Geniş dinamik alanda yüksek güç verimi sağlayan RF güç yükselteç tasarımı
RF power amplifier design providing high power efficiency in a wide dynamic range
Yazar: EGEMEN MEHTER
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT ÜÇÜNCÜ
Başkent Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Güç yükseltici = Power amplifier ; RF =

Özet:
Kablosuz iletişimdeki son gelişmeler veri hızlarını artırmayı desteklemiştir. Bu amaçla, yüksek tepe-ortalama güç oranlarına (PAR) sahip karmaşık modülasyon teknikleri kullanılmaya başlanmıştır. Diğer yandan haberleşme cihazlarında kullanılan RF güç yükselteçleri yüksek PAR nedeniyle güç tüketimine sebebiyet vermekte, bu da batarya ve termal problemlere neden olabilmektedir. Bu nedenle boyut ve pil açısından verimli bir cihaz tasarlamak için güç yükseltecinin verimliliğini artırmak önemlidir. Klasik RF güç yükselteçleri, yalnızca doymuş güç seviyelerinde yüksek verim sağlamaktadır. Geri güç seviyelerinde, verimlilik önemli ölçüde azalır. Yüksek PAR'a sahip modülasyon tekniklerinde, geri güç seviyelerinde verimliliğin artırılması gerekmektedir.  Bu amaçla çeşitli teknikler geliştirilmiştir. Bu tekniklerden umut verici bir teknik olan Yük Modülasyonlu Dengeli Yükselteç (LMBA: Load modulated balanced amplifier) son yıllarda gündeme gelmeye başlamıştır.
LMBA tekniğinde, dengeli yükselteç topolojisine uygun tasarlanmış güç yükseltece ek olarak, dengeli yükselteçlerin çıkış yüklerini modüle etmek için sisteme üçüncü bir yükselteç dâhil edilmektedir. Bu teknik kullanılarak tepe ve düşük güç (back off power) seviyelerinde yüksek verimlilik elde edilmesi hedeflenmektedir. 
Bu tez kapsamında LMBA tekniği kullanılarak 1.7 GHz – 1.9 GHz frekans aralığında 47 dBm (50 W) çıkış gücüne sahip, maksimum çıkış gücünde % 60.1 - % 63.3, 6 dB düşük çıkış gücünde % 40.5 - % 46.8 akaç verimliliğine sahip güç yükselteç tasarımı yapılmış ve üretilmiştir. 
Tasarımı nihai hale getirilen yük modülasyonlu dengeli güç yükselteci ve bu güç yükseltecinin alt sistemleri üretilmiştir. Üretilen LMBA sistemi RFTR Elektronik A.Ş. tesislerinde kalibre edilmiş RF ölçüm cihazları ile test edilmiş ve çeşitli ölçümler yapılmıştır. Yapılan ölçümler neticesinde üretim sonuçları ile benzetim sonuçlarının birbirine çok yakın olduğu gözlenmiştir. Ayrıca, LMBA tekniği kullanıldığında hem maksimum çıkış gücünde hem de 6 dB düşük çıkış gücünde sistemin verimliliğinin arttığı gösterilmiştir. Ayrıca, LMBA tekniğiyle tasarlanan güç yükselteçlerinde minimum 50 W çıkış gücüne sahip, tüm çalışma bandı boyunca maksimum çıkış gücünde % 60 ve üzeri akaç verimliliği, 6 dB düşük çıkış gücünde ise % 40 ve üzeri akaç verimliliği sağlaması açısından literatürde yapılan benzer çalışmalara kıyasla daha iyi sonuçlar alındığı görülmektedir.

Abstract:
Recent advancements in wireless communication have aimed to increase data rates. To achieve this goal, complex modulation techniques with high peak-to-average power ratios (PAR) have been introduced. However, RF power amplifiers used in communication devices consume high power due to high PAR, leading to battery and thermal issues. Therefore, improving the efficiency of power amplifiers is crucial to design devices that are efficient in terms of size and battery usage. Traditional RF power amplifiers provide high efficiency only at saturated power levels. Efficiency significantly decreases at back-off power levels. In modulation techniques with high PAR, it is necessary to increase efficiency at back-off power levels. Various techniques have been developed for this purpose. Load Modulated Balanced Amplifier (LMBA), which is one of these techniques, has gained attention in recent years.
In the LMBA technique, in addition to the power amplifier designed according to the balanced amplifier topology, a third amplifier is included in the system to modulate the output loads of the balanced amplifiers. The aim is to achieve high efficiency at both peak and back-off power levels.
In the scope of this thesis, a power amplifier design has been developed and manufactured using the Load Modulated Balanced Amplifier (LMBA) technique, operating in the frequency range of 1.7 GHz to 1.9 GHz with an output power of 47 dBm (50 W). The power amplifier design achieved a drain efficiency of 60.1 % - 63.3 % at maximum output power, and 40.5 % - 46.8 % drain efficiency at 6 dB output back-off power.
The load modulated balanced amplifier, along with its subsystems, has been manufactured after finalizing the design. The produced LMBA system has been tested by using calibrated RF measurement instruments at RFTR Electronics Inc. facilities, where various measurements were conducted. As a result of these measurements, it was observed that the production results closely matched the simulation results. Furthermore, it was demonstrated that the efficiency of the system increased both at maximum output power and at 6 dB output back-off power when using the LMBA technique. Additionally, it is observed that power amplifiers designed by using the LMBA technique achieve better results compared to similar studies in the literature in terms of providing over 60 % drain efficiency at maximum output power throughout the entire operating band for power levels of at least 50 W, and over 40 % drain efficiency at 6 dB back-off power level.