Küçük uydular için X bant GaN SiC-HEMT F sınıfı yüksek verimli güç kuvvetlendiricisi tasarımı ve RF güç fetleri için faz ile genlik duyarlığı analizi
X-band high efficiency class-F GaN SiC-HEMT high power amplifier design for small satellites and amplitude&phase sensitivity analysis for RF power fets
Yazar: OSMAN CEYLAN
Danışman: PROF. DR. SELÇUK PAKER ; ÖĞR. GÖR. HASAN BÜLENT YAĞCI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Haberleşme uyduları =

Özet:
Uzay yarışının başlamasıyla birlikte insan yapımı uydular üzerinde yapılan çalışmalar, gelişen teknolojinin bütün imkanlarından faydalanarak daha da artan bir hızla devam etmektedir. Disiplinler arası çalışmanın en güzel örneklerinden birisi olan uydularda, haberleşme sistemleri önemli bir yere sahiptir. Uydulardan veri alınması, bir uydunun çalışmaya devam ettiğinin en önemli kanıtıdır. Uyduların dünya ile tek bağının telsiz iletişim sistemi olması, uydu haberleşme sistemini uydunun en önemli elemanlarından birisi yapmaktadır.
Günümüzde uydu teknolojileriyle ilgili çalışmalar küçük uydular sayesinde daha küçük bütçeler ile yapılabilir hale gelmiştir. Küçük uyduların düşük fırlatma maliyeti ve kısa sürede tasarlanabiliyor oluşu, küçük uyduların üniversitelerde tasarlanabilir seviyeye gelmesini sağlamıştır. Gelişen elektronik, makina ve malzeme bilimleri sayesinde küçük uyduların yetenekleri de artmış, bu sayede uzayla ilgili birçok bilimsel çalışma da küçük uydular ile yapılabilir hale gelmiştir. Bilimsel araştırmalara ek olarak firmaların tasarladığı cihazlar da düşük maliyetlerinden dolayı küçük uydular ile denenmeye başlamıştır.
Küçük uydular maliyet, tasarım ve fırlatmada kolaylık sağlasa da iki önemli sorunu da beraberinde getirmektedir: Yüksek hızda hareket etmeleri sonucu dar bir iletişim penceresine sahip olmaları ve kısıtlı yüzey alanı sebebiyle enerji üretiminin de sınırlı olması.
Küçük uydular, alçak yörünge olarak adlandırılan 400-2000 km aralığında yörüngeye oturtulmaktadır. Dünyaya yakın şekilde konumlandırıldıkları için dünya etrafında dönüş hızları da çok yüksek olmaktadır. Dünyaya olan uzaklığına bağlı olarak yaklaşık 7,5 km/saniye hızlarla hareket eden küçük uyduların ufuktan görünmeye başlamasıyla birlikte uydudan veri alınmaya başlanmaktadır. Ancak çok hızlı hareket etmelerinden dolayı veri aktarım süresi kısa olmaktadır. Birkaç dakikalık bu süre içerisinde iletişim hızından dolayı iletilmesi gereken verinin tamamını aktarmak mümkün olamayabilmektedir. Dar iletişim penceresi sebebiyle daha kısa sürede daha yüksek hızda veri gönderilmesi ihtiyacı doğmaktadır.
Yüksek veri hızlarına erişebilmenin bir yolu bant genişliğinin arttırılmasıdır. Artan bant genişliği, daha yüksek frekanslı bir taşıyıcı işaret kullanımı ihtiyacını beraberinde getirmektedir. İletişim hızını arttırmanın bir diğer yolu da modülasyon türünü değiştirerek daha fazla sembol iletimi sağlayacak yapıların tercih edilmesidir. Ancak modülasyonun daha karmaşık hale getirilmesi elektronik devrelerin de buna uygun tasarlanmasını zorunlu hale getirmektedir. Özellikle çıkışta bulunun yüksek güçlü kuvvetlendiricilerin doğrusal olması gibi önemli ihtiyaçlar, tasarımcı açısından önemli kısıtlar getirmektedir.
Küçük uyduların hacmi küçük olduğu için uydunun yüzey alanı da küçük olmaktadır. Bu nedenle uyduya yerleştirilebilecek güneş paneli sayısı da sınırlanmakta, daha az enerji üretimine sebep olmaktadır. Bu kısıt da daha verimli ve daha küçük boyutlu devreleri tercih edilir hale getirmektedir.
