تعمل البالونات النشطة على سد الفجوة بين الميكروويف والعالم الرقمي

بواسطة سيد الطباطبائي، mmTron

لتحقيق أداء ورقة البيانات لمحولات البيانات فائقة السرعة، التي تصل الآن إلى 64 جيجا/ثانية، يجب أن تكون عملية التسليم من وإلى مجال الموجات الدقيقة قريبة من الكمال. للحفاظ على النطاق الديناميكي الخالي من التشويش لمحولات البيانات، تم تطوير فئة جديدة من المكونات التي تقوم بالتحويل بين نطاقات الإشارة التفاضلية وذات النهاية الواحدة مع تضخيم وتصفية الإشارات خارج النطاق.

مع تقلص هندسة السيليكون، فإنها تزيد من قدرة المعالجة لكل جيل من أجيال شركة نفط الجنوب. ما يثير الدهشة: أن ترددات أخذ العينات لمحولات البيانات تعمل الآن بأكثر من 10 جيجا/ثانية وتصل إلى 64 جيجا/ثانية من شركات مثل Texas Instruments (TI)، وAnalog Devices، وIntel، وTeledyne e2v.

ومن بين فوائد النظام العديدة، يعمل هذا التكامل والسرعة على تغيير بنية الواجهات الأمامية للميكروويف. ينحني جهاز الاستقبال التاريخي ذو التحويل المنخفض من التردد الراديوي إلى التردد المتوسط ​​(IF) لأخذ عينات التردد اللاسلكي المباشر حيث يتم تحويل إشارة الميكروويف مباشرة إلى إشارة رقمية. هذا هو المفهوم الكامن وراء الراديو المحدد بالبرمجيات.

على الرغم من أن أنظمة أخذ عينات التردد اللاسلكي المباشرة التي تعمل بأعلى معدلات البيانات يمكن أن تستهلك قدرًا كبيرًا من طاقة التيار المستمر - يجب على المعالجات الرقمية مواكبة معدل البيانات - إلا أنها تعمل على تبسيط مخطط كتلة التردد اللاسلكي مع الفوائد المصاحبة للتكلفة والحجم والوزن مع إضافة المرونة وتحسينات الأداء . بالنسبة للأنظمة ذات القنوات المتوازية المتعددة، مثل رادار الصفيف المرحلي النشط بالكامل، يعمل أخذ عينات التردد اللاسلكي المباشر على تحسين التزامن وتماسك الطور عبر القنوات. تفضل هذه المقايضات المعمارية أخذ عينات الترددات اللاسلكية المباشرة، إذا حكمنا من خلال أنظمة الدفاع والاتصالات والأجهزة التي تعتمدها.

الانتقال إلى mmWave
عند تصميم نظام يستخدم أخذ عينات التردد اللاسلكي المباشر، تتطلب نظرية أخذ العينات نيكويست تردد أخذ العينات، f_s، ليكون أكثر من ضعف أعلى تردد يتم أخذ عينات منه للتأكد من أن البيانات الرقمية تمثل الإشارة الأصلية بدقة دون تعرجات. وهذا يعني أن المحول التناظري إلى الرقمي (ADC) بقدرة 64 GS/Sec يمكنه نظريًا تحويل الإشارات ذات الترددات إلى 32 جيجا هرتز. ويسمى نطاق التردد هذا منطقة نيكويست الأولى. لتوضيح، الشكل 1 (a) يُظهر إشارة النطاق الأساسي التي تم أخذ عينات منها (الطيف الأزرق)، مع عرض الصور الناتجة عن أخذ العينات باللون الأحمر. يحدث التعرج عندما يكون نطاق الإشارة التي تم أخذ عينات منها أكبر من fs/2، مما يؤدي إلى تداخل طيف الصورة والنطاق الأساسي.

يمتد أخذ عينات التردد اللاسلكي المباشر إلى الترددات فوق منطقة نيكويست الأولى إذا كان عرض النطاق الترددي للإشارة التي يتم أخذ عينات منها لا يتجاوز f_s/2. وهذا ما يسمى أخذ العينات الناقص أو أخذ العينات التوافقية. الشكل 1 (ب) يوضح هذه الحالة، حيث يقع الطيف الذي تم أخذ عينات منه في منطقة نيكويست الثانية. نظرًا لأن أخذ العينات الناقص سيتعامل مع عروض نطاق الإشارة إلى fs/2، فهو مفيد لأنظمة mmWave، حيث يكون عرض النطاق الترددي كبيرًا عادةً بسبب الطيف المتاح.

