Caratterizzazione avanzata degli amplificatori di potenza RF: ingegneria delle forme d'onda e test “load pull” nel dominio del tempo

Attività da eseguire

I moderni amplificatori di potenza RF (in particolare i dispositivi basati su GaN destinati alle tecnologie 5G e 6G, ai radar, ai satelliti e al settore aerospaziale) vengono spesso utilizzati in prossimità dei loro limiti di non linearità per massimizzare l'efficienza o aumentare la potenza di uscita. I tradizionali parametri S validi per i piccoli segnali o le misure scalari di potenza non sono in grado di descrivere appieno il comportamento dei dispositivi.

Durante la progettazione e la verifica degli amplificatori, è necessario determinare l'impedenza ottimale della sorgente e del carico alla frequenza fondamentale e alle frequenze delle armoniche. Le terminazioni delle armoniche influenzano direttamente la potenza in uscita, l'efficienza, la linearità, l'ampiezza di variazione della tensione, la forma d'onda della corrente e lo stress del dispositivo.

Le misure convenzionali con il metodo "load-pull" vettoriale forniscono informazioni preziose sulla potenza di uscita, sul guadagno, sulla compressione e sull'efficienza in relazione all'impedenza.

L'ingegneria avanzata delle forme d'onda richiede, inoltre, informazioni calibrate relative all'ampiezza e alla fase delle onde RF incidenti e riflesse. Solo grazie a queste informazioni è possibile ricostruire le forme d'onda della tensione e della corrente RF sul piano di riferimento del dispositivo in prova (DUT) e utilizzarle per comprendere la reale modalità di funzionamento di un dispositivo.

Tali informazioni sono importanti per ottimizzare le modalità di funzionamento degli amplificatori ad alta efficienza, per validare modelli non lineari o per correlare il comportamento simulato e quello misurato dei dispositivi. La sfida consiste nel combinare, in un unico ambiente di misura, misure accurate delle onde con calibrazione di fase, controllo dell’impedenza delle armoniche e un flusso di lavoro pratico basato sul metodo “load-pull”.

La soluzione Rohde & Schwarz

Rohde & Schwarz e Focus Microwaves hanno sviluppato una soluzione per il “load-pull” vettoriale con correzione di fase e per la caratterizzazione delle forme d'onda nel dominio del tempo.

La configurazione integra un analizzatore di reti vettoriale R&S®ZNA con un generatore a pettine R&S®ZN-ZCG (utilizzato come riferimento di fase) e un sistema load-pull di Focus Microwaves. I sintonizzatori di impedenza delle armoniche di Focus Microwaves presentano al dispositivo in prova (DUT) impedenze di sorgente e di carico, consentendo il controllo indipendente del modulo e della fase del coefficiente di riflessione alle frequenze a f0, 20 e 30. In questo modo, ciascuna terminazione alle frequenze armoniche può essere impostata e variata indipendentemente, senza alterare le altre. L'analizzatore R&S®ZNA misura le onde incidenti e riflesse calibrate, mentre il generatore R&S®ZN-ZCG fornisce il riferimento di fase necessario per allineare le informazioni di fase del ricevitore sulle frequenze fondamentali e delle armoniche, creando così un flusso di lavoro di misura pratico per la progettazione delle forme d'onda I/V in RF. I progettisti possono caratterizzare il dispositivo con il metodo “load-pull” nel dominio della frequenza, ricostruendo al contempo le forme d’onda di tensione e corrente nel dominio del tempo sul piano di riferimento del dispositivo in prova (DUT). Il risultato è una comprensione più approfondita di come la regolazione dell'impedenza possa modificare il funzionamento effettivo dei dispositivi.

Il software avanzato Focus Device Characterization Suite (FDCS) supporta l’integrazione del generatore a pettine R&S®ZN-ZCG nel flusso di lavoro “load-pull” vettoriale di Focus Microwaves. Ciò consente al generatore R&S®ZN-ZCG di fungere da modulo di riferimento di fase per le misure delle forme d'onda nel dominio del tempo, insieme alla calibrazione del sintonizzatore, alla calibrazione delle onde e alla misura load-pull di Focus Microwaves.

Misure delle onde con calibrazione di fase

Per effettuare misure di fase stabili con un analizzatore di reti vettoriale (VNA), è necessario che quest'ultimo sia dotato di un sintetizzatore digitale diretto (DDS) e che tutti i ricevitori operino in modalità di coerenza di fase, in modo da garantire relazioni di fase calibrate. L'analizzatore di reti vettoriale R&S®ZNA offre entrambe le funzionalità, mentre il generatore a pettine R&S®ZN-ZCG funge da riferimento di fase di precisione per l'analizzatore R&S®ZNA. Lo spettro delle armoniche con caratterizzazione di fase consente di eseguire in un unico semplice passaggio la calibrazione dei ricevitori R&S®ZNA su tutte le componenti di frequenza interne.

Ciò è fondamentale per misurare la relazione di fase tra l'onda fondamentale e le onde armoniche di un dispositivo in prova (DUT) non lineare.

Dopo la calibrazione, le onde a e b misurate vengono regolate in ampiezza e fase e possono essere utilizzate nel flusso di lavoro nel dominio del tempo del software FDCS per ricavare le forme d’onda della tensione e della corrente RF. A tal fine sono necessari l'accesso diretto al ricevitore dell'analizzatore R&S®ZNA, accoppiatori bidirezionali per le onde a e b, il generatore a pettine R&S®ZN-ZCG e il file di correzione vettoriale generato, caricato nel progetto di misura load-pull a onde FDCS. È quindi possibile osservare la linea di carico dinamica, il clipping della forma d'onda, la sovrapposizione tensione-corrente, il contenuto di armoniche e l'impatto delle diverse modalità di terminazione delle armoniche stesse.

Le ulteriori informazioni sulle forme d'onda aiutano i progettisti ad superare i limiti dei tradizionali contorni di load-pull. Anziché limitarsi a individuare l'impedenza che garantisce la massima potenza o efficienza, i progettisti possono comprendere perché determinati livelli di impedenza funzionano e come si configurano le forme d'onda dei dispositivi.

Riassunto

L'integrazione tra R&S®ZNA, R&S®ZN-ZCG e il sistema load-pull di Focus Microwaves offre un metodo di lavoro pratico per la progettazione di forme d'onda I/V in RF e la caratterizzazione load-pull nel dominio del tempo.

I sintonizzatori load-pull di Focus Microwaves consentono un controllo accurato dell’impedenza alle frequenze fondamentali e armoniche, mentre il generatore R&S®ZN-ZCG fornisce il riferimento di fase necessario per misure calibrate delle onde di armoniche. I progettisti possono ricostruire le forme d’onda di tensione e corrente RF sul piano di riferimento del dispositivo in prova (DUT) e collegare i risultati delle misure load-pull direttamente al comportamento reale dell’amplificatore.

La soluzione estende le classiche misure load-pull nel dominio della frequenza a flussi di lavoro di progettazione nel dominio del tempo, basati sull'analisi delle forme d'onda, che consentono agli utenti di ottimizzare potenza, efficienza e linearità, contribuendo al contempo a validare le modalità di funzionamento degli amplificatori ad alta efficienza e a migliorare la correlazione tra le misure e le simulazioni non lineari.