Mikrodalga transistörün pareto optimal karakterizasyonu
Pareto optimal characterization of a microwave transistor
Yazar: AHMET ARİF ULUSLU
Danışman: PROF. DR. FİLİZ GÜNEŞ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Haberleşme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Mikrodalga mühendisliğinin, düşük güç tüketimli ve yüksek kazançlı ultra-geniş bant (UWB) minyatür düşük gürültülü amplifikatör (LNA) tasarımı, en büyük zorluklarından biri olmaya günümüzde de devam etmektedir.
Bu çalışmada düşük gürültülü bir mikrodalga transistörünün, mikrodalga cihazlar hakkında uzmanlık gerektirmeden, tüm kabul edilebilir Pareto optimal çözümleri belirlenen operasyon alanında (VDS, IDS, f) hatasız olarak gösterilmiştir. Bu çok amaçlı optimizasyon probleminde NSGA-III kullanılmış, gürültü faktörü Fmin ≤ Freq ve çıkış VSWR 1 ≤ Voutreq referans noktaları tercih edilerek giriş VSWR 1 ≤ Vinopt ve kazanç GTmak olacak şekilde koşulsuz kararlı çalışma bölgesi ZS ve ZL'ye göre optimize edilmiştir. Böylece Pareto optimal performans dörtlüsünün (Freq, Vinopt, Voutreq, GTmak) farklı gruplar için hızlı arama ve sınırlı sayıda fonksiyon çağırılarak Pareto optimal karakteristiğinde çözümlenir.
Yeni bir tasarım olarak gerçekleştirilen çalışmalar şu şekilde özetlenebilir: NE3511S02 bir test transistörü olarak seçilmiştir. (i) Çok hedefli modelleme problemlerinin Pareto optimizasyonu kullanılarak domine edilmemiş çözümler olarak isimlendirilen bir optimal çözüm kümesi için Pareto sınırları (Pareto front) belirlenmiştir. (ii) Pareto sınırları üzerinde kabul edilebilir ve gereksinimleri yerine getirecek uygun çözüm seçilir ve bu Pareto optimal çözüm olarak adlandırılır. Seçilen bu operasyon alanına karşılık gelen analitik çözümleri ile karşılaştırılmıştır. (iii) Ayrıca, Pmak, IDSmak belirlenen performans dörtlüsü için gerekli operasyon alanındaki optimum bias koşulu (VDS, IDS) maliyet analizi kullanılarak belirlenir. (iv) Son olarak kaynak ve yük sonlandırmalarının imalat toleranslarına karşı duyarlılıkları da Monte Carlo yöntemi kullanılarak analiz edilmiştir.
Çalışmada, zorlu LNA tasarım problemlerinde tasarım hedefine karar vermek için tüm transistörün kabul edilebilir performans bileşenlerinin arasında Pareto optimal denge ilişkilerinin bu çalışmanın bir tasarımcıya kolaylık sağladığı sonucuna varılabilir. Ayrıca tüm bunlardan oluşan sonuçlar gerçekleştirilebilir tasarım hedef alanını (FDTS) sağlamaktadır.

Anahtar Kelimeler: Baskın-olmayan sıralamalı genetik algoritma (NSGA), pareto optimal çözümler, çok hedefli optimizasyon, dönüştürücü kazancı, gürültü Faktörü

Abstract:
Microwave engineering, low power consumption and high gain ultra-wideband (UWB) miniature low noise amplifier (LNA) design is still one of the biggest challenges.
In this study, full performance characterization of a microwave small-signal transistor is achieved as all the set of acceptable Pareto optimal solutions and trade-off relations within device operation (VDS, IDS, f) domain without any expert knowledge of microwave device. In this multi-objective optimization problem, NSGA-III is used where the noise Fmin ≤ Freq and output mismatching 1 ≤ Voutreq are preferred as the reference points, while the input mismatching 1 ≤ Vinopt and gain GTmax are optimized with respect to source ZS and load ZL within the unconditionally stable working area. Thus diverse set of Pareto optimal performance (Freq, Vinopt, Voutreq, GTmax) quadruples are resulted to be used in the Pareto optimal characteristics from a fast search and the limited number of function calls.
A novel design can be summarized as follows: NE3511S02 is chosen as a test vehicle. (i) The Pareto front has been determined for a set of optimal solutions, which are called non-dominated solutions using Pareto optimization for multi-objective optimization problems. (ii) Its Pareto optimal performance characteristics are obtained applying individual selection criteria to the Pareto frontiers in the operation domain and are compared with their counterpart analytical characteristics. (iii) Besides, the optimum bias condition (VDS, IDS) is determined using the cost analysis in the operation domain for the required Pmax, IDSmax performance quadruple. (iv) Finally sensitivities of the source and load terminations to fabrication tolerances are also analyzed using Monte Carlo method.
Herein it can be concluded that this work enables a designer to provide the feasible design target space (FDTS) consisting of all the acceptable Pareto optimal trade-off relations among all the transistor's performance ingredients to make decision for the design target for the challenging LNA design problems.

Keywords: Non-dominated sorting genetic algorithm (NSGA), pareto optimal solutions, multi objective optimization, transducer gain, noise figure