CC BY
4УДК 621.382.323 Ефанов М.И., Дмитриев В.Д.
Ефанов М.И.
магистрант кафедры телекоммуникаций и основ радиотехники Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (г. Томск, Россия)
Научный руководитель: Дмитриев В.Д.
канд. техн. наук, доцент кафедры телекоммуникаций и основ радиотехники
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (г. Томск, Россия)
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ИМПЕДАНСА ПО ВТОРОЙ ГАРМОНИКЕ
НА ИНТЕРМОДУЛЯЦИОННЫЕ ИСКАЖЕНИЯ ТРЕТЬЕГО ПОРЯДКА НА ОСНОВЕ GaN ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА
Аннотация: приведена методика оценки интермодуляционных искажений СВЧ полевого транзистора на основе вольт-амперных характеристик. Найдены оптимальные сопротивления нагрузки для первой гармоники, обеспечивающие максимальную мощность. Найдены оптимальные сопротивления нагрузки для второй гармоники и оценено её влияние на интермодуляционные искажения третьего порядка. Результаты расчёта подтверждены экспериментально.
Ключевые слова: интермодуляционные искажения, импеданс, ОаЫ транзистор, сопротивление нагрузки.
В данный момент, коммуникационные устройства развиваются высокими темпами, увеличение количества передаваемой информации, количества способов, позволяющих повысить эффективность использования полосы
пропускания т.д. В любом виде передачи сигналов используются аналоговые элементы, которые за счёт нелинейных свойств позволяют усилить сигнал, тем самым предоставляют возможность передавать сигналы на более значительные дистанции. С положительным эффектом усиления всегда присутствуют нежелательные нелинейные искажения. Нелинейные искажения, которые возникают в нелинейных устройствах в результате взаимодействия нескольких различных сигналов называются интермодуляционными искажениями (ИМИ) [1].
Данные искажения при достаточно больших уровнях могут приводить к сбоям устройства, нарушению работы соседних устройств или увеличить полосу частоты излучаемого сигнала, что, безусловно, сказывается на выходной мощности сверхвысокочастотных усилителей.
Целью данной работы является проведение исследования влияния ИМИ третьего порядка СВЧ (GaN) полевого транзистора для систем связи.
Моделирование производилось на основе нелинейной модели транзистора при режиме класса AB (Ud = 50 В, Ug = -2.9 В) на частоте 2.4 ГГц при двухчастотном воздействии с разностью частот 10 МГц.
Первоначальной задачей было определение оптимального сопротивления нагрузки при котором наблюдается максимальная величина IP3, т.к. при максимальном уровне IP3 наблюдается минимальный уровень интермодуляционных искажений.
На основе нелинейной модели были определенны необходимые для анализа коэффициенты рядов Вольтерра (ФРВ).
В работе [3] сказано, что для транзисторов GaN при двухчастотном воздействии, основными нелинейными элементами, оказывающими наибольшее влияние на уровень ИМИ третьего порядка, являются нелинейности крутизны зависимого источника gm и выходной проводимости G0 и взаимные коэффициенты тц, т12, т21. Данные коэффициенты определяются в виде:
dId (Ug ,Ud ) 1 dl] {Ug ,Ud ) 1 dId {Ug ,Ud ) g =---— g = — •---— g = — •---—
*m1 DUg 2 2 dU] ,Sm3 6 dU] '
r dId (Ug ,Ud) r dI2 (Ug ,Ud) _ (Ug ,Ud) (1)
G01 dUd 'Go2 dU2 'Go3 dUd '
m =dgm1= ^ m = = ^» = dgm2 _ д X
11 dUd dU/ 12 dU2 dU/ 21 dUd dU2 '
На основе ФРВ было получено выражение с учётом отмеченных коэффициентов для определения точки пересечения основной и комбинационной составляющей третьего порядка при двухчастотном входном воздействии (IP3) в зависимости от сопротивления нагрузки:
P =
4 • RL •(gm1 + A)3
Re • B1 -3R2 • B2 •(G02 • A + mu)|
(2)
где A =
- g m1 • RL R = RL
1 + G01 • R/ e 1 + G01 • Rl
B1 = (gm2 + G02 • A3 + 3
• m12 • A + 3 • m21 •
A2):
B2 =( gm 2 + G02 • A' + 2 • m11 • A)
Воспользовавшись графиками рис.1, рис.2 и рис.3 были определены необходимые для расчёта 1Р3 коэффициенты:
gml = 0.109 А/В; gm2 = 0.1452 А/В2; gmз = 0.04164 А/В3; Оо1 = 0.0155 А/В; £02 = 0.0002673; £оз = 6.781*10-6; тп = 0.01452 А/В2; т12 = 0.006247 А/В2; т21 = 0.006247 А/В2.
