YÜKSEK DİNAMİK ARALIKLI, Si-Ge TRANZİSTORLU, 8-11GHZ SİMETRİK SÜRÜMLÜ B SINIFI KUVVETLENDİRİCİ TASARIMI YÜKSEK LİSANS TEZİ. Hilal Hilye Canbey

Transkript

1 İTANBUL TEKNİK ÜNİVERİTEİ FEN BİLİMLERİ ENTİTÜÜ YÜKEK DİNAMİK ARALIKLI, i-ge TRANZİTORLU, 8-GHZ İMETRİK ÜRÜMLÜ B INIFI KUVVETLENDİRİCİ TAARIMI YÜKEK LİAN TEZİ Hilal Hilye Canbey Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı Elektronik Mühendisliği Programı MAYI 04

2

3 İTANBUL TEKNİK ÜNİVERİTEİ FEN BİLİMLERİ ENTİTÜÜ YÜKEK DİNAMİK ARALIKLI, i-ge TRANZİTORLU, 8-GHZ İMETRİK ÜRÜMLÜ B INIFI KUVVETLENDİRİCİ TAARIMI YÜKEK LİAN TEZİ Hilal Hilye CANBEY Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı Elektronik Mühendisliği Programı Tez Danışmanı: Doç Dr. Mürvet KIRCI MAYI 04

4

5 İTÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü nün numaralı Yüksek Lisans / Doktora Öğrencisi Hilal Hilye Canbey, ilgili yönetmeliklerin belirlediği gerekli tüm şartları yerine getirdikten sonra hazırladığı YÜKEK DİNAMİK ARALIKLI İ-GE TRANZİTORLU, 8-GHz İMETRİK ÜRÜMLÜ B INIFI KUVVETLENDİRİCİ başlıklı tezini aşağıda imzaları olan jüri önünde başarı ile sunmuştur. Tez Danışmanı : Doç. Dr Mürvet KIRCI... İstanbul Teknik Üniversitesi Jüri Üyeleri : Prof. Dr. Osman PALAMUTÇUOĞLU... Beykent Üniversitesi Dr. H. Bülent YAĞCI... İstanbul Teknik Üniversitesi Teslim Tarihi : 5 Mayıs 04 avunma Tarihi : 8 Mayıs 04 iii

6 iv

7 v Osman Çağrı Fidan a,

8 vi

9 ÖNÖZ Tez çalışmalarım sırasında emeklerini benden esirgemeyen hocalarım Prof. Dr. Osman PALAMUTÇUOĞULLARI na ve Doç Dr. Mürvet KIRCI ya, Henüz lisans aşamasındayken çalışacağım alanı seçmeme ve bu alanda çalışmaya başlamama olanak sağlayan, her konuda desteğini hissetiğim hocam Dr. H. Bülent YAĞCI ya, Koşulsuz sevgi ve güvenleriyle her zaman yanımda olan anneme, babama ve kardeşlerime, Bir an olsun umutsuzluğa kapılmama imkan vermeyerek bana hep inanan, güvenen, destek olan meslektaşım Osman Çağrı Fidan a, Çok teşekkür ediyorum. Mayıs 04 Hilal Hilye Canbey Elektronik Mühendisi vii

10 viii

11 İÇİNDEKİLER ayfa ÖNÖZ... vii İÇİNDEKİLER... ix KIALTMALAR... xi ÇİZELGE LİTEİ... xiii ŞEKİL LİTEİ... xv ÖZET... xvii UMMARY... xix. GİRİŞ.... Geniş Bantlı Yüksek Frekanslı Kuvvetlendiricler.... Kutuplama Yöntemine Göre Kuvvetlendirici Çeşitleri Kazanç Doğrusallık GHz BALUN TAARIMI Balunlar Köprü (lattice) balun Guanella (akım) balunu Marchand balunu Kuramsal Hesaplamalar Benzetimler GHz B INIFI KUVVETLENDİRİCİ TAARIMI Tanıtım Benzetimler ONUÇLAR KAYNAKLAR EKLER... 4 ÖZGEÇMİŞ ix

12 x

13 KIALTMALAR ige HF VHF UHF RF G P G A G T IM3 IM IP3 OIP3 IP OIP PdB OPdB : ilisyum Germanyum : Yüksek frekans : Çok yüksek frekans : Ultra yüksek frekans : Radyo frekansı : Güç kazancı : Elde edilebilir kazanç : İletim kazancı :3. dereceden intermodülasyon :. dereceden intermodülasyon : 3. dereceden kesişim noktası : Çıkış 3. dereceden kesişim noktası :. dereceden kesişim noktası : Çıkış. dereceden kesişim noktası : db bastırma noktası : Çıkış db bastırma noktası xi

14 xii

15 ÇİZELGE LİTEİ ayfa Çizelge.: IEEE tarafından tanımlanan yüksek frekans bantları... Çizelge. : Doğrusal olmayan kuvvetlendiricilerin çıkışında görülen bozucu bileşenler.... Çizelge.3 : Doğrusal olmayan kuvvetlendiricilerin çıkışında görülen bozucu bileşenlerin genlikleri Çizelge. : Marchand balun yapısında kullanılacak taban malzemesinin özellikleri.... Çizelge 4.: onuçlar xiii

16 xiv

17 ŞEKİL LİTEİ ayfa Şekil. : A sınıfı kuvvetlendiricilerin çalışma şekli... 3 Şekil. : A sınıfı kuvvetlendiricilerde dirsek gerilimi-verimlilik karakteristiği... 4 Şekil.3 : B sınıfı kuvvetlendiricilerin çalışma şekli... 4 Şekil.4 : B sınıfı kuvvetlendiricilerde çıkış işareti... 5 Şekil.5 : B sınıfı kuvvetlendiricilerde dirsek gerilimi verimlilik karakteristiği... 5 Şekil.6 : AB sınıfı kuvvetlendiricilerin çalışma şekli... 6 Şekil.7 : AB sınıfı kuvvetlendiricilerde çıkış işareti... 6 Şekil.8 :Kuvvetlendiricinin iki kapılı olarak saçılma değişkenleri, kaynak ve yük empedansları ile birlikte modeli Şekil.9 : Çeşitli frekans bileşenlerinin gösterimi.... Şekil.0 :Çıkış gücünün temel, IM ve IM3 bileşenlerinin giriş gücüne göre gösterimi Şekil. : İdeal Balun Yapısı... 7 Şekil. : Köprü Balun Yapısı... 8 Şekil.3 : 3-Kapılı Kayıpsız Köprü Balun Yapısı Şekil.4 : Guanella Balun Yapısı... 9 Şekil.5 : Marchand Balun Yapısı... 0 Şekil.6 : imetrik sürümlü B sınıfı kuvvetlendirici için Marchand Balun Yapısı.. Şekil.7 : Hesaplamalarda kullanılan eşdeğer devre.... Şekil.8 : 50ohm:5ohm balun için tek mod-çift mod empedans grafiği Şekil.9 : Z empedansını gösteren hattın kalınlığı Şekil.0 : Z empedansını gösteren hattın kalınlığı Şekil. : Benzetim ortamında oluşturulan Marchand balunu... 5 Şekil. : Benzetim ortamında oluşturulan Marchand balunu... 6 Şekil 3. : Tasarımda baz alınan genel yapı Şekil 3. : Kuvvetlendiricinin benzetim programında modellenmesi Şekil 3.3 : Farksal kuvvetlendirici yapısı Şekil 3.4 : açılma parametreleri Şekil 3.5 :Giriş, çıkış ve simetrik sürümlü aktif elemanların kolektör düğüm gerilimleri Şekil 3.6 : Çıkış gerilim salınımı Şekil 3.7 : Frekansa göre çıkış üçümcü dereceden kesişim noktası Şekil.8 :Frekansa göre iletim kazancı, güç kazancı, elde edilebilir kazanç ve en yüksek kazanç değerleri Şekil 3.9 : db bastırma noktası (0GHz için) Şekil 3.0 : Frekansa göre çıkış db bastırma noktası xv

