Kablosuz haberleşme uygulamaları için j sınıfı güç kuvvetlendiricisi tasarımı
Design of j class power amplifier for wireless communication applications
Yazar: ENGİN ÇAĞDAŞ
Danışman: DOÇ. DR. METİN YAZGI ; DOÇ. DR. OĞUZHAN KIZILBEY
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Mikrodalga yükselteç = Microwave amplifier

Özet:
Bilim insanları modern kablosuz haberleşme sistemleri üzerinde, kompleks modülasyon tekniklerini kullanarak maksimum spektral verim elde etme üzerinde sürekli çalışmaktadır. Bu tür sistemler, en az faz ve genlik bozulması ile sinyali göndermek için çok yüksek doğrusallıkta çalışan güç kuvvetlendiricilerine ihtiyaç duyarlar. Bununla beraber, güç kuvvetlendiricileri, DC güç tüketimini azaltmak ve böylece pil ömrünü uzatmak ve aynı zamanda soğutma için ısı yayılım gereksinimlerini karşılamak için yüksek güç verimi sunabilmelidir. Yazılım tanımlı radyolar ve bilişsel radyolar gibi çok kanallı haberleşme sistemleri, WiMAX ve LTE gibi çoklu standartları ve çoklu frekans bantlarını kullanma eğilimindedir. Bu sistemlerin tasarımı tek bir donanım platformu üzerinde gerçeklenmek istenmektedir. Bu platformlar, bu tür sistemlerin içinde çoklu kuvvetlendiricilere olan ihtiyacı azaltacak, böylece geliştirme maliyetlerini ve uygulama döngüsünü hızlandıracak genişbant güç kuvvetlendiricilerine ihtiyaç duyar. 
Kablosuz haberleşme sistemleri için güç kuvvetlendirici tasarımında yakın zamana kadar, çok dar spektrum tahsislerine bağlı olarak, belirli düşük RF bant genişliklerine odaklanılmıştır. WiMax, 4G gibi sistemler de dahil olmak üzere gelecek  sistemlerde, sadece daha geniş frekans spektrumu ayrılma ihtiyacı nedeniyle değil, aynı zamanda 100 MHz ve ötesinde temel bant genişliğine sahip sinyallerle çalışma ihtiyacından dolayı daha büyük bant genişlikleri gerekecektir. Bugüne kadar, radar gibi diğer RF güç kuvvetlendirici uygulamaları, yüksek RF bant genişliği gereksinimlerinden dolayı, güç ve verim üzerinde yapılan çalışmalardaki ilerlemelerden fazla yararlanamamıştır. Tipik olarak %75 verimin üzerinde çalışan çok yüksek verimli güç kuvvetlendiricileri ile ilgili elde edilen sonuçlar, hassas çoklu harmonik empedans sonlandırmalarını ve aynı zamanda çok yüksek kazanç-bastırma seviyelerini işaret etmektedir. Bu faktörler, sırasıyla dar bant frekans performans sınırlaması ve doğrusal olmayan çalışmaya yol açar. Sonuç olarak, yüksek doğrusallık, verim ve geniş bant genişliği, modern haberleşme sistemlerinde günümüz RF ve mikrodalga güç kuvvetlendiricilerinin sağlamasını istediği temel üç faktördür.
Mevcut RF transistör teknolojileri arasında galyum nitrit (GaN) yarı iletken tabanlı güç transistörleri, modern güç kuvvetlendirici uygulamaları için, GaAs ve Si gibi mevcut diğer teknolojilere kıyasla daha yüksek çıkış gücü ve verim sağlayabildiğinden üstün bir yarı iletken teknolojidir. Yukarıda bahsi geçen hususlar dikkate alındığında, bu tezde yapılan tasarımda tek bir transistörle yüksek verim ve çıkış gücü elde etmek için GaN transistör seçilmiştir.
Bugüne kadar, yüksek verimli güç kuvvetlendirici çalışmaları için bir çok topoloji önerilmiştir. Bu topolojiler arasında, F sınıfı çalışmada çıkışında, dikdörtgen bir gerilim dalga şekli oluşturmak için tek dereceli harmonik empedansları kontrol ederek iyi bir verim elde edilir. Bununla birlikte, uygun üçüncü dereceli harmonik gerilim elde etmek için, çıkış kondansatörü (Cout) doğru bir şekilde ayarlanmalıdır. Ayrıca, bazı durumlarda kapasite ve çalışma frekansına bağlı olarak, kapasitenin empedansı, üçüncü harmonik frekans için kısa devre olabilir. Yüksek verim elde edilen diğer bir çalışma olan E sınıfında, transistör ideale yakın bir anahtar gibi davranarak yüksek verim sağlanır. Ancak, güç transistörünün gerçek ideal anahtarlama operasyonu, çalışma frekansına ve güç transistörünün yapısal özelliklerine bağlı olarak değişiklik gösterebilir. Bu yüzden, anahtarlama süresindeki geçiş süresi kaynaklı akım ve gerilim dalgalarındaki örtüşmeden dolayı verim düşer. Bu sınırlamalar, E sınıfının verimini yüksek frekanslarda bozar. Sonuçta, F ve E sınıfı çalışmada % 70'in üzerinde verim elde edilmesine rağmen, bu güç kuvvetlendirilerinin performansı, sınırlı bant genişliğinde çalışmaya zorlayan çok özel empedans değerlerinde çalışmaya bağlıdır. Bu yüzden, F ve E sınıfının doğrusal çalışması oldukça zayıftır. 