يقوم محول البيانات بتعيين الأداء
يقوم محول البيانات بتوجيه أداء نظام أخذ عينات التردد اللاسلكي المباشر. في جهاز الاستقبال، يجب أن تكون إشارة التردد اللاسلكي المقدمة إلى ADC مطابقة على النحو الأمثل لمتطلبات إدخال ADC. في جهاز الإرسال، يجب أن تحافظ الواجهة عند مخرج المحول الرقمي إلى التناظري (DAC) على دقة الإشارة الرقمية.

تستخدم معظم أجهزة ADC وDAC فائقة السرعة تدفقًا تفاضليًا للإشارة، مما يوفر مزايا كبيرة:

• تقليل التشوه من الدرجة الثانية،
• قمع التدخل في الوضع المشترك،
• تأريض أفضل،
• مناعة لاقتران الركيزة ،
• اقتران الطفيلي السفلي، و
• تحسين رفض الضوضاء إمدادات الطاقة.

ومع ذلك، تكون أنظمة الترددات الراديوية أحادية الطرف بممانعة مميزة تبلغ 50 أوم. في حين أن التحويل بين التفاضلي وأحادي النهاية يمكن إنجازه باستخدام بالون سلبي مع فقد، فإن الواجهة الحساسة بين محولات البيانات التفاضلية وسلاسل إشارات التردد اللاسلكي أحادية النهاية تتطلب بالونات نشطة مصممة خصيصًا لزيادة أداء محولات البيانات الباهظة الثمن.

دور بالون النشط
في جهاز الاستقبال، يجب تصفية إشارة الميكروويف التي تقود ADC وتضخيمها إلى الحد الأقصى لمستوى إدخال ADC، مما يضيف الحد الأدنى من الضوضاء والتوافقيات وتشويه التشكيل البيني أو المهمازات. على جانب الإرسال، يجب تحويل الخرج التفاضلي لـ DAC إلى طرف واحد وتضخيمه بما يكفي لتشغيل سلسلة مضخم طاقة المرسل، مما يضيف الحد الأدنى من الضوضاء والتوافقيات والتشكيل البيني. يقوم البالون النشط بدمج البالون السلبي مع الترشيح والضوضاء المنخفضة/التضخيم الخطي العالي.

الشكل 2 يُظهر الرسم التخطيطي لجهاز إرسال واستقبال عينات التردد اللاسلكي المباشر ومكان احتواء البالونات النشطة في تدفق الإشارة. بينما تم دمج نفس وظائف الدائرة @mdash؛ بالون سلبي، وتصفية مضادة للاسم المستعار، ومكبرات صوت منخفضة الضوضاء شبه تفاضلية @mdash؛ مسارات الإرسال والاستقبال لها تدفق إشارة معاكس، مما يتطلب أجهزة MMIC منفصلة لـ ADC وDAC.

تعمل البالونات النشطة على تحسين الواجهة مع محول البيانات، مما يوفر عرض نطاق ترددي واسع وخطية عالية وشكل ضوضاء منخفض ورفض عالي للوضع المشترك وتأرجح عالي الجهد متوافق مع ADC أو DAC. على سبيل المثال، يجب أن تكون أرضية الضوضاء الخاصة بالبلون النشط أقل بكثير من أرضية الضوضاء الخاصة بـ ADC. بالإضافة إلى المساعدة في تعظيم أداء النظام، فإن البالون النشط سوف يقلل المساحة الموجودة على لوحة الدائرة المطبوعة (PCB)، حيث أن الحفاظ على توازن الطور بين الإشارات التفاضلية يزيد من حجم الدائرة وتعقيد تخطيط PCB.

تشغيل جهاز Balun النشط
يعد النطاق الترددي العريض، وشكل الضوضاء المنخفض، والخطية العالية، ونسبة رفض الوضع المشترك العالية من المتطلبات الأساسية للبالون النشط. يجب أن تتعامل الدائرة مع تأرجح الجهد الكامل لمحول البيانات، ويجب أن تكون أرضية الضوضاء الخاصة بها أقل بكثير من ضوضاء ADC أو DAC.

