Optimisation de l'efficacité de l'amplificateur de puissance avec des mesures "load pull" des harmoniques

Les applications "load pull" permettent d'améliorer la caractérisation et l'optimisation de l'amplificateur de puissance. Les amplificateurs efficaces sont utilisés dans une région non linéaire proche de la saturation où ils produisent une quantité significative d'harmoniques de puissance. Pour optimiser l'efficacité de l'amplificateur de puissance (AP), ces signaux harmoniques ont besoin d'une impédance optimisée pour les fréquences harmoniques.

Votre tâche

En tant que développeur d'amplificateurs de puissance RF, vous vous concentrez sur les spécifications obligatoires telles que le gain, la puissance de sortie, la couverture en fréquence avec une linéarité suffisamment plate, l'EVM et l'ACLR sur les bandes passantes prises en charge. Des efforts importants sont déployés pour améliorer l'efficacité afin de se différencier des autres fournisseurs sur le marché. Lorsque l'amplificateur fonctionne près de la saturation, il produit des harmoniques. Différents modes de fonctionnement tels que la catégorie A ou la catégorie B sont utilisés pour optimiser la linéarité et l'efficacité. Ces catégories sont appelées ingénierie des formes d'ondes car les courbes de courant et de tension appliquées sur le transistor sont réglées. Alors que les catégories A et B sont réglées par la tension bias, les catégories E et F utilisent des contrôles harmoniques pour optimiser l'efficacité. Un système "load pull" harmonique propose toutes les informations dans les modes E et F et peut analyser l'efficacité de la plupart des modes de fonctionnement d'un DUT (amplificateur). Des améliorations de l'efficacité de l'ordre de 10 % à 20 % sont réalistes, en fonction de l'appareil et de ses modes de fonctionnement.

Rohde & Schwarz et Maury Microwave collaborent sur un système "load pull" harmonique clé en main

Généralement, les systèmes "load pull" utilisent des systèmes de réglage mécaniques au sein des systèmes passifs afin d'appliquer différents niveaux d'impédance au transistor (voir Fig. 1).
Le système "load pull" actif utilise une approche différente, où un système de feedback actif envoie un signal à la sortie de l'amplificateur avec un niveau défini et une phase relative au signal, remplaçant le système de réglage. L'approche permet une gamme de réglage plus large sur le diagramme de Smith, car les pertes provenant des systèmes de réglage passifs sont éliminées et plus de puissance est appliquée sur une gamme de réglage plus importante. Une approche mixte (load pull hybride) peut aussi être utilisée.

Lors du réglage des fréquences harmoniques, les mêmes concepts sont appliqués. Le réglage passif utilise des systèmes de réglage mécaniques multiplexés d'abord (f₀), ensuite (2f₀) puis (3f₀) harmoniques.
Elles sont combinées via un triplexeur ou un système de réglage mécanique en cascade avec trois porteuses internes pour les harmoniques. Une gamme de réglage plus large et une flexibilité accrue sont disponibles avec un système actif qui fournit des signaux de fréquence harmonique contrôlés au DUT.

Une approche classique combine un système de réglage passif pour le signal de la fréquence fondamentale, car il prend en charge des niveaux de puissance plus élevés, avec des signaux actifs pour la seconde et la troisième harmonique (voir Fig. 2).

Maury Microwave, AMCAD Engineering et Rohde & Schwarz ont un système clé en main commun avec un logiciel qui peut calibrer et exécuter le système entier. La solution utilise quatre sources uniques de signaux synchronisées et ajustables indépendamment sur le R&S®ZNA, qui peut générer des signaux de la fréquence fondamentale pour l'entrée, ainsi que la seconde et la troisième harmonique avec un contrôle de la phase et de l'amplitude pour un "load pull" harmonique actif (voir Fig. 3).

Sinon, la quatrième source R&S®ZNA peut remplacer le système de réglage mécanique du côté de la charge avec une f₀active.
Cela est raisonnable pour les appareils avec une puissance de sortie inférieure, car sinon le signal à f0 engendrera que la sortie du DUT sera excessive. Une approche hybride avec un système de réglage mécanique plus un signal actif sur le DUT est la solution la plus flexible.

Le R&S®ZNA possède quatre sources internes pour une configuration très compacte, rapide et stable qui réduit le coût de sources externes ou de systèmes de réglage harmoniques.

Application

Une approche reposant sur la mesure caractérise le DUT en utilisant différentes conditions pour rechercher une solution globale et générer la meilleure efficacité. Une approche en plusieurs étapes qui utilise un système entièrement calibré jusqu'au DUT est classique. Les étapes typiques sont (voir Fig. 4) :

Étape 1: L'impédance f₀est balayée en recherchant la meilleure efficacité de l'AP tandis que 2f₀et 3f₀sont réglées sur une terminaison 50 Ω.

Étape 2: L'impédance 2f₀est balayée alors que f₀est fixée sur l'impédance trouvée à l'étape 1 pour la meilleure efficacité. 3f₀reste à 50 Ω.

Étape 3: L'impédance 3f₀est balayée alors que les impédances f₀et 2f₀sont fixées à l'impédance trouvée aux étapes 1 et 2 pour la meilleure efficacité.

Étape 4: Réglage fin de l'impédance f0 : L'impédance f₀est balayée alors que les impédances 2f₀et 3f₀sont fixées à celles trouvées aux étapes 2 et 3 pour la meilleure efficacité.

Ce schéma fournit des données pour sélectionner l'impédance correspondante aux différentes harmoniques pour la meilleure efficacité de l'amplificateur. Comme ces diagrammes montrent généralement l'efficacité en fonction de la puissance de sortie avec plusieurs courbes pour différents niveaux d'impédance, le point de compression P1dB ou P3dB peut être sélectionné comme point optimal pour la puissance de sortie maximale ou un point avec une meilleure linéarité peut être sélectionné en utilisant un recul supérieur à 3 dB.

Courbes d'efficacité sur le chemin de l'optimisation (Fig. 4)
Les diagrammes illustrent l'efficacité ajoutée à la puissance (PAE) en fonction de la puissance de sortie délivrée en sortie du transistor. La gamme de variation de l'impédance est également indiquée sur le diagramme de Smith pour chaque étape. La mise à l'échelle de l'axe y change pour permettre des valeurs PAE plus importantes lorsque l'impédance est modifiée pour obtenir une meilleure efficacité.

Conclusion

La solution jointe de Maury Microwave, AMCAD Engineering et du R&S®ZNA de Rohde & Schwarz est une approche unique et compacte pour les mesures "load pull" harmoniques lors du développement des amplificateurs les plus récents.

Puisque les catégories d'amplificateurs avancés, telles que les catégories F ou J, sont communément utilisées au sein des systèmes de communications sans fil modernes, avoir la meilleure efficacité et terminaison harmonique sont importants pour la conservation d'une consommation de puissance aussi faible que possible.