Doppler radar sistemleri için  darbe üreten pın diyot alıcı-verici anahtar  devresi tasarımı, üretimi ve analizi
The design, manufacture and analysis of pin diode t/r switch as a pulse generator for doppler radar systems
Yazar: AHMET YAMAN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ERSİN GÖSE ; YRD. DOÇ. DR. AHMET ÖNCÜ
Hava Harp Okulu Komutanlığı / Havacılık ve Uzay Teknolojileri Enstitüsü / Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Haberleşme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, doppler radar sistemlerinde kullanılmak üzere darbe üretimi yapan PIN diyot alıcı-verici anahtar devresi tasarımı anlatılmaktadır. Darbe doppler radarları belli zaman aralıklarında darbeler üreterek çalışırlar. Fakat bu çalışmada klasik anlamda bir darbe üreteci tasarlanmamıştır. PIN diyot alıcı-verici anahtar, istenen zaman aralıklarında alıcı ve verici modunda çalışmaktadır. Verici portundan anahtara devamlı olarak RF güç verilmekte ve bu güç anahtarın anten portundan antene gönderilerek istenen darbe üretimi yapılmaktadır. 
PIN diyot alıcı-verici anahtar topolojisi, düşük maliyetli, küçük yapıda ve hızlı anahtarlama yapabildiği için tasarım konfigürasyonu olarak seçilmiştir. PIN diyot alıcı-verici anahtar, her biri anten portuna bağlı olan iki özdeş bölümden oluşmaktadır. Alıcı bölümündeki PIN diyot ileri besleme yapıldığında, üzerinde düşük direnç oluşturmakta bu nedenle alıcı portu ile anten portu arasında izolasyon sağlamaktadır. Aynı anda verici bölümündeki PIN diyota da ters besleme uygulanır. Bu diyotun üzerinde de yüksek empedans oluşur ve sinyal toprak hattına geçmez. Böylece verici portu ile anten portu arasında sinyal hattı oluşmuş olur. Bu çalışma durumu anahtarın verici modu için geçerlidir. Alıcı modu için ise besleme gerilimleri ters şekilde uygulanır. Anten, alıcı ve verici portlarına, DC kaçak olmasını engellemek için DC bloklama kondansatörleri yerleştirilmiştir.
Bu çalışmada kullanılan PIN diyot alıcı-verici anahtar, yüksek izolasyon elde etmek için her biri bir paralel PIN diyot ile sonlandırılmış dört adet çeyrek dalga dönüştürücü hattan oluşmaktadır. Anahtardaki PIN diyotlar ?/2 uzunluktaki iletim hatları ile toprağa bağlanmıştır. Böylece empedans uyumsuzluğundan kaynaklı kayıplarının minimuma indirilmesi sağlanmıştır. Seçilen PIN diyot anahtar tasarımının Advanced Design System (ADS) mikro dalga benzetim programında simülasyonu yapılmıştır. Anahtar simülasyonu sonucunda iletim hattı yol kaybı 1,27dB, kapalı olan port ile iletim hattı arasındaki izolasyon 53,1dB ve iletim hattı geri dönüş kaybı da 15,6dB olarak elde edilmiştir.
Prototip radar sisteminin parametreleri belirlendikten sonra darbe üreteci devresinin simülasyonu LTspice IV programında yapılmıştır. Darbe üreteci tasarımında temel olarak dört farklı blok kullanılmıştır. Bu bloklar seviye yükselteci, geciktirici bölüm, köşe toplayıcı bölüm ve sürücü bölümleridir. Bu devrenin giriş sinyali, 5V genlikli çıkış sinyali veren Arduino Uno mikroişlemci devre kartından sağlanmıştır. Darbe üreteci tasarımı sonucunda, anahtar için alıcı ve verici port besleme gerilimleri başarılı olarak elde edilmiştir. Anahtar verici modunda 160ns ve alıcı modunda da 66,6?s çalışacak şekilde darbe üreteci çıkış gerilimleri tasarlanmıştır.
PIN diyot anahtarın çalışması için ters besleme gerekmektedir. Bu ters besleme elde etmekteki zorluktan dolayı yeni bir teknik olarak toprak 6V?a yükseltilmiştir. Bu amaç için 12V-6V dönüştürücü tasarımı yapılmıştır. Dönüştürücü tasarımında LM2902 işlemsel kuvvetlendirici, BS170 N-kanal mosfet kullanılmıştır. Anahtarın toprağı 6V?a yükseltildiği için darbe üreteci toprağı ile anahtar toprağı arasına ve anahtar portları ile yine anahtar toprağı arasına DC bloklama kondansatörleri yerleştirilmiştir.
PIN diyot alıcı-verici anahtar FR4 plaka kullanılarak üretilmiştir. Avago Teknolojileri?nin HSMP-3894 PIN diyotu anahtarlama elemanı olarak kullanılmış ve üretilen devrenin ölçümleri Rhode&Schwarz ZVA 40 network analizörde yapılmıştır. Ölçüm sonuçlarında 2,1dB yol kaybı, 42,4dB izolasyon ve 17,8dB geri dönüş kaybı elde edilmiştir. Devreye 15dBm güç verilerek darbe üretim performansı ölçülmüş ve sonuçları osiloskoptan gözlemlenmiştir. Anahtar verici modunda çalıştığında 160nS genişliğindeki darbeleri planlandığı gibi üretmiştir.
