بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحی و شبیه سازی یک تقویت کننده توان بالا برای ;-EDQG 663$
چکیده: در این مقاله یک تقویت کننده توان که بخش اصلی یک تقویت کننده های حالتجامدSSPA را تشکیل میدهند با توان بالا و Efficiency بالا در کلاس E طراحی و شبیهسازی گردیده است. پس از بهینه سازی نتایج بهدستآمده و استفاده از فیلترهای مناسب در تقویت کننده نهایی، با استفاده از ترکیبکننده / تقسیمکننده توان ویلکینسون که بر روی زیر لایه GaN طراحیشده است توان 10 تقویت کننده باهم ادغام گردید و نهایتاً در خروجی، توانی بالاتر از51dbm و PAE حدود 60% بهدستآمده است. نتایج بخشهای مختلف نیز توسط نرمافزار ADS2011 شبیه سازی شده است. از کاربردهای مهم این تقویتکننده رادارهای آرایه فازی، رادارهای نظامی باقابلیت تفکیک بالا و انتقال اطلاعات در ارتباطات ماهوارهای در باند فرکانسی X میباشد.
واژگان کلیدی: تکنیک Load Pull، wilkinson Power Divider، FHX35X،.ADS
-1 مقدمه
امروزه تقویتکنندههای توان بهعنوان المان اصلی در تقویتکنندههای حالتجامد 1SSPA بهکاربرده میشوند. همچنین در مدارات مجتمع یکپارچه ماکروویو2 که اغلب کاربرد تجاری و نظامی دارند مخصوصاً در رادارهای آرایه فازی و سیستمهای جنگ الکترونیک تقویتکنندههای توان بهعنوان عامل توسعه مدارهای مجتمع ماکروویو به شمار میآیند.[1] در سیگنالهای مخابراتی رادارهای مدرن پهنای باند و پیک سیگنال همواره در حال افزایش است که دستیابی به این خاسته در فرستندههایی باراندمان بالا مشکل است. در این حالت برای رسیدن به راندمان بالا چندین معماری مختلف مانند تقویتکنندههای Doherty مطرح گردید [2] و .[3] بسیاری از سیستمهای راداری و ارتباطات در باند X عمل میکنند و بهتازگی تعدادی از تقویتکنندههای باراندمان بالا توسط GaAs،InP در این محدوده فرکانسی استفادهشده است [4] توپولوژیهای مختلفی برای رسیدن به راندمان بالا در تقویتکنندههای توان مطرح است که شایعترین آنها تقویتکنندههای کلاسE ، F،F-1 است [1] و .[5] در این مقاله تقویتکننده نهایی توان بالا، با استفاده از 10 تقویتکننده کلاس E که توسط ترانزیستور 3HEMT با شماره FHX35X ساختهشدهاند و توان آنها با استفاده از ترکیبکننده / تقسیمکننده ویلکینسون 2 و 4 کاناله که بر روی زیر لایهGaN 4 طراحیشده است ادغام میگردد و توان نهایی 51 dbm و PAE حدود 60% را در خروجی تحویل میدهد.
-2 شرح
تقویتکنندهها از اصلیترین و پرمصرفترین قسمتهای سیستمهای ماکروویو و RF میباشند که رفتار آنها روی رفتار کلی سیستم بهشدت تأثیر دارد، برای همین طراحی مناسب این قسمت از اهمیت زیادی برخوردار است. وظیفه تقویتکنندههای توان بالا بردن سطح توان سیگنال برای انتقال توسط آنتن است که معمولاً بهعنوان آخرین طبقه در سیستم فرستنده قرار میگیرد.
شکل :1 بلوک دیاگرام عمومی یک سیستم رادار
در طراحی بیشتر سیستمهای RF سعی میشود PA با بقیه سیستم فرستنده و گیرنده مجتمع شود ولی در بعضی از سیستمهای مخابراتی به دلیل نیاز به سطح بالای توان خروجی این امر رفتار سیستم را به هم میزند و یا اینکه اصلاً پروسه CMOS توانایی آن را نخواهد داشت. مهمترین پارامترهای یک تقویتکننده توان که مقادیر آنها بستگی به کاربرد و شرایط دارد عبارتاند از: توان خروجی5، بازدهی6، پهنای باند 7، بهره توان8، تلفات ورودی و خروجی بازگشتی.9 در یک پروسه مشخص تمامی این پارامترها باهم trade-off دارند و این بدین معناست که بین تمام پارامترها بر اساس کاربرد PA باید مصالحهای برقرار باشد.
