Yüksek Frekans Uygulamalarına Yönelik Faz Kaydırıcı Devre Tasarımlarında Yeni Olanaklar
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa, Mühendislik Fakültesi, Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2026
Tezin Dili: Türkçe
Öğrenci: Merve Kılınç
Danışman: Fırat Kaçar
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:Bu tezde, modern haberleşme sistemlerinde kritik öneme sahip faz kaydırıcıların performans, doğruluk ve entegrasyon düzeylerini artırmaya yönelik yeni tasarım yaklaşımları sunulmaktadır. Beşinci nesil (5G) ve ötesi kablosuz haberleşme, radar, seyrüsefer, füze güdüm vb. sistemlerinde faz kaydırıcılar; sinyal yönlendirme, zamanlama hassasiyeti ve anten örüntüsünün kontrolünde belirleyici rol üstlenmektedir. Bu nedenle faz doğruluğu, bant genişliği, iletim kaybı ve kararlılık gibi elektriksel performans göstergelerinin yanı sıra fiziksel boyut ve çip alanı da tasarımın temel kriterlerindendir. Bu bağlamda, tez çalışması faz kaydırıcı tasarımını yalnızca devre düzeyinde değil, fazlı dizi anten sistemlerinin bütünsel performansını etkileyen bir mühendislik problemi olarak ele almaktadır. Çalışma kapsamında, bant geçiren, yüksek geçiren ve alçak geçiren tabanlı yapılar, anahtarlamalı devre mimarileri ile simetrik latis (kafes) yöntemleri kullanılarak oluşturulan çeşitli faz kaydırıcı topolojileri ayrıntılı biçimde incelenmiş ve bunlara ek olarak özgün çok bitli bir faz kaydırıcı devresi önerilmiştir. Bu değerlendirmeler doğrultusunda, anahtarlamalı devre yaklaşımı temel alınarak çok bitli CMOS faz kaydırıcı tasarımlarına odaklanılmıştır. Literatür incelemeleri, faz kaydırıcı tasarımlarındaki temel tasarım zorluğunun fiziksel boyut gereksinimi olduğunu ortaya koymaktadır. Bu gereksinimi en çok etkileyen ve tasarım esnekliğini sınırlayan başlıca eleman ise RF devrelerinde yaygın biçimde kullanılan endüktörlerdir. Bu sınırlamayı aşmak amacıyla tez kapsamında pasif endüktörlerin yerini alabilecek özgün bir CMOS aktif endüktör mimarisi geliştirilmiştir. Önerilen tasarım, literatürde "jiratör" (gyrator) olarak bilinen yapıya dayalı akım–gerilim dönüştürücü tabanlı bir endüktans eşdeğerine sahiptir ve kalite faktörünü artırmak amacıyla yapıya geri besleme direnci entegre edilmiştir. Geçiş iletkenliğini yükseltirken güç tüketimi ve gürültüyü azaltan Gm-artırma tekniği kullanılarak aktif endüktörün ayarlanabilirliği genişletilmiştir. Geliştirilen aktif endüktör, çok küçük çip alanı, geniş endüktans ayar aralığı ve yüksek frekanslarda kararlı çalışma özellikleriyle modern haberleşme devrelerindeki kompaktlık gereksinimlerine önemli bir çözüm sunmaktadır. 180 nm RFCMOS teknolojisi ile 1.8 V besleme gerilimi altında tasarlanan aktif endüktör, 4.5 nH ile 215 nH arasında ayarlanabilir endüktans sunmakta ve yaklaşık 4.1 GHz'e kadar endüktif davranış göstermektedir. Tasarımın kararlılığı, sıcaklık, köşe ve Monte Carlo analizleri ile doğrulanmıştır. Önerilen aktif endüktörün bir doğrulaması olarak ve pratik RF sistemlerinde uygulanabilirliğini göstermek amacıyla, yapı 0.8–2.1 GHz bandında çalışan, 13.43–13.88 dB aralığında kazanca sahip geniş bantlı bir CMOS RF küçük işaret kuvvetlendiricisine entegre edilmiştir. Gerçekleştirilen ayrıntılı analizler neticesinde başarımı doğrulanmıştır. Bu doğrulamanın ardından, tezin temelini oluşturan 5-bitlik faz kaydırıcı tasarımı geliştirilen aktif endüktörle bütünleştirilmiştir. Faz kaydırıcı topolojisindeki toprağa bağlı tüm endüktörler, gerekli ayarlamaların yapılmasının ardından önerilen aktif endüktör mimarisiyle değiştirilerek devrenin fiziksel boyutu önemli ölçüde azaltılmıştır. Bu entegrasyon yalnızca alan kazancı sağlamamış aynı zamanda faz doğruluğunun iyileştirilmesi, bant içi davranışın daha kararlı hâle gelmesi ve faz hatasının küçülmesi gibi önemli performans artışları da sağlamıştır. 2.2–3.6 GHz bandında çalışan, giriş ve çıkış yansıma katsayıları –10 dB'nin altında bir faz kaydırıcı elde edilmiştir. Faz doğruluğu açısından, bant boyunca RMS faz hatası 3.3°'nin altında kalmıştır. Tüm topraklanmış pasif endüktörlerin aktif endüktörlerle değiştirilmesi sayesinde yaklaşık 0.17 mm²'lik toplam çip alanı kaplamaktadır. Böylelikle, gerçekleştirilen analizlerde düşük RMS faz hatası, stabil çalışma ve geniş bantlı davranış gibi mikrodalga devrelerdeki gereksinimlerle uyumlu sonuçlar ortaya konulmuştur. Elde edilen sonuçlar, özgün aktif endüktör mimarisinin faz kaydırıcılara entegrasyonunun yeni nesil haberleşme sistemlerinde elektronik devre tasarımına yeni olanaklar sunduğunu göstermektedir. Bu çalışma, pasif endüktör kaynaklı alan kısıtlarını ortadan kaldırarak faz kaydırıcıların kompakt hâle gelmesini sağlamış, farklı topolojilerin aktif elemanlarla yeniden tasarlanabilmesine olanak tanımış ve yüksek performanslı RF mikrodalga uygulamaları için alternatif bir tasarım yaklaşımı ortaya koymuştur. Geliştirilen aktif endüktör tabanlı faz kaydırıcılar, radar, seyrüsefer, anten faz dizileri ve geniş bantlı devreler gibi geleceğin haberleşme teknolojilerinde kullanılabilecek ölçeklenebilir, tümleştirmeye uygun ve yüksek doğrulukla çözümler sunmakta, düşük faz hatalı ve tümleşik devreye uygun faz kaydırıcı mimarileri açısından literatüre anlamlı bir katkı sağlamaktadır.