סימולציה ככלי לתכנון מגבר הספק רחב סרט בטכנולוגית GaN

מבוא
מאמר זה מתאר מתודולוגית תכנון מגברי הספק רחבי סרט בטכנולוגית GaN המבוססת על סימולציה תוך שימוש בקו עומס (Load-line), משיכת עומס (Load-pull) וסינתיזת תדרים ממשיים. התכנון המוצג כאן הוא של מגבר Class F המבוסס על טרנזיסטור Qorvo 30 W gallium nitride high electron mobility transistor (HEMT) T2G6003028-FL .
המגבר המתוכנן מיועד לספק 25 וואט ברוחב סרט שבין 1.8 ל-2.2 ג’יגהרץ, ו-PAE מקסימלי. תהליך התכנון התבצע תוך שמוש במודל לא לינארי מסוג Modelithics GaN HEMT עבור טרנזיסטור Qorvo, ובשילוב סביבת התכן של חברת נשיונל אינסטרומנטס NI AWR™ Design Environment, כלי תכן למעגלים מתוצרת Microwave Office, מודלים של חברת Modelithics Microwave Global וכלי תכן למגברים AMPSA Amplifier Design Wizard – .

סקירת התכנון
תהליך התכנון התחיל במדידת הזרם והמתח של צומת drain-source של מחולל זרם פנימי ב-Microwave Office. נתוני קו עבור עומס קרוב לאופטימלי, עכבות סיום בתדר היסודי ועכבות עבור תדרים הרמוניים בעבודה בתדר מזין יחיד נמצאו עבור אופני הפעולה הנדרשים. טווח העכבות נמצא בעזרת סימולצית load-pull. השמוש ב-ADW יחד עם תוכנת Microwave Office איפשר ביצוע מהיר של סינטזת תדר אמיתי של הרשתות התואמות סימולטנית הן עבור העכבות בתדר היסודי והן עבור ההרמוניות בכל רוחב הפס. רשתות אלה יוצאו לתוכנת – Microwave Office על מנת להשלים את אופטימיזית התכנון, ביצוע אנליזה לא לינארית וסימולציה אלקטרו- מגנטית.

תהליך התכנון
התכנון החל ביצירת תרשים של מעגלי Bias וייצוב עבור הטרנזיסטור. לאחר השגת התנאים הדרושים החל התכנון הראשוני של קו ההזנה ותיאום העכבות, כמתואר באיור 1.

כיוון ראשוני של עכבות קו העומס והעכבות בתדרים ההרמוניים
בתחילת התהליך שורטט קו על עקומת IV כדי להעריך את קו העומס הקרוב לאופטימלי בתדר היסודי (משרעת הזרם ומתח RF המקסימליות לפני שמופיע קיטוע חזק). קו העומס הדינמי הוגדר בעזרת מודד ששולב במודל וניטר את מתח וזרם ה-drain הפנימי, והטלת תוצאות מדידת קו IV של העומס הדינמי (DLL) על עקום IV. הקו עבר כיוונונים שהפכו אותו לקו ישר ומקביל לקו ששורטט. הכוונון בתדירויות הנבחרות בוצע על ידי כוונוון עוצמה ומופע העכבות המוצא של הטיונר. בשלב זה סימולצית האיזון ההרמוני (Harmonic Balance) היתה מוגבלת לתדירות של הרמוניה יחידה – התדר היסודי. בנוסף, העכבה ההרמונית של טיונר המוצא וכל עכבות המבוא שלו נקבעו ל-50 אוהם. התוצאה הסופית של כוונון קו העומס מוצגת באיור 2.
לאחר קביעת העכבה בתדר היסודי, שולבו עכבת ההרמוניה השניה והשלישית במודל ה-drain הפנימי וכוונו בהתאם לאופן (mode) הפעולה המבוקש. כיוון שאופן הפעולה המבוקש הוא Class-F עכבת ההרמוניה השניה הותאמה כך שתייצג מעגל מקוצר והעכבה לגבי ההרמוניה השלישית תייצג מעגל פתוח. (ראה איור 3)
העכבה היסודית במבוא הטיונר נקבעה כך שתתאים ל-S11 של הטרנסיסטור, לשיקולי היציבות ולרשת המקדם. הכוונה היא להגיע לתיאום הטוב ביותר על מנת לאפשר קבלת שבח מירבי. העכבה ההרמונית של טיונר המבוא נקבעה ל-50 אוהם. לאחר התאמת כל העכבות בוצעה סימולציה סופית (תוך שימוש בשלוש הרמוניות) על מנת לאשש שהתכנון אכן פועל באופן הרצוי. איורים 4 ו-5 מראים את התצורה הקלסית של תכנון לאופן Class-F.

