Toshiba Research Europe Limited는 영국 브리스톨에 Toshiba의 캠브리지 연구소와 통신 연구소를 운영하고 있습니다. 1998년 설립된 이래로 통신 연구소(Telecommunications Research Laboratory)는 차세대 무선 네트워킹, 재구성 가능한 장치 아키텍처, 에너지, 모바일 및 의료 애플리케이션을 위한 "스마트" 시스템과 같은 기술 연구의 최첨단에 서 있습니다.
도전
그림 1: 토템폴 아키텍처.무선 통신 시스템에는 송신기와 수신기 사이에 존재하는 전송 경로 손실을 극복하기 위해 RF 전력 증폭기(PA)가 필요합니다. 푸시풀 증폭기는 높은 전송 전력을 생성하는 간단하고 편리한 방법을 제공합니다. RF 주파수에서는 일반적으로 역위상으로 작동하는 두 개의 변압기 결합 공통 소스 장치로 구성됩니다. 대안은 그림 1에 표시된 토템폴 아키텍처로, 이는 액티브 드라이버 스테이지에 의해 구동되는 동일한 극성의 두 장치를 특징으로 합니다. 이 드라이버 스테이지의 추가 전류 소비로 인해 RF 효율이 낮아집니다.
Toshiba 설계자들은 기존 RF 트랜지스터와 동일한 크기의 단일 패키지에 통합된 푸시풀 RFPA를 생산한다는 장기적인 목표를 가지고 NI AWR 소프트웨어를 사용하여 토템폴 증폭기를 조사했습니다. 이렇게 하면 PA 크기가 90% 이상 감소하여 위상 배열 레이더 및 5G 대규모 다중 다중 출력( MIMO) 통신 시스템.
이 연구에서는 두 개의 N채널 전계 효과 트랜지스터(FET) 장치가 사용되었으며, 그 중 하나는 일반적으로 데이터시트나 시뮬레이션 모델에서 다루지 않는 소스-팔로워 구성으로 작동했습니다. 저주파 트랜지스터 모델은 이를 준수했지만 주파수를 RF 영역으로 올리면 소스 팔로어의 기생 구성 요소가 충분히 특성화되지 않았기 때문에 문제가 발생했습니다. 소스 팔로워는 또한 매우 높은 입력 임피던스(약 1kΩ)를 가졌습니다. 이는 RF 회로의 일반적인 50Ω 도메인보다 상당히 높기 때문에 회로 레이아웃이 부유 용량과 인덕턴스의 영향을 받기 쉽습니다.
해결책
NI AWR Design Environment 플랫폼, 특히 Microwave Office 회로 설계 소프트웨어를 사용하여 설계자들은 그림 2와 같이 트랜지스터 모델을 성공적으로 가져오고 회로를 시뮬레이션했습니다. 그림 2에 표시된 전류 파형과 2차 고조파 억제를 통해 작동이 확인되었습니다. 그림 3.
그림 2: Microwave Office 회로도 및 시뮬레이션 결과
그림 3: 최적의 증폭기 성능.
이 소프트웨어를 통해 설계자는 두 신호 경로 간의 이득 및 위상 관계를 특성화할 수 있었습니다. 이는 PA의 두 트랜지스터가 역위상으로 작동해야 하지만 수정 푸시풀 작동의 크기는 동일해야 하기 때문에 매우 중요했습니다. 또한 두 가지 서로 다른 모드(하나는 공통 소스, 다른 하나는 소스 팔로워)에서 트랜지스터를 작동하여 생성된 왜곡이 서로 다른 왜곡 프로필을 초래한다는 것이 전류 파형을 통해 분명해졌습니다. 이는 이전에는 알려지지 않았습니다.
결론
Toshiba 설계자들은 NI AWR 소프트웨어를 사용하여 RF 주파수에서 토템폴 푸시풀 PA의 타당성을 성공적으로 입증했습니다. 시뮬레이션에서 2개의 갈륨 비소(GaAs) N 채널 장치를 사용하여 P1dB 25.1dBm에서 69.5%의 DC-RF 효율성을 달성했습니다. 실제 프로토타입은 -47dBc의 기본 구성요소에 비해 2차 고조파 왜곡(HD2) 억제를 통해 23.5dBm P1dB에서 48.1% 효율을 달성했습니다.
수석 설계자는 10년 넘게 NI AWR 소프트웨어를 사용해 왔습니다. 그는 소프트웨어가 다른 소프트웨어보다 사용하기 쉽고 시뮬레이션 엔진 간에 더 큰 일관성을 제공한다고 말했습니다. 가장 긍정적인 특징은 소프트웨어의 직관성입니다. 이상적인 구성 요소로 새로운 시뮬레이션을 시작한 다음 구성 요소와 기판에 대한 현실적인 모델을 추가하여 점차 복잡성을 높이는 것은 매우 간단합니다.
Toshiba Research Europe Limited의 설계자들은 연구 활동에서 매일 NI AWR 소프트웨어를 사용합니다. 이는 일반적으로 시장 출시까지 5~10년이 소요되는 프로젝트이며, 소프트웨어를 통해 미래 제품에 대한 대략적인 아이디어를 얻어 프로토타입으로 개발할 수 있습니다. 대부분의 회사와 마찬가지로 Toshiba는 경쟁사보다 더 나은 가격 대비 성능 비율을 제공하는 제품을 출시할 수 있도록 장기 연구에 집중적으로 투자합니다.