18 xvi

19 YÜKEK DİNAMİK ARALIKLI, ige TRANZİTORLU, 8-GHz İMETRİK ÜRÜMLÜ B INIFI KUVVETLENDİRİCİ TAARIMI ÖZET Bu çalışmada i-ge HBT teknolojisi kullanılarak 8-GHz frekans bandında işlev gösteren simetrik sürümlü B sınıfı kuvvetlendirici tasarımı yapılmıştır. Giriş ve çıkış dengeli kapıları dengesiz kapılara uyumlamak ve sisteme bant geçiren özellik kazandırmak amacıyla giriş ve çıkışlarında kullanılmak üzere Marchand Balunu tasarlanmıştır. Kablosuz haberleşme teknolojilerindeki gelişmeler sonucu, bilgiyi yüksek frekanslı işaret şeklinde gönderme ihtiyacı doğmuştur. Bunun sebebi frekans arttıkça dalga boyunun ve buna bağlı olarak da alıcı ve verici anten boyutlarının küçülmesidir. IEEE kullanılan frekans bantlarını standart hale getirmiştir. Bu bant aralıkları küçükten büyüğe HF, VHF, UHF, L,, C, X, Ku, K, Ka, V, W ve mm bantlarıdır. Bu çalışmada kullanılan 8-GHz bandını tam olarak karşılayan standart X bandıdır. Geniş bantlı yüksek frekanslı kuvvetlendirici tasarımından önce, hangi çalışma noktasında kutuplanacağına karar verilmelidir. Geniş bantlı tasarıma imkan veren A sınıfı, B sınıfı ve AB sınıfı çalışma şekilleri incelenmiştir. A sınıfının en doğrusal fakat en verimsiz, B sınıfının en az doğrusal ancak en verimli çalışma şekli olduğu görülmüş, simetrik sürümlü yapı kullanılacağından dolayı B sınıfı çalışma şekli daha uygun bulunmuştur. Yüksek dinamik aralıklı bir kuvvetlendirici tasarımında ayrıca kazanç ve doğrusallık kriterleri de oldukça önemlidir. Bu sebeple çeşitli kazanç hesaplamaları (güç kazancı, elde edilebilir kazanç, iletim kazancı) ve doğrusallık ölçütü değişkenleri (IP, IP3 ve PdB) incelendi. Kuvvetlendiricinin giriş ve çıkışında kullanulmak üzere tasarlanacak balun yapısı için araştırma yapılmıştır. ık kullanılan balun yapılarından Köprü Balun, Guanella Balunu ve Marchand Balunu yapıları incelenmiştir. Köprü balunun yapısı alçak geçiren süzgeç, Gunanella balununun yapısı yüksek geçiren süzgeç karakteristiği gösterdiği için alttan ve üstten sınırlı çalışma bandı 8-GHz bandında kullanılmaya uygun olmadığı belirlendi. Bant geçiren karakteristik gösteren Marchand Balunu tercih edildi. Balun yapısı tasarım için seçilen taban malzemesine uygun şekilde AWR-DE Microwave Office benzetim programı aracılığıyla optimize edilerek tasarlandı. Kullanılacak i-ge tranzistor de yine aynı benzetim programında modellenerek simetrik sürümlü yapı kuruldu. imetrik sürümlü yapının girişinde kazancı arttırmak ve de giriş empedans uyumunu sağlamak amacıyla farksalkuvvetlendici yapısı kaskat olarak eklendi. Tasarıma balunlar da eklenerek sonuçlar alındı. xvii

20 xviii

21 HIGH DYNAMIC RANGE 8-GHZ PUH-PULL CLA B AMPLIFIER WITH ige TRANITOR TECHNOLOGY UMMARY Employing i-ge semiconductor technology, 8 to GHz push-pull Class B amplifier is designed with input and output balun structures due to make two balanced port network suitable to utilize in single ended systems. Applying input and output baluns also provides impedance matching and bandpass characteristic behaving like a resonant tank filtering even harmonics produced by push-pull amplifier. This work includes literature research about amplifier design criterion, classes according to amplifier operation point, types of baluns, required calculations and finally designs of whole network with simulations done using AWR Design Environment Microwave Office. Due to increase the performance of the system, some optimization tools in simulation programmeare utilized. Developments of wireless communication technologies require using high frequency to reduce wave-lenght and related with wave-lenght receiver and transmitter antenna sizes also decrease. For common use, IEEE standardizes the frequency bands. from low frequency to high frequency these bands are; HF (3 to 30 MHz), VHF (30 to 300MHz), UHF (0.3 to GHz), L ( to GHz), ( to 4GHz), C (4 to 8GHz), X (8 to GHz), Ka ( to 8GHz), K (0 to 40GHz), Ku (6.5 to 40GHz), V (40 to 75 GHz), W (75 to 0GHz) and mm (0 to 300GHz). HF band is generally used in military and government communicarions, communication with the ground station in aviation applications, amateur radio applications e.t.c.. VHF band is widely used in FM radio broadcasting, sea traffic controlling applications e.t.c.. ome GM operators utilize UHF band. Besides that some amateur satellite applications can be done in UHF band. Furthermore, UHF band is also used for GP (Global Positioning ystem) which is very important technology. and C bands are suitable for weather and sea radar applicatons and satellite communications. X band covers this work s frequency band 8 to GHz, and can be used for electronic warfare, military satellite communications applications. In defense technology, electronic warfare is very important and promising subject to research. The selection of the dc quiescent point for the active device is very important issue before designing an amplifier. It also means determining operation class of the amplifier. A bias network is used to acquire the appropriate quiescent point for the active device under the specified operating conditions, and it maintains a constant setting irrespective of transistor parameter variations The various classes of device operation typically employed at microwave frequencies are defined as A, B, AB, C, D, E and F. The choice of the class depends majorly on the specific application that is intended for the amplifier. For example, due to design a broadband microwave amplifier xix

22 designs, class A, B, or AB should be selected. D, E and F classes are high efficient switching topologies and widely used in power electronics applications. This thesis includes a brief information about A, B and AB types of operation classes for pushpull amplifier. Due to consider and acquire high efficiency and suitability to pushpull amplifier structure, class B is preferred. Although linearity of a class B amplifier is worse than a class A amplifier, its efficiency is much better. This causes decreasing the power consumption of the system which is very important for both power cost saving and heat dissipation which effects the system performance very negatively. Another important parameter that must be especially considered is linearity. In an ideal system, the output linearly changes with respect to the input. However, transfer function of an amplifier usually not as linear as desired in real world, because of distortive effects. Intermodulation signals can be dangerous if they are in the fundamental band, and cannot be easily filtered. Linearity must be increased to achieve high dynamic range operation. ome of important and widely used linearity criterions are PdB, IP3 and IP are examined before design procedure. PdB can be physically measured using a signal generator producing an appropriate signal which has enough amplitude for the sensitivity of the amplifier under test at desired frequency chosen from the operation bandwidth It is also seen that, there are some analytical relationships between these linearity criterions. For design procedure of the input and output balun, some balunstructure types are examined to determine which is more suitable for amplifier. The most common and widely used balun types are Bridge (Lattice) Balun, GuanellaBalun and Marchand Balun. It is seen that Bridge (Lattice) balun has low-pass, and Guanella balun has high-pass characteristics so they are not suitable for the 8 to GHz application. Unlike Guanella or Bridge balun, Marchand balun has band-pass characteristics and is preffered for the input. Firstly, some literature research has done about Marchand balun to be sure about its functions are suitable for purpose. Marchand introduced the Marchand balun, which is designed using coaxial transmission lines, in 944, and there are still studies done about implementation and developing this structure. Today, substrate technology is very sophisticate in comparison with 940s. Thus, current researchs are generally based on mictostrip, coplanar, stripline transmission lines. For required calculations, previous studies about Marchand Balun are used then the results are implemented on transmission line impedance calculation tool TX LINE in AWR DE MWO. After determining the type of input balun, the next issue is indicating the output balun structure. Due to transmit higher power at the output efficiently, :4 balun is chosen for output balun which is also perfectly suitable to use for class B amplifiers. Only one branch of the balun transmits the signal for each half cycle of the output signal, which leads combining the two signals with 80-degree phase difference together. Another important stage is choosing transistor technology. There are many types of transistors widely used in similar applications such as silicon BJTs, silicon MOFETs, GaAs MEFETs, InGaAs/InP HEMTs.As the active semiconductor elements, ige HBTs are employed in the class B push pull amplifier design due to its very high cut-off frequency. xx

