طراحی اسیلاتور متعامد کنترل‌شونده با ولتاژ با بازه وسیع فرکانسی
محورهای موضوعی : مهندسی برق و کامپیوتر
امیرحسین مهدوی
1
(دانشكده مهندسي برق و كامپيوتر، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل)
حسین ميارنعيمی
2
(دانشكده مهندسي برق و كامپيوتر، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل)
محسن جوادی
3
(دانشگاه تخصصی فناوری‌های نوین آمل)
کلید واژه: اسیلاتور متعامد, خطای فاز, سلول گیلبرت, فیلتر چندفازی,
چکیده مقاله :
نسل پنجم شبکه اینترنت برای رفع محدودیت پوشش ارتباطی مناطق وسیع به وجود آمده است. از چالش‌های مهم اینترنت نسل پنجم، ساخت اسیلاتورهای متعامد در بازه وسیع فرکانسی بالا می‌باشد. خطای فاز و عدم تعادل دامنه سبب کاهش نسبت بازگشت تصویر می‌شود که بر اندازه بردار خطای ارتباطی تأثیر می‌گذارد. فازهای متعامد به وسیله فیلتر چندفازی یک‌مرحله‌ای با مقاومت‌های متشکل از چهار ماسفت نوع N در حالت تریود، تولید می‌شود که هر یک از چهار سر گیت ماسفت به وسیله یک ولتاژ تنظیم می‌گردد. فیدبک مدار دائماً فرکانس مرکزی فیلتر چندفازی را متناسب با فرکانس ورودی با تغییر مقاومت ماسفت‌ها تنظیم می‌کند. در این پژوهش برای نخستین بار هر بلوک مداری معادل‌سازی ریاضی شده و سپس با ترسیم این بلوک‌های ریاضی در محیط سیمولینک متلب، پاسخ بهینه برای طراحی این مدار استخراج گردید. همچنین مزیت دیگر این پژوهش، استخراج کامل معادلات ریاضی حاکم بر مدار می‌باشد. بر اساس پاسخ به‌دست‌آمده در محیط سیمولینک و معادلات ریاضی اثبات‌شده، مدار فوق در محیط نرم‌افزار طراحی سیستم پیشرفته با پارامترهای دقیق در بازه فرکانسی 2 تا 6 گیگاهرتز و فرکانس مرکزی 4 گیگاهرتز شبیه‌سازی شد. کسری پهنای باند در این مدار به 100% با خطای فاز حدود یک درجه رسید.
The 5G network has been created to solve the limitation of communication coverage in large areas. One of the challenges of the 5G is the construction of quadrature oscillators in a wide range of high frequencies. Phase error and amplitude imbalance cause a decrease in the image rejection ratio (IRR), which affects the communication error vector magnitude (EVM). The quadrature phases are generated by a one-stage poly-phase filter (PPF) whose resistors consist of four N-type MOSFETs in triode mode, each of its four gate ends is set by a voltage. The feedback circuit constantly adjusts the center frequency of the PPF according to the input frequency by changing the resistance of the MOSFETs. In this research, the circuit is simulated in the advanced design system software environment in the frequency range of 2 to 6 GHz with a central frequency of 4 GHz, which has reduced the quadrature phase error to less than 1 to 9 degrees. Then, the governing mathematical equations of the circuit were extracted and the network function of the circuit was designed in the Simulink MATLAB environment. The main advantage of the Simulink method is the high speed of simulation.
[1] S. Onoe, "1.3 Evolution of 5G mobile technology toward 1 2020 and beyond," in Proc. IEEE Int. Solid-State Circuits Conf., ISSCC'16, pp. 23-28, San Francisco, CA, USA, 30 Jan-4 Feb. 2016.
[2] T. Kebede, Y. Wondie, J. Steinbrunn, H. B. Kassa, and K. T. Kornegay, "Multi-carrier waveforms and multiple access strategies in wireless networks: performance, applications, and challenges," IEEE Access, vol. 10, pp. 21120-21140, 2022.
