Çift band wimax adaptif güç yükselteci tasarımı
Dual band wimax adaptive power amplifier design
Yazar: BİLGE ŞENEL
Danışman: DOÇ. DR. MESUD KAHRİMAN
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu tez çalışmasında, çift band, WiMAX, adaptif Güç Yükselteç (GY) sistem tasarımı yapılmıştır. Sistem; GY, mikrodenetleyicili DC besleme ünitesi, güç dedektörü ve yönsel kuplörlerden oluşmaktadır. Mikrodenetleyici ile GY'ye adaptiflik özelliği kazandırılmıştır. Çalışmada tasarlanan sistem ile GY Giriş Gücü (Pgiriş) ve Çıkış Gücü (Pçıkış) seviyeleri anlık olarak okunmakta, değişen RF güç seviyelerine göre DC gerilim (VDC) üretilmektedir. Çalışmada, WiMAX frekans bandında yer alan 3.5 GHz ve 5.8 GHz frekansları tercih edilmiştir. 50 MHz-6 GHz frekans aralığında çalışan, geniş bant, 20 dBm'e kadar Pçıkış üretebilen SBB5089Z GY modülü kullanılmıştır. 
Çalışmadaki ölçümler dört ana kısma ayrılmıştır. İlk olarak değişen frekansa ve VDC'ye göre S parametreleri (S21, S11, S22, S12) ölçülmüştür. Daha sonra f-VDC'ye karşılık S21, S11, S22, S12 sonuçları grafiksel olarak analiz edilmiştir. İkinci bölümdeki ölçümlerde ise, GY girişine gelmesi muhtemel Pgiriş ve VDC'ye göre SBB5089Z, Pçıkış ve akım değerleri ölçülmüştür. Ölçülen bu iki parametreden, GY Kazanç (G), verim ve DC Güç Tüketimi (PDC) hesaplanmıştır. Daha sonra Pgiriş-VDC'ye karşılık Pçıkış, G, GEV ve PDC grafikleri çizdirilip, sonuçlar incelenmiştir. Bu bölümdeki ölçümlerde, literatürdeki çalışmaları destekler nitelikte, GY performans parametrelerinin, RF Pgiriş ve VDC'ye göre değiştiği gözlenmiştir. Bu değişimler neticesinde elde edilen bilgiler ile adaptif DC beslemeli GY bloğu tasarımı için izlenecek yöntem belirlenmiştir. Üçüncü kısımdaki ölçümleri, GY'nin P1dB noktası tayinine yönelik sabit VDC için, Pçıkış ölçümleri teşkil etmektedir. P1dB tayini haricinde, GY akımı da ölçülmüş, verim hesaplanmıştır. Sabit VDC için, Pgiriş'e karşılık Pçıkış ve akım bilgilerinden GY, G, PDC ve GEV çizdirilmiştir. İlk üç bölümden elde edilen ölçüm verilerine göre, adaptif besleme bloğu tasarımı tamamlanmıştır. Son bölümdeki ölçümleri ise GY'ye adaptiflik özelliği kazandırıldıktan sonraki, Pçıkış ve akım ölçümleri teşkil etmektedir. Bu bölümde ölçülen Pçıkış ve akım bilgilerine göre adaptif besleme kontrol üniteli GY'nin, G, PDC ve GEV grafikleri çizdirilmiştir. Sabit ve adaptif besleme durumlarındaki GY performans parametreleri karşılaştırılmıştır. 
Adaptif sistem tasarımı, donanımsal sistem tasarımı ve yazılımsal sistem tasarımı olarak iki kısma ayrılmıştır. Yönsel kuplör, güç dedektörü, R/2R Sayısal Analog Dönüştürücü (SAD) ve Gerilim İzleyici Devreleri (GİD'ler), adaptif DC besleme bloğu, donanımsal ekipmanlarını oluşturmaktadır. Sisteme adaptiflik özelliği kazandıran yazılım ise mikrodenetleyici ile geliştirilmiştir. Çalışmada, birisi 5 dB diğeri 10 dB olmak üzere GY için iki farklı kazanç değeri seçilmiştir. GY girişine gelmesi muhtemel RF Pgiriş değerleri için GY'nin kazancını sabit 5 dB veya 10 dB'de tutan VDC gerilimleri, mikrodenetleyicili adaptif DC besleme bloğu ile üretilmiştir. Kazancın, değişen Pgiriş değerlerinde sabit tutulmasındaki amaç, sabit besleme ile oluşan GY kazanç bozulmasını kompanze etmek ve GY P1dB noktasını ötelemektir. Sistemde kazanç kontrolü ile beraber verim kontrolü de yapılmakta ve GEV'in belirlenen aralıklarında değer alması sağlanmaktadır. 
Özetle çalışmada tamamlanan adaptif  DC besleme kontrol ünitesi ile SBB5089Z GY modülünün kazanç bozulması kompanze edilerek doğrusallık performansı artırılmıştır. Artan doğrusallık davranışı ile GY veriminden taviz verilmemiş, bazı Pgiriş değerlerinde, doğrusal davranışı ile verimin de arttığı gözlenmiştir. Çalışmada tamamlanan adaptif sistemin diğer bir önemli avantajı, GY güç tüketimini büyük ölçüde azaltmasıdır. Adaptif sistem ile GY güç tüketimi %95 oranında azalmıştır. 