מציאת ערך עכבת
LOAD-PULL
סימולציית עכבת load-pull בוצעה תוך שימוש בנתוני עכבות המבוא והמוצא שנקבעו בשלב הקודם, על מנת לקבוע את קוי ההספק המקסימלי ושל הספק ה-drain מירבי (Drain Efficiency).
באותו מעגל נעשה שימוש לקביעת עכבת העומס בשלב הכיוונון התחלתי, אך כאן הוסף בקר XDB (איור 6) לצורך קבלת גבולות ההספק הקבוע והנצילות, וגם דחיסת הגבר אחיד. תרשים זה זהה לאיור 1, אך עכבות המבוא והמוצא עודכנו והוסף רכיב XDB.
איור 7 מראה את איזור החפיפה בין קוי ההספק המקסימלי וקוי הנצילות ואת האזור המשותף, המבטיח קבלת הספק ונצילות מירביים. בתכנון זה נבחר הספק מוצא נמוך ב-1dB מההספק המקסימלי ונצילות של 5% מתחת לנצילות המקסימלית. באיור 7 אפשר לראות את האיזור המשותף. איזור זה חושב באמצעות משוואות שאפשרו את הגדרת איזור העכבה היסודית האפשרית לצורך סינתיזה של רשת מוצא רחבת סרט.
בשלב הבא נעשתה סימולצית load-pull בהרמוניה שניה ושלישית עבור שתי העכבות שמתאימות לקבלת הספק ונצילות מירביים בסימולצית התדר היסודי. התוצאות מופיעות באיור 8.
ההספק המקסימלי של הקווים שהתקבלו עבור שתי העכבות בהרמוניה השניה הם כמעט זהים. האיזור המתאים סומן בקו. במקרה זה האיזור המתאים הוא מתחת לקו. גם בסימולצית ההרמוניה השלישית הנצילות המקסימלית האופטימלית זהה בשני המקרים, אך יש שוני קל בין שני הקוים. למרבה המזל השפעות שינוי עכבת ההרמוניה השלישית הן קטנות ובקלות התקבל איזור מתאים מעל לקו המשורטט. תהליך חישוב העכבות בוצע עבור כמה תדירויות בפס התדרים המבוקש. במקרה של התכנון הנוכחי סימולציה עבור 1.8, 2, ו-2.2 ג’יגהרץ הספיקה. חשוב לציין כי זו היא שיטה משופרת למציאת עכבת התדר היסודי ועכבות הרמוניות, המתבססת על גישה למתחי וזרמי המחולל הפנימי. גישה לצמתים הפנימיים של ההתקן מאפשרת כיוונון כמעט אופטימלי של קו ההעמסה וקביעת עכבות הרמוניות עבור אופני עבודה מיוחדים בתחילת תהליך התכנון. יכולת זו, יחד עם זמינות המודל מאפשרת להאיץ את תהליך התכנון על ידי הקטנת מספר החזרות על הכיוונונים בין עכבות התדר היסודי ועכבות עומס הרמוניות.
במקרה שמודל הטרנסיסטור הוא “קופסה שחורה” או שאין גישה לנעשה בתוך המודל, יש צורך בחישוב עכבת load-pull עבור מספר גדול יותר של הרצות תכנון. ראשית יהיה צורך לבצע הרצת תכן עבור העמסה בתדר היסודי בעוד העכבות ההרמוניות נקבעות ל-50 אוהם. לאחר מכן צריך לחזור על התהליך עבור עומסים הרמוניים, ואז שוב עם העכבות ההרמוניות החדשות שנמצאו. על מנת לקבל את הביצועים המירביים יש לחזור על אנליזת ההעמסה שוב בתדר היסודי. יהיה צורך בחזרות תכן נוספות עבור הבעיה בגישה זו, מלבד המספר הגדול של החזרות הנדרשות, היא באי ודאות העומס האופטימלי שהוגדר, ואי ידיעת אופן הפעולה.