-1-2 انتخاب نوع کلاس تقویت کننده
گام اولیه در طراحی تقویتکننده، درک عوامل مهم در طراحی و انتخاب کلاس کاری مناسب است مثلاً درجاهایی که بازده بالا نیاز است از کلاسهای Eیا F استفاده میکنند. کلاس F بالاترینEfficiency را دارد اما توان آن نسبت به کلاس E پایینتر است. در کلاس E یک مصالحه منطقی بین Efficiency و توان خروجی وجود دارد، ازاینرو کلاس E برای این طراحی گزینه مناسبی است.
-2-2 انتخاب زیر لایه مناسب
در مرحله بعد با توجه به پارامترهایی مانند فرکانس کاری، تلفات زیر لایه، هزینه ساخت، قابلیت تحمل توان و ولتاژ شکست و... زیر لایه مناسب برای کاربرد موردنظر انتخاب گردید. با توجه به تمام موارد گفتهشده زیر لایههای GaN و SiC انتخاب مناسبی برای تقویتکنندههای توان بالا میباشند زیرا ولتاژ شکست آنها بالاتر است و امکان دادن توان بر واحد سطح بالاتری را فراهم میسازند. با توجه به بررسی فاکتورهای دخیل در انتخاب زیر لایه زیر لایه GaN با ارتفاع 1,6 میلیمتر را برای این پروژه انتخاب کردیم. مشخصات زیر لایه موردنظر بهصورت زیر است.
در ساخت مدارات مختلف باید بسته به پارامترهای موردنظر مانند کاربرد، محدوده فرکانسی و ... قطعه مناسب را انتخاب کنیم.
-3-2 انتخاب ترانزیستور
سطح توان قابلدستیابی با استفاده از روشهای سنتی توسط ترانزیستورهای GaAs کمتر از 1 Watt/mm است [7] که این مقدار برای استفاده در تقویتکنندههای توان بالا(10(HPA مقدار مناسبی نیست. اکثر ترانزیستورهای پرکاربرد که در طراحی تقویتکنندههای توان استفاده میشوند به شرح زیر میباشند
همچنین در انتخاب ترانزیستور باید توجه شود که چون یک ترانزیستور توان از چندین گیت که بهصورت موازی به هم متصل شدهاند تشکیلشده است، عرض این گیتها برای ترانزیستورهای باند X نباید بیشتر از 125 میکرومتر باشد زیرا عرض بالاتر از این مقدار به طرز باورنکردنی بهره ترانزیستور را کاهش میدهد.
در این مقاله ما از ترانزیستور FHX35X برای طراحی تقویتکننده استفاده کردهایم. ترانزیستورFHX35X از نوع HEMT با نویز پایین است که در محدوده فرکانسی 2 تا 18 گیگاهرتز بهدرستی کار میکند. پایداری ترانزیستور را میتوان با دو فاکتور و N موردبررسی قرارداد. روابط این پارامترها بهصورت زیر است.
اگر فاکتور N بزرگتر از یک و بزرگتر از صفر و کوچکتر از یک باشد آنگاه پایداری بیقیدوشرط صورت میگیرد. برای افزایش مقدار N به مقدار بزرگتر از یک با اضافه کردن بعضی عناصر به ترانزیستور امکانپذیر است. پایداری را میتوان با اضافه کردن فیدبک سری یا موازی یا قرار دادن عناصر سری یا موازی در ورودی یا خروجی ترانزیستور بهبود بخشید.
مشاهده میشود مقدار فاکتور K در فرکانس مرکزی 1,4 و مقدار دلتا در فرکانس مرکزی 0,8 است. نتایج بالا که نشان میدهد این ترانزیستور در محدوده کاری این پروژه همواره پایدار است.
-4-2 انتخاب بار مناسب
برای یافتن مقدار بهینه بار که بیشترین راندمان و بیشترین توان را به ما دهد از تکنیکی به نام load pull استفاده میشود. در این تکنیک امپدانس دیدهشده توسط ترانزیستور جاروب میشود و عملکرد ترانزیستور بررسی میگردد تا درنهایت بهترین و بهینهترین بار انتخاب گردد. مزیت تکنیک load pull این است که ترانزیستور در شرایطی مشابه شرایط واقعی اندازهگیری میشود و موردبررسی قرار میگردد. مدار طراحیشده در نرمافزار ADS برای محاسبه بار بهینه توسط تکنیک load pull و نتایج آن به شرح زیر میباشند
نتایج بهدستآمده در این بخش بار ZL=37.452+j47.353 را بهعنوان بهترین بار معرفی کرد که در این حالت راندمان PAE=60.93% و توان 16,84 را ترانزیستور تحویل میدهد
-5-2 نتایج شبیهسازی
نتایج تقویتکننده طراحیشده بهصورت ز
