Maximização da eficiência de amplificadores de potência com medições load pull de harmônicos

As aplicações de load pull ajudam a aprimorar a caracterização e a otimização do amplificador de potência. Amplificadores eficientes são usados em regiões não lineares próximas à saturação, quando eles produzem uma quantidade significativa de energia harmônica. Para otimizar a eficiência do amplificador de potência (PA), esses sinais harmônicos precisam de impedância aprimorada para frequências harmônicas.

Sua tarefa

Como desenvolvedor de amplificadores de potência de RF, você tem como foco especificações obrigatórias, como ganho, potência de saída, cobertura de frequência com linearidade suficientemente plana, magnitude vetorial de erro e ACLR em larguras de bandas suportadas. É preciso fazer esforços significativos para aprimorar a eficiência e se destacar dos outros fornecedores do mercado. Quando o amplificador é executado próximo à saturação, ele produz conteúdo harmônico. Diferentes modos de funcionamento, como classe A ou classe B, são usados para otimizar a linearidade ou a eficiência. Essas classes são chamadas de engenharia de formas de onda, visto que as curvas de corrente e de tensão aplicadas no transistor são ajustadas. Embora as classes A e B sejam ajustadas pela tensão de bias, as classes E e F usam controles harmônicos para otimizar a eficiência. Um sistema de load pull harmônico oferece insights totais sobre as classes E e F e pode explorar os modos de funcionamento mais eficientes para um dispositivo em teste (amplificador). Aprimoramentos de 10 a 20% na eficiência são possíveis, dependendo do dispositivo e de seus modos de operação.

A Rohde & Schwarz e a Maury Microwave colaboraram em sistema de load pull harmônico pronto para uso

Tradicionalmente, os sistemas load pull usam sintonizadores mecânicos em sistemas passivos para aplicar diferentes níveis de impedância a um transistor (veja a fig. 1).
O sistema de load pull ativo usa uma abordagem diferente, em que um sistema de feedback ativo envia um sinal para a saída do amplificador com um nível e uma fase definidos, relativos ao sinal, substituindo o sintonizador. A abordagem permite uma distância de sintonização maior no gráfico Smith, visto que as perdas dos sintonizadores passivos são eliminadas e mais potência é aplicada para aumentar a distância de sintonização. Uma abordagem mista (load pull híbrido) também pode ser usada.

Ao sintonizar frequências harmônicas, conceitos semelhantes são aplicados. A sintonização passiva usa sintonizadores mecânicos multiplexados para o primeiro (f₀), o segundo (2f₀) e o terceiro (3f₀) harmônico.
Eles são combinados por meio de um triplexer ou um sintonizador mecânico em cascata com três transportes internos para os harmônicos. Uma distância de sintonização maior e uma flexibilidade melhor estão disponíveis com um sistema ativo que fornece sinais de frequência de harmônicos controlados para o dispositivo em teste.

Uma abordagem comum combina um sintonizador passivo para o sinal de frequência fundamental, visto que ele pode suportar níveis de potência mais altos, com sinais ativos para o segundo e o terceiro harmônico (veja a fig. 2).

A Maury Microwave, a AMCAD Engineering e Rohde & Schwarz têm, juntas, um sistema pronto para uso com um software que pode calibrar e executar o sistema inteiro. A solução usa quatro fontes de sinais independentemente ajustáveis, porém sincronizadas, exclusivas para o R&S®ZNA, que podem gerar sinais de frequência fundamentais para a entrada e, também, para o segundo e o terceiro harmônico com controle de fase e amplitude para o load pull harmônico ativo (veja a fig. 3).

Como alternativa, a quarta fonte do R&S®ZNA pode substituir o sintonizador mecânico no lado de carregamento com um sinal f₀ativo.
Isso é útil em dispositivos com potência de saída menor, visto que, caso contrário, o sinal em f0 conduzido até a saída do dispositivo em teste teria que ser excessivo. A abordagem híbrida com um sintonizador mecânico e um sinal ativo para o dispositivo em teste é a solução mais flexível.

O R&S®ZNA tem quatro fontes internas para uma instalação bastante compacta, rápida e estável que elimina os custos de fontes externas ou de sintonizadores harmônicos.

Aplicação

Uma abordagem auxiliada por medição caracteriza o dispositivo em teste usando condições diferentes para procurar uma solução geral e fornecer a maior eficiência. É comum uma abordagem de várias etapas que usa um sistema totalmente calibrado até o dispositivo em teste. As etapas típicas são (veja a fig. 4):

Etapa 1: a impedância f₀é verificada em busca da melhor eficiência de PA, enquanto as impedâncias 2f₀e 3f₀são definidas como uma terminação de 50 Ω.

Etapa 2: a impedância 2f₀é verificada, enquanto a impedância f₀é fixada na impedância encontrada na etapa 1 para a melhor eficiência. 3f₀continua em 50 Ω.

Etapa 3: a impedância 3f₀é verificada, enquanto a impedância f₀e a impedância 2f₀são fixadas na impedância encontrada nas etapas 1 e 2 para a melhor eficiência.

Etapa 4: ajuste da impedância f0: a impedância f₀é verificada novamente, enquanto as impedâncias 2f₀e 3f₀são fixadas nas impedâncias encontradas nas etapas 2 e 3 para a melhor eficiência.

Esse esquema fornece dados para selecionar a adaptação de impedâncias em diferentes harmônicos para a melhor eficiência do amplificador. Como esses diagramas normalmente mostram a eficiência na potência de saída com várias curvas para diferentes níveis de impedância, o ponto de compressão P1dB ou P3dB pode ser selecionado como o ponto ideal para a potência de saída máxima. Outra opção é selecionar um ponto com a melhor linearidade usando um recuo superior a 3 dB.

Curvas de eficiência com caminho de otimização (fig. 4)
Os diagramas mostram a eficiência com energia adicionada (PAE) na potência de saída fornecida na saída do transistor. A distância da variação de impedância também é mostrada no gráfico Smith de cada etapa. A escala do eixo Y é alterada para liberar o espaço para valores de PAE maiores quando a impedância é alterada para obter a melhor eficiência.

Resumo

A solução conjunta da Maury Microwave e da AMCAD Engineering com o R&S®ZNA da Rohde & Schwarz representa uma abordagem exclusiva e compacta para medições load pull de harmônicos durante o desenvolvimento dos amplificadores mais recentes.

Visto que as classes avançadas de amplificadores, como a classe F ou J, são as mais usadas nos sistemas de comunicações móveis modernos, ter a melhor eficiência e a melhor terminação harmônica é importante para manter o consumo de energia o mais baixo possível.