【技術記事】24GHz～44GHzに対応する高集積度のアップ コンバータ／ダウンコンバータ、マイクロ波 システムの性能向上と小型化を実現

デザイン・ノート Share on Twitter Facebook LinkedIn Email 24GHz～44GHzに対応する高集積度のアップ コンバータ／ダウンコンバータ、マイクロ波 システムの性能向上と小型化を実現 著者: James Wong、Kasey Chatzopoulos、Murtaza Thahirally　　 Analog Devices, Inc. アナログ・デバイセズの「ADMV1013」と「ADMV1014」は、 （800MHz～6GHzに対応）向けに構成することが可能な直交 それぞれマイクロ波に対応するアップコンバータICとダウンコ 位相シフタや、I（同相）チャンネル用ミキサー、Q（直交位 ンバータICです。これらの製品は、24GHz～44GHzという非常 相）チャンネル用ミキサーを内蔵しています。また、アップコ に広い周波数範囲に対応し、1GHz以上の瞬時帯域幅を実現しま ンバータであるADMV1013のRF出力部には、送信用のドライ す。広く検討されている28GHzと39GHzの帯域をカバーしてい バ・アンプと可変電圧アッテネータ（VVA：Voltage Variable るため、バックホールやフロントホールなど、超広帯域に対応 Attenuator）が用意されています。一方、ダウンコンバータで するトランスミッタ／レシーバー・アプリケーションに最適で あるADMV1014のRF入力部には、低ノイズ・アンプ（LNA）、 す。50Ωに整合されているなど、ミリ波を使用する5G向け小型 ゲイン段、VVAが配置されています。どちらのICも、LO（局部 プラットフォームの設計／実装を簡素化するための特徴を備え 発振器）用のパスは、LO用のバッファ、周波数逓倍器（4倍） ています。 、プログラマブルなバンドパス・フィルタで構成されていま ADMV1013とADMV1014は、いずれも高い集積度を誇る製 す。ほとんどのプログラマブルな機能やキャリブレーション用 品です（図1）。ベースバンドに対するダイレクト・コンバ の機能は、SPI（Serial Peripheral Interface）を介して制御でき ージョン（DC～6GHzに対応）またはIF（中間周波数）変換 ます。つまり、ソフトウェア・ベースの構成処理により、比類ない性能レベルを容易に達成することが可能です。 RST IF_I ADMV1014 SEN VCC_QUAD DVDD I_N SCLK ×4 I_P I_N BG_RBIAS ×4 SDI 90° GND I_P RST 0° SDO Q_N IF_I VCC_BG BG_RBIAS2 90°ADMV1013 Q_P GND 0° VCC_LNA_1P5 VCC_DRV IF_Q IF_Q GND GND VCC_BG2 Q_P RF_IN RF VVA2 VVA1 VENV_P Q_N DET GND GND DET VENV_N （a）ADMV1013のブロック図 （b）ADMV1014のブロック図 図1. ADMV1013（アップコンバータIC）とADMV1014（ダウンコンバータIC） analog.com/jp VCC2_DRV SEN NIC GND NIC LOP VCC_VVA LON VCTRL1 GND VCTRL2 VCC_QUAD VCC_AMP2 BG_RBIAS1 SEN2 VCC_BG VCC_ENV VCC_MIXER VCC_AMP1 NIC SDO SDI VCC_IF_BB SCLK VDET DVDD VCC_VGA VCC_MIXER GND GND VCTRL LO_P VCC_VVA LO_N VCC_LNA_3P3 GND

2 24GHz～44GHzに対応する高集積度のアップコンバータ／ダウンコンバータ、マイクロ波システムの性能向上と小型化を実現 ADMV1013の詳細 得られた信号はプログラマブルなバンドパス・フィルタに入力 され、不要な逓倍高調波が低減されます。その結果となる信号 ADMV1013は、2つの周波数変換モードを備えています。1つ が、ミキサーの直交位相生成段に供給されます。この構成によ は、I/Qベースバンド信号からRF信号へのダイレクト・アップ り、ミキサーに注入されるスプリアスが大幅に低減されます。 コンバージョンを実現するモードです。このI/Qモードを使用す 加えて、対応周波数が低い安価なシンセサイザやVCOを選択す る場合、I/Qベースバンド信号用の差動入力部は、送信用の高速 ることが可能になります。変調されたRF出力は、VVAを挟む2つ D/Aコンバータ（DAC）のペアによって生成されたDC～6GHz のアンプ段によって増幅されます。ユーザ自身が調整可能なゲ の信号を受け取ることができます。コモンモード電圧V CMは イン制御範囲は35dBです。また、カスケード接続を行った場合 0V～2.6Vの範囲で設定できるので、ほとんどのDAC製品のイン の最大変換ゲインは23dBです。