Рис.1. Зависимость коэффициентов gml, gm2, gmз, от напряжения на затвор при Ug
С0
0.5 Ой 0.3
0.2 0.1 0 ■0.1
Сц] в Оо: -в- Саз
\ \
х
\ \ п V. ,
„--А—А-6——А--А--&-А-1
■С"->5^-=— 3-й-й---®-М!--Е--й-й-—-г
ИбЧ
40 80 120
Рис.2. Зависимость коэффициентов О01, О02, Ооз, от напряжения затвор-исток при иа
о з
Рис.3. Зависимость коэффициентов т11, т12, т21, от напряжения на затвор при Ug
На основе полученных коэффициентов был произведён расчёт IP3 в зависимости от сопротивления нагрузки, который представлен на рис.4.
Рис. 4. Зависимость IP3 от сопротивления нагрузки RL,
Из графика на рис.4 следует что, 1Р3 имеет максимальное значение при сопротивлении нагрузки Яь=13 Ом и составляет 35.2 дБм.
В программе САПР СВЧ был уточнён необходимый импеданс на основной частоте, при этом сопротивление нагрузки оказалось близким к рассчитанному
2 о„ти = 14.12 + 71.78 ( Ом).
О 10 20 30
Входная чпишастъ» дБм
Рис. 5. Зависимость выходной мощности ИМИ третьего порядка от входной.
Так же в программе САПР СВЧ был уточнен необходимый импеданс нагрузки по второй гармонике, при котором наблюдается существенный спад ИМИ третьего порядка (на 7 дБ). Значение импеданса по второй гармонике составило:
= 14.05 + 71.23 ( Ом )
На основании проведённых исследований, можно добиться значительного снижения ИМИ третьего порядка, согласовав транзистор по основной и второй гармоникам, что может быть полезно при проектировании усилители СВЧ в системах связи LTE.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. J. Brinkhoff, Bandwidth-Dependent Intermodulation Distortion in FET Amplifiers, Department of Electronics Division of Information and Communication Sciences Macquarie University, Sydney, Australia. 2004;
2. Qu G. Characterising Intermodulation in High Electron Mobility Transistors: a thesis submitted in fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy. - Australia: Macquarie University, 1999. - 303 p;
3. Дмитриев В.Д. Оценка параметров pHEMT СВЧ полевого транзистора по нелинейным критериям / В.Д. Дмитриев, В.М. Коротаев, Д.А. Шишкин// Доклады ТУСУРа. - 2011. - № 2 (24), часть 3. - C. 46-50.
Efanov M.I., Dmitriev V.D.
Efanov M.I.
Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics
(Tomsk, Russia)
Dmitriev V.D.
Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics
(Tomsk, Russia)
EVALUATION OF EFFECT OF SECOND HARMONIC IMPEDANCE ON THIRD-ORDER INTERMODULATION DISTORTION BASED ON GaN FIELD-EFFECT TRANSISTOR
Abstract: method for estimating intermodulation distortions of a microwave field-effect transistor based on volt-ampere characteristics is presented. The optimal load resistances for the first harmonic, providing maximum power, are found. Optimal load resistances for the second harmonic are found and its effect on third-order intermodulation distortions is estimated. The calculation results have been confirmed experimentally.
Keyword: intermodulation distortion, impedance, GaN transistor, load resistance.