Bu tez çalışmasında, küçük uydularda kullanılabilecek X bantta çalışan bir yüksek güçlü kuvvetlendirici tasarımı sunulmuştur. Tasarlanan kuvvetlendiricinin veriminin yüksek olmasına, boyutunun küçük olmasına ve uzay ortamına dayanıklı malzemelerden üretilmesine özellikle odaklanılmıştır.
Yüksek güçlü ve yüksek frekanslı kuvvetlendiriciler HEMT yapılı devre elemanlarıyla gerçeklenebilir durumdadır. GaN SiC-HEMT aktif elemanı diğer RF güç transistörlerine göre daha yüksek sıcaklıkta çalışabilmektedir. Ek olarak daha yüksek gerilimde çalışabildiği için daha yüksek güç sağlayabilmektedir ve empedansı da yüksek olduğu için tasarım açısından kolaylık sağlamasından dolayı bu tez çalışmasında tercih edilmiştir. SiC üzerine yapılan GaN alan etkili transistörlerin bu üstünlükleri, GaN transistörleri uzay uygulamalarında da daha çok tercih edilir hale gelmesini sağlamıştır.
Harmoniklerin uygun sonlandırımıyla güç kuvvetlendiricilerinde verimin arttırılabildiği bilinen bir gerçektir. Bu tez çalışmasında, AB sınıfı kutuplama sayesinde yüksek kazanç sağlaması, gerilim/akım şekillendirme tekniği sayesinde daha yüksek çıkış gücü sağlaması ve devre karmaşıklığının az oluşundan dolayı F sınıfı kuvvetlendirici yapısı tercih edilmiştir. Yapılan analiz ve benzetimlerde ilk 3 harmoniğin uygun sonlandırılmasının devreden beklenilen verimi sağlayacağı görülmüştür. Çıkış katında 2. harmonik kısa devre, 3. harmonik de açık devre olarak sonlandırılmıştır. Giriş katında ise 2. ve 3. harmonikler kısa devre olarak sonlandırılmıştır.
Devre tasarımında olabildiğince az sayıda ayrık devre elemanı kullanılmasına dikkat edilmiştir. Bu sayede devre elemanlarından kaynaklı sapmaların azaltılması hedeflenmiştir. Devrede uzay şartlarına dayanıklı SMA dişi tip konnektörler kullanılmıştır.
Tasarım ilk olarak transistörün doğrusal olmayan modelinin kullanılan bilgisayar destekli yazılım aracına uygun şekilde yüklenmesi ile başlamıştır. Yüklenen transistör modelinin uygun şekilde çalıştığı doğrulandıktan sonra tasarıma başlanmıştır. Tasarımın ilk aşamasında giriş ve çıkış katındaki harmonik sonlandırıcı devreler tasarlanmıştır. Daha sonra yükle-çek (load-pull) analizi yapılarak giriş ve çıkış empedansı belirlenmiştir. Bu empedans değerlerini sağlayacak empedans uydurucu devrelerin de tasarlanmasıyla devre tasarımı tamamlanmıştır. Devrede ağırlıklı olarak mikroşerit devre elemanı kullanıldığı için ve devre boyutu da küçük olduğu için mikroşerit hatların birbirleriyle olan etkileşimlerini ve süreksizlik etkilerini daha doğru analiz edebilmek için elektromanyetik benzetimler de yapılmıştır. Devrede gerekli düzeltmeler ve ince ayarlar yapılarak devrenin istenilen elektriksel özellikleri sağlamasının ardından devrenin üretim aşamasına gelinmiştir. Serimi hazırlanan devrede taban üzerindeki bakır hatlar altın ile kaplanmıştır. Giriş ve çıkış katı olarak 2 ayrı parça halinde üretim yapılmıştır. Giriş ve çıkış devre kartları, kullanılan taban esnek olduğu için fiziksel şekil bozulmasını önlemek için pirinçten yapılmış taşıyıcı panellere sabitlenmiştir. Bu taşıyıcı metaller ve transistör de pirinçten yapılmış ekranlama işlevi görecek olan bir metal kutuya yerleştirilmiştir.
