Simetrik kafes yapılı geniş bantlı-geniş faz aralıklı özgün sayısal faz kaydırıcı tasarımı

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2019Theses (Ph.D.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2019Faz kaydırıcılar, radar uygulamalarında özellikle antene gelen veya antene gönderilecek olan ana sinyalin farklı açısal eşleniklerini oluşturmada kullanılan önemli yapı elemanlarıdır. Yeni nesil iletişim sistemleri, geniş bantlı, geniş faz aralığına sahip ve düşük kayıplı faz kaydırıcı devrelerine olan ihtiyacı arttırmıştır. Sayısal faz kaydırıcılar yaygın olarak akıllı anten dizimi uygulamalarında, elektronik işlemcilerle veya sürücülerle sağlanan 1 veya 0 durum değerleriyle fazın değerini değiştirme işlevinde kullanılırlar. Pratik olarak, her bir anten elemanının arkasına bir faz kaydırıcı modülü konmaktadır. Her bir faz kaydırıcı modülü ise ardışık dizilmiş faz kaydırıcı ünitelerinden oluşmaktadır. Bu faz kaydırıcı üniteleri, ideal olarak kayıpsız, resiprok, pasif iki kapılı eleman olup, reaktif elemanların birbiri ile bağlanmasından oluşur. Örneğin, üç bit dijital faz kaydırıcı modülü 450, 900 ve 1800 faz kaydırıcı ünitlerin ardışık birbiri ile bağlanması şeklinde oluşturulabilir. Buradaki sayısal faz kaydırıcı kavramı, faz kaydırıcı ünitelerin çalışma şekliyle belirlenir. Başka bir deyişle, her bir faz kaydırıcı birimi bir veya birden fazla CMOS transistör veya PIN diyot gibi katı hal anahtarlama eleman teknolojilerinden oluşabilir. Bu elemanların durumlarından birinde, mesela Durum-A, anahtarlama elemanları AÇIK durumda veya KAPALI durumda olabilir. Bu anahtarlama durumunda, belirli bir frekans değeri için, girişten çıkışa olan faz kaydırma miktarı θ_A olarak belirlenir. Benzer olarak, diğer anahtarlama durumunda, mesela Durum-B, girişten çıkışa olan faz kaydırma miktarı θ_B olarak belirlenir. Bu durumda, Durum-A ve Durum-B arasındaki girişten çıkışa net faz farkı miktarı ∆θ=θ_B-θ_A olarak tanımlanır. Her bir faz kaydırma birimi iki değerli anahtarlama durumundan oluşur, Durum-A ve Durum-B. Durum-A ve Durum-B arasındaki anahtarlama geçişleri, sayısal kontrol ile belirlenir. Yeni nesil iletişim sistemlerinde anten dizimlerinin fazını ayarlamak için binlerce faz kaydırıcının tek bir modüle girmesi öngörülmektedir. Bu yüzden, faz kaydırıcı devrelerinin güç tüketimi değerinin önemi artmıştır. Yazılım tanımlı telsiz, radar, elektronik harp ve benzeri sistem uygulamalarında, düşük kayıplı, düşük güç tüketimli, geniş faz kaydırma özellikli ve geniş bantlı pasif faz kaydırıcı devrelerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu yüzden, bu çalışmada özgün, pasif, geniş faz kaydırmalı, geniş bantlı sayısal faz kaydırıcı devre tasarımı hedeflenmiştir. Literatürdeki bazı çalışmalarda T ve Pi LC Ladder yapıları kullanılmıştır. Fakat bu çalışmalarda kullanılan faz kaydırıcı yapıları, her ne kadar düşük faz hatası ve düşük kayıp ile tasarlanmış olsa da, T ve Pi yapılarının faz kaydırma için kullanılması nedeni ile geniş bantta sonuç alınamamıştır. Bir başka makalede faz kaydırma çiftli bölümler ve üniform iletim hatları kullanılarak yapılmıştır. Bu faz kaydırıcı tasarımının geniş bantlı olabilmesi için çiftli bölümlerin birbiri ile yüksek eşlenikte olması gerekir ki bu da gerçekçi bir uygulama değildir. Yansıtıcı tipinde faz kaydırıcı devrelerinin de literatürde kullanımı oldukça yaygındır. Bu tasarımların bazılarında, toplu öğeli elemanlar hat kuple devreleri yerine kullanılmıştır. Ancak bu elemanlar, sonuç olarak düşük bant ve yüksek kayıpların olmasına neden olmaktadır. Literatürde, aktif vektör modülatörlere bağlı faz kaydırıcı devreleri de mevcuttur. Bu topoloji kullanılarak geniş bantlı bir sonuca ulaşılamamıştır. Ayrıca, monolithic microwave integrated