סיתיזת תיאום רשתות
לאחר קביעת ערכי כל העכבות מבצעים סינתיזה של רשתות התיאום רחבות הסרט בעזרת ADW. איזורי העכבה הדרושים, בתדר היסודי ובתדרי ההרמוניות עבור רוחב הפס הנדרש הוגדרו באמצעים המתאימים של ה-ADW (ראה איור 9).
איזורי העכבות היסודיות בכל תדר מהווים מעגלים על גבי דיאגרמת סמית. איזורי העכבה ההרמונית מהווים חלק מדיאגרמת סמית. בהתבסס על עכבות המבוא שהוזנו ל-ADW, בוצעה סיתיזה עבור מיקרוסטריפ הייברידי ראשוני/רשת תיאום מוצא מקובצת רכיבים (תרשים שמאלי באיור 10)
התכנון הראשוני הוזן ל-ADW לצורך אנליזה, ולצורך הוספת כל רכיבי נטילת הצימוד, ביצוע אופטימיזציה ויישום ה-layout. התוצאה הראשונית עבור רשת התיאום מוצגת באיור 10. תהליך זהה בוצע עבור רשת התיאום בכניסה ושני התכנונים הוזנו לתוכנת Microwave Office לצורך השלמת התכנון.

השלמת התכנון
לאחר הזנת רשתות התיאום ל-Microwave Office, המודלים של Modelithics הוחלפו במודל surface-mount lumped-element שבו נעשה שמוש ב-ADW. סימולציות לינאריות סופיות עבור HB, EM ו-DC בוצעו ב-Microwave Office לשיפור התכנון. תהליך התכנון המתואר חוסך, בדרך כלל, את הצורך באופטימיזציה. התרשים וביצועי התכנון מוצגים באיורים 11 ו-12.
איור 13 מציג את סימולצית הערוץ הפנימי של ההתקן עבור צורות זרם ומתח, בתדרים 1.8, 2 ו-2.2 ג’יגהרץ. אפשר לראות שאופן העבודה של התכנון הסופי קרוב מאוד ל-Class-F בפס התדרים הרצוי. אפשר לטעון ששיטת התכן המתוארת משיגה אופן עבודה ב-Class-F רציף ומקיף.

תוצאות המדידות
המגבר, שתכננו מתואר כאן, נבנה ונבדק. תמונת המגבר מופיעה באיור 14. תוצאות המדידה מופיעות באיורים 15-18 והן התקבלו ללא כל כיוונון, והן מוכיחות שהושגה התאמה מצויינת בין המדידות לערכים שחושבו בסימולציה ללא צורך בכיוונונים נוספים במעבדה. הפער הקל בין ההספק המחושב לבין ההספק הנמדד היה צפוי היות ובמציאות יש קצת יותר הפסדים בכל רכיב, הטרנסיסטור מתחמם, וישנם טולרנסים בכל רכיב. למרות זאת, ההבדל בנצילות היה קצת יותר ממשי. על מנת לפענח אי התאמה זו בוצעה אנליזה לפי ערכים ראשוניים של ערכי הקבלים ברשת תיאום המוצא (איור 18). נקבע כי הקבלים יהיו בדיוק של 5%. מתוך תוצאות האנליזה התברר כי על ידי כוונון ראשוני אפשר להקטין ואולי אף למנוע אי ההתאמה הזו.

מסקנות
מאמר זה מציג שיטת תכנון מעשית ורציפה עבור מגבר הספק RF רחב סרט. השיטה מבוססת על שמוש בכלי תכן- Microwave Office, מודל עבור הטרנסיסטור של Modelithics, המאפשר גישה למישורי היחוס של הגנרטור הפנימי. שילוב כלים זה מאפשר גישה חדשה שבה מוצגות עכבות התדר היסודי וההרמוניות למחולל הזרם הפנימי וכיוונונן עוד לפני סימולציית load-pull. בדרך זו ניתן לקצר את תהליכי החישוב של עכבות התדר היסודי וההרמוניות הדרושות להשגת הביצועים הדרושים. היעילות והיצירתיות של תהליך התכנון שופרו בעזרת השמוש בכלי- ADWהמשולב ב-Microwave Office. כלי זה מספק רמות רבות של אוטומציה, דבר המקטין את הזמן הנדרש ליצור ולשפר את תהליך בניית ה-layout.

References
Vincenzo Carrubba, Alan. L. Clarke, Muhammad Akmal, Jonathan Lees, Johannes Benedikt, Paul J. Tasker and Steve C. Cripps, “On the Extension of the Continuous Class-F Mode Power Amplifier”, IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 59, no. 5, pp. 1294-1303, May 2011.
Thanks to Ivan Boshnakov, ETL Systems Ltd., Malcolm Edwards, AWR Group, NI, and Larry Dunleavy and Isabella Delgado, Modelithics Inc. for their contributions to this application note.