem görülmektedr. Varkap dyot uçlarındak gerlm değştrlerek kapaste değer değştrlmektedr. Böylece katlar arasındak empedans uyumsuzlukları azaltılablmektedr. Grş W=2. 2 mm Kapaste C RFC /4 g /4 g RFC C2 Kapaste Varactor dyot 0.35mm* mm MMBV09LT SOT-23 Şekl. Varkap dyotlu uyumlandırma sstem C Kapaste Çıkış Verlen P uyumlandırma devresnn belrl yük koşulları altında, empedans sınırları çn bazı yaklaşımlar yapılablr. Bunun çn br parametre sabt tutulurken dğer parametre değştrlmektedr. Böylece tasarımdak seçmlere göre tüm durumlar değerlendrleblr. Bu yüklü durumdak uyumlandırma sstem çn grş empedansı aşağıdak gbdr. Z R jx n n n R 2jQ 0 (2) Yük empedansı, Z L olarak, sıfırdan farklı br gerçek kısma sahp se empedans uyumlandırma her zaman yapılablr. Uyumlandırma katı çn brçok seçeneğmz vardır. Belrl br uyumlandırma sstem seçmnde öneml olablecek faktörler şunlardır: - Karmaşıklık: Brçok mühendslk çözümlerndek gb, gerekl özellkler sağlayablecek en bast tasarım terch edlr. Bast br uyumlandırma sstem genellkle, karmaşık br tasarıma göre daha ucuz, güvenlr ve kayıpsızdır. 2- Bant Genşlğ: Uyumlandırma sstemnn bütün çeştler deal olarak belrl br frekansta mükemmel uyumlandırma (sıfır yansıma) yapar. Brçok uygulamalarda, br yük ancak br frekans bandı üzernden uyumlandırılması arzu edlr. Elbette bunu, karmaşık br tasarım le yapmanın brçok yolu vardır. 3- Uygulama: Uyumlandırma sstemne göre, kullanılan letm hattı ve dalga kılavuzu türüne bağlı olarak, terch edleblr. 4- Ayarlanablrlk: Bazı uygulamalarda uyumlandırma sstemnn, değşken yük empedansına uyumlandırılması çn ayarlanması gerekeblr. Bu konuda, uyumlandırma sstemlernn bazı türler dğerlernden daha uyumlu olur. Bu çalışmada tüm bu özellkler dkkate alınarak adaptf kontrol uygulaması yapılmıştır. 3. Ölçüm Düzeneğ Sstem, en y performans düzeylernde çalıştırablmek çn, sstem performasının farklı çalışma durumlarındak değerler ölçülülüp, bu ölçüm sonuçları karşılaştırılarak adaptf kontrol katında reaktf değern en uygun değere sabtlenmes gerekmektedr. Sonuçta, sstem performansını kontrol edecek ölçüm düzeneğ gerekmektedr. Ölçüm düzeneğ, Yönlü kuplör, güç tespt ve mkrodenetleyc olmak üzere üç ayrı kattan oluşmaktadır. 3.. Yönlü Kuplör MTA performansı çn en öneml parametrelerden br ger dönüşüm kaybı (return loss) dır. Ger dönüş kaybı sstemn parçaları arasındak veya letm hatları arasındak empedans uyumsuzluğu nedenyle gönderlen gücün br kısmının yansıyarak ger dönmes sonucu oluşan güçtür. Ger dönüş kaybının ölçümünde yararlanılacak deney düzeneğnn temel elemanı drectonal couplerdır. Yönlü kuplör mkrodalga sstemlerde yansıyan, letlen snyallerden örnekler alınmasını sağlayan br yüksek frekans ölçüm elemanıdır. Yönlü kuplör 4 portlu br eleman olup temel yapısı Şekl 2 de görülmektedr. Yönlü kuplörün grşndek gerlm değer 3. eştlkte, yansıyan gerlm veren fade 4. eştlkte verlmştr. Bunlara bağlı olarak yansıyan snyaln, gelen snyale oranını veren fade se 5. eştlkte görülmektedr. 6. eştlkte se yansıma kaybını veren fade verlmştr. C j V C e D (3) C j Vr C e D (4) D D (5) Teknk Blmler Dergs 20 () Journal of Techncal Scences 20 () Vr V

