חברת Analog Devices השיקה צמד של שבבי ממיר מעלי תדרי ומורידי תדרי מיקרוגל משולבים במיוחד, ה-ADMV1013, וה-ADMV1014, בהתאמה. מעגלים משולבים (ICs) אלה פועלים על טווח תדרים נרחב מאוד עם התאמה של 50 Ω החל מ- 24GHz ועד 44GHz והם יכולים לתמוך ברוחב פס מיידי של יותר מ- 1GHz. תכונות הביצועים של ADMV1013 ו- ADMV1014 מקלות על התכנון והיישום של פלטפורמות 5G millimeter wave () קטנות המכסות את רוחבי הפס הפופולריים של 28 GHz ו- 39 GHz בחיבורי גישה backhaul ו- fronthaul, כמו גם יישומי משדר ורסיבר ברוחב פס אולטרה-רחבים רבים אחרים.
כל שבב ממיר מעלה תדר וממיר מוריד תדר משולב במידה רבה מאוד (ראו איור 1), ומורכב ממערבלים של in phase () ו- quadrature phase () עם on-chip quadrature phase-shifter שניתן להגדירו להמרה ישירה אל / מהפס – בסיס (ניתן להפעלה החל מ- dc ל-6GHz) או אל / מתדר ביניים (IF) שיכול לפעול בין 800 MHz ל- 6 GHz. ל- RF input של הממיר מעלה התדר יש מגבר דרייבר משדר על השבב עם מגבר משנה מתח (VVA), בעוד שה- RF input של הממיר מוריד התדר יש מגבר רעש נמוך (LNA) ו- gain stage עם VVA. שרשרת התנודה המקומית (LO) של שני השבבים מורכבת מבאפר LO משולב, quadrupler תדרים ומסנן band-pass ניתן לתכנות. מרבית פונקציות התכנות והכיול נשלטות באמצעות ממשק SPI, מה שהופך את תוכנת ה- ICs הניתנת להגדרת תצורה בקלות לבעלת רמת ביצועים ללא תחרות.
איור 1: א – תרשים בלוק שבב הממיר המעלה תדר ADMV1013 . ב – תרשים
בלוק שבב הממיר המוריד תדר .ADMV1014
מבט לתוך הממיר המעלה תדר ADMV1013
ה-ADMV1013 מציע שני מצבי תרגום תדרים. מצב אחד הוא המרה מעלת תדר ישירה מפס הבסיס של I ו- Q ל- RF. במצב I/Q זה, קלטי הפס בסיס של I ו- Q יכולים לקבל אותות מ- dc עד 6 GHz, למשל, המופקים מצמד ממירים מדיגיטלי לאנלוגי בעלי יכולת שידור מהירה (DACs). לקלטים אלה טווח מצב משותף ניתן להגדרה של בין 0 V ל- 2.6 V; לפיכך, הם יכולים לעמוד בדרישות הממשק של רוב ה- DACs. וכך, כשבוחרים DAC עם מתח מצב משותף מסוים, ניתן להגדיר בקלות את רשימות הממיר כך שיתאימו להטיה המיטבית עבור אותו VCM voltage, מה שמפשט את עיצוב הממשק. המצב הנוסף הוא ממיר מעלה עם sideband יחיד ל- RF מקלטי IF מורכבים כגון האותות המופקים על ידי התקן ממיר מעלה תדרים דיגיטלי ניצב. מה שמייחד את ה- ADMV1013 היא יכולתו לאפשר תיקון דיגיטלי של שגיאת קיזוז dc של מערבלי I ו- Q במצב I/Q, המוביל לזליגת LO משופרת לפלט ה- RF. זליגת LO שניתן להשיגה לאחר כיול יכולה להיות נמוכה עד –45 dBm בפלט ה- RF, בתועלת מרבית. אתגר קשה אף יותר המקשה על תכנון המרת רדיו ישירה זה חוסר איזון שלב פאזות I ו- Q, מה שמוביל להשהיית sideband פחותה. אתגר נוסף בהמרה ישירה הוא שה- sideband לרוב קרובה מדי למנשא המיקרוגל מה שהופך את המסננים לבלתי שמישים. ה- ADMV1013 פותר את הבעיה על ידי כך שהוא מאפשר למשתמשים לתקן באופן דיגיטלי את חוסר האיזון בין פאזה I ו- Q באמצעות כוונון רשימה. בפעולה רגילה, לממיר מעלה התדר השהיית sideband לא מכויל של 26 dBc. בעזרת רשימות ה- on-chip ניתן לשפר זאת לכ- 36 dBc לאחר כיול. שני מאפייני תיקון אלה נגישים באמצעות SPI ללא צורך במעגלים נוספים. ניתן להשיג השהייה נוספת על ידי התאמה נוספת של איזון הפאזה של ה- I ו- Q DACs בפס הבסיס, במצב I/Q. מאפיינים אלה לשיפור ביצועים ממזערים סינון חיצוני תוך שיפור ביצועי הרדיו בתדרי מיקרוגל.
