Yüksek verimli ince film tabanlı F-sınıfı güç kuvvetlendiricisi tasarımı ve gerçeklenmesi
High efficiency thin film based class-F power amplifier design and implementation
Yazar: ALPEREN TUNÇ
Danışman: PROF. DR. SELÇUK PAKER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Haberleşme insanlık için en önemli ihtiyaçlardan biridir. Tarih boyunca insanlar bu ihtiyaçlarını karşılamak için çeşitli araçlar kullanmışlardır. Günümüzde kullanılan modern haberleşme sistemlerinde, alışılagelmiş haberleşmede yer aldığı gibi alıcı, kanal, verici olmak üzere üç paydaştan oluşur. Yüksek frekanslı verici sistemler, kanalda oluşan kayıpları aşabilmek için, genellikle yüksek güce sahiptirler. Bu yüksek gücü, vericinin en son katında bulunan güç kuvvetlendiricisi sağlar. Güç kuvvetlendiricisi, temel olarak, girişine uygulanan yüksek frekanslı işaretin gücünü arttırarak çıkışa aktarır. Bu aktarım sırasında DC olarak güç harcar. Güç kuvvetlendiricisi sınıfına ve tasarımına göre ortaya çıkan verime bağlı şekilde, bu dc gücün bir bölümünü ısıya dönüştürerek harcar. Toplamda tüketilen dc gücün tamamına yakınının kuvvetlendirme işlemine aktarılması için verimi yüksek güç kuvvetlendiricileri tasarlanmalıdır. Bu motivasyona bağlı olarak, tez çalışmasında teorik verimi %100'e ulaşan, F-sınıfı güç kuvvetlendiricisi tasarlanması kararlaştırılmıştır.
F-sınıfı güç kuvvetlendiricisinin tasarımından önce, çalışma prensiplerini kavrayabilmek amacıyla çeşitli sınıflardaki güç kuvvetlendiricileri temel devre yapısı, dalga şekilleri bakımından incelenmiştir. Bu incelemede F-sınıfına özellikle ayrı bir başlık altında değinilmiş, F-sınıfı güç kuvvetlendiricisinin teorik altyapısı detaylı bir biçimde anlatılmıştır. F-sınıfı kuvvetlendirici tasarımlarının çok yüksek frekanslara uygulanması sırasında karşılaşılabilecek teknik zorlukları azaltmak ve üretimi de kolaylaştıracak şekilde uygun bir F-sınıfı devre yapısı seçilmiş, daha sonra bu yapının hesaplanmasında kullanılan matematiksel analizler geliştirilerek çip halindeki bir transistöre uygulanabilecek hale getirilmiştir.
Tez devresinin tasarımındaki ilk ve en önemli adım, kullanılacak devre elemanlarının çalışma frekansı, en fazla dayanabildiği güç ve boyut gibi parametreler göz önünde bulundurularak hassas bir biçimde seçilmesidir. Bu seçim yapılırken, güç kuvvetlendiricisinin tabiri caizse kalbi olan, transistor elemanından başlanmıştır. Transistör, güç kuvvetlendiricisinin performansına direkt olarak etki ettiğinden dolayı güç eklenmiş verim, çıkış gücü, kazanç, çalışma frekansı ve montaj kolaylığı gibi parametreler düşünülerek seçilmiştir. Seçilen transistor, Qorvo firmasının SiC HEMT tabanlı GaN transistörü TGF2023-2-02'dir. Daha sonra, taban malzemesinin seçimine geçilmiştir. Yerli olarak üretilmesi, düşük tanjant kaybı ve ısı atımındaki başarısı göz önünde bulundurularak, taban malzemesinin alumina tabanlı ince film kaplı olarak seçilmesi kararlaştırılmıştır. Seçilen malzemenin dielektrik katsayısı 9,8, kalınlığı 10 mil, metal kalınlığı 5 um'dir. Seçilen transistörün paketsiz yapıda, ince film kartların hat yapısının altın olması nedeniyle çip ve bağlantı teli teknolojisinin kullanılmasına karar verilmiştir. Devrede kullanılacak bağlantı telinin; malzemesi transistörün veri kağıdı da kontrol edilerek altın, çapı 1 mil ve yapısı top bağlantı olarak seçilmiştir. Tasarım aşamasında eleman seçimi tamamlandıktan sonra, bir güç kuvvetlendiricisinin F-sınıfı olmasını sağlayan harmonik sonlandırma yapısının tasarımına geçilmiştir. Bu sonlandırma yapısındaki temel amaç, ikinci harmonik işaretinin kısa devre, üçüncü harmonik işaretinin ise açık devre empedans görmesini sağlamaktır. Böylece, kuvvetlendiricinin akım ve gerilim dalga şekillerinin kesişmesi en aza indirgenerek, verimin arttırılması sağlanır. Harmonik sonlandırma yapısındaki hatların elektriksel uzunlukları hesaplanırken, daha doğru hesaplama yapabilmek için transistörün CDS kapasitesinin değeri ve savak kısmından yapılacak bağlantı tellerinin getireceği endüktif etki modellenmiş, hesaplama ve benzetime dahil edilmiştir. Hesaplamalar için matematiksel hesaplayacı olan MATLAB programında kod koşturulup ulaşılmak istenen değerler elde edilmiş, benzetim adımına geçilmiştir. Benzetimlerde kullanılan bilgisayar destekli tasarım programı, Cadence firmasının AWR Microwave Office programıdır.
