Caracterização avançada de amplificadores de potência de RF: engenharia de formas de onda e load-pull no domínio do tempo

Sua tarefa

Os amplificadores de potência de RF modernos (especialmente os dispositivos baseados em GaN para 5G, 6G, radares, satélites e aplicações aeroespaciais) são frequentemente operados próximos aos seus limites não lineares para maximizar a eficiência ou aumentar a potência de saída. Os parâmetros S tradicionais para sinais pequenos ou as medições escalares de potência não conseguem capturar totalmente o comportamento do dispositivo.

Ao projetar e validar amplificadores, os engenheiros precisam determinar a impedância ideal da carga e da fonte na frequência fundamental e nas frequências harmônicas. As terminações harmônicas influenciam diretamente a potência de saída, a eficiência, a linearidade, o swing de tensão, a forma de onda da corrente e o estresse do dispositivo.

As medições convencionais de load-pull vetorial fornecem informações valiosas sobre potência de saída, ganho, compressão e eficiência em relação à impedância.

A engenharia avançada de formas de onda também requer informações calibradas de fase e amplitude sobre as ondas de RF refletidas e incidentes. Somente com essas informações é possível reconstruir as formas de onda de tensão e corrente de RF no plano de referência do dispositivo em teste e utilizá-las para compreender o modo real de operação de um dispositivo.

Essas informações são importantes na otimização de modos de amplificadores de alta eficiência, na validação de modelos não lineares ou na correlação entre o comportamento simulado e o medido dos dispositivos. O desafio consiste em combinar medições precisas de ondas com calibração de fase, controle de impedância harmônica e um fluxo de trabalho prático de load-pull em um único ambiente de medição.

A solução da Rohde & Schwarz

A Rohde & Schwarz e a Focus Microwaves criaram uma solução para a caracterização de formas de onda no domínio do tempo e para load-pull vetorial com correção de fase.

A configuração combina um analisador de redes vetoriais R&S®ZNA com um gerador de pente R&S®ZN-ZCG (referência de fase) e um sistema de load-pull da Focus Microwaves. Os sintonizadores harmônicos da Focus Microwaves fornecem impedância de carga e de fonte ao dispositivo em teste, com controle independente de fase e magnitude do coeficiente de reflexão em fo, 2fo e 3fo, permitindo que cada terminação harmônica seja configurada e varrida independentemente, sem interferir nas demais. O R&S®ZNA mede as ondas refletidas e incidentes calibradas, enquanto o R&S®ZN-ZCG fornece a referência de fase necessária para alinhar as informações de fase do receptor nas frequências harmônicas e fundamentais, criando assim um fluxo de trabalho prático de medição para a engenharia de formas de onda de corrente e tensão (I/V) de RF. Os engenheiros podem caracterizar o load-pull no domínio da frequência enquanto reconstroem as formas de onda de corrente e tensão no domínio do tempo no plano de referência do dispositivo em teste. O resultado é uma compreensão mais profunda de como o ajuste de impedância pode alterar o funcionamento real dos dispositivos.

O software de última geração Focus Device Characterization Suite (FDCS) oferece suporte à integração do gerador de pente R&S®ZN-ZCG ao fluxo de trabalho de load-pull vetorial da Focus Microwaves. Isso permite que o R&S®ZN-ZCG atue como módulo de referência de fase para medições de formas de onda no domínio do tempo, juntamente com a calibração do sintonizador, a calibração de ondas e a medição de load-pull da Focus Microwaves.

Medições de ondas com calibração de fase

Medições de fase estáveis com um analisador de redes vetoriais (VNA) exigem um sintetizador digital direto (DDS) no VNA e um modo de coerência de fase para garantir relações de fase calibradas em todos os receptores. O analisador de redes vetoriais R&S®ZNA oferece ambos, enquanto o gerador de pente R&S®ZN-ZCG atua como referência de fase de precisão para o R&S®ZNA. O espectro harmônico caracterizado por fase permite um processo simples, em uma única etapa, para calibrar os receptores do R&S®ZNA em todos os componentes de frequência internos.

Isso é essencial para medir a relação de fase entre as ondas fundamentais e harmônicas de um dispositivo não linear.

Após a calibração, as ondas a e b medidas passam por ajustes de amplitude e fase e podem ser utilizadas no fluxo de trabalho no domínio do tempo do FDCS para derivar as formas de onda de corrente e tensão de RF. Para isso, é necessário acesso direto ao receptor para o R&S®ZNA, acopladores bidirecionais para as ondas a e b, o gerador de pente R&S®ZN-ZCG e o arquivo de correção vetorial gerado, carregado no projeto de load-pull de ondas do FDCS. É possível, então, observar a linha de carga dinâmica, o clipping da forma de onda, a sobreposição de tensão e corrente, o conteúdo harmônico e o impacto de diferentes terminações harmônicas.

Os insights adicionais sobre a forma de onda ajudam os engenheiros a ir além dos contornos tradicionais de load-pull. Em vez de se limitarem a identificar a impedância que proporciona eficiência ou potência máxima, os engenheiros podem compreender por que determinados níveis de impedância funcionam e como as formas de onda dos dispositivos são moldadas.

Resumo

A integração do R&S®ZNA, do R&S®ZN-ZCG e do sistema de load-pull da Focus Microwaves oferece um fluxo de trabalho prático para a engenharia de formas de onda de corrente e tensão (I/V) de RF e para a caracterização de load-pull no domínio do tempo.

Os sintonizadores de load-pull da Focus Microwaves permitem o controle preciso da impedância nas frequências fundamentais e harmônicas, enquanto o R&S®ZN-ZCG fornece a referência de fase necessária para medições de ondas harmônicas calibradas. Os engenheiros podem reconstruir as formas de onda de corrente e tensão de RF no plano de referência do dispositivo em teste e vincular os resultados do load-pull diretamente ao comportamento real do amplificador.

A solução amplia as medições clássicas de load-pull no domínio da frequência para fluxos de trabalho de design no domínio do tempo, com reconhecimento de formas de onda, que permitem aos usuários otimizar potência, eficiência e linearidade, ao mesmo tempo em que ajudam a validar modos de amplificadores de alta eficiência e a melhorar a correlação entre medições e simulações não lineares.