Montaj işlemlerinin tamamlanmasının ardından ilk olarak kararlılıkla ilgili analizler yapılmıştır. Farklı kutuplama değerleri altında osilasyon olup olmadığı incelenmiştir. Akım-gerilim eğrileri çıkartılarak transistörün doğru akım altındaki davranışı incelenmiştir. Devrede kararlılık ve doğru akım açısından bir sorun olmadığı görüldükten sonra devrenin küçük işaret altındaki davranışı incelenmiştir. Kazanç ve yansıma değerleri incelenmiş, benzetimler ile karşılaştırılmıştır. Benzetimler ile büyük fark olmadığı görüldükten sonra güç kazancı, çıkış gücü ve verim ölçümüne geçilmiştir. 
Devre üzerinde yapılan ince ayardan sonra ölçülen en yüksek güç eklenmiş verim (PAE) 8.1GHz'de 27dBm giriş gücü ile % 52.1 olmuştur. Aynı frekans ve giriş gücünde çıkış gücü 36.6dBm (~4.5W) olarak ölçülmüştür. %50 ve üzeri verim için bant genişliği yaklaşık 300MHz'dir (7.9-8.2 MHz) ve kazanç da 9-10 dB arasındadır. Kuvvetlendirici 37dBm (5W) çıkış gücü sağlayabilmektedir.
Güç kuvvetlendiricileri doğrusal olmayan bölgede çalıştırıldıkları için giriş işareti ile çıkış işareti arasındaki genlik ve faz değerinin değişimi düzenli olmamaktadır. Bu durum kuvvetlendiricinin doğrusallığını bozmaktadır. Doğrusallığı bozulan bir kuvvetlendirici de kuvvetlendirdiği işaretin yapısını bozacağı için modülasyonu da etkilemektedir. Bu nedenle bu değişimin ve doğrusallıktaki bozulmanın incelenerek haberleşme sistemin modülatör kısmının buna göre tasarlanması önemli bir ihtiyaçtır.
Tez çalışmasında F sınıfı kuvvetlendirici tasarımına ek olarak güç transistörlerinde faz ve genlik duyarlığı da incelenmiştir. Tek değişkenli, 1. dereceden duyarlık analizi ile inceleme yapılmıştır. Yapılan analiz ile bir güç transistöründeki baskın parazitik elemanların devrenin faz ve genlik cevabına etkisinin ağırlıkları belirlenmiştir. Sayısal analizlerde ticari bir GaN SiC-HEMT transistörün üretici firma tarafından sağlanan teknik bilgileri kullanılmıştır. Elde edilen sayısal verilere göre çıkış direnci faz duyarlığı üzerindeki en baskın elemandır. Genlik duyarlığında da gm değerinden sonra en baskın eleman yine çıkış direnci olarak belirlenmiştir. 
Elde edilen ifadeler genel olup farklı bir alan etkili transistör için de benzer hesaplamalar yapılabilir.

Abstract:
Space race is also a race about the technological development. Artificial satellite technology and research is one of the main branches at this race, which uses all facilities of the technological developments on materials, mechanics and especially electronics. Satellite communication is one of the most important topics for satellite technology. If a satellite has active communication link, it means the satellite is functioning even if some subsystems are not available at the satellite. Wireless communication system of the satellite provides data from sensors to ground station and receives commands from ground station.
Nowadays, small satellites become more popular because of their low cost and short design period. Development of material, mechanical and electrical technologies makes small satellites more efficient and capable. Especially, low launch and deployment costs of small satellites make them suitable research tools for universities. A lot of scientific researches can be handled with small satellites in the universities. Additionally, these days many companies prefer to use small satellites to test their products under space conditions to get space heritage.
Although small satellites have advantages in terms of cost and time, there are two important restrictions for small satellite systems: Short communication window limits the amount of data transfer, and small surface area of the satellite limits the received energy from solar panels.
Small satellites are located on low earth orbit (LEO) which means 400-2000km altitude. Therefore, their speed is very high (~7.5km/second) around the Earth. Generally, ground stations can receive data above a few degree from the horizon. However, high orbital speed causes decreased communication window. Ground stations usually have a few minutes for communication. Short communication time may not be enough for large data packages with low data rate communication systems. Therefore, ground station has to wait for another suitable pass.