3 RF Devreler İçn Güç Ölçme Ve Adaptf Kontrol Uygulaması, M. Kahrman ve A. Kaya Pr RL( db) 20log( ) P (6) (b) Şekl 3. (a) LTC 5509 çn uygulama devres (b) Baskı devres Şekl 2. Yönlü kuplör ün temel yapısı 3.2 RF Güç Ölçümü Coupler dan gelen güç sevyesn tespt etmek çn Lnear Technogy frmasının LTC5509 entegres kullanıldı. LTC5509, 300 MHz den 3 GHz e kadar frekans aralığında RF güç algılama özellğne sahptr. Bu şlem, dahl ara yükselteç, RF Schottky dyotlu tepe dedektör ve sevye öteleme yüksletec le gerçekleştrlr. Gelen RF snyaln sevyesne göre çıkıştan DC br gerlm elde edlr. Çıkıştak DC değer, grştek RF snyaln değer le orantılı olarak değşmektedr. 4. Mkrodenetleycl Adaptf Kontrol Katı Sstemn performasını tespt edeblmek çn gelen RF snyal sevyes ve yansıyan snyal sevyelernn blnmes gerekmektedr. Bu değerlern şlenp sstem performansını kontrol edleceğ br mkrodenetleyc olarak Mcrochp frmasının PIC 6F877 entegres kullanılmıştır. 6F877 mkrodenetleycs, 8 kanal analog blgy 0 bt çözünürlük le okuyup şleme yeteneğne sahptr. Böylece LTC5509 un çıkışındak DC gerlm mkrodenetleycye okutmak çn ayrıca br ADC ye gerek kalmamıştır. Şekl 4 te sstem performasına at RF snyal sevyelern tespt edp, adaptf kontrol uygulanarak, en uygun değere karar veren sstemn şeması görülmektedr. LTC5509 un çersndek Schottky dyot, sıcaklıktan kompanse edlmş durumdadır. 300 MHz den 3 GHz e kadar olan frekans aralığında, -30 dbm sevyesnden 6 dbm e kadar olan RF snyallern sevyesn algılama yeteneğne sahtr. Besleme olarak 2.7 V le 6 V aralığında çalışmaktadır. Çalışma akımı 600 ma sevyelernde olup, sükunet durumunda 2 ma den az akım çekmektedr. LTC 5509 çn uygulama devresne at yapı Şekl 3 de, RF güç ölçmede kullanılan LTC 5509 lu hazırlanan devreye at resm Şekl 4 te görülmektedr. Şekl 4. Mkrodenetleycl adaptf güç kontrol devre şeması (a) Teknk Blmler Dergs 20 () Journal of Techncal Scences 20 () 29-33

4 RF Devreler İçn Güç Ölçme Ve Adaptf Kontrol Uygulaması, M. Kahrman ve A. Kaya Tablo. Farklı grş frekans değerler çn MTA performans kontrolü (VSWR<.5) Frekans (MHz) Grş (dbm) V varkap =0V (sabt) VSWR VSWR Karar verlen varkap gerlm (mv) 350 7,6,5 26, ,0,5 2520, ,5,5 237, ,6,0 68, ,6,0 875, ,0,3 853, ,0,3 358, ,4,4 03, ,5,3 824, ,2,2 578, ,2,2 433,0 Ssteme gelen RF snyal çn; kuplörün 3. bacağından sstemden yansıyan çn se 4 bacağından örnek alınmıştır. Bu bacaklardak snyal sevyelern tespt etmek çn her brsne Şekl 3 te görülen devrelerden hazırlanmıştır. Böylece lerleyen ve yansıyan snyal sevyes le orantılı DC gerlm değerlerne sahp olunmuştur. Bu DC değerler 6F877 le Şekl 6 de verlen algortma le şlenerek sstemn en uygun performansta çalışması sağlanmaktadır. VSWR değer eşk olarak kabul edlen.5 değernn altında se sstemn yeternce verml çalıştığı kabul edlmekte, varkap dyot gerlmnde herhang br değşklk yapılmamakta ve ssteme dışarıdan yapılablecek müdahalelere cevap vereblmek açısından başa dönüp yen değerler ölçülmektedr. VSWR değer.5 eşk değernn üzernde bulunması halnde empedans uyumlandırma katında bulunan varkap dyota uygulanan gerlm br basamak arttırılmakta ve yapılan değşklğn etksn tespt etmeye yönelk yen ölçümler alınmaktadır. Varkap dyotun üzerndek gerlm arttırma şlem, VSWR değer.5 n altında kalana kadar devam ettrlmektedr. Mevcut uygulamada, mkrodenetleycnn 8 portu çıkış olarak kullanıldığı çn varkap dyot üzerndek gerlm 0-5 V aralığında 255 basamağa ayrılmıştır. Mkrodenetleyc çıkışındak gerlm 255 ( 5V) değerne ulaştığında varkap dyot uçlarındak gerlmn tekrar başa dönerek 0 (0V) değer uygulaması sağlanmıştır. Şekl 6 da resm görülen sstem yukarıda çalışması anlatılan Şekl 5 dek algortma le çalıştırıldığında Tablo dek sonuçlar ortaya çıkmıştır. 