23 There is a differential amplifier with feedback due to adjust input impedance and besides that increase the total gain. upply voltage of the structure is defined as 4V according to characteristics of the chosen transistor model. Class B push-pull amplifier design with additional differential amplifier and input-output baluns is completed and results are achieved with AWR-DE MWO simulation program. 8 to GHz push-pull Class B amplifier is designed with input and output balun structures due to make two balanced port network suitable to utilize in single ended systems. Network performance is highly increased by utilizing optimization tools in simulation program after combining all stages of design. Applying input and output baluns provides impedance matching and bandpass characteristic behaving like a resonant tank filtering even harmonics produced by push-pull amplifier. Differential amplifier at the first amplification stage provides higher gain, which helps increasing dynamic range of the cascaded amplifier. After research, calculations and optimizations, very satisfactory results are acquired according to simulation graphics. Gain is over 33dB, output PdB is 5dBm, output IP3 is 40dBm, input reflection is very good ( <-0dBm) within desired bandwidth 8 to GHz. These results are very hard to achieve for X band, and promising for fabrication and implementation. After realizing the structure with lumped elements and getting good results, same network can be implemented as an integrated circuit using ige or some other semiconductor technology. xxi

24 xxii

25 . GİRİŞ Haberleşme teknolojilerinde kaydedilen önemli ilerlemeler sonucunda, haberleşme elektroniğindeki çalışmalar hız kazanmıştır. Gelişen modülasyon teknikleri sonucu yüksek frekansta işlev gösteren yüksek frekanslı elektronik yapılar önemli hale gelmiştir. Haberleşme sistemlerinde yüksek frekanslı işaretlerin kullanılması, en temel olarak dalga boyunun ve buna bağlı olarak alıcı ve verici anten boyutlarının küçülmesi için gerekli olmuştur. Yüksek frekans elektroniğinin kullanıldığı alanlardan birkaçı, uydu haberleşmesi, askeri haberleşme sistemleri, radarlar, elektronik harp uygulamalarıdır. Haberleşmede ve radarlarda kullanılan frekans bantları IEEE[] tarafından tanımlanmıştır, bu tanımlar Çizelge. de incelenebilir. Çizelge. : IEEE tarafından tanımlanan yüksek frekans bantları. Frekans Bandı HF VHF UHF L C X K u K K a V W mm Karşılığı 3-30MHz MHz 0.3-GHz -GHz -4GHz 4-8GHz 8-GHz -8GHz 0-40GHz GHz 40-75GHz 75-0GHz 0-300GHz HF bandı genel olarak askeri haberleşmede, hükümet haberleşmesinde, havacılıkta yer istasyonu ile haberleşmede, amatör radyoculukta, kısa dalga uluslararası yerel ya da bölgesel haberleşmede, denizclikte kıyı ile haberleşmede kullanılır. VHF bandı

26 FM radyo bandını (88-08MHz) kapsar. Ayrıca kara mobil istasyonlarında, hava ve deniz trafik kontrolleri haberleşmesinde, hava ve deniz haberleşmesinde de kullanılır. UHF bandında çalışan GM operatörleri vardır, aynı zamanda kişisel radyo yayınında ve amatör uyduların haberleşmesinde de kullanılabilir. L bandı da GM amaçlı kullanılabilir. Diğer kullanım alanlarına örnek olarak GP (Global Positioningystem) ve sayısal ses yayını (DAB DigitalAudioBroadcasting) gösterilebilir. Bu bantta radar ve elektronik harp uygulamaları da olur. ve C bandında hava ve deniz radarı uygulamaları, uydu haberleşmesi yapılabilir. Bu çalışmanın konusu 8-GHz bandında çalışan B sınıfı simetrik sürümlü kuvvetlendirici tasarımı olduğu için, X bandına dahildir. Askeri radarlar,elektronik harp, askeri uydu haberleşmesi uygulamaları X bandında çalışır. Çoğu elektron paramanyetikrezonans spektrometresi (EPR) bu bantta işlev gösterir. Tasarıma başlamadan önce yüksek frekansta işlev gösteren kuvvetlendiriciler ve aktif elemanlarla ilgili literatür araştırması yapılmıştır. Bu bölümde bu araştırmalar özetlenecektir.. Geniş Bantlı Yüksek Frekanslı Kuvvetlendiricler Giriş bölümünde bahsedildiği gibi, çoğu haberleşme uygulamaları geniş frekans bantlarını kapsamaktadır, bu sebeple yüksek frekanslarda ve geniş bantlarda işlev gösteren sistem bloklarına gereksinim vardır. Güç kuvvetlendircileri de haberleşme elektroniğinde önemli ve geniş kullanım alanına sahiptir. Ancak bir güç kuvvetlendiricisi için kazanç, gürültü sayısı, doğrusallık ve bant genişliği arasında her zaman ödünleşim (trade-off) olmaktadır. Yüksek frekansta aynı zamanda tasarımda kullanılan aktif elemanların parasitik bileşenlerinin ortaya çıkması da frekansa bağlı performansı etkilemekte ve de tasarımı zorlaştırmaktadır. Geniş bantlı yüksek frekanslı kuvvetlendirici tasarımının daha yüksek performanslarda yapılabilmesi için çeşitli yarı iletken teknolojileri geliştirilmiştir. Bunlardan en sık kullanılanlar arasında silisyum BJT ler, silisyum MOFET ler, galyum arsenit (GaAs) MEFET ler (metal-alan etkili tranzistor), InGaAs/InPPHEMT ler (sahte yüksek elektron hareketlilikli tranzistor), InAlAs/InGaAsMHEMT ler, InGaP/InGaAs veya igehbt ler sayılabilir. Bu çalışmada ige HBT ile tasarım yapılmıştır.

27 . Kutuplama Yöntemine Göre Kuvvetlendirici Çeşitleri Kuvvetlendiricide kullanılan aktif elemanın doğru akım sükunet noktasının belirlenmesi, kutuplamanın nasıl olacağına karar verilmesi ve topolojinin kararlaştırılması açısından önemlidir[]. Yüksek frekanslı kuvvetlendiricilerde sıklıkla kullanılan sınıflar A, AB, B, C, D, E, F sınıflarıdır. D, E ve F sınıfları anahtarlamalı sınıflar olarak bilinir. A, B, ve AB ve sınıfları geniş bantlı uygulamalarr için daha uygundur, bu sebeple bu sınıflar ilgili bilgiler araştırılmıştır. A sınıfı kuvvetlendiricilerde işaretin dalga boyunun 360 o lik döngüsü boyunca aktif elemanlar iletimdedir (Şekil.). Şekil. : A sınıfı kuvvetlendiricilerin çalışma şekli. Kuvvetlendiricinin sükunette çalışma noktası Q, dirsek gerilimi V k ile gösterilmiştir. A sınıfı kuvvetlendiriciler diğer bütün sınıflardan daha doğrusaldırlar, giriş işaretinin yapısını hiç bozmadan kuvvetlendirerek çıkışa aktarırlar. Ancak verimlilikleri kuramsal olarak bile %50 yi geçmediği için (Şekil.) çok yüksek doğrusallık gerektiren uygulamalar haricinde çok tercih edilmezler. 3