Harmonik sonlandırma devresinin tasarımı tamamlandıktan sonra, kullanılması kararlaştırılan transistör ve harmonik sonlandırma yapısına, yükle-çek analizi yapılmıştır. Bu analiz sonucunda, güç eklenmiş verim, çıkış gücü ve kazanç gibi parametrelerin konturları elde edilmiş, çıkış empedans uyumlama devresinin en fazla güç eklenmiş verim noktasında ulaşılan empedans değerine göre tasarlanması kararlaştırılmıştır.
Yükle-çek analizi sonrasında, F-sınıfı güç kuvvetlendiricisinin giriş ve çıkış empedans uyumlama devrelerinin tasarımına devam edilmiştir. Çıkış empedans uyumlama devresinin tasarımında; yükle-çek analizinde elde edilen en fazla güç eklenmiş verim noktasının empedans değeri kullanılmıştır. Giriş empedans uyumlama devresi için eşlenik uyumlama fenomeni tercih edilmiştir.
Empedans uyumlama devrelerinin tasarımının tamamlanmasının ardından devrenin EM benzetimi ve serimi AWR Microwave Office programı ile yapılmıştır. EM benzetim sonucunda, kuvvetlendiricinin pratik çalışmasına yakın olması beklenen, güç eklenmiş verim, çıkış gücü, kazanç, kararlılık parametrelerine bakılmıştır. Bu sonuçların isterlerle uyumlu olduğu görülüp F-sınıfı güç kuvvetlendiricisinin gerçeklenme adımına geçilmiştir.
Tez devresinde, EM benzetim sonuçları isterler ile uyumlu olduğu gözlendikten sonra devre üretimine geçilmiştir. İnce film tabanlı devre yerli olarak üretildikten sonra devre mekaniğine yapıştırılmıştır. Bu işlem için gümüş katkılı, ısıl ve iletken özelliğe sahip epoksi kullanılmıştır. Kuvvetlendiricinin yüksek frekansta ve yüksek güçte çalışması nedeniyle kullanılacak yapıştırıcı çok önemlidir. Çünkü, devrenin toprağının her bölgeye eşit miktarda dağılmaması, performansı önemli ölçüde etkileyecektir. Ayrıca, yaklaşık 10 W çıkış gücü elde edilmesi beklendiğinden, bu güçlerde kuvvetlendiricinin ısıyı başarılı bir şekilde atması gerekmektedir. Ek olarak, transistörün montajı, ince film kartlar ile arasındaki kalınlık farkı nedeniyle dikkatli bir şekilde yapılmıştır. Bu kalınlık farkını gidermek için, transistör tabanına toprak pedler yerleştirilmiştir. Bu işlemler yapıldıktan sonra devre elemanları montajlanmış, devreyi dış etkilerden korumak üzere ürettirilmiş alüminyum yapısında nikel kaplamaya sahip mekaniğe yerleşimi yapılıp, DC geçiş ve RF dişi tipteki SMA konnektörleri takılmış, devre kompakt bir yapıya sahip olmuştur. Tez devresinin gerçeklenmesi tamamlandıktan sonra ölçümleri yapılmıştır. F sınıfı güç kuvvetlendiricisinin başarımını gözlemek için öncelikle, giriş ve çıkış konnektörleri 50 Ω yüklerle sonlandırılıp, kutuplama koşullarında akım ve gerilimine bakılmıştır. Bu koşulda 28 V savak geriliminde, savaktan 131 mA akım aktığı, bu değeri sağlayan geçit geriliminin -2.64 V olduğu gözlenmiştir. Daha sonra kuvvetlendirici doğrusal bölgede çalışırken, -20 dBm RF giriş gücünde, kazanç ve giriş, çıkış yansıma parametreleri ölçülmüştür. Kazanç değeri, en fazla olduğu nokta 7,64 GHz'de 12,6 dB olarak görülmüştür. Son olarak, tasarlanan güç kuvvetlendiricisi doyma bölgesine girdiğinde sağlayabildiği çıkış gücü ölçülüp, sahip olduğu güç eklenmiş verim hesaplanmıştır. Bu ölçüm sırasında kuvvetlendiricinin sağlayabildiği çıkış gücünü arttırmak amacıyla ince ayar yapılmıştır. Uygulanan ayar sonucunda, çıkış gücü 7,76 GHz'de 39,8 dBm, yaklaşık 3 dB bastırma noktasında 29,5 dBm giriş gücü için %57,4 güç eklenmiş verim elde edilmiştir. Ölçümler sonucu elde edilen değerler, benzetim sonuçları ve isterler ile karşılaştırılmış, elde edilen değerlerin uyumlu olduğu gözlenmiştir. Tez çalışmasındaki devrenin tasarım adımlarındaki sonuçlarıyla karşılaştırılmasına ek olarak, daha önce yapılmış çalışmalarla kıyaslanmış ve devrenin performansının başarılı olduğu gözlenmiştir.

Abstract:
Communication is one of the most important needs of humanity. Throughout history, people have used various tools to meet these needs. In modern communication systems used today, it is composed of three stakeholders: receiver, channel, and transmitter, as in conventional communication. High-frequency transmitting systems generally have high power to overcome losses in the channel. This high power provides the power amplifier located on the last part of the transmitter. The power amplifier basically transfers the high frequency signal applied to its input to output as increase power. It also uses power in DC during transfer. Depending on the efficiency of the power amplifier class and design, this dc consumes part of the power by converting it into heat. High-efficiency power amplifiers should be designed in order to transfer almost all of the DC power consumed to the amplification process. Based on this motivation, it was decided to design an Class-F power amplifier whose theoretical efficiency reached 100% in the thesis study.
Prior to the design of the Class-F power amplifier, various types of power amplifiers were examined in terms of basic circuit structure and waveforms in order to understand the working principles. In this review, the Class-F is specifically mentioned under a separate title, and the theoretical background of the Class-F power amplifier is explained in detail. The first and most important step in the design of the thesis study is to select the circuit elements to be used precisely, considering the parameters such as the operating frequency, the power, and the physical size it can withstand the most. In making this selection, the power amplifier's term was started from the transistor element, which is the heart of it. Since the transistor directly affects the performance of the power amplifier, power is selected by considering parameters such as added efficiency, output power, gain, operating frequency and ease of implemention. The transistor selected is the Qorvo's GaN on SiC HEMT based TGF2023-2-02. Then, the selection of the substrate material was started. Considering its local production, low tangent loss and success in heat dissipation, it was decided to select the substrate material as covered with a thin film based on alumina. The dielectric coefficient of the selected substrate is 9.8. It's thickness is 10 mil, the conductive thickness is 5 um. It was decided to use chip and wire technology in the die structure of the selected transistor because the line structure of thin film circuits is gold. Bondwires to be used in the circuit, as was checked the datasheet of the transistor, gold, 1 mil in diameter and its structure was chosen as ball bonding. After the component selection was completed at the design stage, the design of the harmonic termination structure, which enables a power amplifier to be Class-F, was initiated. The main purpose in this termination structure is to ensure that the second harmonic signal has a short circuit and the third harmonic signal has an open circuit impedance. Thus, the intersection of the current and voltage waveforms of the amplifier is minimized, thus increasing the efficiency. When calculating the electrical lengths of the lines in the harmonic termination structure, the inductive effect of bondwires which be made from the drain pad of transistor, and CDS capacity of transistor is modeled and included in the calculation and simulation for more accurate calculation. For the calculations, the MATLAB code was run and the desired values were obtained and the simulation step was started. The computer-aided design program used in simulations is the AWR Microwave Office program. After the design of the harmonic termination circuit has been completed, load-pull analysis has been performed on the transistor and harmonic termination structure that is decided to be used. As a result of this analysis, the contours of parameters such as power added efficiency, output power and gain are obtained, and it is decided to design the output impedance matching circuit according to the impedance value reached at the maximum power added efficiency point.