כאשר משולב באפר ה- LO, החלק דורש 0 dBm drive בלבד. וכך ניתן להניע את ההתקן בפשטות ישירות מסינתיסייזר עם מתנד מבוקר מתח משולב (VCO) כמו ה- ADF4372 או ה- ADF5610, מה שמפחית עוד יותר ברכיבים חיצוניים. ניצב התדר on-chip מכפיל את תדר ה- LO לתדר carrier הרצוי המועבר דרך פילטר מעבר פס ניתן לתכנות לצמצם multiplier harmonics הבלתי רצויה לפני ההזנה של שלב פאזת הניצב של המערבלים. סידור זה מצמצם במידה רבה הזרקה מלאכותית למערבלים תוך מתן אפשרות לחלק לעבוד עם סינתיסייזר / VCO חיצוני בתדר נמוך ועלות נמוכה. לאחר מכן מוגבר יציאת ה- RF המווסתת דרך זוג שלבי מגבר עם VVA ביניהם. בקרת הרווח מספקת טווח התאמת משתמשים של 35 dB, עם רווח המרה מדורג מירבי של 23 dB. ה- ADMV1013 מגיע במארז רשת יבשה של 40-lead (ראו איור 2). מאפיינים אלה משתלבים על מנת לספק ביצועים יוצאי דופן, גמישות מירבית וקלות שימוש, תוך דרישה במספר מינימלי של רכיבים חיצוניים. מכאן שניתן לממש פלטפורמות מיקרוגל קטנות כמו תחנות cell base קטנות.
איור 2: ה- ADMV1013 במארז 6 מ”מ * 6 מ”מ המוצג על לוח ההערכה שלו.
מבט לתוך הממיר המוריד תדר ADMV1014
גם ל- ADMV1014 יש כמה מהאלמנטים המוכרים, בכגון באפר ה- LO, ניצב תדרים, מסנן band-pass הניתן לתכנות ומנייד פאזת ניצב בנתיב ה- LO שלו. אולם, הארכיטקטורה שלו כהתקן ממיר מוריד תדרי (ראו תרשים בלוק באיור 1 ב), וכך ל- ADMV1014 יש LNA בקצה הקדמי של ה- RF לו, ולאחר מכן VVA ומגבר. טווח התאמת רווח רציפה של 19 dB נשלט על ידי מתח dc המופעל על VCTRL pin. למשתמשים יש את האפשרות להשתמש ב- ADMV1014 במצב I/Q כמבטל פעולת אפנון להמרה ישירה מ- dc מיקרוגל לפס בסיס. במצב זה, אותות ה- I ו- Q המבטלים את פעולת האפנון מוגברים ביציאות הדיפרנציאליות של I ו- Q. ניתן להגדיר את הרווח והמתח במצב המשותף על ידי רשימות באמצעות ה- SPI, תוך מתן אפשרות לצמד ל-dc את האותות הדיפרנציאליים – למשל לזוג ממירים מאנלוגי-לדיגיטלי של פס בסיס (ADCs). לחלופין, ניתן להשתמש ב- ADMV1014 כממיר מוריד תדר דוחה תמונה ל- I ו-Q פורטי IF בעלי קצה יחיד. בשני המקרים, ניתן לתקן את פאזת I ו- Q ואת חוסר האיזון באמצעות ה- SPI, ובכך לשפר את ביצועי דחיית התמונה של הממיר מוריד התדר כאשר הוא מבטל את האפנון לפס הבסיס או IF. לסיכום, הממיר מוריד התדר מספק נתון רעש מדורג כולל של 5.5dB, עם רווח המרה מרבי של 17dB, על טווח תדרים הנע מ-24GHz ל-42GHz. ככל שתדירות ההפעלה מתקרבת לקצה הפס, עד 44GHz, ה- NF המדורג הוא עדיין 6dB.
