高度なRFパワーアンプの特性評価：波形エンジニアリングとタイムドメインロードプル

課題

現代のRFパワーアンプ（特に5G、6G、レーダー、衛星、航空宇宙向けのGaNベースのデバイス）は、効率の最大化や出力電力の増大を図るために、多くの場合、非線形の境界付近で動作させます。従来の小信号Sパラメータやスカラー電力測定では、デバイスの挙動を完全に捕捉することができません。

アンプの設計と検証を行う際、エンジニアは基本波および高調波周波数における最適なソースインピーダンスと負荷インピーダンスを決定する必要があります。高調波終端は、出力電力、効率、リニアリティー、電圧スイング、電流波形、およびデバイスへのストレスに直接影響を与えます。

従来のベクトルロードプル測定は、インピーダンスに対する出力電力、利得、圧縮、および効率に関する有用な情報を提供します。

一方、高度な波形エンジニアリングには、RFの入射波および反射波について、校正済みの振幅／位相情報も必要です。このような情報があって初めて、被測定デバイス（DUT）の基準面におけるRF電圧および電流波形を再構成し、デバイスの実際の動作モードを理解するために活用することができます。

この情報は、高効率アンプモードの最適化、非線形モデルの検証、あるいはデバイス挙動のシミュレーション値と実測値の相関付けを行う際に重要となります。課題は、正確な位相校正済みの波測定、高調波インピーダンス制御、そして実用的なロードプルワークフローを1つの測定環境に統合することです。

ローデ・シュワルツのソリューション

ローデ・シュワルツとFocus Microwaves社は、位相補正ベクトルロードプルおよびタイムドメイン波形特性評価のためのソリューションを共同開発しました。

このセットアップは、R&S®ZNA ベクトル・ネットワーク・アナライザと、R&S®ZN-ZCG コムジェネレーター（位相基準）、およびFocus Microwaves社のロードプルシステムを組み合わせたものです。Focus Microwaves社の高調波チューナーは、f0、2f0、3f0における反射係数の振幅と位相を独立して制御しながら、DUTにソースインピーダンスと負荷インピーダンスを提供します。これにより、他の高調波終端を乱すことなく、それぞれの高調波終端を個別に設定して掃引できます。R&S®ZNAは校正済みの入射波および反射波を測定し、一方、R&S®ZN-ZCGは、基本波および高調波周波数にわたってレシーバーの位相情報を揃えるために必要な位相基準を提供し、RF I/V波形エンジニアリング向けの実用的な測定ワークフローを実現します。エンジニアは、周波数ドメインでロードプルを特性評価しながら、DUTの基準面におけるタイムドメインの電圧および電流波形を再構築することができます。その結果、インピーダンスチューニングが実際のデバイス動作をどのように変化させるかについて、より詳しく理解できます。

最先端のFocus Device Characterization Suite（FDCS）ソフトウェアは、R&S®ZN-ZCG コムジェネレーターとFocus Microwaves ベクトルロードプルワークフローの統合をサポートします。これにより、R&S®ZN-ZCGは、Focus Microwaves社のチューナー校正、波校正、およびロードプル測定と連携して、タイムドメイン波形測定のための位相基準モジュールとして機能します。

位相校正済みの波測定

ベクトル・ネットワーク・アナライザ（VNA）を用いて安定した位相測定を行うには、VNA内蔵のダイレクト・デジタル・シンセサイザ（DDS）と、すべてのレシーバー間で校正された位相関係を保つための位相コヒーレンスモードが必要です。R&S®ZNA ベクトル・ネットワーク・アナライザはこれら両方を提供し、R&S®ZN-ZCGコムジェネレーターがR&S®ZNAの高精度な位相基準として機能します。位相特性評価済みの高調波スペクトラムを用いることにより、シンプルな1ステップのプロセスでR&S®ZNAのレシーバーをすべての内部周波数成分について校正できるようになります。

これは、非線形DUTの基本波と高調波の間の位相関係を測定するために不可欠です。

校正後、測定されたa波およびb波は振幅と位相が調整され、FDCSのタイムドメインワークフローでRFの電圧および電流波形を導出するために使用できます。これを行うには、R&S®ZNAへのダイレクトレシーバーアクセス機能、a波およびb波用の双方向カップラー、R&S®ZN-ZCG コムジェネレーター、およびFDCSのウェーブ（波）ロードプルプロジェクトにロードされた生成済みベクトル補正ファイルが必要です。これにより、ダイナミック負荷線、波形のクリッピング、電圧と電流の重なり、高調波成分、および異なる高調波終端の影響を確認できるようになります。

このような詳細な波形解析は、エンジニアが従来のロードプルコンター（等高線）図の枠を超えた検討を行うために役立ちます。最大電力や最大効率をもたらすインピーダンスを単に特定するだけでなく、エンジニアは、なぜ特定のインピーダンスレベルが機能するのか、そしてデバイスの波形がどのように形成されるのかを理解することができます。

まとめ

R&S®ZNA、R&S®ZN-ZCG、およびFocus Microwaves社のロードプルシステムを統合することで、RF I/V波形エンジニアリングとタイムドメインでのロードプル特性評価に対応できる実用的なワークフローが実現します。

Focus Microwaves社のロードプルチューナーは基本波および高調波周波数での正確なインピーダンス制御を可能にし、R&S®ZN-ZCGは高調波測定の校正に必要な位相基準を提供します。エンジニアはDUTの基準面におけるRF電圧／電流波形を再構築し、ロードプルの結果を実際のアンプの挙動に直接関連付けることができます。

このソリューションは、従来の周波数ドメインのロードプル測定をタイムドメインにおける波形ベースのワークフローへと拡張します。これは、電力、効率、リニアリティーを最適化できるだけでなく、高効率アンプモードの検証や、測定値と非線形シミュレーションの相関性の向上にも役立ちます。