Klasik güç kuvvetlendiricilerinin, geniş bir bant aralığında yüksek verim ve doğrusal davranış sergileme talebi bir  ödünleşim doğurur. Son birkaç yıldır üzerinde çalışılan J sınıfı güç kuvvetlendiricileri ile bu sorun çözülmeye çalışılmaktadır. Bu yeni yaklaşım olan J sınıfı ile, AB sınıfı çalışmanın aynı verim ve doğrusal davranışını gösteren ve AB sınıfından farklı olarak bandı sınırlayan harmonik kısa devre gerektirmeyen  RF güç kuvvetlendiricisi tasarımının teorik tarafı gösterilmiştir. J sınıfı çalışmada, ikinci harmonik sonlandırmayı tamamen reaktif rejime dönüştürmek için çıkış akımı ve gerilim dalga şekilleri arasındaki faz kaymasından yararlanılır. Bu sayede, GaN (HEMT) güç transistörleri kullanılarak tasarlanan J sınıfı ile bant genişliği-verim performansına önemli ölçüde katkı sağlanır. 
Uygun şekilde temel ve ikinci harmonik empedanslar ile sonlandırılmış doğrusal J sınıfı güç kuvvetlendiricisi, tek bir güç kuvvetlendiricisi tasarımında doğrusallık, verim ve bant genişliği gereksinimleri için ümit verici bir çözüm sunmuştur. Bir GaN transistörün ve J sınıfı çalışmanın avantajlarını birleştiren ve paketlenmiş bir transistördeki dış parazitik elemanların etkisini de göz önüne alarak geniş bant bir J sınıfı güç kuvvetlendiricisi tasarımı, bu çalışmanın odak noktasıdır.

Abstract:
Scientist are currently working on modern wireless communication systems to achieve maximum spectral efficiency using complex modulation techniques. Such systems require very high linearity power amplifiers to deliver the signal with minimal phase and amplitude distortion. In addition, the power amplifiers must be able to provide high power output to reduce DC power consumption, thereby extending the battery life and at the same time meeting heat dissipation requirements for cooling. In addition, multichannel communication systems such as software defined radios and cognitive radios tend to use multiple standards and multiple frequency bands such as WiMAX and LTE. The design of these systems is desired to be realized on a single hardware platform. These platforms require broadband power amplifiers that will reduce the need for multiple amplifiers within such systems, thereby speeding up development costs and implementation cycle.
Until recently, in the power amplifier design for wireless communication systems, it focused on certain low RF bandwidths due to very narrow spectrum allocations. Future emerging technologies like WiMax and 4G, will require larger bandwidths not only because of the need for greater frequency spectrum allocation, but also because of the need to work with signals with baseband bandwidths of 100 MHz and beyond. Until now, other RF power amplifier applications, such as radar, have not benefited more from the work on power and efficiency due to the high RF bandwidth requirements. The results for very high efficiency power amplifiers, typically operating at over 75% efficiency, indicate sensitive multi-harmonic impedance terminations and very high gain-suppression levels at the same time. These factors give rise to narrowband frequency performance limitation and nonlinear operation, respectively. As a result, high linearity, efficiency and wide bandwidth are the main important three factors for RF and microwave power amplifiers used in modern communication systems.
Among current RF transistor technologies, gallium nitride (GaN) semiconductor power transistors are superior semiconductor technologies for modern power amplifier applications because they can provide higher output power and efficiency than other existing technologies such as GaAs and Si. Given the above considerations, in this dissertation design, a GaN transistor was chosen to achieve high efficiency and output power with a single transistor.
Until now, many topologies have been proposed for high efficiency power amplifier operations. Among these topologies, a good efficiency is obtained by controlling single-degree harmonic impedances in order to generate a rectangular voltage waveform at the output of the class F operation. However, to obtain the appropriate third order harmonic voltage, the output capacitor (Cout) must be set properly. Also, depending on the capacitance and operating frequency in some cases, the impedance of the capacitor may be shorted to the third harmonic frequency. In another class of high-efficiency operation E, high efficiency is achieved by acting as a ideal switch  of the transistor. Neverthless, the actual ideal switching operation of the power transistor may vary depending on the operating frequency and the structural characteristics of the power transistor. Therefore, the efficiency drops due to the overlapping current and voltage swingings caused by the transition period during switching. These limitations diminish the efficiency of class E at high frequencies. As a result, despite the fact that over 70% efficiency is achieved in the F and E class operation, the performance of these power amplifiers depends on at very specific impedance values which forces them to operate at limited bandwidth. Therefore, the linear operation of class F and E is very weak.
A demanding for exhibiting high efficiency and linear behavior in a wide bandwidth causes trade off in classical power amplifiers design. This problem have been tried to solve with J class power amplifiers that have been working on for the last few years.  With this new approach, the J class, the theoretical side of the RF power amplifier design, which does not require a harmonic short circuit that exhibits the same efficiency and linear behavior of the AB class work, is shown. In the class J study, the phase shift between the output current and voltage waveforms is utilized to transform the second harmonic termination into a fully reactive regime. By this means, a significant contribution is made to the bandwidth-efficiency performance of the J-class designed using GaN (HEMT) power transistors.
The linear J-class power amplifier, terminated with appropriate fundemental and second harmonic impedances, offers a promising solution for linearity, efficiency and bandwidth requirements in a single power amplifier design. A broadband J-class power amplifier design incorporating the advantages of a GaN transistor and J-class operation and taking into account the effect of external parasitic elements in a packed transistor is the focal point of this dissertation.