שיפועי ביצועי רדיו
איור 3: ה- ADMV1014 במארז קטן יותר של 5 מ”מ * 5 מ”מ מעוגן על לוח ההערכה.
5G mmW
איור 4 מציג את הביצועים הנמדדים של הממיר מוריד תדרים בתדר 28GHz, תוך שימוש ב- 5G NR waveform על גבי 4 ערוצי 100 MHz בלתי תלויים המאופננים ל- 256 QAM בהספק קלט מתח של – 20dBm לכל ערוץ. ה- EVM שנמדד כתוצאה הוא -40dB ׁ(), מה שמאפשר דמודולציה של תוכניות אפנון מסדר גבוה יותר שדורשות mmW 5G. כאשר קיבולת רוחב הפס של הממיר המעלה תדר והממיר מוריד תדר גדולה מ- 1 GHz, יחד עם 23 dBm OIP3 לממיר מעלה התדר ו- 0 dBm IIP3 לממיר מוריד התדר, ניתן לצפות כי השילוב יתמוך במודולציות QAM סדר גבוה – ולכן תפוקת נתונים גבוהה. בנוסף, ההתקנים נהנים מיישומים אחרים כגון קישורי תקשורת פס רחב מתחנות מקומיות ולוויינית, תקשורת רדיו מאובטחת, ציוד בדיקת RF ומערכות רדאר. הליניאריות שלהם וביצועי דחיית התמונה שלהם מעולים, וכאשר הם משלבים פתרונות בגודל קומפקטי, form factor קטן וקישורי מיקרוגל בעלי ביצועים גבוהים, ניתן לממש תחנות בסיס בפס רחב.
איור 4: ביצועי EVM מדודים באחוזי rms מול כוח קלט תרשים QAM 256 תואם ב- .GHz 28
על המחברים
ג’יימס וונג (James Wong) הוא מנהל שיווק מוצרי RF בחברת Analog Devices. הוא מילא תפקידי שיווק ומכירות בכירים במשך יותר מ- 25 שנים. בנוסף, הוא עוסק בתכנון RF, מעגלים אנלוגיים ומערכות במשך יותר מ- 25 שנים. ניתן ליצור עימו קשר בכתובת המייל james.wong@analog.com.
קייסי צ’אטזופולוס (Kasey Chatzopoulos) הוא מנהל מוצרי יישומים ב- Microwave Communications Group (MCG) בחברת Analog Devices. הוא אחראי לתמיכה בהמרת תדרי מיקרוגל משולבים, מסנני RF מתכווננים, ומוצרי beamformer ב- MCG. הוא בעל תואר B.S. בהנדסת חשמל (EE) מאוניברסיטת דארתמאות’ מסצ’וסטס, בשנת 2012 ואת תואר ה- M.S. שלו ב- EE השלים באוניברסיטת לואל מסצ’וסטס בשנת 2017. הוא הצטרף לחברת Analog Devices / Hittite Microwave בשנת 2012 ועבד כמהנדס מוצר במשך שנתיים לפני שקיבל את תפקיד מוביל צוות מוצר ויישום בקבוצת RF and Microwave Group בחברה. לאחר מכן עבר ל- Microwave Communications Group בחברה בתפקיד מנהל הערכת תכנון ולאחר שנתיים עבר לתפקיד מנהל קו מוצר אותו מילא במשך שנתיים. לאחרונה הוא קיבל את תפקיד מנהל מוצרי יישום אותו הוא ממלא מתחילת 2019. ניתן ליצור עימו קשר בכתובת המייל kasey.chatzopoulos@analog.com.
מורטזה טהוראלי (Murtaza Thahirally) הוא מהנדס יישומים ב- Microwave Communications Group (MCG) בחברת Analog Devices. הוא אחראי לתמיכה במוצרי בהמרת תדרי מיקרוגל משולבים ב- MCG. הוא קיבל את תואר ה- B.S. בהנדסת חשמל ומחשבים (ECE) וכלכלה מהמכון הפוליטכני וורסבטר בשנת 2012 ו- M.S. ב- ECE מאוניברסיטת פורדו בשנת 2016 הוא הצטרף לחברת Analog Devices בשנת 2012 ועבד כמהנדס מוצר למשך שלוש שנים ב- RF and Microwave Group. לאחר מכן עבר ל- Microwave Communications Group ומזה שלוש שנים הוא עובד כמהנדס יישומים. ניתן ליצור עימו קשר בכתובת המייל murtaza.thahirally@analog.com.