[3] M. Series, IMT Vision-Framework and Overall Objectives of the Future Development of IMT for 2020 and Veyond, Recommendation ITU 2083, 2015.
[4] C. So, E. T. Sung, and S. Hong, "A 60-GHz variable gain phase shifter based on body floated RF-DAC structure," IEEE Trans. on Circuits and Systems II: Express Briefs, vol. 69, no. 12, pp. 4749-4753, Dec. 2022.
[5] I. Ishteyaq and K. Muzaffar, "Multiple input multiple output (MIMO) and fifth generation (5G): an indispensable technology for sub-6 GHz and millimeter wave future generation mobile terminal applications," International J. of Microwave and Wireless Technologies, vol. 14, no. 7, pp. 932-948, Sept. 2022.
[6] Y. Lee, B. Kim, and H. Shin, "28-GHz CMOS direct-conversion RF transmitter with precise and wide-range mismatch calibration techniques," Electronics, vol. 11, no. 6, Article ID: 11060840, 14 pp., 2022.
[7] R. Wu, R. Minami, et al., "64-QAM 60-GHz CMOS transceivers for IEEE 802.11 ad/ay," IEEE J. of Solid-State Circuits, vol. 52, no. 11, pp. 2871-2891, Nov. 2017.
[8] S. Kulkarni, D. Zhao, and P. Reynaert, "Design of an optimal layout polyphase filter for millimeter-wave quadrature LO generation," IEEE Trans. on Circuits and Systems II: Express Briefs, vol. 60, no. 4, pp. 202-206, Apr. 2013.
[9] S. Young Kim, D. W. Kang, K. J. Koh, and G. M. Rebeiz, "An improved wideband all-pass I/Q network for millimeter-wave phase shifters," IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, vol. 60, no. 11, pp. 3431-3439, Nov. 2012.
[10] J. Seok Park and H. Wang, "A transformer-based poly-phase network for ultra-broadband quadrature signal generation," IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, vol. 63, no. 12, pp. 4444-4457, Dec. 2015.
[11] O. Kwang-II and D. Baek, "A 39.8% locking range injection-locked quadrature voltage-controlled oscillator using fourth-order resonator," J. of Semiconductor Technology and Science, vol. 22, no. 1, pp. 10-16, 2022.
[12] F. Piri, M. Bassi, N. R. Lacaita, A. Mazzanti, and F. Svelto, "A PVT-tolerant > 40-dB IRR, 44% fractional-bandwidth ultra-wideband mm-wave quadrature LO generator for 5G networks in 55-nm CMOS," IEEE J. of Solid-State Circuits, vol. 53, no. 12, pp. 3576-3586, Dec. 2018.
[13] T. Siriburanon, et al., A low-power low-noise mm-wave subsampling PLL using dual-step-mixing ILFD and tail-coupling quadrature injection-locked oscillator for IEEE 802.11ad," IEEE J. of Solid-State Circuits, vol. 51, no. 5, pp. 1246-1260, May 2016.
[14] D. Zhao and P. Reynaert, "A 40 nm CMOS E-band transmitter with compact and symmetrical layout floor-plans," IEEE J. of Solid-State Circuits, vol. 50, no. 11, pp. 2560-2571, Nov. 2015.
[15] I. Martinez, "15 to 72 GHz closed-loop impairment corrected mm-wave delay-locked IQ modulator for 5G applications," in Proc. IEEE/MTT-S Int. Microwave Symp., IMS'2022, pp. 665-668, Denver, CO, USA, 19-24 Jun. 2022.
[16] B. Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits, McGraw-Hill 2005.