28 B sınıfı kuvvetlendiricilerde işaretin dalga boyunun 80 o lik döngüsü boyunca aktif elemanlar iletimdedir (Şekil.3). Bu yüzden yarım dalga boylarında bir süreksizlik sebebiyle bozulma (distorsiyon) oluşması sebebiyle A sınıfı kadar doğrusal değildir, ancak B sınıfı kuvvetlendiriciler verimlilik açısından A sınıfı kuvvetlendiricilerden daha avantajlıdır(şekil.5). Şekil. : A sınıfı kuvvetlendiricilerde dirsek gerilimi-verimlilik karakteristiği. Şekil.3 : B sınıfı kuvvetlendiricilerin çalışma şekli. 4

29 Bu çalışmada simetrik sürümlü B sınıfı kuvvetlendirici tasarımı yapıldığından, B sınıfı ile ilgili kuramsal hesaplamalara 3. bölümde yer verilmiştir. Şekil.4 : B sınıfı kuvvetlendiricilerde çıkış işareti. AB sınıfı kuvvetlendiriciler A sınıfının doğrusallığından ve B sınıfının verimliliğinden bir miktar ödünleşimle de olsa faydalanabilmek amacıyla tercih edilir (Şekil.6). AB sınıfındaki çıkış işareti karakteristiği Şekil (.7) de verilmiştir. Şekil.5 : B sınıfı kuvvetlendiricilerde dirsek gerilimi verimlilik karakteristiği. 5

30 Şekil.6 : AB sınıfı kuvvetlendiricilerin çalışma şekli. Şekil.7 : AB sınıfı kuvvetlendiricilerde çıkış işareti..3 Kazanç Yüksek frekanslı kuvvetlendiricilerde birden fazla kazanç tanımı vardır. Bunlar güç kazancı, elde edilebilir kazanç ve iletim kazancıdır[3]. Kuvvetlendirici iki kapılı bir devredir(şekil.8). Kazançlar hesaplanmadan önce kaynak yansıma katsayısı Γ, güç yansıma katsayısı Γ L, giriş yansıma katsayısı Γ in, çıkış yansıma katsayısı Γ out değerleri bulunmalıdır. Bir kuvvetlendiricinin kaynak empedansı Z, yük empedansı Z L olarak tanımlanabilir. Bu durumda yük ve kaynak yansıma katsayılarının bulunması denklem (.) ve (.) de gösterilmiştir. 6

31 Zs V V Z 0 V V ZL s IN OUT L Şekil.8 : Kuvvetlendiricinin iki kapılı olarak saçılma değişkenleri, kaynak ve yük empedansları ile birlikte modeli. Z Z L 0 L (.) ZL Z0 Z Z 0 (.) Z Z0 Birinci ve ikinci kapıya gelen ve yansıyan gerilimlerin arasında saçılma değişkenleri ( parametreleri), kaynak ve yük yansıma katsayılar cinsinden bir ilişki vardır. V V V V L V V V V V L V (.3) (.4) Denklem (.3) ten V çekildiğinde denklem (.5) elde edilir. in V V L Zin Z Z Z L in 0 0 (.5) Denklem (.5) te Z in, sonlandırılmış iki kapılı devrenin birinci kapısından (girişten) görülen empedanstır. Aynı şekilde çıkış yansıma katsayısı da hesaplanır(.6). out V V (.6) 7

32 Girişte yazılabilir. Z in ve Z empedansları gerilim bölücü olarak davranır ve denklem (.7) V V Z V V V ( in in Z Zin ) (.7) (.8) bağıntısı kullanılarak edilebilir. V değeri V cinsinden (.9) denklemindeki gibi igade Z in Z V in 0 (.8) in V ( ) ( ) in (.9) Gerilimlerin tepe değerleri baz alınırsa iki kapılı devreye girişinden aktarılan en yüksek güç (.0) denklemine göre hesaplanmış olur. P in Z V ) 8Z V ( ( in in 0 0 in ) (.0) Yüke aktarılan güç (.) denklemindeki gibi ifade edilir. P L V ( L Z 0 ) (.) (.) ifadesine (.9) ve (.4) eşitlikleri uygulandığında yüke aktarılan güç (.) denklemi ile hesaplanabilir. P L V Z 0 ( L L ) V 8Z 0 ( L L ) in (.) Bu durumda güç kazancı denklem (.3) teki şekilde ifade edilir. PL ( ) G (.3) P ( in L in in ) L 8

33 Kaynaktan elde edilebilir güç değeri Pavs devreye gelecek en yüksek güç değerini temsil eder. Bu da iki kapılı kuvverlendiricinin giriş yansıma katsayısının yükün eşleniğine eşit olmasıyla mümkün olur, bu duruma mükemmel uyumlama denir. * olduğunda denklem (.0) (.4) haline gelir. in P avs V (.4) 8Z ( ) 0 Benzer şekilde yüke aktarılan güç P avl de out L * olduğunda en yüksek değerine ulaşır. Bu değerler denklem (.) ye uygulandığında yüke aktarılması mümkün olan en yüksek güç bulunmuş olur(.5). P avl V ( ) out (.5) * 8Z 0 out in (.5) denkleminde * eşitliği uygulandığında (.6) bağıntısı elde edilir. out L ( out in (.6) * out ) (.6) denklemi kullanılarak yüke aktarılan en yüksek güç değeri yeniden ifade edilir(.7). P avl V (.7) 8Z ( ) 0 out Elde edilebilir kazanç, yüke aktarılan en yüksek gücün kaynaktan aktarılan en yüksek güce oranı olarak hesaplanır(.8). G A Pavl ( ) (.8) P ( ) avs out 9

34 İletim kazancı yük üzerindeki gücün kaynaktan aktarılabilen en yüksek güce oranıdır. G T P ( )( L L (.9) Pavs in L ).4 Doğrusallık İdeal bir kuvvetlendiricide çıkış gücü, giriş gücü ile doğrusal bir ilişki içerisindedir, ancak uygulamada bu belirli çalışma aralıklarında mümkün olabilir. Doğrusallık kullanılan aktif ve pasif yapıların fiziksel özellikleri tarafından sınırlanır[4]. Doğrusal olmayan bir giriş çıkış transfer (örneğimizde gerilim transfer fonksiyonu) fonksiyonu denklem (.0) deki gibi ifade edilebilir[5, 6]. 3 V k k V k V k V... (.0) out 0 in in 3 in Mükemmel doğruluk için sonsuz derece için toplama yapmak gerekir, ancak bu mümkün değildir. Uygulamada üçüncü dereceye kadar olan terimler alınır, bu şekilde ihmal edilebilir bir hata ile yeterli doğrulukta bir sonuç alınır. Bir sistemin doğrusallığı test edilirken girişinden iki tonlu bir işaret verilir. Bu sebeple giriş işareti başlangıç kabulü olarak (.) deki şekilde modellenebilir. V in V cos t V cos t X X (.) (.) ifadesi (.0) deki gerilim transfer fonksiyonuna uygulanırsa denklem (.) eşitliği elde edilir. V out k (.) 3 0 k( X X ) k( X X ) k3( X X ) Toplamların karesi ve kübü açılınca (.3) haline gelir. V out 3 k k ( X 3 0 k ( X 3X X X ) k 3X X ( X X 3 X X ) X ) (.3) 0

35 Denklem (.3) ten görülebileceği gibi çıkış işaretinde çok çeşitli frekanslarda bileşenler vardır. Örneğin vardır(.4). X teriminde DC ve ikinci harmonik bileşenleri X V ( V cost ) ( cos ) (.4) t Yani ikinci derece terim açıldığında bileşenler (.5) ifadesindeki gibi olur. ( X X ) X X X DC HD IM X DC HD (.5) IM ile gösterilen terim ikinci dereceden intermodülasyondistorsiyonu olarak bilinir. Bu bileşenin içinde toplam ve fark frekans bileşenleri bulunur. Üçüncü derece terim açıldığında bileşenler (.6) ifadesindeki gibi olur. ( X 3 X ) 3 3 X TB HD3 3 3X X XX X TB IM 3 TB IM 3 HD3 (.6) Çizelge. : Doğrusal olmayan kuvvetlendiricinin çıkışında görülen bozucu bileşenler. Frekans Bileşeni Tanımı Açıklama. derece f, f Temel bileşen İstenen bileşen. derece f, f HD (. harmonik) üzülebilir f f, f f IM (intermodülasyon) üzülebilir 3. derece 3 f, 3 f HD3 (3. harmonik) üzülebilir f f IM3 (intermodülasyon) Temel bileşene yakın süzülmesi f f IM3 (intermodülasyon) zor Çizelge. de iki tonlu giriş verildiğinde çıkışta görülen bozucu bileşenler açıklanmıştır. Çizelge.3 ten her frekans bileşenin genliklerinin hesaplanışı izlenebilir.şekil.9 da görüldüğü gibi 3. dereceden intermodülasyon bileşeni istenilen frekans aralığına düşebilme ihtimalinden dolayı doğrusallığı en çok tehdit eden bileşendir. Bu sebeple çıkış 3. dereceden kesişim noktası (third-order interception point) OIP3 doğrusallığı ifade etmede önemli bir