Sonuç olarak bu çalışmada, 1,22-1,26GHz frekans aralığında darbe üreteci olarak kullanılan PIN diyot alıcı-verici anahtarın tasarımı, üretimi ve analizi başarılı olarak yapılmıştır.

Abstract:
This thesis describes the design, analysis and measured performance of PIN diode Single-Pole Double-Throw (SPDT) Switch and its feeding circuit. The SPDT switch is done for doppler radar systems which are intended to be used for security applications. Pulse doppler radars work by generating pulses between the selected time intervals. But, this radar system doesn?t use a signal generator in the classical sense. Actually, the PIN diode SPDT switch allows the production of pulses by deciding operation of the receiver or transmitter mode. 
When solid state switches are examined, PIN diode switch topologies appear ideal for some properties such as high reliability, high voltage capability, high current capability, low distortion, high power gain, fast switching speed, small physical size etc. Therefore a low cost, compact SPDT Switch with discrete packaged PIN diodes is intended to design for the doppler radar systems. 
In general, the shunt PIN diode SPDT switch includes two identical sections that are linked to each other at the RF arm which is called ?Antenna?. The switch functions two separate sections as receive arm and transmit arm. When the diode in the receive arm is forward-biased, it produces low impedance and this causes isolation between antenna and receive arm. At the same time, the diode in the transmit arm is reverse-biased and produces high impedance and this causes low insertion loss between antenna and transmit arm. The other state is the opposite of the first state. The diode in the receive arm is reverse-biased and non-conducting in the second state. Similarly, the diode in the transmit arm is forward-biased and conducting in the second state. Internal DC blocking capacitors are used in series with receive, antenna and transmit ports.
In this thesis, the shunt-shunt SPDT switch topology, using two shunt PIN diodes and two quarter wave transformers at each arm, is chosen for the radar system . This switch also includes a bias network as pulse generator. Using an additional quarter wave transformer allows high isolation and very low insertion loss between Tx and Rx arms. A forward bias current produces low impedance in shunt the transmission line and this low impedance is converted to high impedance at the antenna port by the quarter wave transformer. Thus, these ?\4 lines create high isolation states at each arm. As a new technique in this thesis, ?\2 transmission lines are attached to each PIN diode before the ground. These lises assist to minimize mismatch losses.
The shunt SPDT switch topology has some advantages such as simplicity of circuit and low insertion loss. But, isolation performance of the topology is not enough to achieve isolation around 40dB. So, additional diodes and ?\4 lines are added at each stage. Although, this topology has limited bandwidth owing to ?\4 lines, it?s isolation performance is sufficient for the sensitive radar systems.
Then, The PIN diode SPDT switch has been simulated in Advanced Design System (ADS) software. On account of the difficulties producing a reverse voltage for the PIN diode switch, it?s decided to increase the ground level to 6V. For this reason, 12V to 6V bias converter circuit is designed for the switch ground. 
After determining pulse width (?) as 160nS, switch bias circuit is simulated at LTspice IV Software. Mosfet transistors, used in inverter blocks, are simulated for LTspice IV Software. Input signal is provided from Arduino Uno which is a microcontroller board that supplies 5V output. Since it can?t provide the required pulse width which is 160nS, Arduino Uno isn?t connected directly to the switch. Because Arduino can provide 0-5V on-off signal, level shifter is added as first part of the pulse generator in order to amplify the voltage to 12V. Then, a delay buffer which has a series 10? smd resistor and a shunt 10nF smd capacitor between the two inverter stages is established. A corner collecting buffer and transmitter driver which has inverter blocks are added for the transmit port output. On the other hand, another delay buffer is produced at receive stage in order to separate Tx and Rx operating times. Then, a receiver driver and a reference output stage are produced.
The PIN diode SPDT switch is fabricated on FR4 substrate with a dielectric constant of 4.4, the substrate thickness of 1.6mm, the conductor thickness of 0.035mm, and the dielectric loss tangent tan ? of 0.019. The microstrip line width is used as 3,05mm for the characteristic impedance of 50?. The PIN diodes from Avago Technologies, HSMP-3894, are used for switching control. The measurement of the prototype is done by Rhode&Schwarz ZVA 40 Network Analyzer for its isolation and insertion loss performance. The simulated insertion loss is around 1.2 dB and the simulated isolation is higher than 50 dB for the 1.22-1.26 GHz frequency range. The switch prototype results are 2.1 dB insertion loss, and 42.4 dB isolation for the 1.22-1.26 GHz frequency range. The switch operating frequency is slightly decreased owing to positioning errors of the ?\4 transmission lines. However, a modification can be made to change the center frequency. Also, SMA connectors and soldering losses are caused difference between the simulation and the prototype. In order to measure switching performance of the switch and pulse generator, the prototype is tested with power generator which provides consistently 15dBm power. The current consumption of the circuit is 170mA. The design of the switch and pulse generator are achieved successfully. When switch is in transmit mode, a 170nS pulse is generated. Next, 160nS delay is achieved approximately for the receive mode. With this technique, the PIN diode SPDT switch can be used as a pulse generator for the 1.22-1.26 GHz frequency range.