Page 116 - bilgem-teknoloji-dergisi-5

Bahattin TÜRETKEN, Koray SÜRMELİ, Aziz U. ÇALIŞKAN Radar Antenleri – V: Faz Dizili Antenler – Besleme, Uygulama ve Gelişim Yönü
plakası doğrusal polarizasyonlu dalgayı dairesel sağlarken, yüksek geçiren durumunda da faz ilerlemesi
polarizasyonlu dalgaya dönüştürür. Bu dalga uygulanan sağlar.
alanın doğrultusuna ve genliğine bağlı olan kendi içsel fazı MEMS faz kaydırıcılarda eleman başına ışıyan güç
ile ferrit yüklü bölge içerisinden ilerler. Çıkıştaki çeyrek miktarı nispeten daha düşük olduğundan pasif faz dizili
dalga plakası dairesel polarizasyonlu dalgayı tekrar doğrusal antenler için bir alternatif sunarlar. MEMS faz kaydırıcılar
polarizasyonlu dalgaya çevirir. Karşılı bir aygıtta, karşılı küçük boyutları, düşük ağırlıkları, düşük araya girme
olmayan bu etkilerin birleşimi sayesinde manyetizasyonun kayıpları ve düşük güç tüketme gibi özellikleri nedeniyle
doğrultusunun tersine çevrilmesine gerek duyulmaz. yüzey etkin (space-based) dizi anten uygulamalarında
Anahtarlama sürelerini küçültmek için enine manyetik kullanılırlar.
(transverse magnetic) dört kutuplu alan ile kontrol edilen
değişken ferrit bölümlerinin yer aldığı alternatif tasarımlar 1990’lı yıllarda verici/alıcı birimleri için tek parça
da mevcuttur. mikrodalga tümdevre (‘Monolithic Microwave Integrated
Circuit’, MMIC) faz kaydırıcılar geliştirilmiştir. Bu tip faz
Döner alan ferrit faz kaydırıcılar karşılıdır. Bu faz
kaydırıcı yapısı, sırasıyla, dikdörtgen dalga kılavuzundan kaydırıcılar küçük boyutlara, yüksek anahtarlama hızlarına,
düşük güç tüketim düzeylerine ve düşük maliyet
dairesel dalga kılavuzuna dönüştürücü, doğrusal özelliklerine sahip olup, bir verici/alıcı biriminin düşük güç
polarizasyondan dairesel polarizasyona dönüşüm tarafında alçak geçiren süzgeçten sonra kullanılır.
gerçekleştiren bir kutuplayıcı (polariser), enine manyetize
edilmiş bir ferrit parça, dairesel polarizasyondan doğrusal 4 SiGe VE LDMOS TEKNOLOJİLERİ
polarizasyona dönüşüm gerçekleştiren bir başka kutuplayıcı
ve dairesel dalga kılavuzundan dikdörtgen dalga kılavuzuna GaAs teknolojisi, yüksek taşıyıcı hareketliliğine sahip
dönüştürücüden oluşmaktadır. Merkezdeki ferrit dairesel olduğundan yüksek frekans uygulamalarında sıkça
dalga kılavuzunun içerisini tamamen doldurur ve enine dört kullanılmaktadır. Yüksek gerilime dayanma özelliği, düşük
kutuplu bir alan ile sürülür. Bu alan çerçeve içerisine ısıl direnci ve ışınıma (radyasyona) karşı yüksek bağışıklığı
yerleştirilen sinüs ve kosinüs sarmalları ile üretilir. Her bu teknolojinin askeri uygulamalarda da yaygın olarak
sarmal ferrit parça içerisinde enine dört kutuplu manyetik kullanılmasını sağlamıştır. Bununla beraber, GaAs
alan üretir. Sarmallar birbirine geçirilir. Öyle ki, iki sarmal teknolojisinin üretim süreçlerindeki düşük verim
içerisindeki akımları ayarlamak suretiyle dört-kutup alanın problemine çözüm bulunamaması, bu teknoloji ile üretilen
ana eksenleri herhangi bir açıya döndürülebilir. Faz bileşenlerin (komponentlerin) maliyetlerinin yüksek
kaymasının miktarı, manyetize edilmiş olan ferrit parçanın olmasına neden olmaktadır. Faz dizili antenlerde çok sayıda
ana ekseninin etkin açısı ile orantılıdır. verici/alıcı birimi kullanıldığından, bileşenlerin toplam
maliyete katkısı yüksektir. Sadece maliyeti düşürmek için
3.3 Elektronik Faz Kaydırıcılar değil, GaAs teknolojiyle gelinen noktada kalmayıp, daha
hafif ve hava soğutmalı anten tasarımının yapılabilmesi için
Genel olarak dört farklı elektronik faz kaydırıcı yapısı de alternatif teknolojiler geliştirmek, günümüzde üzerinde
mevcuttur [12], [13]. Bunlar anahtarlamalı hat faz çalışılan konulardandır.
