Erweiterte Charakterisierung von HF-Leistungsverstärkern: Waveform Engineering und Load-Pull-Messungen im Zeitbereich

Ihre Anforderung

Moderne HF-Leistungsverstärker (insbesondere GaN-basierte Bauteile für 5G, 6G, Radar, Satelliten sowie Luft- und Raumfahrt) werden häufig nahe ihrer Linearitätsgrenze betrieben, um den Wirkungsgrad zu maximieren oder die Ausgangsleistung zu erhöhen. Herkömmliche Kleinsignal-S-Parameter oder skalare Leistungsmessungen können das Bauteilverhalten nicht vollständig erfassen.

Bei der Entwicklung und Validierung von Verstärkern müssen Ingenieure die optimale Quellen- und Lastimpedanz bei der Grundfrequenz und bei Oberfrequenzen ermitteln. Die Oberwellenabschlüsse wirken sich unmittelbar auf Ausgangsleistung, Wirkungsgrad, Linearität, Spannungshub, Stromwellenform und Bauteilbelastung aus.

Konventionelle Vektor-Load-Pull-Messungen liefern wertvolle Informationen über Ausgangsleistung, Verstärkung, Kompression und Wirkungsgrad in Abhängigkeit von der Impedanz.

Für anspruchsvolles Waveform Engineering werden zudem kalibrierte Informationen zu Betrag und Phase der hin- und rücklaufenden HF-Wellen benötigt. Nur mit diesen Informationen lassen sich HF-Spannungs- und -Stromwellenformen an der Referenzebene des Messobjekts rekonstruieren und Rückschlüsse auf die tatsächliche Betriebsart eines Bauteils ziehen.

Wichtig sind diese Informationen, wenn hocheffiziente Betriebsarten von Verstärkern optimiert, nichtlineare Modelle validiert oder simuliertes und gemessenes Bauteilverhalten miteinander korreliert werden sollen. Die Herausforderung besteht darin, präzise phasenkalibrierte Wellenmessungen, die gezielte Einstellung der Oberwellenimpedanzen und einen praxistauglichen Load-Pull-Workflow in einer einzigen Messumgebung zu vereinen.

Lösung von Rohde & Schwarz

Rohde & Schwarz und Focus Microwaves haben gemeinsam eine Lösung entwickelt, mit der sich phasenkorrigierte Vektor-Load-Pull-Messungen durchführen und Wellenformen im Zeitbereich charakterisieren lassen.

Der Messaufbau besteht aus einem R&S®ZNA Vektornetzwerkanalysator, einem R&S®ZN-ZCG Kammgenerator als Phasenreferenz und einem Load-Pull-System von Focus Microwaves. Die Harmonischen-Tuner von Focus Microwaves stellen dem Messobjekt die Quellen- und Lastimpedanz bereit und steuern dabei Betrag und Phase des Reflexionsfaktors bei f0, 2f0 und 3f0 unabhängig voneinander, sodass sich jeder der Abschlüsse einzeln einstellen und sweepen lässt, ohne die übrigen zu beeinflussen. Der R&S®ZNA misst die kalibrierten hin- und rücklaufenden Wellen, während der R&S®ZN-ZCG die nötige Phasenreferenz liefert, um die Phaseninformationen der Empfänger bei Grund- und Oberfrequenzen abzugleichen. Es ergibt sich ein praxistauglicher Messworkflow für das HF-Waveform Engineering. Damit können Ingenieure die Load-Pull-Charakterisierung im Frequenzbereich durchführen und zugleich Spannungs- und Stromwellenformen im Zeitbereich an der Messobjekt-Referenzebene rekonstruieren. So lässt sich genauer nachvollziehen, wie die Impedanzabstimmung das tatsächliche Betriebsverhalten von Bauteilen verändern kann.

Die leistungsfähige Software Focus Device Characterization Suite (FDCS) bindet den R&S®ZN-ZCG Kammgenerator in den Vektor-Load-Pull-Workflow von Focus Microwaves ein. Dadurch kann der R&S®ZN-ZCG in Verbindung mit Tunerkalibrierung, Wellenkalibrierung und Load-Pull-Messung von Focus Microwaves als Phasenreferenzmodul für Wellenformmessungen im Zeitbereich dienen.

Phasenkalibrierte Wellenmessungen

Für stabile Phasenmessungen muss ein Vektornetzwerkanalysator (VNA) über einen direkten digitalen Synthesizer (DDS) sowie einen Phasenkohärenzmodus verfügen, der kalibrierte Phasenbeziehungen an allen Empfängern sicherstellt. Der R&S®ZNA Vektornetzwerkanalysator bietet beide Funktionen, während ihm der R&S®ZN-ZCG Kammgenerator als präzise Phasenreferenz dient. Mit dem phasencharakterisierten Oberwellenspektrum lassen sich die Empfänger des R&S®ZNA in einem einzigen, einfachen Schritt über alle internen Frequenzkomponenten hinweg kalibrieren.

Dies ist unabdingbar, um die Phasenbeziehung zwischen Grundwelle und Oberwellen eines nichtlinearen Messobjekts zu messen.

Nach der Kalibrierung sind die gemessenen a- und b-Wellen amplituden- und phasenkorrigiert, sodass sich daraus im Zeitbereichs-Workflow von FDCS HF-Spannungs- und -Stromwellenformen ableiten lassen. Voraussetzung dafür sind der direkte Empfängerzugang am R&S®ZNA, bidirektionale Koppler für die a- und b-Wellen, der R&S®ZN-ZCG Kammgenerator sowie die erzeugte und in das Wave-Load-Pull-Projekt von FDCS geladene Vektorkorrekturdatei. Anschließend lassen sich die dynamische Lastlinie, die Begrenzung der Wellenformen (Clipping), die Überlappung von Spannung und Strom, der Oberwellengehalt und der Einfluss unterschiedlicher Oberwellenabschlüsse beobachten.

Dank der zusätzlichen Einblicke in die Wellenformen sind Ingenieure nicht mehr auf herkömmliche Load-Pull-Konturen beschränkt. Statt lediglich die Impedanz für maximale Leistung oder maximalen Wirkungsgrad zu ermitteln, können Ingenieure verstehen, warum bestimmte Impedanzwerte funktionieren und wie sich die Wellenformen am Bauteil ausbilden.

Fazit

Die Kombination aus R&S®ZNA, R&S®ZN-ZCG und dem Load-Pull-System von Focus Microwaves ergibt einen praxistauglichen Workflow für das HF-Waveform Engineering von Strom und Spannung sowie für die Load-Pull-Charakterisierung im Zeitbereich.

Die Load-Pull-Tuner von Focus Microwaves ermöglichen eine präzise Impedanzeinstellung bei der Grundwelle und den Oberwellen. Der R&S®ZN-ZCG liefert dazu die Phasenreferenz, die für kalibrierte Wellenmessungen bei den Harmonischen erforderlich ist. So lassen sich die HF-Spannungs- und -Stromwellenformen an der Referenzebene des Messobjekts rekonstruieren und die Load-Pull-Ergebnisse direkt mit dem tatsächlichen Verhalten des Verstärkers verknüpfen.

Mit dieser Lösung werden aus klassischen Load-Pull-Messungen im Frequenzbereich wellenformbasierte Design-Workflows im Zeitbereich. Anwender können so Leistung, Wirkungsgrad und Linearität optimieren. Zugleich erleichtert dieser Ansatz die Validierung hocheffizienter Betriebsarten von Verstärkern und trägt zu einer besseren Korrelation zwischen Messungen und nichtlinearen Simulationen bei.