129 نشریه مهندسی برق و مهندسی كامپیوتر ایران، الف- مهندسی برق، سال 21، شماره 2، تابستان 1402
مقاله پژوهشی
طراحی اسیلاتور متعامد کنترل‌شونده با ولتاژ با بازه وسیع فرکانسی
امیرحسین مهدوی، حسین میارنعیمی و محسن جوادی
چكیده: نسل پنجم شبکه اینترنت برای رفع محدودیت پوشش ارتباطی مناطق وسیع به وجود آمده است. از چالش‌های مهم اینترنت نسل پنجم، ساخت اسیلاتورهای متعامد در بازه وسیع فرکانسی بالا می‌باشد. خطای فاز و عدم تعادل دامنه سبب کاهش نسبت بازگشت تصویر می‌شود که بر اندازه بردار خطای ارتباطی تأثیر می‌گذارد. فازهای متعامد به وسیله فیلتر چندفازی یک‌مرحله‌ای با مقاومت‌های متشکل از چهار ماسفت نوع N در حالت تریود، تولید می‌شود که هر یک از چهار سر گیت ماسفت به وسیله یک ولتاژ تنظیم می‌گردد. فیدبک مدار دائماً فرکانس مرکزی فیلتر چندفازی را متناسب با فرکانس ورودی با تغییر مقاومت ماسفت‌ها تنظیم می‌کند. در این پژوهش برای نخستین بار هر بلوک مداری معادل‌سازی ریاضی شده و سپس با ترسیم این بلوک‌های ریاضی در محیط سیمولینک متلب، پاسخ بهینه برای طراحی این مدار استخراج گردید. همچنین مزیت دیگر این پژوهش، استخراج کامل معادلات ریاضی حاکم بر مدار می‌باشد. بر اساس پاسخ به‌دست‌آمده در محیط سیمولینک و معادلات ریاضی اثبات‌شده، مدار فوق در محیط نرم‌افزار طراحی سیستم پیشرفته با پارامترهای دقیق در بازه فرکانسی 2 تا 6 گیگاهرتز و فرکانس مرکزی 4 گیگاهرتز شبیه‌سازی شد. کسری پهنای باند در این مدار به %100 با خطای فاز حدود یک درجه رسید.
کلیدواژه: اسیلاتور متعامد، خطای فاز، سلول گیلبرت، فیلتر چندفازی.
1- مقدمه
اینترنت نسل پنجم (G5) قادر است که برای طیف جدیدی از کاربردها مانند خانه‌های هوشمند، اتومبیل‌های بدون سرنشین، شبکه سلامت اینترنتی2، شهر هوشمند، واقعیت مجازی، اینترنت اشیا، سرگرمی و کنترل فرایندهای صنعتی خدمت‌رسانی نماید [1]. این کاربردها دارای نیازهای اتصال بسیار متفاوت هستند. در حالی که واقعیت مجازی به پهنای باند بزرگی نیاز دارد [2] تا بتواند یک تجربه رضایت‌بخش را برای کاربر فراهم کند، ارتباطات مربوط به وسایل نقلیه بی‌سرنشین بیش از همه باید اعتمادپذیری بالا داشته و همچنین تقریباً آنی باشد تا جلوی خطرات مربوط به تصادفات و سوانح رانندگی را بگیرد. اینترنت اشیا به یک شبکه با قابلیت اتصال هم‌زمان به تعداد بالایی از دستگاه‌ها نیاز دارد در حالی که باید از لحاظ مصرف انرژی نیز بهینه باشد تا عمر بالای باتری را تضمین نماید [3]. محدوده باند میلی‌متری با فرکانس‌هایی بالاتر از GHz 6 که به علت بلوغ تکنولوژی و کیفیت انتقال، اکثراً برای ارائه شبکه‌های موبایل (فرانت هال3) در نظر گرفته می‌شود، کاربرد دارد. برای پاسخگویی به افزایش روزافزون نرخ انتقال داده‌ها و حجم‌های منتقل‌شده به باندهای نو با کانال اطلاعات بسیار بزرگ (بیش از MHz 100 برای هر کاربر) نیاز است که باندهای میلی‌متری قادر به پاسخگویی به چنین طیفی هستند [4]. از سوی دیگر، استفاده از آنها نیاز به توسعه تکنولوژی‌های ضروری با هزینه پایین و انرژی مصرفی همسان با ترمینال‌های قابل حمل (اسیلاتورها، تقویت‌کننده‌ها و پردازش سیگنال و آنتن) دارد.
