X bant uygulamaları için GaN tabanlı düşük gürültülü yükselteç tasarımı
GaN-based single stage low noise amplifier for X-band applications
Yazar: GİZEM TENDÜRÜS ÇAĞLAR
Danışman: PROF. DR. SEDAT NAZLIBİLEK
Başkent Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Düşük gürültülü yükselteç = Low noise amplifier ; Galyum nitrür = Gallium nitride ; Mikrodalga devreleri = Microwave circuits ; Silisyum karbür = Silicon carbide ; Transistör = Transistor

Özet:
Galyum Nitrür (GaN) tabanlı Yüksek Elektron Hareketli Transistörlerin (HEMT'ler) ortaya çıkışı, özellikle yüksek arıza gerilimleri ve üstün güç işleme yetenekleri nedeniyle dikkatleri üzerine çekmiştir. Bu özellikler, GaN tabanlı Monolitik Mikrodalga Devresi (MMIC) teknolojisi üzerinde çok yüksek verimliliğe sahip yüksek güçlü yükselteçler (HPA) tasarlama şansı verir. GaN HEMT'lere duyulan ihtiyaç, onu yalnızca HPA'lar için değil, aynı zamanda anahtarlar ve düşük gürültülü yükselteçler (LNA) için de giderek daha çekici hale getirdi. GaN HEMT monolitik teknolojisinin ortaya çıkmasıyla birlikte, düşük gürültü yükselteç tercihleri de değişti. GaN tabanlı düşük gürültülü yükselteçler, sisteme gürültü vererek çok düşük güçlü bir sinyali, sinyal-gürültü oranını önemli ölçüde düşürmeden yükselten, genel sistem gürültü katsayısını azaltacak şekilde, devreleri limitleyecek korumaya ihtiyaç duymadan ve hasar görmeden son derece yüksek giriş gücü seviyelerine dayanabilen alıcı aşamaları gerçekleştirmek için en iyi adaylardan biridir. Alıcı devrelerinde düşük gürültülü yükselteçler, antenden alınan sinyale düşük gürültü vererek sinyalin gürültülü kısmını düşürdüğünden iletişim sistemleri için önem arz eder.
GaN HEMT'lerin doğal sağlamlığı nedeniyle, bu cihazlar kullanılarak tasarlanan LNA'lar, koruma devresi olmadan sürekli çalışabilir.
Bu tezde, X bandında çalışan bir MMIC LNA, kaynak dejenerasyonu ile GaN HEMT kullanılarak tasarlanmıştır. Pasif devre elemanları, transistörler ve MMIC NANOTAM'da geliştirilen Silisyum Karbür (SiC) tabanlı 0,15 μm/0,2 μm AlGaN/GaN HEMT mikrofabrikasyon süreci ile üretilmiştir. Üretim iki aşamadan oluşmaktadır. Sırasıyla önyüz ve arkayüz adımlarını içermektedir.
Üretilen transistörlerin doğrusal akım (DC), küçük işaret, büyük işaret ve gürültü katsayısı ölçümleri yapılmıştır. LNA tasarımı için uygun HEMT seçilmiş ve tasarım süreci, kaynak dejenere HEMT kullanılarak tek kademeli yapıda gerçeklenmiştir. Kaynak dejenere HEMT topolojisi hem kolay giriş eşlemesi hemde kararlılık sağlamıştır. GaN tabanlı LNA MMIC tasarımı yapılmış üretim sonrasında wafer üzerinde oda sıcaklığında ölçümleri alınmış ve en iyi sonuçları aktarılmıştır. LNA tasarımı 8-11 GHz arasında 7 dB üzerinde küçük işaret kazancı, 8,5 dB'den iyi giriş ve çıkış kayıpları, 1,1 dB'den iyi gürültü katsayısı, 17,19 dBm çıkış gücü ve %12,64 akaç verimliliği sağlamaktadır.

Abstract:
The emergence of Gallium Nitride (GaN)-based High Electron Mobility Transistors (HEMTs) devices has attracted attention, especially due to their high breakdown voltages and superior power handling capabilities. These features give a chance to design very high-efficiency high power amplifiers (HPA) on GaN-based Monolithic Microwave Circuit (MMIC) technology. The need for GaN HEMTs has made it increasingly attractive for this and switches and low-noise amplifiers (LNAs). With the advent of GaN HEMT monolithic technology, low noise amplifier preferences have also changed. GaN-based low-noise amplifiers (LNAs) can deliver noise to the system, amplifying a very low-power signal without significantly reducing the signal-to-noise ratio, reducing the overall system noise coefficient, without the need for protection and damage to limit circuits, to extremely high input power levels. It is one of the best candidates to perform the receiving stages that can withstand. Low noise amplifiers in receiver circuits are important for communication systems as they reduce the signal received from the antenna by giving low noise.
Due to the inherent robustness of GaN HEMTs, LNAs designed using these devices can operate continuously without protection circuitry.
In this thesis, an X-band MMIC LNA is designed using GaN HEMT with source degeneration. Passive circuit elements, transistors, and Silicon Carbide (SiC) based 0,15 μm/0,2 μm AlGaN/GaN HEMT microfabrication process developed in MMIC NANOTAM. Production consists of two stages. It includes the front and back steps, respectively.
The produced transistors made the linear current (DC), small signal, and large-signal and noise coefficient measurements. The appropriate HEMT was selected for the LNA design and the design process was carried out in a single-stage structure using the source degenerate HEMT. The source degenerate HEMT topology provided both easy input mapping and stability. GaN-based LNA MMIC was designed, and after the production, measurements were taken on the wafer at room temperature and the best results were reported. LNA design provides a small signal gain of over 7 dB between 8-11 GHz, input and output losses better than 8,5 dB, noise coefficient better than 1,1 dB, the output power of 17,19 dBm and drain efficiency of 12,64%.