Современная система определения характеристик усилителей ВЧ-мощности: проектирование форм сигналов и измерения с согласованием нагрузки во временной области

Измерительная задача

Современные усилители ВЧ-мощности (особенно устройства на основе нитрида галлия для 5G, 6G, радаров, спутников и аэрокосмической отрасли) зачастую эксплуатируются вблизи их нелинейных пределов, т. к. это позволяет максимизировать эффективность или увеличивать выходную мощность. Традиционные измерения коэффициентов рассеяния для малых сигналов и скалярные измерения мощности не способны полностью регистрировать характеристики устройств.

При проектировании и валидации усилителей разработчики должны определять оптимальный импеданс источника и нагрузки на основной частоте и частотах гармоник. Гармонические оконечные нагрузки оказывают непосредственное влияние на выходную мощность, эффективность, линейность, размах напряжения, форму сигнала тока и нагрузку устройства.

Традиционные векторные измерения с согласованием нагрузки предоставляют ценную информацию о выходной мощности, коэффициенте усиления, сжатии и эффективности в зависимости от импеданса.

При современном проектировании форм сигналов также требуются калиброванные значения амплитуды и фазы для падающих и отраженных радиоволн. Только при наличии этой информации можно реконструировать ВЧ-сигналы напряжения и тока на опорной плоскости испытуемого устройства и использовать их в целях исследования реального режима работы устройства.

Эта информация важна для оптимизации режимов высокоэффективных усилителей, валидации нелинейных моделей и сопоставления моделированных и измеренных характеристик устройства. Главная задача заключается в том, чтобы в единой измерительной среде реализовать точные, калиброванные по фазе измерения форм сигналов, регулирование импеданса гармоник и применимую на практике процедуру измерений с согласованием нагрузки.

Решение компании Rohde & Schwarz

Компании Rohde & Schwarz и Focus Microwaves совместно разработали решение для проведения векторных измерений с согласованием нагрузки и коррекцией фазы, а также для определения характеристик форм сигналов во временной области.

Установка включает в себя векторный анализатор цепей R&S®ZNA, гребенчатый генератор R&S®ZN-ZCG (опорная фаза) и систему измерений с согласованием нагрузки от Focus Microwaves. Тюнеры импеданса от Focus Microwaves обеспечивают импеданс источника и нагрузки для испытуемого устройства с независимым регулированием амплитуды и фазы коэффициента отражения для f0, 2f0 и 3f0. При этом каждую гармоническую оконечную нагрузку можно настраивать и свипировать по отдельности без влияния на работу прочих нагрузок. Анализатор R&S®ZNA измеряет калиброванные падающие и отраженные волны, тогда как генератор R&S®ZN-ZCG обеспечивает опорную фазу, которая необходима для выравнивания значений фазы приемника на основной частоте и частотах гармоник. Таким образом организуется применимая на практике процедура измерений в целях проектирования ВЧ-сигналов напряжения и тока. Разработчики могут определять согласование нагрузки в частотной области в целях реконструкции форм сигналов напряжения и тока во временной области на опорной плоскости испытуемого устройства. Это позволяет подробно исследовать влияние подстройки импеданса на фактическую работу устройства.

Современное программное обеспечение Focus Device Characterization Suite (FDCS) поддерживает интеграцию гребенчатого генератора R&S®ZN-ZCG в процедуру векторных измерений с согласованием нагрузки от Focus Microwaves. В результате генератор R&S®ZN-ZCG используется в качестве модуля опорной фазы при проведении измерений форм сигналов во временной области, калибровке тюнеров, калибровке форм сигналов и измерениях с согласованием нагрузки в системе Focus Microwaves.

Калиброванные по фазе измерения радиоволн

Для надежных измерений фазы на векторном анализаторе цепей требуются встроенный в анализатор прямой цифровой синтезатор и фазокогерентный режим для калиброванных соотношений фазы на всех приемниках. Векторный анализатор цепей R&S®ZNA выполняет оба условия, тогда как гребенчатый генератор R&S®ZN-ZCG обеспечивает точную опорную фазу для R&S®ZNA. Определяемый фазой спектр гармоник создает простой одноэтапный процесс калибровки приемников R&S®ZNA по всем внутренним частотным составляющим.

Это очень важно при измерении соотношений фаз между сигналами на основной частоте и частотах гармоник в нелинейном испытуемом устройстве.

После калибровки выполняется подстройка амплитуды и фазы измеренных волн A и B, после чего эти волны можно использовать в процедуре FDCS во временной области в целях определения форм ВЧ-сигналов напряжения и тока. Для этого требуются прямой доступ к приемникам R&S®ZNA, двунаправленные ответвители для волн A и B, гребенчатый генератор R&S®ZN-ZCG и созданный файл коррекции векторов, загруженный в проект измерений с согласованием нагрузки в FDCS. После этого можно исследовать линию динамической нагрузки, ограничение форм сигналов, наложение напряжения и тока, гармонические составляющие и влияние различных гармонических оконечных нагрузок.

С помощью дополнительного представления формы сигнала разработчики могут выходить за рамки традиционного метода согласования нагрузки. Вместо простого определения импеданса для максимальной мощности или эффективности разработчики могут исследовать, как работают определенные уровни импеданса и как формируются сигналы испытуемого устройства.

Заключение

Приборы R&S®ZNA, R&S®ZN-ZCG и система измерений с согласованием нагрузки от Focus Microwaves в совокупности позволяют организовать пригодную для применения на практике процедуру проектирования ВЧ-сигналов напряжения и тока и определения характеристик форм сигналов во временной области.

Тюнеры для согласования нагрузки от Focus Microwaves обеспечивают точное регулирование импеданса на основной частоте и частотах гармоник, тогда как генератор R&S®ZN-ZCG создает опорную фазу, необходимую для калиброванных измерений гармонических сигналов. Разработчики могут реконструировать формы ВЧ-сигналов напряжения и тока на опорной плоскости испытуемого устройства и напрямую сопоставлять результаты измерений с согласованием нагрузки с реальными характеристиками усилителя.

Данное решение позволяет проводить классические измерения с согласованием нагрузки в частотной области также во временной области. Путем анализа форм сигналов разработчики могут оптимизировать мощность, эффективность и линейность устройств, а также проверять высокоэффективные режимы работы усилителей и улучшать соотношение между измеренными и моделированными значениями нелинейных характеристик.