36 değişkendir.doğrusallığa ilişkin diğer önemli değişkenler db bastırma noktası P db ve ikinci dereceden kesişim noktasıdır(şekil.0). Çizelge.3 : Doğrusal olmayan kuvvetlendiricinin çıkışında görülen bozucu bileşenlerin genlikleri. Frekans Bileşeni Bileşenin Genliği k dc k 0 ( V V ) 3 3 kv k3v V V kv k3v V V 4 k V k V k VV 3 k V k V k 3V V 4 3 k 3VV 4 Şekil.9 : Çeşitli frekans bileşenlerinin gösterimi. 3. derece kesişim noktası kuramsal bir noktadır ve f f ve f f intermodülasyon bileşenlerinin genliklerinin f ve f temel bileşenlerinin

37 genliklerine eşitlendiği nokta olarak tanımlanır.gerçek bir nokta değildir, gerçek hayatta ölçülemez. Şekil.0 : Çıkış gücünün temel, IM ve IM3 bileşenlerinin giriş gücüne göre gösterimi. 3. derece kesişim noktası ölçülürken girişe iki adet aynı genlikli farklı fakat tercihen birbirine yakın frekansta işaret verilir (two-tone test). İşaret genlikleri eşit olduğu için (.) denkleminde V V Vi olduğu söylenebilir. Temel bileşenin genlik değeri ile ilgili bilgiye Çizelge.3 ten ulaşabiliriz. Çizelge.3 te temel bileşenin genliğinde bu eşitlik kullanılırsa genlik değeri (.7) haline gelir. 9 3 TB k Vi k3v (.7) 4 i DOGRUAL BILEEN 3

38 Yine Çizelge.3 ten 3. dereceden intermodülasyon bileşeninin genliği (.8) deki gibi ifade edilir. 3 IM (.8) k3vi 3. derece kesişim noktası temel işaretin doğrusal bileşenin genliğinin 3. intermodülasyon bileşeninin genliğine eşit olduğu noktadır. (.7) deki doğrusal bileşen genliği (.8) deki IM3 genliğine eşitlenir, giriş gerilimi çekilirse (.9) giriş gerilimi 3. derece kesişim noktası bulunur. k V IIP 3 (.9) 3 k 3 OIP3 noktası gerçek ölçümle bulunabilecek bir değer değil, teorik bir noktadır. Çünkü kuvvetlendirici bu çıkış noktasına erişemeden doyuma girer. Bu sebeple bu nokta nümerik hesaplamalarla, eğri uydurma (ekstrapolasyon) yöntemiyle hesaplanır. Bunun için Şekil.0 daki grafikten temel bileşenin doğrusal olduğu bölgede kalan bir Pi giriş gücü değeri için çıkıştaki temel işaretin ve IM3 işaretinin genlikleri P ve P 3 okunur. Bu değerlere göre eğrilerin eğimleri hesaplanarak teorik olarak hangi noktada kesişecekleri hesaplanır(.30). IIP3 P [ P P3 ] G Pi [ P P3] (.30) (.30) bağıntısından bulunan giriş gücü için 3. derece kesişim noktası değerinin çıkış gücü karşılığı OIP3 değerini verir. Bir diğer önemli doğrusallık ölçütü de benzer özellikteki. derece kesişim noktası IP değeridir. IP ya da IP3 kriterlerinin hangisinin diğerinden daha önemli olduğu tasarımın kullanım amacına göre değişir. IP özellikle karıştırıcı alıcı yapılarında oldukça önemli bir doğrusallık ölçütüdür. Hesaplanış yöntemi IP3 ile aynıdır. V k V (.3) IM i 4

39 k V IP (.3) k Bu kez yine Şekil.0 da P i giriş gücü için temel işaret bileşeninin gücü P. derece intermodülasyon işaretinin gücü P olur. Yine eğri uydurma yöntemiyle. derece kesişim noktası hesaplanır(.33). IIP P [ P P ] G Pi [ P ] (.33) P Doğrusallığın gerçek ölçümle de bulunabilecek bir kriteri db bastırma noktası P db değeridir. IP3 ve IP noktalarının aksine, P db ölçülürken kuvvetlendiricinin girişine yalnızca tek frekans bileşeni içeren giriş işareti verilmesi yeterlidir. db bastırma noktası, çıkış gücünün doğrusal kazanç değerine göre olması gerekenden db daha düşük olduğu noktadır(şekil.0). Bu tanıma göre V O ölçülen çıkış gerilimi ve V Oi ideal olması gereken çıkış gerilimi (.34) teki gibi ifade edilir. VO 0log0 db (.34) V Oi Çizelge.3 e göre tek tonlu bir giriş işaretinin gerilimi (.35) te verilmiştir. V O 3 3 kv i k3v i (.35) 4 Olması beklenen ideal çıkış gerilimi; VOi kv i (.36) (.36) ve (.35) eşitlikleri (.34) bağıntısına uygulanırsa db bastırma noktasındaki giriş gerilimi (.37) deki gibi bulunur. k (.37) V db 0.38 kv i k3 5

40 6

41 . 8-GHz BALUN TAARIMI. Balunlar Balunlar, devre sistemlerinde dengeli (iki ucu da toprağa bağlı olmayan) bir kapıyı dengesiz (bir ucu toprağa bağlı olan) bir kapıya bağlarken kullanılan pasif yapılardır. İdeal bir balun kayıpsız, mükemmel empedans uyumlu, karakteristiği sıklığa bağlı ya da giriş gücüne bağlı olarak değişmeyen, empedans dönüşümü yapabilen iki kapılı bir devredir[7]. Bu çalışmada dengeli bir yapı olan simetrik sürümlükuvvetlendiricinin giriş ve çıkışında kullanılmak üzere 8-GHz bant aralığında işlev gösterebilen balunlar tasarlanacaktır. Bu sebeple uygun yapıyı belirlemek için araştırmalar yapılmıştır. Şekil. : İdeal balun yapısı... Köprü (lattice) balun Köprü (lattice) balun en basit balun yapılarınrdan birisidir, Şekil. de gösterilmiştir. Kayıpsız iki kapılı bir devrede Z değişkenleri tamamen sanaldır ve bu sebeple Z jx ve Z jx şeklinde modellenebilirler. Bu durumda RL yüküyle sonlandırıldığı durumda giriş empedansı (.) denklem ile hesaplanabilir. Z in XRL X j ( R Re{ }) L Zin R X R (.) L L R Re{ Z in } olduğu durumda Z in tamamen gerçel olacaktır ki bu da L R L X X eşitliğinin sağlanması demektir. Bobinin empedansına jx a 7

