Современная электроника №9/2018

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 73 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 9 2018 или в мобильном устройстве, а так- же рабочим частотным диапазоном, поскольку в разных странах мира под сети 5-го поколения планируется выде- лять различные диапазоны. Так, на дан- ном этапе внимание инженеров при- влекают диапазоны 4–6 и 24–86 ГГц, при этом требования к УМ в этих диа- пазонах также различаются: например, требование к уровню выходной мощ- ности снижается с 30 до 0,2 Вт при пере- ходе в область более высоких частот. Ключевой характеристикой любого полупроводникового материала с точ- ки зрения применения УМ в сетях 5G является высокая подвижность электро- нов, и все перечисленные ранее мате- риалы показали своё превосходство над кремнием и являются перспектив- ными для миллиметрового диапазона волн. На этих материалах были изго- товлены различные структуры тран- зисторов, включая гетеробиполярные транзисторы (HBT), полевые транзи- сторы с затвором Шоттки (MESFET) и транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT). Каждая из структур обладает определёнными усилительны- ми и мощностными характеристиками в миллиметровой области спектра. Нитрид галлия (GaN) в последнее вре- мя становится предпочтительным мате- риалом для многих разработчиков УМ, в том числе и для применения в мил- лиметровой области. В то время как SiGe-, InP- и GaAs-транзисторы облада- ют частотой среза до 300 ГГц и выше, GaN обеспечивает значительно более высокие уровни допустимой мощности, тем самым позволяя создавать усилите- ли на дискретных элементах или моно- литные интегральные схемы УМмень- шего размера и большей мощности по сравнению с другими материалами. М ОДЕЛИРОВАНИЕ УМ Как было отмечено ранее, проектиро- вание усилителя для сетей 5G миллиме- трового диапазона требует достижения компромисса между рядом параметров и характеристик, таких как линейность и КПД. В зависимости от технологии активного устройства перед разработ- чиком стоит задача выбора конструк- ции усилителя, количества каскадов и т.д. Конечный результат будет опреде- ляться набором требований к усилите- лю: частотный диапазон, коэффициент усиления, выходная мощность, линей- ность и КПД. Получение оптимальных характери- стик зависит от качества решения зада- чи согласования входного и выходно- го импедансов транзистора к характе- ристическому импедансу системы. Как правило, с этой целью производятся измерения S-параметров устройства на векторном анализаторе для получе- ния малосигнальных характеристик на входе, а также load-pull-измерения при помощи соответствующего тюнера для нелинейного согласования выходного импеданса на основе данных, получен- ных в режиме большого сигнала. Опти- мальный импеданс источника позволя- ет уменьшить коэффициент шума УМ, в то время как согласование нагрузки необходимо для получения требуемых параметров выходной мощности, КПД и линейности (а также коэффициента мощности по смежному каналу и моду- ля вектора ошибок (см. рис. 3). Ввиду необходимости проведения большого количества расчётов разработчикам рекомендуется использовать автома- тизированные установки для проведе- ния load-pull-измерений, например от Maury Microwave или Focus Microwave. Применение программного обе- спечения типа LabVIEW от National 10 0 –10 –20 –30 –40 –50 –60 –70 –80 –90 –100 –110 –120 Вход тестируемого устройства (дБм) Выход тестируемого устройства (дБм) Спектр Расширение спектра 1860 1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 Частота, МГц Модуль вектора ошибок. Выходная мощность Измеренный модуль вектора ошибок Эталонный модуль вектора ошибок 5 4 3 2 1 5,59 7,59 9,59 11,59 13,59 15,59 17,59 19,59 20,57 Комплементарная кумулятивная функция распределения 100 10 1 0,1 0,01 0,001 0,0001 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Прирост мощности, дБ Мощность, дБм Мощность, дБм АМ/АМ-искажения 30 25 20 15 10 0 5 10 15 20 25 Вход тестируемого устройства Выход тестируемого устройства Рис. 3. Моделирование характеристик УМ в NI AWR Design Environment и Visual System Simulator