Elevar al máximo la eficiencia de amplificadores de potencia con medidas load pull de armónicos

Las aplicaciones load pull mejoran la caracterización y optimización de amplificadores de potencia. Los amplificadores de alta eficiencia se utilizan en la región no lineal cercana a la zona de saturación, donde producen una cantidad considerable de potencia armónica. Para optimizar la eficiencia del amplificador de potencia, es necesario optimizar la impedancia a estos armónicos para frecuencias armónicas.

Su misión

Como desarrollador de amplificadores de RF, su foco de atención se centra en especificaciones obligatorias como la ganancia, la potencia de salida, la cobertura de frecuencias combinada con suficiente linealidad plana, la magnitud del vector de error y la relación de potencia de canal adyacente en todos los anchos de banda relevantes. El objetivo perseguido es mejorar la eficiencia para lograr una diferenciación frente a la competencia. Cuando el amplificador funciona en un punto cercano a la saturación, produce armónicos. Para lograr una optimización en términos de linealidad y eficiencia se utilizan diferentes modos de funcionamiento, como clase A o clase B. Estas clases se entienden como ingeniería de formas de onda, ya que se sintonizan las curvas de corriente y de tensión aplicadas al transistor. Las clases A y B se sintonizan mediante tensión de polarización, mientras que las clases E y F utilizan controles de armónicos para optimizar la eficiencia. Con un sistema load pull de armónicos se pueden analizar en detalle las clases E y F y explorar los modos de funcionamiento más eficientes para un amplificador. En términos reales pueden alcanzarse mejoras de la eficiencia del 10 % al 20 %, dependiendo del dispositivo y de sus modos de funcionamiento.

Rohde & Schwarz y Maury Microwave desarrollan conjuntamente un sistema load pull de armónicos llave en mano

Tradicionalmente, los sistemas load pull utilizan sintonizadores mecánicos en sistemas pasivos para aplicar diferentes niveles de impedancia a un transistor (véase la fig. 1).
El sistema load pull activo se rige por un planteamiento distinto, en el que un sistema activo con realimentación envía una señal a la salida del amplificador con un nivel y fase definidos en relación a la señal, sustituyendo al sintonizador. Este método aporta un mayor margen de sintonización en la carta de Smith, ya que se eliminan las pérdidas de los sintonizadores pasivos y se aplica más potencia de lo que resulta un margen de sintonización más amplio. También puede utilizarse un enfoque mixto (load pull híbrido).

Cuando se sintonizan frecuencias armónicas se aplican conceptos similares. La sintonización pasiva se sirve de sintonizadores mecánicos multiplexados para el primero (f₀), segundo (2f₀) y tercer (3f₀) armónico.
Estos se combinan a través de un triplexor o un sintonizador mecánico en cascada con tres posiciones internas para los armónicos. Con un sistema activo que proporciona señales de frecuencias armónicas controladas al dispositivo bajo prueba se dispone de un margen de sintonización más amplio y de mayor flexibilidad.

Un enfoque común combina un sintonizador pasivo para la señal de frecuencia fundamental, ya que estos admiten niveles de potencia mucho más altos, con señales activas para el segundo y el tercer armónico (véase la fig. 2).

Maury Microwave, AMCAD Engineering y Rohde & Schwarz han diseñado conjuntamente un sistema llave en mano que incluye un software para calibrar y controlar el sistema completo. La solución utiliza cuatro fuentes de señal ajustables independientemente pero sincronizadas, exclusivas en el R&S®ZNA, que pueden generar señales de frecuencia fundamental para la entrada, así como segundos y terceros armónicos con control de fase y amplitud para el load pull activo de armónicos (véase la fig. 3).

Como alternativa, la cuarta fuente R&S®ZNA puede reemplazar al sintonizador mecánico en el lado de carga con una señal f₀activa.
Esto puede ser recomendable para dispositivos con potencia de salida más baja, ya que de lo contrario la señal a f0 que se dirige a la salida del dispositivo bajo prueba tendría que ser excesiva. Un método híbrido con un sintonizador mecánico y una señal activa aplicada al dispositivo es la solución más flexible.

El R&S®ZNA, con sus cuatro fuentes internas, facilita una configuración de medida muy compacta, rápida y estable que permite ahorrar el coste de fuentes externas o sintonizadores de armónicos.

Aplicación

Siguiendo un enfoque basado en medidas se caracteriza el dispositivo bajo prueba utilizando diferentes condiciones para encontrar una solución completa y generar la máxima eficiencia. Habitualmente se sigue un proceso de varios pasos con un sistema totalmente calibrado hasta el dispositivo. Los pasos típicos son (véase la fig. 4):

Paso 1: Se realiza un barrido de la impedancia a f₀para buscar la mejor eficiencia del amplificador, mientras que 2f₀y 3f₀están ajustadas a una carga de 50 Ω.

Paso 2: Se realiza un barrido de la impedancia a 2f₀mientras f₀está fijada a la impedancia identificada en el paso 1 para la mejor eficiencia. 3f₀se mantiene a 50 Ω.

Paso 3: Se realiza el barrido de la impedancia a 3f₀mientras que la impedancia a f₀y la impedancia a 2f₀están fijadas a la impedancia identificada en los pasos 1 y 2 para la mejor eficiencia.

Paso 4: Sintonización de precisión de la impedancia a f0: Se vuelve a realizar el barrido de la impedancia a f₀mientras que la impedancia a 2f₀y a 3f₀están fijadas a las identificadas en los pasos 2 y 3 para la mejor eficiencia.

Este esquema proporciona datos para seleccionar la adaptación de impedancia en los diferentes armónicos y obtener la mejor eficiencia del amplificador. Puesto que estos diagramas muestran generalmente la eficiencia en la potencia de salida con varias curvas para diferentes niveles de impedancia, se puede seleccionar el punto de compresión P1dB o P3dB como punto óptimo para la máxima potencia de salida, o seleccionar un punto con mejor linealidad utilizando un back-off superior a 3 dB.

Curvas de eficiencia a lo largo de la trayectoria de optimización (fig. 4)
Los diagramas muestran el rendimiento de potencia añadida (PAE) para la potencia de salida suministrada en la salida del transistor. El rango de variación de impedancia se muestra también en la carta de Smith para cada paso. La escala del eje y cambia para dejar espacio para valores de PAE mayores cuando varía la impedancia para obtener la mejor eficiencia.

Resumen

La solución combinada de Maury Microwave, AMCAD Engineering y el R&S®ZNA de Rohde & Schwarz es un sistema exclusivo y compacto para medidas load pull de armónicos en el desarrollo de amplificadores avanzados.

Teniendo en cuenta que en los sistemas de comunicaciones móviles e inalámbricas modernos son de uso habitual los amplificadores de clases avanzadas, como las clases F o J, es importante optimizar al máximo la eficiencia y las terminaciones armónicas para reducir el consumo energético en la mayor medida posible.