يمكنك تلبية هذه المتطلبات باستخدام balun نشط يستخدم عملية الترانزستور ثنائي القطب غير المتجانس (HBT). يمكن لـ GaAs HBTs تحقيق أداء جيد من خلال 20 جيجا هرتز، وقد تم استخدام InP لمكبرات الصوت منخفضة الضوضاء التي تزيد عن 100 جيجا هرتز. تعتبر البالونات النشطة المصنعة في HBT صغيرة جدًا، مما يتيح وجود مساحة مدمجة على السطح على PCB. كما أنها تتميز بضوضاء منخفضة الطور، أقل بمقدار 10 إلى 20 مرة من التصميم المُصنع باستخدام عملية ترانزستور حركة الإلكترون العالي (pHEMT) الزائف.

العيب الرئيسي لأجهزة HBT هو مستوى الضوضاء المرتفع نسبيًا. على سبيل المثال، يتميز البالون النشط mmTron Ka-Band المصمم لـ 64 GS/Sec ADC بحد أدنى من الضوضاء يبلغ 6 ديسيبل، مقارنة بتصميم pHEMT الخاص به مع معدل ضوضاء أقل من 3.5 ديسيبل. ومع ذلك، فإن مساحة التصميم القائم على HBT أصغر بمقدار 3 مرات من pHEMT MMIC المكافئ.

أي عملية التكنلوجيا يستخدم، balun نشط يفرض مقايضة بين تحقيق أقل رقم ضوضاء أو أعلى خطي. على سبيل المثال، تحقق أجهزة pHEMT المستخدمة في جهاز TMC160 النشط من mmTron متوسط ​​ضوضاء يبلغ 1.5 ديسيبل عبر عرض نطاق تشغيل يتراوح من 3 جيجا هرتز إلى 20 جيجا هرتز ومدخل IP3 يبلغ 15 ديسيبل ميلي واط. تؤدي زيادة دخل IP3 إلى 21 ديسيبل إلى زيادة رقم الضوضاء إلى 3.5 ديسيبل. تعد هذه المقايضات وغيرها جزءًا من تصميم balun النشط، والذي غالبًا ما يتم تحسينه للعمل مع محولات بيانات محددة.

الشكل 3 يعرض لوحة التقييم الخاصة بـ TI multi-Nyquist، DAC ثنائي القناة (DAC39RF10). مع معالجة كلتا القناتين، يبلغ الحد الأقصى لمعدل بيانات الإدخال 10.24 GS/SEC، والذي يتضاعف إلى 20.48 GS/SEC في حالة استخدام قناة واحدة فقط. يقوم كل مخرج من DAC بتغذية بالون نشط mmTron، كل منها مدمج في حزمة QFN لتجويف الهواء مقاس 7 مم × 7 مم. استخدام baluns النشطة يبسط تصميم الواجهة ولا يستهلك الكثير من مساحة ثنائي الفينيل متعدد الكلور. لدعم محولات البيانات متعددة القنوات، يمكن دمج العديد من قنوات balun النشطة في حزمة QFN واحدة.

المستقبل
أدى اعتماد أخذ عينات التردد اللاسلكي المباشر في أنظمة الموجات الدقيقة وموجات mmWave إلى خلق فرصة لفئة جديدة من مكونات الموجات الدقيقة، وهي balun النشط. ويتمثل دورها في التفاعل بين محولات البيانات عالية السرعة وسلاسل إشارات الميكروويف التقليدية وموجات mmWave، مع الحفاظ على النطاق الديناميكي الخالي من التحفيز لـ DAC وADC. يدمج البالون النشط بين البالون السلبي التقليدي مع التضخيم والترشيح في حزمة صغيرة مثبتة على السطح، مما يبسط تصميم النظام وتخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور.

عن المؤلف

أسس سيد طباطبائي شركة mmTron في عام 2020، ملهمًا لتطوير منتجات MMIC الثورية التي توفر مستويات جديدة من طاقة الإخراج والكفاءة والخطية لتطبيقات mmWave.
في السابق، كان الطباطبائي يشغل منصب الرئيس التنفيذي لشركة Teramics، وهي شركة خدمات تصميم تركز أيضًا على سوق mmWave. تمتد خبرته في mmWave إلى شركة Endwave Corporation، إحدى الشركات الرائدة في الصناعة، حيث شغل منصب نائب الرئيس لشركة أشباه الموصلات من المنتجات
تشمل الأدوار السابقة المدير الهندسي لمؤسسة الإلكترونيات الدقيقة في شركة Hewlett Packard (المعروفة الآن باسم Keysight Technologies)، وM/A-COM، ومختبر العلوم الفيزيائية.
الدكتور الطباطبائي حاصل على درجة الدكتوراه. من جامعة ميريلاند، كوليدج بارك، وشهادة الإدارة من كلية MIT سلون للأعمال.