After load-pull analysis, the design of the input and output impedance matching circuits of the Class-F power amplifier continued. In the design of the output impedance matching circuit; The impedance value of the most power added efficiency point obtained in the load-pull analysis is used. The conjugate matching phenomenon is preferred for the input impedance matching circuit. Following the completion of the design of the impedance matching circuits, the EM simulation and layout of the circuit was made with the AWR Microwave Office program. As a result of EM simulation, power added efficiency, output power, gain and stability parameters are expected, which are expected to be close to the practical operation of the amplifier. After seeing that these results are compatible with the specifications, the implementation of the Class-F power amplifier has been started. An appropriate Class-F circuit structure was chosen, in order to reduce the technical challenges that may be encountered during the application of Class-F amplifier designs to high-frequencies and to facilitate the production, and then the mathematical analysis used in the calculation of this structure was developed and made available for a chip transistor. In the thesis study, circuit production was started after the EM simulation results were observed to be compatible with the requirements. Thin film-based circuit was adhered to the circuit mechanics after being produced locally. Silver tempered, thermal and conductive epoxy was used for this process. The adhesive to be used is very important due to the high frequency and high power operation of the amplifier. Since, if the ground layer of the circuit is not distributed equally to each region of the bottom layer, it causes performance degraduation. In addition, since it is expected to obtain an output power of approximately 10 W, the structure of the amplifier must successfully dissipate the heat generated by the transistor. In addition, the implementation of the transistor has been done carefully due to the thickness difference between thin film boards. To eliminate this thickness difference, the ground pads were placed on the transistor base. After these operations were done, the circuit elements were assembled. They were placed in an aluminum enclosure with nickel coating, manufactured to protect the circuit from external influences and other undesired radio signals. And finally, the DC transition pins and SMA-F connectors were installed to finalize, the circuit to have a compact structure. After completing the implementation of the power amplifier, electrical measurements were done. In order to observe the performance of the Class-F power amplifier, firstly, the input and output connectors are terminated with 50 Ω loads and their current and voltage are checked under biasing conditions. In this condition, it was observed that 131 mA current flows at 28 V drain voltage and the gate voltage that provides this value is -2.64 V. Then, while working in the amplifier linear region, gain and input and output reflection parameters were measured at -20 dBm RF input power with a network analyzer. The maximum gain value was measured at 7.64 GHz as 12.6 dB. Finally, large signal parameters such as power gain, output power, and power added efficiency (PAE) were measured. During large signal measurements, some fine tuning was done in order to increase the output power of the amplifier. As a result of the applied tuning, the output power of 39.8 dBm at 7.76 GHz, and 57.4% at p3 dB point were achieved with 29.5 dBm input power. The obtained values were compared with the simulation results and specifications.
In conclusion, a high efficiency thin film based Class-F power amplifier designed and implemented successfully as thesis study that consists of mathematical background, computer-aided electromagnetic simulations, implementation steps, and electrical measurements which include in DC condition, small signal gain, scattering parameters, large signal output power, and power added efficiency. Also, thesis study compared with previous studies on technical literature. At the result of this comparison, the performance of thesis study is quite agreeable as well as has been determined.