اینترنت نسل پنجم (G5) نوعی تکنولوژی است که توأماً فرکانس‌های پایین 
، فرکانس‌های متوسط 
و برای اولین بار فرکانس‌های بالا 
را در باندهای موج میلی‌متری برای شبکه مصرف‌کنندگان [5] فراهم می‌نماید. این تنوع طیف مرتبط به مشخصه‌های شبکه G5 مانند پوشش گسترش‌یافته (فرکانس پایین)، سرعت بسیار بالا (کانال‌های عریض در باندهای بسیار بالا) و مصرف انرژی پایین می‌باشد. یکی از باندهای پراستفاده در تمام نقاط جهان، باند 5/27- 35/28 گیگاهرتز می‌باشد [6]. علاوه بر آن، سرویس‌های ماهواره‌ای می‌توانند در توسعه این تکنولوژی، به‌خصوص در شرایط پوشش شبکه ضعیف یا فراهم‌نمودن بک هال (ارتباط بین ایستگاه پایه و شبکه باسیم)، مفید واقع گردند. از این نظر، دنیای ماهواره به تکنولوژی G5 و مشارکت در امر توسعه و فراهم‌نمودن پیش‌نیازها بسیار علاقه‌مند است.
فرستنده و گیرنده‌های میلی‌متری بر اساس دو معماری بنا شده‌اند: هتروداین4 و هموداین5. اطلاعات دیجیتالی I و Q توسط پردازنده سیگنال دیجیتالی یا 6DSP به سیگنال‌های به‌هم‌پیوسته در مبدل‌های دیجیتال
به آنالوگ یا 7DACها تبدیل می‌شوند. سپس این سیگنال‌ها بر روی فرکانس‌های حامل، قبل از آنکه توسط تقویت‌کننده‌های توان تقویت گردند، مدوله می‌شوند و به وسیله آنتن‌ها انتقال می‌یابند. بخش آنالوگ از اسیلاتور محلی با چرخه قفل‌شده فازی یا 8PLL، مخلوط‌کننده‌ها و تقویت‌کننده توان تشکیل می‌شود. مشکل اصلی تولیدکننده‌های تعامد دیجیتالی، حساسیت شدید مدار به دما است [7] و به همین دلیل تولیدکننده‌های متعامد اسیلاتوری در نظر گرفته می‌شود.
در مطالعه انجام‌شده توسط کول کارنی و همکاران [8]، یک PPF دومرحله‌ای RC غیرفعال برای تولید سیگنال تعامدی 60 گیگاهرتز ارائه گردید. نوع تغذیه ورودی با تلفات پایین‌تر که در فرکانس‌های موج
[1] این مقاله در تاریخ 4 شهریور ماه 1401 دریافت و در تاریخ 27 دی ماه 1401 بازنگری شد.
امیرحسین مهدوی (نویسنده مسئول)، دانشكده مهندسي برق و كامپيوتر، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، ایران، (email: ahmahdavi1996@gmail.com).
حسین میارنعیمی، دانشكده مهندسي برق و كامپيوتر، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، ایران، (email: h_miare@nit.ac.ir).
محسن جوادی، دانشگاه تخصصی فناوری‌های نوین آمل، آمل، ایران،
(email: mohsen_javadi@ut.ac.ir).
[2] . E-Health
[3] . Front-Haul
[4] . Heterodyne
[5] . Homodyne
[6] . Digital Signal Processor
[7] . Digital to Analog Converter
[8] . Phase Locked Loop