kaydırıcılar, hat yansımalı faz kaydırıcılar, yüklemeli hat faz
kaydırıcılar ve yüksek ya da alçak geçiren faz kaydırıcılardır. Yüksek frekans uygulamalarında (cep telefonu, WLAN
gibi) LDMOS (Laterally Diffused MOS) ve SiGe HBT
Faz yapısını elektronik olarak anahtarlayabilmek için bu (Heterojunction Bipolar Transistor) BiCMOS teknolojileri geniş
devreler içerisinde pin diyotlar, alan etkili transistörler (FET) olarak kullanılmaktadır. Benzer olarak, faz dizili antenlerin
veya mikroelektromekanik anahtarlar (MEMS) kullanılır. verici/alıcı birimlerinde de silisyum (Si) teknolojisinin
Anahtarlamalı hat faz kaydırıcılar ve hat yansımalı faz kullanılması gündemdedir. Askeri uygulamalarda Si
kaydırıcılar, farklı uzunluktaki iki iletim hattından birini teknolojisinin kullanılmaya başlamasıyla, yakın gelecekte bu
seçmek için anahtarlar kullanırlar. Yüklemeli hat faz sistemlerin hem fiyatlarının düşmesi hem de güvenilirliğinin
kaydırıcılarda ise, faz hızını artırmak için devre içerisinde yükselmesi beklenmektedir.
yer alan endüktörler, faz hızını azaltmak için de devre
içindeki kondansatörler anahtarlanır. Bu yapıda reaktans Enstitümüzde sistem veya cihaz tasarımına genel olarak
bileşenlerinin birbirlerini sıfırlamaması için çeyrek dalga hat bileşen düzeyinden başlanmaktadır. Kripto cihazları için
kullanılır. Yüksek/alçak geçiren faz kaydırıcılarda, T devresi milli algoritma içeren uygulamaya özgü tümdevrelerin
içerisindeki uygun elemanlar seçilerek anahtarlar ya alçak (‘Application-Specific IC’, ASIC) enstitümüzde üretilmesi gibi,
geçiren devre ya da yüksek geçiren devre durumuna faz dizili antenlerde kullanılan MMIC’lerin de enstitümüzde
getirilir. Devre alçak geçiren durumunda faz gecikmesi gerçeklenmesi planlanmıştır. Bu amaçla DPT’nin
desteklediği altyapı projeleri ile enstitümüzün Yarıiletken
114 Sayı 05 Ocak-Nisan 2011
·
Teknolojileri Araştırma Labortuvarının (YİTAL) cihaz parkı; jonksiyonuna kadar dereceli olarak artırılması halinde baz
S bandında güç kuvvetlendiricisi gerçeklemek için LDMOS bölgesi içinde yasak bandın enerji düzeyi dereceli olarak
teknolojisini ve X bandında çalışabilecek MMIC üretimi için düşmektedir. Bu durum baz bölgesi içinde sözde bir
de 0,25 μm SiGeC BiCMOS teknolojisini geliştirecek biçimde elektriksel alan oluşmasına neden olmakta ve taşıyıcıların
güncellenmiştir. Aşağıda bu teknolojiler kısaca tanıtılacaktır: hareketliliğini yükseltmektir. Oluşan bu elekriksel alan 30-
a) LDMOS Teknolojisi 40 kV/cm mertebesindedir. Bu mertebede bir elektriksel
alan yaratmak için silisyuma atomca % 12 mertebesinde Ge
Bu teknolojiyle üretilen RF güç transistörleri; yüksek katkılanması gerekmektedir. Ge katkısıyla bipolar transis-
gerilimde çalışma olanağı, kaynak kontağının doğrudan törün baz bölgesindeki enerji bandının değişimi Şekil 4’te
toprağa bağlanması, güvenilirliğinin yüksek ve gösterilmiştir.