circuit (MMIC) aktif faz kaydırıcılarda değişken rezonant devreleri de kullanılmaktadır. Bu tip aktif faz kaydırıcılar, sadece düşük bant ve yüksek giriş kaybı ile gerçeklenebilmektedir. Anahtarlama modu yapısı kullanan sayısal faz kaydırıcı devreleri de literatürde yer almaktadır. Bu çalışmalarda mikrostrip hatlar faz kaydırıcı elemanı olarak kullanılmış olup pin diyotlar anahtarlama elemanı olarak kullanılmıştır. Bu yöntem her ne kadar düşük kayıp ve düşük faz hatasına sahipse de, geniş bant gerçeklenmesi için uygun değildir. Bu çalışmada, geniş bantlı, düşük güç kayıplı, düşük faz hatalı, kompak, sayısal bir tasarım elde etmek için, literatürde ilk kez simetrik tüm geçiren kafes yapıları faz kaydırıcı birimleri olarak kullanılmıştır. Tüm geçiren simetrik LC kafes yapıları ikiye ayrılırlar, önde faz kaydırıcı yapısı (Tip-1) ve geride faz kaydrıcı (Tip-2) yapısı. Önde faz kaydırcı yapısı kullanıldığında sadece 00'den 1800'ye kadar olan faz kaydırma değerlerine ulaşmak mümkün iken, arkada faz kaydırıcıların kullanılması durumunda, 00 'den -1800'ye kadar olan faz kaydırma sonuçlarını almak mümkündür. Eğer bu iki faz kaydırıcı, aralarında anahtarlama yapılarak birlikte kulllanılırsa 00-3600 'ye kadar olan tüm faz çemberinde faz kaydırma işlemini yapabilir hale getirilebilir. Her iki faz kaydırıcı birimi, paralel olarak kullanılıp, giriş ve çıkıştaki elektronik anahtarlar ile birbiri arasında anahtarlanarak 00-3600 arasında faz kaydırıcı elde etmek mümkündür. Ancak bu uygulama, biri giriş bölümünde, diğeri çıkışta olmak üzere, iki adet tek giriş, çift çıkış anahtarlama devre elemanı gerektirmektedir. Ayrıca Tip-1 ve Tip-2 faz kaydırıcı devrelerinin ayrı ayrı kullanılması ve bu iki devrenin birbiri ile bağlanması için gerekli bağlantılar hem geniş bir serim alanı kaplamasına hem de bu bağlantı yollarından kaynaklı olmak üzere parazitik endüktans, kapasite ve direnç eklenmesine neden olur. Bu fazladan gelen parazitik elemanlar, devrenin elektriksel performansını çok ciddi şekilde etkilerler. Özellikle, bu parazitik elemanlardan kaynaklı performans düşüklüğü en çok geniş bant gereksinimini etkilemektedir. Bu sebeple, Tip-1 ve Tip-2 yapılarının giriş ve çıkışta anahtarlama ile kullanılma yöntemi yüksek performans ihtiyaçlarını karşılamak için uygun değildir. Bu sebeple, bu tezde uygulaması hem kolay olan, hem de faz kaydırıcı performansı var olan literatürden daha iyi olan özgün bir sayısal faz kaydırıcı yapısı önerilmiştir. Özgün ve yüksek performanslı sayısal faz kaydırıcı tasarımı, özgün bir anahtarlama yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Önerilen faz kaydırıcı yapısı, çip alanını azaltmakta ve parazitik elemanlardan kaynaklı etkileri en aza indirgemektedir. Bunun sonucunda devrenin kaybı azalmakta ve faz kaydırıcının kullanılabildiği frekans genişliği artmaktadır. Bu yeni yöntem geniş faz kaydırma özelliğini geniş bant içerisinde sağlamakta olup, düşük faz hatası ve kazanç kaybı ile yüksek performans elde edilmesini sağlamaktadır. Bu fikrin en temel özelliği, Tip-1 ve Tip-2 yapıdaki simetrik kafes faz kaydırıcı birimlerini tek bir devre altında birleştirmesidir. Bu devre, bu sebeple tez boyunca 'Basit ve Tekil-Simetrik Sayısal Faz Kaydırıcı' (Single and Single-Symmetrical Digital Phase Shifter ya da SSS-DPS ya da 3S-DPS) olarak adlandırılmıştır. Önerilen 3S-DPS yapısı, anahtarların AÇIK ve KAPALI konumuna göre ya Tip-1 tüm geçiren simetrik kafes yapısı ya da Tip-2 tüm geçiren simetrik kafes yapısı gibi davranmaktadır. Önerilen 3S-DPS yapısının her bir kolunda seri bir kondansatör ve bobin bulunur. Bu kondansatör ve bobinin her birinin paralelinde bir NMOS transistör bulunmaktadır. Bu NMOS transistör anahtarlama elemanı olarak kullanılmaktadır. NMOS transistör KAPALI