42 kapasitenin empedansına jx dersek, X ( X a X )/ ve X ( X a X )/ b b b olmuş olur. Bu şekilde sonlandırma yükü kapasite ve bobin değerleri ile (.) denklemindeki gibi ifade edilebilir. R X X (.) L a b Xa Xb Dengesiz kapı RL Xb Xa Dengeli kapı Şekil. : Köprü balun yapısı. (.) denkleminde açısal frekans değerleri sadeleştirildiğinde R L L/ C olduğunu görebiliriz. Hem toplu değişkenli elemanlarla, hem de dağılmış değişkenli ideal elemanlarla (mikroşerit vb.) gerçeklendiğinde köprü balun, sonsuz bant genişliğinde kayıpsız ve mükemmel empedans uyumlu olmaktadır. Yani tüm-geçiren özellik göstermektedir. Toplu değişkenli elemanlarla gerçeklenmiş bir köprü balunda belirli bir frekansta bobbin ve kapasitenin reaktansları eşit, fakat ters işaretli olurlar. Bu noktada dengeli kapının iki düğümününde de toprağa göre gerilim eşit ve ters işaretli olacaktır. Şekil.3 deki gibi yeniden gösterilebilen yapı, simetrik sürümlü bir kuvvetlendirici tasarımında kullanılmaya uygun hale gelecektir. Xa Xb Dengesiz kapı RL/ Xb Xa RL/ Şekil.3 : 3-kapılı kayıpsız köprü balun yapısı. 8

43 Dağılmış değişkenli elemanlarla gerçeklenen bir köprü balunun 300kHz-4GHz bant aralığını kapsadığı belirlenmiştir[7, 8]. Ancak, köprü balunu dağılmış değişkenli elemanlarla gerçeklemek uygulamada oldukça zordur. 8-GHz bandında çalışıldığı için bu tip balun tercih edilmemiştir... Guanella (akım) balunu Guanella balunu yüksek geçiren yapıdadır. Bu sebeple bant geçiren uygulama için kullanılmamıştır. Şekil.4 teki gibi gösterilebilir. Şekil.4 : Guanella balun yapısı...3 Marchand balunu Marchand balunu[9] yapısını Şekil.5 te görebiliriz. Marchand balunu bant geçiren yapıdadır, iletim hatlarıyla gerçeklenirken elektriksel uzunluklar merkez frekansa göre çeyrek dalga boyu alınarak hesaplanır. Eğer kaynak ve yük empedansı birbirine eşit olursa bant geçiren filtrenin karakteristiği en düz (Butterworth) özellik gösterebilir. Bu çalışmada 8-GHz kuvvetlendirici tasarımı yapılacağından, bant geçiren karakteristiğinden dolayı Marchand Balunu kullanılacaktır. B ınıfı imetrik sürümlü kuvvetlendirici girişinde kullanılacağından dolayı balun, Şekil.3 teki yapıya getirilecektir. Bununla ilgilifathelhab tarafından Marchand 9

44 Balunu ve kuvvetlendiricilerle ilgili yapılmış çalışmadaki[0]hesaplamalar kullanılacaktır. R R L λ o /4 R L Giriş λ o /4 Giriş λ o /4 λ o /4 R L Şekil.5 : Marchand balun yapısı.. Kuramsal Hesaplamalar B sınıfı simetrik sürümlü kuvvetlendiricide kullanılacak Marchand balunu ile ilgili hesaplamalarda kullanılacak taban malzemesinin özellikleri Çizelge. de verilmiştir. Bu malzemeyle 8-GHz aralığında çalışan, dengeli kapı girişi 50ohm, dengesiz kapıdaki iki yükü 5 er ohm olan Marchand balunu gerçeklenecektir. Çizelge. : Taban malzemesi özellikleri. Dielektrik Yükseklik Yükseklik Metal Kayıp tanjantı Katsayısı Kalınlığı 4. 0.mil 00mil 0.08mil 0 Geleneksel Marchand Balunu yapısı simetrik sürümlü (push-pull) B sınıfı kuvvetlendiriciyle birlikte çalışmaya uygun hale getirildiğinde yük ikiye bölünecektir. İletim hatlarıyla birlikte modellenmiş hali Şekil.6 da görülebilir. A ve B eşlenmiş hatlarının empedansları Z a ve Z b, tek (odd) ve çift (even) mod empedansları Z ae, Z ao, Z be, Z ae olarak gösterilmiştir. 0

45 Şekil.6 : imetrik sürümlü B sınıfı kuvvetlendirici için Marchand balun yapısı. Fathelhab hesaplamalarını Şekil.7 deki eşdeğer modele göre yapmıştır. Kuramsal hesaplamalarda bu yöntem kullanışmıştır. A hattının eşlenme katsayısı K a B hattının eşlenme katsayısı ise K b olarak gösterilmiştir. (.3), (.4), (.5) ve (.6)denklemlerinde balunda yer alan eşlenmiş hatların tek dallarının empedansları ile toplam empedansları arasında eşlenme katsayılarına bağlı olan ilişki verilmiştir. Z a Z (.3) a Ka Z b Z (.4) b Kb Z a Z a Ka (.5) K a Z b Z b Kb (.6) K b (.7) ve (.8) denklemlerinde toplam empedans ile tek ve çift mod empedanslar arasındaki ilişki verilmiştir. Z Z Z (.7) a ae ao Z Z Z (.8) b be bo

46 Eşlenme katsayısının tek ve çift mod empedanslar cinsinden ifadesi; K a Z Z ae ao (.9) ae Z Z ao K b Z Z be bo (.0) be Z Z bo A ve B eşlenmiş hatları birbirine eşitlenerek Şekil.7 deki eşdeğer devre elde edilir. Şekil.7 : Hesaplamalarda kullanılan eşdeğer devre. Tasarlanmak istenilen balun için kaynak admitansı Y =50ohm, yük empedansı Y =5ohm olacaktır. Eşlenmiş hattın admitansı tek ve çift mod admitanslar cinsinden denklem (.0) daki gibi ifade edilir. Y j ( Ye Yo )cot ( Y e Yo )cot ( Ye Yo )csc ( Ye Yo )csc ( Y ( Y ( Y e ( Y e e e Y )cot Y )cot Y )csc o Y )csc o o o ( Y e ( Y e ( Y ( Y Y )csc Y )csc e e o o Y )cot o Y )cot o ( Ye Yo )csc ( Y e Yo )csc (.) ( Ye Yo )cot ( Ye Yo )cot Marchand balunu için idealde =0 ve =- 3 olduğundan, ifadeyi denklem (.) e indirgeyebiliriz. 4 (( Y Y )csc ) ( Y Y ) Y Y csc 0 (.) e o Marchand balununda hattın elektriksel uzunluğu çeyrek dalga boyu olarak belirlenir. Bu sebeple e 90 olduğunda denklem (.) elde edilir, aynı bağıntı denklem (.3) te empedans cinsinden ifade edilmiştir. o L

47 Ze Y Y Y Y (.3) e o L Z e (.4) Z Z Z o L Tasarlanmak istenilen balun için kaynak empedansı Z =50ohm, yük empedansı Z L =5ohm olacaktır. Bu değerler denklem (.3) e uygulandığında tek mod empedansı ile çift mod empedansı arasındaki bağıntıı ortaya çıkmış olur(.4). 5Z e Z o (.5) Z 5 e Bu bağıntıya göre kaynak ve yük empedanslarına uygun tek mod ve çift mod empedans karakteristiği MATLABortamında çizdirilmiştir. Elde edilen eğri üzerinden tek mod empedansı noktası seçilmiştir(şekil.8). Z o. 69ohm ve çift mod empedansı Z e 45ohm 50ohm:5ohm Marchand Balun Icin Tek Mod - Cift Mod Empedans Grafiği X:.69 Y: Zo Şekil.8 : 50ohm:5ohm balun için tek mod-çift mod empedans grafiği. Tek ve çift mod empedanslar belirlendikten sonra (.9) denkleminde yerine konularak eşlenme faktörü K, (.7) denkleminde yerine konularak toplam empedans 3

