Güvenlik maksatlı doppler radar vericisi için güç bölücü, güç yükseltici, güç toplayıcı devre tasarımı, üretimi ve analizi
The design, fabrication and analysis of power divider, power amplifier and power combiner for security purpose pulse doppler radar
Yazar: EMRE ELİBOL
Danışman: YRD. DOÇ. DR. AHMET ÖNCÜ ; YRD. DOÇ. DR. ERSİN GÖSE
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 tezde, güvenlik maksatlı doppler radarın verici kısmında kullanılmak üzere tasarımı ve üretimi yapılan, güç bölücü, güç yükseltici, güç toplayıcı devreler ve ölçüm sonuçları anlatılmaktadır. 
Tez çalışmasının başlangıcında, tasarımını ve üretimini yapacağımız devreden beklentilerimizin neler olduğunu tespit ederek, çalışmalarımızı bu beklentilere göre gerçekleştirdik. Bu beklentiler şu şekilde sıralanabilir; üretim maliyetinin düşük olması, antene en yüksek gücü aktarabilmesi, devrenin yapabileceğimiz en küçük ebatlarda olması, herhangi bir devre elemanın zarar görmesi durumunda dahi çalışmaya devam edebilmesidir.
Bu beklentilere istinaden öncelikli olarak güç yükseltici bir devre tasarlamaya karar verdik. Verici tarafından bakıldığında, güç yükseltici üretiminde kritik faktör, yüksek performanslı güç yükseltici tasarlayabilmektir. Yüksek performans değerlendirmesi ise; çıkış gücü, kazanç, lineerlik, kararlılık, DC besleme voltajı, verimlilik ve dayanıklılık gibi faktörlerin tümüne bağlıdır. Güç yükselticiler ana sistemin en yüksek enerji tüketimi olan anahtar parçalarıdır. Yüksek verimlilikle üretim yapılabilirse, düşük enerji tüketimi sağlanarak işletim ücreti düşürülebilir. Bunun yanında malzeme boyutları da küçültülebilir ve sistemin kararlılığı da arttırılabilir. Güç yükselticilerin verimliliği, kaynak DC gücünü, yüke aktarılan sinyal gücüne çevirebilme yeteneğidir. Kullanılabilir sinyale çevrilemeyen sinyal ısıya dönüşür.
Yukarıda bahsettiğimiz, ana sistem için anahtar parça olan güç yükseltici tasarımına ATF 53189 E-pHEMT FET transistörü kullanarak başladık. 50 MHz ile 6 GHz aralığında çalışabilen bu transistör ile yaptığımız üretim neticesinde, S11= -6.516 dB, S22= -8.402 dB yansıma değerlerini ve S21= 12.155 dB kazanç değerini elde ettik. Bu transistör ile yapılan üretimin ardından daha yüksek kazanç ve daha düşük yansıma değerleri elde edebilmek için farklı transistörler ile tasarımlar yaptık.
ATF 52189 E-pHEMT FET transistörü ile yapılan tasarımda S11= -19.54 dB,       S22= -24.408 dB yansıma değerlerini ve S21= 9.788 dB kazanç değerini elde ettik. Bu taransistör ile yapılan tasarımda giriş ve çıkış yansıma değerleri iyileşirken, kazanç değerinde düşme oldu.
ATF 50189 E-pHEMT FET transistörü ile yapılan tasarımda S11= -19.542 dB,     S22= -10.464 dB yansıma değerlerini ve S21= 17.8 dB kazanç değerini elde ettik. 
ATF tipi transistörle (özellikle ATF 50189 transistörü) yaptığımız üretim ve tasarımlarda elde ettiğimiz sonuçlar, yapacağımız tez çalışması için, üretim yapılabilir seviyede olmasına rağmen, tasarlanması gereken giriş-çıkış, yük uyumlama ve öngerilimleme devreleri ile birlikte tasarımın boyutu büyümektedir. Final devresi için birden fazla ATF serisi transistör kullanarak tasarım yapacağımızı düşündüğümüzde ise bunun devrenin boyutunun önemli ölçüde büyük olmasına sebep olacağı öngürülmüştür. Bu sebeple uyumlama ve öngerilimleme devreleri kendi içine gömülü ve küçük boyutlu devre elemanları kullanmaya karar verdik.  Bu şartları sağlayan 0.5 Watt?lık MGA 31589 sürücü kuvvetlendirici veya yine 0.5 Watt?lık MGA 31689 yüksek kazançlı sürücü kuvvetlendiriciyi temin etmeye çalıştık ancak Türkiye stoklarında olmaması dolayısıyla 0.25 Watt?lık MGA 30489 sürücü kuvvetlendirici temin ederek tasarıma devam ettik.