hale getirilerek, paralelindeki bobin veya kondansatör kısa devre yapılabilir. Bu şekilde, simetrik kafes yapısının ilgili kolu sadece bobin olarak (kondansatörün paralel NMOS'u KAPALI iken) veya kondansatör olarak (bobinin paralel NMOS'u KAPALI iken) davranarak Tip-1 veya Tip-2 tüm geçiren simetrik kafes yapıları gibi davranışı, bir yapıyla sağlanmış olmaktadır. Bu tezde, 3S-DPS'nin Tip-1 gibi davrandığı durumuna Durum-1 hali, benzer şekilde, 3S-DPS'nin Tip-2 gibi davrandığı durumuna Durum-2 hali adı verilmiştir. Bu tezde, yeni bir buluş olan 3S-DPS yapısının tasarım denklemleri ayrıntılı olarak ele alınmıştır. Öncelikle yeni buluşun bütün devre elemanları ideal olarak düşünülmüş ve bu ideal elemanlı yapının devre çözüm denklemleri çıkartılmıştır. Bunun sonrasında ideal devrenin adım adım nasıl tasarlanacağı anlatılmıştır. Bunun üzerine, yapının algoritmik olarak tasarım adımları oluşturulmuş ve tasarım algoritması MATLAB ortamında denenmiştir. Sonrasında, ikinci aşamada yeni buluşun pratik devre elemanları ile tasarımı yapılmıştr. Bu tasarım için kolay bulunabilirlirliği ve kavram ispatı için yeterli olması nedeniyle TSMC 0.18µm CMOS prosesi kullanılmıştır. Bu ikinci aşamada, ilk olarak yapının devre çözüm denklemleri çıkartılmıştır. Sonrasında, devrenin çıkış fazını belirlemek için 3S-DPS devresinin Durum-1 ve Durum-2 hallerinin istenilen merkez frekansındaki fazlarının nasıl bir dağılımda olduğu, devrenin performansını ciddi bir şekilde etkilediği gözlemlenmiştir. Bu dağılım genel olarak üç durumda incelenmiştir. Birincisi merkez frekansta Durum-1 ve Durum-2 fazlarının eşit olma durumudur. İkincisi merkez frekansta Durum-1 ve Durum-2'nin fazlarının eşit olmama ve aynı zamanda Durum-2 fazının pozitif olma durumudur. Üçüncüsü ise, merkez frekansta Durum-1 ve Durum-2'nin fazlarının eşit olmama ve negatif olma durumudur. Bu üç durum da ayrıntılı olarak incelenmiştir. Pratik devre tasarım denklemleri ve algoritmaların kavram ispatı, 3 bit faz kaydırıcı blokları olan 450, 900 ve 1800 faz kaydırıcı devrelerini tasarlamakta kullanılmıştır. Öncelikle, devreye ait denklemlerin çıkarılmasından sonra oluşturulan algoritma MATLAB ortamında denenmiştir. İlk olarak 450 faz kaydırıcı tasarımlarının sonuçları karşılaştırılmıştır. Merkez frekansta Durum-1 ve Durum-2 fazlarının eşit olma durumunu kullanan algoritma en düşük frekans bandında çalışmakta olup, merkez frekansta Durum-1 ve Durum-2'nin fazlarının eşit olmamakla beraber her ikisinin de negatif olma durumu en geniş frekans bandında çalıştığı gözlemlenmiştir. Kavram ispatını silikon üzerinde göstermek için, Cadence ortamında TSMC 0.18µm CMOS proses PDK kütüphanesi kullanılarak şematik tasarımı ve benzetimi yapılmıştır. Şematik benzetim sonuçlarında, algoritmik olarak MATLAB ortamında alınan sonuçlara oldukça yakın sonuçlar elde edilmiştir. Bu deney sonucunda, hem önerilen devrenin üstün performansta çalıştığı gösterilmiş, hem de yeni buluşun teorik açıklaması ve bunun üzerine oluşturulan algoritmanın doğruluğu ispatlanmıştır. Yazılan algoritma, ilgili tasarımcının hızlı bir şekilde tasarlamak istediği devrenin eleman değerlerini bulmasına olanak sağlamaktadır. TSMC 0.18µm CMOS prosesinde tasarlanan şematik sonrasında proses ve Monte-Carlo analizleri yapılarak performansın ne kadar değiştiği gözlemlenmiştir. Devre, prosesten ve uyumsuzluktan etkilenmeyecek şekilde tasarlandığı için, sonuçlarda nominal değerlerden çok az sapma oluşmuştur. Yüksek frekans devrelerinde devre eleman tasarımı kadar, devrenin serimi önemlidir. Yüksek frekanslı uygulamalarda, devre seriminden kaynaklı parazitikler ve yollar arasndaki kuplajlar elektriksel performansı çok etkilemektedir. Bu sebeple, devrenin serimi çizilmiş ve çizilen serimin 3D EM analizi yapılmıştır. Devrenin serimi, yüksek frekans önceliklerine uyularak yapıldığı için, ciddi bir performans kaybı olmamıştır. Alınan sonuçları diğer son teknoloji tasarımlarla kıyasladığımızda, önerilen devrenin, benzer faz hatası oranında diğerlerinden çok daha geniş frekans bandında çalıştığı kavramsal olarak ispat edilmiştir. Sonuç olarak, bu tez çalışmasında, önerilen devrenin, hem teorik, hem de pratik olarak kavramsal ispatı gerçekleştirilmiştir. 