alternatiflerine göre (pHEMT, GaN) düşük maliyetli olması
nedenleriyle cep telefonlarının baz istasyonlarında ağırlıklı
olarak kullanılmaktadır. Benzer olarak, S bandı faz dizili Si
radarların güç katında da LDMOS transistörleri kullanılmaya e
-
başlamıştır. - SiGe
e
Standart MOS transistörlerden farklı olarak, LDMOS
yapısında transistörün etkin kanal genişliği fiziksel kanal E C
boyundan daha kısadır. Bu özellik transistörün kanal E F
bölgesindeki katkı profilinin kaynak bölgesinden savak Enerji [eV]
bölgesine doğru sert bir eğimde olması sağlanarak elde
edilir. Böylelikle bu yapının daha yüksek frekansta çalışması E V
sağlanmıştır. Transistörün yüksek gerilimde çalışma özelliği n p n
ise, kanal bölgesini takiben savak bölgesinin az katkılı -
yüksek dirençli - olmasıyla elde edilir. Yüksek dirençli savak (a)
bölgesinin uzunluğu artırılarak LDMOS transistörünün
çalışma gerilimi yükseltilir. Savak bölgesindeki bu ek direnç,
transistörün akımının sınırlanması üzerinde negatif etki
oluşturmaz, fakat transistörün güç verimini düşürmesi %12 Ge
(Power Added Efficiency) açısından önem taşımaktadır.
LDMOS’un çalışma gerilimi savak direnci yükseltilerek elde Ge Yoğunluğu
edildiğinden, transistörün belverme gerilimi çalışma
isterlerini ancak karşılayacak değerde seçilmelidir. LDMOS
yapısı RF güç uygulamaları için ayrık bileşen olarak
kullanılmasına ek olarak MMIC’lerde de kullanılmaktadır. Emetör Baz Kollektör
2010 yılı içinde 6 GHz WLAN uygulamaları için 1 W çıkış
güçünü % 40 savak verimi ile sağlayan LDMOS, SiGe
(b)
BiCMOS süreci içinde gerçeklenmiştir [14].
b) SiGe Teknolojisi Şekil 4. SiGe karma jonksiyonlu bipolar transistörün a) enerji bant
diyagramı, b) baz bölgesine yapılan Ge katkı profili.
Bu teknolojinin getirdiği temel yenilik bipolar
transistörün baz bölgesine Germanyum (Ge) katkısıdır.
Bipolar transistörün emetör bölgesinden baz bölgesine giren Karma jonksiyonlu (heterojunction) bipolar transistörlerin
taşıyıcılar (npn yapısı için elektronlar) bu bölgede artık bir baz bölgelerinin oluşturulmasında bölgesel epitaksiyel film
azınlık taşıyıcısıdır ve kollektör bölgesine ulaşıncaya kadar depolama tekniği kullanılmaktadır. Si pul yüzeyinde
difüzyonla hareket ederler. Taşıyıcıların baz bölgesinde bölgesel olarak depolanan SiGe filmleri, süreç
aldıkları mesafe ne kadar kısa ise ya da taşıyıcılar bu bölgede tamamlandığında bipolar transistörlerin baz bölgelerini
ne kadar hızlı hareket ederlerse, transistör o kadar hızlı oluşturmakta, böylece, standart CMOS sürecinin yanında,
çalışacaktır. Bipolar transistörlerin kesim frekansının bipolar düzenler için gerekli baz ve emetör bölgeleri
yükseltilmesi için, 1990’lı yılların başında IBM firması, eklenerek, aynı kırmık üzerinde hem NMOS ve PMOS hem
silisyuma Ge eklenmesiyle Si kristalinin enerji bant de bipolar yapılar üretilebilmektedir. Si kristaline Ge
aralığının değiştirilebildiğini göstermiştir. Ge atomlarının katkılanmasıyla yasak bant aralığının değiştirilmesi ve
yoğunluğunun emetör jonksiyonundan başlayarak kollektör bipolar transistörün performansının yükselmesine ek olarak,
http://www.bilgem.tubitak.gov.tr/ 115