5. Ölçüm Sonuçlarının Değerlendrlmes Şekl 6 da görülen Mkrodenetleycl adaptf güç kontrol devres çalıştırılıp performans testlerne geçlmştr. Bu şlem çn RF snyal kaynağı olarak, TT frmasının TGR GHz SYNTHESISED RF SIGNAL GENERATOR kullanılmılmıştır. Snyal kaynağı 0 le 000 MHz aralığında -27 dbm le +7 dbm arasında RF snyal üreteblmektedr. Bu kaynak Tablo de verlen, farklı frekans ve güç değerlerne ayarlanıp RF ssteme uygulanmıştır. Uygulanan RF snyal sonucunda sstem üzernde oluşan lerleyen ve yansıyan dalga sevyeler, sstem üzernde bulunan drectonal coupler ın 3 ve 4. bacaklarında bulunan LTC5509 lu RF snyal güç algılama devres le DC sevyelere dönüştürülmektedr. Snyal kaynağı Tablo de verlen farklı frekans ve güç değerler çn çalıştırıldığında mkrodenetleycl devre Şekl 5 de verlen algortma le çalışmaktadır. Algortmaya göre varkap dyota 0 V başlangıç değer uygulanmaktadır. Uygulanan bu başlangıç değerne göre sstem performansı; LTC5509 lu devrelern çıkışlarındak DC gerlm değerler PIC6F877 nn dahl ADC ler le okunup lerleyen ve yansıyan dalga değerler tespt edlmektedr. Bu değerler şlenerek gerlm cnsnden duran dalga oranı (VSWR) tespt edlmektedr. Şekl 5. MTA performansını yleştrme algortması Teknk Blmler Dergs 20 () Journal of Techncal Scences 20 () 29-33

5 RF Devreler İçn Güç Ölçme Ve Adaptf Kontrol Uygulaması, M. Kahrman ve A. Kaya [6] Rohde, L. U., 2000.RF/Mcrowave Crcut Desgn For Wreless Applcatons, John Wley&Sons, Inc.,2000. [7] Stece, C., 999. RF Power Amplfers for Wreless Communcatons, Artech House. [8] Tomas, W., 994. Elektronk İletm Teknkler, Prentce- Hall (MEB), ISBN: Şekl 6. RF yükselteç tasarımı uygulaması çn mkrodenetleycl adaptf güç kontrol devres 6. Sonuçlar Yapılan çalışma sonucunda, RF devreler çn güç ölçme ve adaptf kontrol uygulama devres hazırlanmıştır. Bu devre yardımıyla RF devrelerde empedans uyumsumsuzluğu sebebyle oluşan VSWR tespt edlmekte ve bu değern kabul edleblr sevyelerde tutulması sağlanmıştır. Mevcut çalışmadak ölçümler Tablo den görüleceğ üzere 350 MHz le 000 MHz aralığında yapılmıştır. Daha yüksek frekanslarda çıkış veren RF snyal jeneratörü kullanılması durumunda, LTC5509 un üst çalışma frekansı olan 3 GHz e kadar, sstemde herhang br değşklk yapılmadan kullanılablecektr. Ayrıca, brden fazla katı bulunan RF devreler çn, katlar arasına önerlen adaptf uyumlandırma devres yerleştrlerek, en üst sevyede performans artışı gözleneblecektr. 7. Teşekkür Bu çalışma TÜBİTAK tarafından 07E200 nolu KARİYER PROJESİ kapsamında desteklenmektedr. 8. Kaynaklar [] Esame, O., Kaynak, M., Kavlak, C., Bozkurt, A., Tekn, I., Gürbüz, Y., IEEE 802.a Standard Uyumlu, RF Alıcı-Verc Alt-Blok Devrelernn Gerçeklenmes, URSI, Hacettepe Ünverstes. [2] Doddaman, N. D., Harshchandra, A.V., Desgn of SPDT Swtch, 6 Bt Dgtal Attenuator, Bt Dgtal Phase Shfter for L-Band T/R Module usng 0.7 um GaAs MMIC Technology, Internatonal Conference on Sgnal Processng, Communcatons and Networkng, ICSCN '07. pp [3] George, D., Vendeln, Anthony M., Pavo, Ulrch., L. Rohde., Mcrowave crcut desgn usng lnear and nonlnear technques, Wley & Sons. Inc, New Jersey. [4] Kluge, W., Dathe, L., Jaehne, R., Ehrenrech, S., and Eggert, D., A 2.4 GHz CMOS Transcever for 802.b Wreless LANs, n IEEE ISSCC Dg. Tech. Papers [5] Pozar, M., 998. John Wley&Wley, Mcrowave Engneerng. Teknk Blmler Dergs 20 () Journal of Techncal Scences 20 () 29-33