'Basit ve Tekil-Simetrik Sayısal Faz Kaydırıcı' devrenin, geniş bantta düşük faz ve düşük kazanç kaybı ile gerçeklemesini sağlayarak, yeni nesil iletişim sistemlerinde kullanılabilecek önemli bir yapı elemanı olduğu kavramsal olarak ispatlanmıştır.Digital phase shifters are the major building blocks of electronically steered smart antenna array systems. Next generation communication system, 5G requires the control of the direction of the signal radiation which is called beamforming. Beamforming can be done by turning the antenna physically and directing the signal accordingly. However this needs extra precise mechanical components to steer the antenna, which are indeed cost hungry. In modern communication systems, beamforming is accomplished using phased array systems which are utilized to direct the signal digitally via phase shifters. The phase shifters within phased array systems are the key control elements to focus the radiated signal to the desired direction. In practice, a phase shifter module is placed in the back of each antenna. A phase shifter module consists of cascade connection of phase shifting cells. A phase shifting cell is a lossless, reciprocal, passive two-port constructed with interconnection of reactive immittances. For example, a 3-bit phase shifter module consists of cascade connection of 45^0, 90^0 and 180^0 phase shifting cells. The expression "digital phase shifter" stems from the operation of phase shifting cells. In other words, each phase shifting unit includes perhaps more than one solid-state switches manufactured as PIN diodes or CMOS transistors etc. In one state, say in "State-A", each switch is either ON or OFF. In this switching state, at a specified frequency〖 f〗_0, the phase shift from the input to the output of the cell under consideration is measured as θ_A. Similarly, in the other switching state, say, in "State-B", one obtains a phase shift of θ_B. Thus, the net phase shift between State-A and State-B is ∆θ=θ_B-θ_A. Each phase shifting cell possesses two-level or binary switching states. It is either one (State-A) or zero (State-B). Many thousands of phase shifters are placed on a single plate. Therefore, their power consumptions are highly crucial. Many applications, such as software defined radios, radars, electronic warfare systems, point to point or directed communication systems employ "low loss, low power consumption, broadband and wide phase range" passive digital phase shifters. Thus, in this thesis, a novel passive, broadband, wide phase range, compact digital phase shifter topology is introduced. In the new topology, CMOS transistors are used as switching elements. By properly switching, proposed topology resembles the operation of either "symmetrical LC-all pass" with lagging-phase or "symmetrical LC-all pass" with leading-phase. Proposed compact topology can provide any phase shift between 0^0- 〖360〗^0 by proper selection the passive component values. In this thesis, design details, and practical MMIC implementation issues are covered. Eventually, complete design of 〖45〗^0, 〖90〗^0and 〖180〗^0 digital phase shifting cells are presented. It is shown that proposed digital phase shifter topology provides wide phase shifting capability over broad frequency band with reasonable loss.DoktoraPh.D