Massimizzazione dell'efficienza degli amplificatori di potenza con misure load-pull armoniche

Le applicazioni load-pull aiutano a migliorare la caratterizzazione e l'ottimizzazione degli amplificatori di potenza. Gli amplificatori efficienti vengono utilizzati nella regione non lineare prossima alla saturazione, dove producono una quantità significativa di potenza armonica. Per ottimizzare l'efficienza dell'amplificatore di potenza (PA), questi segnali armonici richiedono un'impedenza ottimizzata per le frequenze armoniche.

Attività da eseguire

In qualità di sviluppatori di amplificatori di potenza RF, vi concentrate su specifiche obbligatorie da rispettare, come guadagno, potenza di uscita, copertura di frequenza insieme a una linearità sufficientemente piatta, EVM e ACLR su tutte le larghezze di banda supportate. Viene fatto un notevole sforzo per migliorare l'efficienza per differenziarsi dagli altri fornitori sul mercato. Quando l'amplificatore funziona vicino alla saturazione, produce contenuti armonici. Diverse modalità operative come la classe A o la classe B vengono utilizzate per ottimizzare tra linearità ed efficienza. Queste classi sono chiamate ingegneria delle forme d'onda, poiché le curve di corrente e tensione applicate sul transistor sono sintonizzate. Mentre le classi A e B sono regolate dalla tensione di polarizzazione, le classi E e F utilizzano controlli delle armoniche per ottimizzare l'efficienza. Un sistema di misura load-pull (trazione del carico) armonico offre una panoramica completa delle modalità E ed F e può esplorare le modalità operative più efficienti per un DUT (amplificatore). I miglioramenti dell'efficienza nell'intervallo dal 10% al 20% sono realistici, a seconda del dispositivo e delle relative modalità operative.

Rohde & Schwarz e Maury Microwave collaborano su un sistema di load-pull armonico chiavi in mano

Tradizionalmente, i sistemi load-pull utilizzano sintonizzatori meccanici nei sistemi passivi per applicare diversi livelli di impedenza a un transistor (vedere Fig. 1).
Il sistema di trazione del carico attivo utilizza un approccio diverso, in cui un sistema di feedback attivo invia un segnale all'uscita dell'amplificatore con un livello e una fase definiti rispetto al segnale, sostituendo il sintonizzatore. L'approccio consente un intervallo di sintonizzazione più ampio in tutta la carta di Smith, poiché le perdite dovute ai sintonizzatori passivi vengono eliminate e viene applicata una maggiore potenza per un intervallo di sintonizzazione più ampio. È inoltre possibile utilizzare un approccio misto (load pull ibrido).

Quando si sintonizzano le frequenze armoniche, vengono applicati concetti simili. La sintonizzazione passiva utilizza sintonizzatori meccanici multiplexati per la prima (f₀), la seconda (2f₀) e la terza (3f₀) armonica.
Sono combinate tramite un triplexer o un sintonizzatore meccanico in cascata con tre carrelli interni per le armoniche. Un intervallo di sintonizzazione più ampio e una maggiore flessibilità sono disponibili con un sistema attivo che fornisce al DUT segnali di frequenza armonica controllati.

Un approccio comune combina un sintonizzatore passivo per il segnale a frequenza fondamentale, poiché supportano livelli di potenza molto più elevati, con segnali attivi per la seconda e la terza armonica (vedere Fig. 2).

Maury Microwave, AMCAD Engineering e Rohde & Schwarz dispongono di un sistema congiunto chiavi in mano con un software in grado di calibrare e azionare l'intero sistema. La soluzione utilizza quattro sorgenti di segnale regolabili indipendentemente ma sincronizzate, uniche per R&S®ZNA, che possono generare segnali di frequenza fondamentali per l'ingresso, nonché seconde e terze armoniche con controllo di fase e ampiezza per il load-pull del carico armonico (vedere Fig. 3).

In alternativa, la quarta sorgente R&S®ZNA può sostituire il sintonizzatore meccanico sul lato del carico con un segnale attivo f₀.
Ciò è ragionevole per i dispositivi con una potenza di uscita inferiore, altrimenti il segnale a f0 che entra nell'uscita del DUT dovrebbe essere eccessivo. Un approccio ibrido con un sintonizzatore meccanico e un segnale attivo al DUT è la soluzione più flessibile.

L'analizzatore di reti R&S®ZNA dispone di quattro sorgenti interne per ottenere un sistema molto compatto, veloce e stabile che consente di risparmiare sui costi delle sorgenti esterne o dei sintonizzatori armonici.

Applicazione

Un approccio assistito dalla misurazione caratterizza il DUT che utilizza condizioni diverse per cercare una soluzione globale e generare la massima efficienza. È comune un approccio a più fasi che utilizza un sistema completamente calibrato fino al DUT. I passaggi tipici sono (vedere Fig. 4):

Passaggio 1: L'impedenza f₀viene spazzata alla ricerca della migliore efficienza del PA, mentre 2f₀e 3f₀sono impostate su una terminazione di 50 Ω.

Passaggio 2: L'impedenza 2f₀viene spazzata, mentre la f₀viene fissata all'impedenza trovata al punto 1 per ottenere la migliore efficienza. 3f₀rimane a 50 Ω.

Passaggio 3: L'impedenza 3f₀viene spazzata mentre l'impedenza f₀e l'impedenza 2f₀vengono fissate all'impedenza trovata nei passaggi 1 e 2 per ottenere la migliore efficienza.

Passaggio 4: Regolazione fine dell'impedenza f0: L'impedenza f₀viene nuovamente spazzata, mentre le impedenze 2f₀e 3f₀vengono fissate a quelle trovate nei passaggi 2 e 3 per ottenere la migliore efficienza.

Questo schema fornisce dati per selezionare l’adattamento d’impedenza la alle diverse armoniche per la migliore efficienza dell'amplificatore. Poiché questi grafici mostrano tipicamente l'efficienza rispetto alla potenza di uscita con curve multiple per diversi livelli di impedenza, è possibile selezionare il punto di compressione P1dB o P3dB come punto ottimale per la massima potenza di uscita o selezionare un punto con una migliore linearità utilizzando un back-off superiore a 3 dB.

Curve di efficienza lungo il percorso di ottimizzazione (Fig. 4)
I grafici mostrano l'efficienza della potenza aggiunta (PAE) rispetto alla potenza di uscita erogata all'uscita del transistor. L'intervallo di variazione dell'impedenza è mostrato anche nella carta di Smith per ogni passaggio. La scala dell'asse y cambia per lasciare spazio a valori PAE più elevati quando si modifica l'impedenza per ottenere la massima efficienza.

Riassunto

La soluzione congiunta di Maury Microwave, AMCAD Engineering e R&S®ZNA di Rohde & Schwarz è un approccio unico e compatto alle misurazioni load-pull armoniche durante lo sviluppo degli amplificatori più moderni.

Poiché le classi di amplificatori avanzate, come le classi F o J, sono comunemente utilizzate nei moderni sistemi di comunicazione wireless, avere la migliore efficienza e la terminazione armonica è importante per mantenere il consumo energetico il più basso possibile.