0.25 Watt?lık MGA 30489 sürücü kuvvetlendirici ile yaptığımız üretim ile                S11= -14.65 dB, S22=-12,8 dB yansıma değerleri ve S21= 13.602 dB kazanç değeri elde ettik. Bu aşamadan sonra ise güç bölücü ve güç toplayıcı blok tasarımına geçtik. Güç bölücü ve toplayıcı olarak Wilkinson güç bölücüyü kullandık. Güç yükseltici ve güç toplayıcı bloklarda birbirinden farklı şekillerde tasarlanmış yedişer adet Wilkinson güç bölücü/toplayıcı kullanılmıştır. Güç yükseltici blokta paralel sekiz adet MGA 30489 sürücü kuvvetlendirici kullandık. Devrenin girişinde ise giriş sinyalini sürmek için bir adet MGA 30489 sürücü kuvvetlendirici kullandık. 
Tasarımı yapılan birleştirilmiş güç yükseltici devrenin üretimi, Boğaziçi Üniversitesi laboratuvarlarında, fotolitografi yöntemini kullanarak yapılmıştır. MGA 30489 sürücü kuvvetlendiriciler kullanılarak yapılan tasarım ile 2 Watt çıkış gücü hedeflenmiştir. Radarının çalışma frekansı olan 1,26 GHz?de en yüksek çıkış gücünün elde edildiği noktada, çıkış gücü ( Pout ) 32,4 dBm (1737 mW), katılmış güç verimliliği ( PAE ) % 43,95 dir. Güç yükseltecin kazancı ise 25,4 dB olarak ölçülmüştür. Devreye 5 V besleme voltajı uygulandığında, 786 mA akım akmaktadır. Devrenin ebatları ise 11 cm × 19,8 cm?dir.

Abstract:
This thesis describes the design and fabrication of power divider, power amplifier, power combiner circuits and measured performances for Security Purpose Pulse Doppler Radars transmitter.
At the beginning of the work, we decided that what our expectations will be from designed and fabricated circuits and we worked to achieve these expectations. These expectations are; cheep cost, small size and to transmit the biggest power to antenna.
So we started with designing of power amplifier. The key point of fabrication of power amplifier is to achieve, fabricate a high performanced power amplifier. High performance is defined with, output power, gain, linearity, stability, DC supply voltage, efficiency and durability. Power amplifiers are the biggest energy consumer of the main circuit. If a high efficiency fabrication is achieved, the low energy consumption can be provide. So low cost and smaller sizes can be obtain and main system will be more stable. The efficiency of power amplifier is the ability of transforming DC power to transmitted load power. The signal that can not be transformed to useable signal is returns to heat.
We started to design of power amplifier with ATF 53189 E-pHEMT FET transistor. This transistor works 50 MHz to 6 GHz. We designed and fabricated a power amplifier with ATF 53189 and the measurement results are; S11= -6,52 dB, S22= -8,4 dB return loses and S21= 12,16 dB gain. For more gain and less return loses we designed power amplifiers with other transistors.
Second we used ATF 52189 E-pHEMT FET transistor. The results are; S11= -19,54 dB, S22= -24,42 dB return loses and S21= 9,79 dB gain. Return loses became better but gain became worse.
Third we used ATF 50189 E-pHEMT FET transistor. The results are; S11= -19,54 dB, S22= -10,46 dB return loses and S21= 17,8 dB gain. Return loses became same but gain became better.
Even if designing of power amplifiers with ATF series transistors have good results (specially with AFT 50189), they also have a problem that is designing extra source-load, impedance matching and bias circuits. With these matching and biasing circuits the size of the main design becomes bigger. This means a huge size for the final design. So we decided to use driver amplifiers that impedance matching and biasing circuits are included of their selves. 0,5 watt MGA 31589 driver amplifier or 0,5 watt MGA 31686 high gain driver amplifiers are ensure these conditions. We tried to get these driver amplifiers but there were problems with Turkish stocks of them,  so we get 0,25 watt MGA 30489 driver amplifier and used this one.
The results of 0,25 watt MGA 30489 driver amplifier; S11= -14,65 dB, S22=-12,8 dB return loses and S21= 13,6 dB gain. In the final design we used eight parallel MGA 30489 driver amplifier and one driver amplifier used in the entrance of the circuit to drive the coming signal.
All circuits are fabricated in Bogazici University laboratories with photolithography method. 2 watts of output power is aimed by final circuit. At 1,26 GHz at the point of the biggest output power is achieved, the output power is 32,4 dBm (1734 mW) and PAE is % 43,95. The gain of the power amplifier circuit is 25,4 dB. When the 5 V supply voltage is applied to circuit, the current is 786 mA. 
 size is 11,01x19,81 cm. for 1,26 GHz, at the P1dB compression point , Vsupply=5V, 32,4 dB (1,74W) output power, %43,95 PAE, 19 dB gain and the current of the circuits is measured 786 mA.