48 Z değeri hesaplanır. Bulunan Z ve K (.3) ve (.5) denklemlerine yerleştirildiğinde Z ve Z empedansları hesaplanır. Bu durumda taban malzemesinin özelliklerine göre AWR-DEMicrowave Office benzetim ortamında TX LINE aracı ile eşlenmiş hatların kalınlıkları belirlenmiştir(şekil.9 ve Şekil.0). Bu kalınlıklar başlangıç değeri olarak kullanılacak, ve daha iyi performans almak amacıyla benzetim programı üzerinden optimize edilerek en uygun değerler bulunacaktır. Bunun için benzetim programının kendi içeriğinde bulunan çeşitli iterasyon algoritmalarından en uygun olan yöntem belirlenmelidir. Şekil.9 : Z empedansını gösteren hattın kalınlığı. TX LINE aracındaki elektriksel uzunluk çeyrek dalga boyu için π/4 yani 90 olarak girilmiştir. Yine bu değer de optimizasyon sonucunda istenilen performansa erişmek amacıyla değiştirilebilir. 4

49 Şekil.0 : Z empedansını gösteren hattın kalınlığı..3 Benzetimler Kuramsal hesaplamalar sonucu bulunan değerler AWR-DE Microwave Office benzetim ortamında optimize edilmiştir. PORT P= Z=50 Ohm MBCPL ID=TL3 W=0.835 mil W=0. mil L=L mil Offs=0 mil Acc= W 3 L=9.9 MBCPL ID=TL W=.4 mil W=.09 mil L=L mil Offs=0 mil Acc= W 3 MPUB Er=4. Tand=0 H=0. mil H=00 mil T=0.08 mil Rho=0.8 ErNom=4. Name=MPUB W 4 W 4 PORT P= Z=5 Ohm PORT P=3 Z=5 Ohm Şekil. : Benzetim ortamında oluşturulan Marchand balunu. 5

50 Şekil. : Benzetim ortamında oluşturulan Marchand balunu. MPUB Er=4. Tand=0 H=0. mil H=00 mil T=0.08 mil Rho=0.8 ErNom=4. Name=MPUB PORT P=3 Z=.5 Ohm 3.96 V W W CAP ID=C C=4 pf 3.96 V 0 V 3 4 CAP ID=C C=4 pf 0 V W W V 0 V PORT P= Z=50 Ohm 4 V MBCPL ID=TL4 W=W mil W=W mil L=L mil Offs=0 mil Acc= 3.97 V 3.97 V MBCPL ID=TL W=W mil W=W mil L=L mil Offs=0 mil Acc= DCV ID=V4 V=4 V PORT P= Z=.5 Ohm 0 V Şekil.3 : Benzetim ortamında oluşturulan :4 çıkış balunu. 6

51 Şekil.4 : Çıkış balununun. kapı çıkışı. Şekil.5 : Çıkış balununun 3. kapı çıkışı. 7

52 8

53 3. 8-GHz B INIFI KUVVETLENDİRİCİ TAARIMI 3. Tanıtım Kuvvetlendirici 8-GHz bant aralığında işlevini yerine getirmek üzere B sınıfı simetrik sürümlü yapıda tasarlanmıştır(şekil 3.). GirişindeMarchandbalun yapısı kullanılmıştır. Marchand balununun bant geçiren yapısı sayesinde çift harmonik bileşenlersüzülmüş, aynı zamanda empedans uyumu da sağlanmıştır. Çıkışta ise en iyi güç aktarımına olanak tanıyacak olan, aynı zamanda B sınıfı ile uyumlu işlev göstererek her bir çıkış kapısı yarım periyot iletimde olan :4 balun kullanılmıştır(şekil 3.). Şekil 3. : Tasarımda baz alınan genel yapı. Kuvvetlendirici 4V besleme gerilimine göre tasarlanmıştır. Kazancın artması için girişine bir farksal kuvvetlendirici ilave edilmiştir. Kullanılan ige tranzistorların fiziksel özellikleri benzetim programında modellenmiş, ekran görüntüsü EK-A da verilmiştir. 9

54 VBIC ID=VB7 TEMP=_TEMP DegC MULT= ELFT=off TYPE=NPN M_PROBE ID=VP5 RE ID=R R=75 Ohm M_PROBE 9.39 ID=VP9 ma 9.37 ma 9.37 ma RE ID=R6 R=3000 Ohm 0.35 ma RE ID=R7 R=5000 Ohm RE ID=R0 R=7000 Ohm ma.38 V. V VBIC ID=VB4 CAP TEMP=_TEMP DegC ID=C9 MULT= C=0 pf ELFT=off TYPE=NPN ma CAP ID=C7 C=4 pf ma RE ID=R8 R=500 Ohm RE ID=R4 R=300 Ohm IND ID=L5 L=0 nh RE ID=R6 R=5 Ohm RE ID=R5 R=5 Ohm V.3 V 4 V CAP ID=C3 C=4 pf 4 V 7.7 ma 7.7 ma RE ID=R R=00 Ohm 7.4 ma 7.4 ma M_PROBE 0.74 VID=VP3 7.4 ma M_PROBE ID=VP4 7.4 ma V 0 V CAP ID=C5 C=0 pf 0 V UBCKT ID= NET="March" PORT P= Z=50 Ohm Pwr=-0 dbm 4 V 54.9 ma M_PROBE ID=VP0 DCV ID=V4 V=4 V RE ID=R3 R=00 Ohm RE ID=R7 R=5 Ohm V CAP ID=C6 RE C=0 pf ID=R4 R=5 Ohm M_PROBE ID=VP 0 V 0 V M_PROBE ID=VP 4 V ma VBIC ID=VB5 RE TEMP=_TEMP DegC ID=R7 MULT= R=3000 Ohm ELFT=off TYPE=NPN 7.4 ma 7.4 ma 0.74 V CAP ID=C4 C=4 pf 7.7 ma IND ID=L6 L=0 nh 7.7 ma 7.4 ma 7.4 ma.3 V RE ID=R5 R=300 Ohm CAP ID=C8 C=4 pf ma RE ID=R9 R=500 Ohm.38 V RE ID=R R=7000 Ohm ma. V V 0.35 ma RE ID=R8 R=5000 Ohm ma CAP ID=C0 C=0 pf VBIC ID=VB6 TEMP=_TEMP DegC MULT= ELFT=off TYPE=NPN 9.39 ma M_PROBE ID=VP ma 9.37 ma RE ID=R R=75 Ohm.64 V CAP ID=C C=4 pf.64 V CAP ID=C C=0 pf V VBIC ID=VB4 TEMP=_TEMP DegC MULT= ELFT=off TYPE=NPN VBIC ID=VB5 TEMP=_TEMP DegC MULT= ELFT=off TYPE=NPN V IND ID=L L= nh IND ID=L L= nh 3. ma V 3.6 ma 3. ma DCV ID=V V=4 V V.6 ma.6 ma RE ID=R6 R=85 Ohm V 4 V 3.6 ma 4 V 35 ma RE ID=R8 R=50 Ohm RE ID=R5 R=40 Ohm 5.9 ma.5 V.4 ma.4 ma M_PROBE ID=VP M_PROBE ID=VP4 RE ID=R3 R= Ohm RE ID=R4 R= Ohm M_PROBE ID=VP VBIC.4 ID=VB3 ma TEMP=_TEMP DegC MULT= ELFT=off TYPE=NPN V 43.8 ma V 43.8 ma 7.3 ma M_PROBE ID=VP5 VBIC ID=VB9 TEMP=_TEMP DegC VBIC VBIC VBIC VBIC MULT= VBIC ID=VB ID=VB6 ID=VB7 ID=VB8 ELFT=off ID=VB8 TEMP=_TEMP DegC TEMP=_TEMP DegC TEMP=_TEMP DegC TEMP=_TEMP DegC TYPE=NPN TEMP=_TEMP DegC MULT= MULT= MULT= MULT= MULT= ELFT=off ELFT=off ELFT=off ELFT=off ELFT=off TYPE=NPN TYPE=NPN TYPE=NPN TYPE=NPN TYPE=NPN 7.67 ma 7.67 ma 7.67 ma 7.67 ma 7.67 ma 7.67 ma 7.3 ma VBIC 7.68 ID=VB ma TEMP=_TEMP DegC MULT= ELFT=off TYPE=NPN 7.3 ma M_PROBE ID=VP7 7.3 ma M_PROBE ID=VP6 7.3 ma VBIC 7.68 ID=VB TEMP=_TEMP DegC MULT= ELFT=off TYPE=NPN 3.99 V 46 ma 4 V 46. ma UBCKT ID= NET="OutputBalun" M_PROBE ID=VP3 7.3 ma 0 V 7.3 ma 0 V PORT P= Z=50 Ohm 7.3 ma 7.3 ma 7.3 ma 7.3 ma VBIC VBIC VBIC VBIC 7.68 ID=VB ma 7.68 ID=VB ma 7.68 ID=VB3 ma 7.68 ID=VB9 ma TEMP=_TEMP DegC TEMP=_TEMP DegC TEMP=_TEMP DegC TEMP=_TEMP DegC MULT= MULT= MULT= MULT= ELFT=off ELFT=off ELFT=off ELFT=off TYPE=NPN TYPE=NPN TYPE=NPN TYPE=NPN 7.3 ma 3. Benzetimler Benzetimler AWR-DE Microwave Office ortamında gerçekleştirilmiştir. Gerçeklenen yapının şeması ve sonuçlar aşağıdaki şekillerde verilmiştir. C 4 E B 3 B 3 C 4 E B C 4 3 E B 3 C 4 E B C 4 3 E B C 4 3 E B C 4 3 E B C 4 3 E B C 4 3 E C 4 E B 3 3 B 3 E 4 3 B E 4 3 B E 4 3 B E 4 3 B E 4 3 B E 4 C C C C C C 3 C 4 E C B 3 4 E 3 B 3 E B 4 C Şekil 3. : Kuvvetlendiricinin benzetim programında modellenmesi. 30

