Максимальная эффективность усилителей мощности за счет измерений и согласования нагрузки гармоник

Схемы согласования нагрузки помогают улучшать процессы определения и оптимизации характеристик усилителей мощности. Эффективные усилители применяются в нелинейной области вблизи насыщения, где они производят значительную долю мощности гармоник. Чтобы оптимизировать эффективность усилителя мощности, необходимо подстроить импеданс сигналов гармоник под частоты гармоник.

Измерительная задача

Как разработчик усилителей ВЧ-мощности вы обращаете особое внимание на такие обязательные характеристики, как коэффициент усиления, выходная мощность, диапазон частот, достаточно плоская линейность, модуль вектора ошибок и коэффициент утечки мощности в соседний канал в поддерживаемых полосах пропускания. Вы принимаете немалые усилия для повышения эффективности, чтобы ваш усилитель отличался от моделей конкурентов. При работе вблизи насыщения усилитель производит гармоники. Различные режимы работы, такие как класс А или класс B, используются для оптимизации линейности и эффективности. Эти классы служат для проектирования формы сигнала путем настройки кривых силы тока и напряжения, приложенных к транзистору. Классы А и B регулируются напряжением смещения, тогда как в классах E и F эффективность повышается за счет управления гармониками. Система согласования нагрузки гармоник обеспечивает полный доступ к классам E и F, позволяя исследовать наиболее эффективные режимы работы испытуемого устройства (усилителя). Реалистично повышение эффективности на уровне 10–20% в зависимости от устройства и его режимов работы.

Компании Rohde & Schwarz и Maury Microwave совместно разрабатывают готовую систему согласования нагрузки гармоник.

В традиционных системах согласования нагрузки применяются механические тюнеры в пассивных системах для подачи различных уровней импеданса на транзистор (см. рисунок 1).
В активной системе согласования нагрузки используется другая концепция. Вместо тюнера здесь активная система обратной связи направляет сигнал на выход усилителя с определенным уровнем и фазой в зависимости от сигнала. Данная концепция обеспечивает более широкий диапазон настройки на круговой диаграмме Смита, т. к. она устраняет потери от пассивных тюнеров и повышает мощность в более широком диапазоне настройки. Также возможно применение смешанной концепции (гибридная система согласования нагрузки).

При настройке частот гармоник применяются аналогичные концепции. В пассивной системе используются механические тюнеры для первой (f₀), второй (2f₀) и третьей (3f₀) гармоники.
Они объединяются в триплексер или каскадный механический тюнер с тремя внутренними несущими для гармоник. Более широкий диапазон настройки и повышенная гибкость обеспечиваются в активной системе, которая подает управляемые сигналы гармоник на испытуемое устройство.

Чаще всего применяется концепция, в которой комбинируются пассивный тюнер для сигнала основной частоты, т. к. он поддерживает более высокие уровни мощности, и активные сигналы для второй и третьей гармоник (см. рисунок 2).

Компании Maury Microwave, AMCAD Engineering м Rohde & Schwarz предлагают готовую систему с программным обеспечением для калибровки и эксплуатации системы. В данном решении используются четыре индивидуально настраиваемых, но при этом синхронизированных источника сигналов в анализаторе R&S®ZNA, с помощью которых можно генерировать сигналы основной частоты для входа, а также сигналы второй и третьей гармоник с регулируемой фазой и амплитудой для активного согласования нагрузки гармоник (см. рисунок 3).

В качестве варианта можно вместо четвертого источника сигналов в R&S®ZNA использовать механический тюнер на стороне нагрузки с активным сигналом f₀.
Это целесообразно для устройств с низкой выходной мощностью, т. к. в противном случае требуется избыточный сигнал f0, подаваемый на выход испытуемого устройства. Гибридная концепция с механическим тюнером и подачей активного сигнала на испытуемое устройство является наиболее универсальным решением.

Анализатор R&S®ZNA имеет четыре внутренних источника для создания очень компактной, быстродействующей и надежной схемы, в которой не требуются дополнительные расходы на внешние источники или тюнеры гармоник.

Применение

С помощью измерений определяются характеристики испытуемого устройства в различных условиях, чтобы найти общее решение с наибольшей эффективностью. Как правило, применяется поэтапный подход с системой, калиброванной под испытуемое устройство. Основные этапы (см. рисунок 4):

Этап 1: проверяется импеданс f₀в поисках наивысшей эффективности усилителя, при этом гармоники 2f₀и 3f₀устанавливаются на оконечную нагрузку 50 Ом.

Этап 2: проверяется импеданс 2f₀, при этом f₀фиксируется на импедансе, найденном на этапе 1 с наивысшей эффективностью. 3f₀остается на 50 Ом.

Этап 3: проверяется импеданс 3f₀, при этом f₀и 2f₀фиксируются на импедансах, найденных на этапах 1 и 2 с наивысшей эффективностью.

Этап 4: точная настройка импеданса f0. Повторно проверяется импеданс f₀, при этом импедансы 2f₀и 3f₀фиксируются на импедансах, найденных на этапах 2 и 3 с наивысшей эффективностью.

Эта схема предоставляет данные для селективного согласования импедансов различных гармоник в целях поиска наивысшей эффективности усилителя. Как правило, на графиках отображается эффективность в зависимости от выходной мощности с несколькими кривыми для различных уровней импеданса. Точку сжатия P1dB или P3dB можно выбрать в качестве оптимальной точки для максимальной выходной мощности, либо с помощью коэффициента потери мощности более 3 дБ можно выбрать точку с улучшенной линейностью.

Кривые эффективности в процессе оптимизации (рис. 4)
Графики показывают КПД при суммировании мощности в зависимости от выходной мощности на выходе транзистора. Для каждого этапа также отображается круговая диаграмма Смита с диапазоном изменения импеданса. Масштаб по оси Y изменяется для более высоких значений КПД при изменениях импеданса в поисках наивысшей эффективности.

Заключение

Совместно разработанная система на основе продукции компаний Maury Microwave и AMCAD Engineering и анализатора R&S®ZNA от Rohde & Schwarz — это уникальное и компактное измерительное решение для согласования нагрузки гармоник в ходе проектирования современных усилителей.

В новейших системах беспроводной связи применяются усовершенствованные классы усилителей (F или J), поэтому для обеспечения минимальной потребляемой мощности требуются наивысшая эффективность и устранение гармоник.