Anahtar Kelimeler: Adaptif Güç Yükselteci, DC Besleme Kontrol Bloğu, Mikrodenetleyici, WiMAX, Kazanç Kompanzasyonu, Verim, DC Güç Tüketimi

Abstract:
In this thesis study, dual band, WiMAX, adaptive Power Amplifier (PA) system design has been worked. System consists of PA, DC power supply with microcontroller, power detector, and directional coupler. Adaptivity feature is added to PA with microcontroller. With the system, designed in this study, PA Input Power (Pin) and Output Power (Pout) levels are read instantaneously and DC voltage (VDC) is produced according to change in RF power levels. In this study, 3.5 GHz and 5.8 GHz frequencies are preferred which are in the WiMAX frequency band. SBB5089Z PA module is used which works between 50 MHz-6 GHz frequency band, wide band and produces Pout up to 20 dBm.
Measurements in the study have been sectioned as four main. First, with changing VDC and frequency, S parameters (S21, S11, S22, S12) are measured. Then, S21, S11, S22, S12 results are analyzed graphically with respect to f-VDC. In the second section measurements, With respect to most probable Pin and VDC, SBB5089Z, Pout and current values are measured. With these two measurements, PA G, efficiency and PDC are calculated. Then, Pin-VDC versus Pout, G, PAE and PDC graphics are produced and results are analyzed. In the measurements of this section, it is observed that PA performance parameters change with RF Pin and VDC as to put literature works in a good word. With the result information of these changes, the method to build an PA block with adaptive DC biasing circuit design is determined. Third section measurements consist of Pout measurements for constant VDC to determine P1dB point of the PA. Other than P1dB point determination, PA current is also measured and efficiency is calculated. For constant VDC, from Pin versus Pout current values, PA, G, PDC and PAE are graphed. With the information deduced from measurements of the first three sections, adaptive biasing block design is completed. Last part measurements are Pout and current measurements after PA is designed to be adaptive. With the Pout and current values measured in this section, G, PDC and PAE graphs of the adaptive supply biasing unit PA are done. PA performance parameters are compared for constant and adaptive biasing conditions.
Adaptive system design is separated into two as hardware system design and software system design. Directional coupler, power detector, R/2R Digital Analog Converter (DAC), and Voltage Follower Circuits (VMC), adaptive DC biasing block are the hardware equipment. The software to make the system adaptive is developed with microcontroller. In this study, two different gain values ad 5 dB and 10 dB are chosen for PA. For the most probable RF Pin values to PA input, VDC voltages to keep PA gain constant as 5dB or 10 dB are produced by adaptive DC biasing block with microcontroller. The reason to keep gain constant for the changing Pin values is to compensate PA gain disturbance which is created by constant input and set the PA P1dB point back. Addition to gain control, efficiency control is done in the system and it is ensured that PAE is getting values between determined range.
All in all, with the adaptive DC biasing control unit which is completed in this study, gain deviation of the SBB5089Z PA module is compensated and linearity performance is increased. With the increasing linearity behavior, any concessions to PA efficiency is not made, it is observed that for specific Pin values, both linearity behavior and efficiency are increased. Another important advantage of the adaptive system which is completed in this study is reducing the power consumption on a large scale. Power consumption is reduced %95 with adaptive system.
 
Keywords: Adaptive Power Amplifier, DC Biasing Control Block, Microcontroller, WiMAX, Gain Compensation, Efficiency, DC Power Consumption