ADMV1013は、40ピンのLGAパ ターフェースに対応可能です。アップコンバータのレジスタを ッケージを採用しています（図2）。上記の各種機能によって、 設定することにより、選択したDACのVCMに対してバイアスを簡 卓越した性能、最大限の柔軟性、使いやすさを提供しつつ、必 単に最適化できるため、インターフェース部の設計が簡素化さ 要な外付け部品の点数を最小限に抑えます。そのため、スモー れます。もう1つのモードでは、直交デジタル・アップコンバー ル・セルの基地局など、マイクロ波を利用する小型のプラット タによって生成された信号などの複素IF信号からRF信号への単 フォームの実装に非常に適しています。 測波帯アップコンバージョンが実行されます。また、このICに 特有の機能として、I/Qモードでは、Iチャンネル用ミキサーとQ ADMV1014の詳細 チャンネル用ミキサーのDCオフセット誤差をデジタル的に補正 し、RF出力へのLOリークを改善できるようになっています。キ ADMV1013と同様に、ADMV1014のLOパスも、LO用のバッフ ャリブレーションを実施した後は、最大ゲインのRF出力におい ァ、周波数逓倍器（4倍）、プログラマブルなバンドパス・フ てLOリークを-45dBmに抑えることが可能です。ダイレクト・ ィルタ、直交位相シフタといった要素で構成されています。但 コンバージョンにおける重要な課題の1つは、I/Qの位相がアン し、ADMV1014はダウンコンバータなので、RFフロントエンド バランスである場合に、側波帯抑圧（Sideband Suppression） 部にはLNAがあり、その後段にはVVAとアンプが続きます（図1 性能が低下することです。また、ダイレクト・コンバージョ （b））。ゲインの連続的調整範囲は19dBであり、VCTRLピン ンには、一般に側波帯がマイクロ波の搬送波に近すぎるため、 にDC電圧を印加することで制御します。I/Qモードでは、マイ フィルタが実用的なレベルで機能しないという問題もありま クロ波からベースバンドDCへのダイレクト・コンバージョン用 す。ADMV1013を採用すれば、レジスタを使ったチューニン 復調器として、ADMV1014を使用することができます。このモ グによって、I/Qの位相のアンバランスをデジタル的に補正で ードでは、復調後のI/Q信号が各I/Q差動出力部によって増幅さ きるため、この問題を解決することが可能です。同ICが通常動 れます。それぞれのゲインとVCMは、SPIを介してレジスタによ 作している場合、キャリブレーションを適用しない状態での側 って設定可能です。ADMV1014を使えば、ベースバンド用のA/ 波帯抑圧性能は26dBcです。同ICが内蔵するレジスタを使用す Dコンバータ（ADC）のペアに差動信号をDC結合することがで れば、キャリブレーションを実施した後の側波帯抑圧性能を約 きます。あるいは、ADMV1014により、I/Qの各信号に対応する 36dBcまで改善することができます。どちらの補正機能も、外 シングルエンドのIFポートに向けて、ダウンコンバージョンと 付け回路を追加することなく、SPIを介して利用可能です。な イメージの除去を実施することも可能です。また、どちらのモ お、I/Qモードでは、I/Qベースバンド・チャンネルに対応する ードでも、SPIを介してI/Q信号の位相と振幅のアンバランスを 各DACの位相バランスを更に調整することで、より高い抑圧性 補正することができます。その結果、ダウンコンバータによる 能を達成することができます。性能の改善に役立つ各種の機能 ベースバンド／IFへの復調時におけるイメージの除去性能を高 により、マイクロ波帯における無線性能を高めつつ、外付けフ められます。24GHz～42GHzの周波数範囲において、このダウ ィルタの規模を最小限に抑えることが可能になります。 ンコンバータの総カスケード・ノイズ指数は5.5dB、最大変換ゲ インは17dBです。周波数が帯域の上限である44GHzに近づいて も、6dBという高いカスケード・ノイズ指数が維持されます。 図2. ADMV1013の評価用ボード。 同ICは6mm×6mmの表面実装パッケージを採用しています。 図3. ADMV1014の評価用ボード。ADMV1013よりも A D M V 1 0 1 3 は L O 用 の バ ッ フ ァ を 内 蔵 し て い る た め 、 L O 用 やや小さい5mm×5mmのパッケージを採用しています。 に 必 要 な 駆 動 レ ベ ル は わ ず か 0 d B m で す 。 こ の こ と か ら 、 「ADF4372」や「ADF5610」など、電圧制御発振器（VCO）を 備えるシンセサイザICで直接駆動することができます。その結 果、外付け部品の点数を更に減らせるというメリットが得られ ます。また、内蔵する周波数逓倍器（4倍）により、LO周波数 に対し、必要な搬送波周波数までの逓倍処理が行われます。