55 DCV ID=V4 V=4 V 4 V 54.9 ma 4 V IND ID=L5 L=0 nh 4 V 7.7 ma 7.7 ma IND ID=L6 L=0 nh 4 V 0.35 ma 0.35 ma 7.7 ma VBIC ID=VB7 TEMP=_TEMP DegC MULT= ELFT=off TYPE=NPN M_PROBE 9.39 ID=VP9 ma C 4 B E 3 RE ID=R7 R=5000 Ohm.38 V CAP ID=C7 C=4 pf RE ID=R R=00 Ohm.3 V RE ID=R3 R=00 Ohm 7.7 ma.3 V CAP ID=C8 C=4 pf.38 V RE ID=R8 R=5000 Ohm 0 BmA VBIC ID=VB6 TEMP=_TEMP DegC MULT= ELFT=off TYPE=NPN 9.39 ma C 4 3 EM_PROBE ID=VP ma RE ID=R0 R=7000 Ohm RE ID=R R=7000 Ohm 9.37 ma M_PROBE ID=VP ma ma 9.37 ma RE ID=R R=75 Ohm RE ID=R4 R=300 Ohm RE ID=R5 R=300 Ohm RE ID=R R=75 Ohm ma M_PROBE ID=VP ma. V RE ID=R6 R=3000 Ohm. V VBIC ID=VB4 CAP TEMP=_TEMP DegC ID=C9 MULT= C=0 pf ELFT=off TYPE=NPN 7.4 ma C ma 4 0 BmA VBIC ID=VB5 RE TEMP=_TEMP DegC ID=R7 MULT= R=3000 Ohm ELFT=off TYPE=NPN 7.4 ma C ma 4 B CAP ID=C0 C=0 pf V 3 E E ma 7.4 ma M_PROBE 0.74 VID=VP V RE ID=R6 R=5 Ohm RE ID=R7 R=5 Ohm 7.4 ma 7.4 ma RE ID=R9 R=500 Ohm ma 7.4 ma V V 7.4 ma RE ID=R5 RE R=5 Ohm ID=R8 R=500 Ohm CAP ID=C5 C=0 pf CAP ID=C6 RE C=0 pf ID=R4 R=5 Ohm ma 0 V CAP ID=C4 C=4 pf 0 V CAP ID=C3 C=4 pf M_PROBE ID=VP V 0 V M_PROBE ID=VP UBCKT ID= NET="March" 3 PORT P= Z=50 Ohm Pwr=-0 dbm M_PROBE 0 V ID=VP Şekil 3.3 : Farksal kuvvetlendirici yapısı. 3

56 Şekil 3.4 : açılma parametreleri. Şekil 3.5 : Giriş, çıkış ve simetrik sürümlü aktif elemanların kolektör düğüm gerilimleri. 3

57 Şekil 3.6 : Çıkış gerilim salınımı. Şekil 3.7 : Frekansa göre çıkış üçümcü dereceden kesişim noktası. 33

58 Şekil 3.8 : Frekansa göre iletim kazancı, güç kazancı, elde edilebilir kazanç ve en yüksek kazanç değerleri. Şekil 3.9 : db bastırma noktası (0GHz için). 34

59 OPdB 6.6 Frekansa Gore Cikis db Bastirma Noktasi Frekans[GHz] Şekil 3.0 : Frekansa göre çıkış db bastırma noktası. 35

60 36

61 4. ONUÇLAR Yüksek dinamik aralıklı 8-GHz B ınıfı simetrik sürümlü kuvvetlendirici tasarımı başarıyla gerçeklenmiştir. Kazancı arttırmak, daha da önemlisi giriş empedans uyumunu geri besleme ile sağlamak amacıyla simetrik sürümlü yapının girişinde kaskat bağlanan farksal kuvvetlendirici devresi kullanılmıştır. Benzetim sonuçlarına göre kazanç, doğrusallık, bant genişliği isterleri oldukça iyi bir şekilde sağlanmıştır. Benzetimde elde edilen sonuçlarla tasarlanan kuvvetlendirici Çizelge 4. deki gibi tanımlanabilir. Çizelge 4. : onuçlar. Değişken Kazanç OPdB OIP3 Bant aralığı Değeri >33dB >5dBm >40dBm 8-GHz <-0dB Gelecek çalışmalarda yapının tümdevre halinde benzetimi ve tasarımı yapılabilir. Aktif eleman seçimlerinde farklı teknolojiler denenerek sonuçlar incelenebilir. Giriş ve çıkış balun yapıları hakkında araştırmalar yapılarak performansı daha yüksek bir yapı elde edilebilir. 37

62 38

63 KAYNAKLAR []IEEE. (003).5-00 (Revision of 5-984): IEEE tandard Letter Designations for Radar-Frequency Bands, //003, p0-3-3, 0p. Publisher: IEEE. []Virdee, B.., Virdee, A.. ve Banyamin, B. Y. (004). Broadband Microwave Amplifiers, Artech House, [3]Pozar, M. D. (998). Microwave Engineering, John Wiley and ons, [4]Rogers, J. ve Plett C.(00). Radio Frequency Integrated Circuit Design, John Wiley and ons,8 3. [5] Wambacq, P., ve ansen, W. (998). Distortion Analysis of Analog Integrated Circuits, Kluwer Academic Publishers, [6] Wambacq, P., Gielen G. G. E., Kinget P. R. ve ansen, W. (999). High- Frequency Distortion Analysis of Analog Integrated Circuits,Vol. 46, No. 3, March 999, pp [7] Walker, J. L. B., Myer, D. P., Raab, F. H. ve Trask C.(006).Classic Works in RF Engineering, Artech House,9-97. [8] Trifunovic, V., Jokanovic, B. (99). Four Decade Bandwidth Uniplanar Balun, Electronic Letters, Vol. 8, No. 6, March 99, pp [9] Marchand, N., (944). Transmission Line Conversion Transformers, Electronics, Vol. 7, December 944, pp [0] Fathelbab, W. M., (944). New Classes of Miniaturized Planar Marchand Baluns, Vol. 53, April 005, pp

64 40

65 EKLER EK A: Tranzistor özellikleri 4

66 EK A 4

67 43

68 44

69 ÖZGEÇMİŞ Ad oyad:hilal Hilye Canbey Doğum Yeri ve Tarihi: BALIKEİR 988 E-Posta: Lisans: İstanbul Teknik Üniversitesi-Elektronik Mühendisliği 45