Small satellites require high data rate communication systems to receive data such as high-resolution images, high accuracy position sensor data etc. Wide bandwidth systems with high carrier frequency are necessary to transfer large data. To increase data rate without expanding the bandwidth is to use a complex modulation such as QAM. Generally, combination of wideband signal and complex modulation is more efficient to increase data rate.
 
On the other hand, small satellites have small surface area. Therefore, the number of the solar panel that can be placed is limited.  Power generation capability of the solar panels determine the power budget of the satellite. This constraint forces designers to make high efficiency devices. 
In this thesis, a high efficiency and high power amplifier at X band is proposed. Designed amplifier is suitable for a small satellite transmitter. Amplifier has SMA female connectors. A commercially available GaN on SiC HEMT was used for the amplifier. GaN on SiC HEMTs have important advantages such as wider bandgap voltage, higher thermal conductivity, higher power capability, higher impedance and higher breakdown voltage than GaAs devices. These advantages also makes GaN devices very suitable for satellite applications.
Efficiency of a high power amplifier can be increased by harmonics' appropriate terminations. Class F was preferred for the proposed X band amplifier. At the output, 2nd harmonic component was terminated as short circuit and 3rd harmonic component was terminated as open circuit. At the input, both 2nd and 3rd harmonic components are shorted.
Proposed amplifier was completed in three steps: Nonlinear transistor model import and its verification, computer aided design, assembly and tests.
After the decision of the RF power transistor, its nonlinear model was provided from the manufacturer company. Model was imported to computer aided design tool. Then imported model's small signal and DC analysis were obtained to compare with measured data of the transistor for the verification of imported model.
After successful import of the nonlinear model, designing on an electronics design automation tool for Class-F amplifier started. First of all, harmonics' terminations were prepared for the input and output stages. Microstrip lines were preferred instead of discrete components at the termination stages. Because, behavior of discrete components may not be suitable at the high frequency region. DC bypass capacitors before connectors, coupling capacitors onto the bias lines and a parallel resistor-capacitor couple for the stability were inserted to the structure. A basic optimization was run to satisfy proper harmonics terminations for the Class F amplifier after the essential discrete components were added. To determine the impedance for the main signal, source and load pull analysis were carried out for the best PAE. After determination of the input and output impedances for the best efficiency, double stub tuning was preferred for the matching. Final design with microstrip lines and some additional discrete components was simulated on the EDA tool. 
After simulation, all microstrip lines and via holes were considered under electromagnetic simulation to determine coupling and radiation effects of the microstrip lines. In this part, a basic optimization was also run. After verification of the final optimization, layout of the circuit was prepared for the printed circuit board fabrication.
Circuit was divided into two parts. Input and output printed circuit boards were fabricated separately. Golden plating was preferred for the surface finish. 
Brass plate was used as the carrier for the PCBs. Metal case was also made by brass. After the assembly of the circuit, it was tested to observe stability of the amplifier. At the next step, small signal performance was measured and compared with the simulation data. At the small signal measurements, a small difference was observed at the gain. EDA tool was used to understand and solve the problem. After a basic tuning at the output stage impedance matching circuit, measured small signal gain became similar to simulation result. Then; efficiency, high power gain and output power were measured at the several input frequencies.
Final circuit has 52.1 % peak efficiency with 27 dBm input power at the 8.1 GHz. Output power is 36.6 dBm (~4.5W). Designed amplifier has more than 50% efficiency between 7.9 GHz and 8.2 GHz. Amplifier is able to satisfy 5W output power capability.
High power amplifiers operate at the saturation region to obtain high efficiency. This situation causes nonlinear distortions on the phase and amplitude of the signal.
Additionally, in this thesis, first order single parameter phase and amplitude sensitivity analysis of a RF power FET was derived. At the beginning of the study, equivalent circuit for a power FET was determined. Most dominant components were used at the equivalent circuit of a power FET. Source and load resistors were added for the circuit analysis. Circuit function of the equivalent circuit was derived to find for the sensitivity analysis. Obtained circuit function was verified at the EDA tools NI AWR and PSpice. After verification of the derived equations, a commercial GaN on SiC HEMT's model data was used to find weights of the transistor's intrinsic parameters. According the numerical analysis, output resistor and output capacitor are the most dominant components on phase sensitivity respectively. gm value and output capacitor are dominant components on the amplitude function sensitivity respectively.