3 24GHz～44GHzに対応する高集積度のアップコンバータ／ダウンコンバータ、マイクロ波システムの性能向上と小型化を実現 ミリ波を使用する5Gシステムの性能向上 ト）は23dBm、ADMV1014のIIP3（入力3次インターセプト・ ポイント）は0dBmです。両ICを併用することにより、高次の 図4に示したのは、28GHzを使用してダウンコンバータの性能 QAMに対応し、データのスループットを高めることができま を測定した結果です。4つの独立した100MHzのチャンネルを使 す。また、両ICは、衛星／地上局の広帯域通信リンクや、セキ 用し、5G NRに対応する信号を対象としました。チャンネル当 ュアな無線通信、RF試験装置、レーダー・システムなどのアプ たりの入力電力は-20dBm、変調方式は256QAM（直角位相振 リケーションにも適用可能です。いずれも、優れた直線性、高 幅 変 調 ） で す 。 E V M （ エ ラ ー ・ ベ ク ト ル 振 幅 ） の 値 いイメージ除去性能を備えているため、コンパクトなソリュー は - 4 0 d B （ 1 % r m s ） で あ り 、 ミ リ 波 を 使 用 す る 5 G の シ ション・サイズ、小さなフォーム・ファクタ、高性能のマイク ス テ ム で 求 め ら れ る 高 次 変 調 方 式 の 復 調 に 対 応 で き ま ロ波リンクを組み合わせて広帯域に対応する基地局を実現する す。ADMV1013/ADMV1014は、1GHzを超える帯域幅に対応 ことができます。 します。ADMV1013のOIP3（出力3次インターセプト・ポイン 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 –45 –40 –35 –30 –25 –20 –15 PIN〔dBm〕 図4. EVM性能の測定値（%rms）と入力電力の関係。 上に示したのは、28GHz/256QAMの条件で取得したコンステレーション・ダイアグラムです。 EVM〔%〕

著者について オンライン・ James Wong（james.wong@analog.com）は、アナロ サポート・ グ・デバイセズのRF製品マーケティング・マネージャで コミュニティ す。25年以上にわたり、マーケティングおよびセール スの管理職を務めてきました。RF回路、アナログ回路、 アナログ・デバイセズのオンライン・サポート・コミュ システムの設計についても25年以上の経験を有していま ニティに参加すれば、各種の分野を専門とする技術者 す。 との連携を図ることができます。難易度の高い設計上の問題について問い合わせを行ったり、FAQ を参照し Kasey Chatzopoulos（kasey.chatzopoulos@analog.com たり、ディスカッションに参加したりすることが可能 ）は、アナログ・デバイセズのマイクロ波通信グループ です。 に所属する製品アプリケーション・マネージャです。マ イクロ波に対応する周波数変換IC、RFチューナブル・フ ez.analog.com にアクセス ィルタ、ビームフォーマ製品を担当しています。2012年 にマサチューセッツ大学ダートマス校で電気工学の学士 号、2017年にマサチューセッツ大学ローウェル校で電気 工学の修士号を取得。2012年にHittite Microwave（現在 ＊英語版デザイン・ノートはこちらよりご覧いただけます。 はアナログ・デバイセズに統合）に入社しました。製品 技術者として2年間勤務した後、RF／マイクロ波グルー プの製品／アプリケーション・チーム・リードの職に就 きました。その後、マイクロ波通信グループに異動し、 設計評価マネージャ、製品ライン・マネージャをそれぞ れ2年間務めました。2019年初頭から現職。 Murtaza Thahirally（murtaza.thahirally@analog.com） は、アナログ・デバイセズのマイクロ波通信グループに 所属するアプリケーション・エンジニアです。マイクロ 波に対応する周波数変換ICを担当しています。2012年に ウースター工科大学で電気／コンピュータ工学と経済学 の学士号、2016年にパデュー大学で電気／コンピュータ 工学の修士号を取得。2012年にアナログ・デバイセズに 入社し、RF／マイクロ波グループの製品技術者として3 年間勤務しました。その後、マイクロ波通信グループに 異動し、アプリケーション・エンジニアとして4年間勤 務しています。 本　　　　社 〒105-6891 東京都港区海岸1-16-1　ニューピア竹芝サウスタワービル10F 大阪営業所 〒532-0003 大阪府大阪市淀川区宮原3-5-36　新大阪トラストタワー10F 名古屋営業所 〒451-6040 愛知県名古屋市西区牛島町6-1　名古屋ルーセントタワー38F ©2019 Analog Devices, Inc. All rights reserved. 本紙記載の商標および登録商標は、 各社の所有に属します。 Ahead of What’s Possible は アナログ・デバイセズの商標です。 www.analog.com/jp DN21223-6/19