Maximierung des Wirkungsgrads von Leistungsverstärkern mit Load-Pull-Messungen für Harmonische

Load-Pull-Anwendungen ermöglichen eine bessere Charakterisierung und Optimierung von Leistungsverstärkern. Effiziente Verstärker werden im nichtlinearen Bereich nahe der Sättigung eingesetzt, wo sie eine beträchtliche harmonische Leistung erzeugen. Um den Wirkungsgrad von Leistungsverstärkern zu optimieren, benötigen diese Oberwellensignale eine für die Oberfrequenzen optimierte Impedanz.

Ihre Anforderung

Als Entwickler von HF-Leistungsverstärkern konzentrieren Sie sich auf obligatorische Spezifikationen wie Verstärkung, Ausgangsleistung, Frequenzabdeckung sowie ausreichend flache Linearität, EVM und ACLR über die unterstützten Bandbreiten. Sie legen großen Wert auf die Steigerung des Wirkungsgrads, um sich von anderen Anbietern auf dem Markt abzuheben. Wenn der Verstärker nahe der Sättigung betrieben wird, erzeugt er Oberwellen. Verschiedene Betriebsmodi wie Klasse A oder Klasse B werden verwendet, um zwischen Linearität und Wirkungsgrad zu optimieren. In diesem Zusammenhang wird von „Waveform Engineering“ gesprochen, da die an den Transistor angelegten Strom- und Spannungskurven abgestimmt werden. Während die Abstimmung bei den Klassen A und B über die Vorspannung erfolgt, werden bei den Klassen E und F Steuerverfahren für Harmonische verwendet, um den Wirkungsgrad zu optimieren. Ein Harmonic-Load-Pull-System bietet einen umfassenden Einblick in den E- und F-Modus und kann die effizientesten Betriebsmodi für einen Prüfling (Verstärker) ermitteln. Steigerungen des Wirkungsgrads in der Größenordnung von 10 % bis 20 % sind je nach Gerät und Betriebsmodus realistisch.

Rohde & Schwarz und Maury Microwave haben gemeinsam ein schlüsselfertiges Load-Pull-System für Harmonische entwickelt

Traditionell werden bei Load-Pull-Systemen mechanische Tuner in passiven Systemen verwendet, um verschiedene Impedanzniveaus auf einen Transistor anzuwenden (siehe Bild 1).
Das aktive Load-Pull-System verwendet einen anderen Ansatz. Ein aktives Rückkopplungssystem sendet ein Signal mit definiertem Pegel und definierter Phase bezüglich des Signals an den Verstärkerausgang und ersetzt damit den Tuner. Dieser Ansatz ermöglicht einen größeren Abstimmbereich über das Smith-Diagramm, da die Verluste durch die passiven Tuner eliminiert werden und mehr Leistung für einen größeren Abstimmbereich eingesetzt wird. Es kann auch ein gemischter Ansatz (hybride Load-Pull-Messungen) verwendet werden.

Beim Abstimmen von Oberfrequenzen werden ähnliche Konzepte angewendet. Bei der passiven Abstimmung werden mechanische Multiplex-Tuner für die erste (f₀), zweite (2f₀) und dritte (3f₀) Harmonische verwendet.
Sie werden über einen Triplexer oder einen kaskadierten mechanischen Tuner mit drei internen Trägern für die Harmonischen kombiniert. Ein breiterer Abstimmungsbereich und größere Flexibilität sind mit einem aktiven System möglich, das dem Prüfling kontrollierte Oberwellensignale liefert.

Ein gängiger Ansatz ist die Kombination eines passiven Tuners für das Grundfrequenzsignal, da diese wesentlich höhere Leistungspegel unterstützen, mit aktiven Signalen für die zweite und dritte Harmonische (siehe Bild 2).

Maury Microwave, AMCAD Engineering und Rohde & Schwarz haben gemeinsam ein schlüsselfertiges System mit einer Software für die Kalibrierung und den Betrieb des gesamten Systems entwickelt. Die Lösung nutzt vier unabhängig voneinander einstellbare, aber synchronisierte Signalquellen, wie sie nur der R&S®ZNA bietet. Diese können sowohl Grundfrequenzsignale für den Eingang als auch zweite und dritte Harmonische mit Phasen- und Amplitudensteuerung für aktives Harmonic-Load-Pulling erzeugen (siehe Bild 3).

Alternativ kann die vierte R&S®ZNA-Quelle den mechanischen Tuner auf der Lastseite durch ein aktives f₀-Signal ersetzen.
Dies ist bei Geräten mit geringerer Ausgangsleistung sinnvoll, da sonst das Signal bei f0, das in den Ausgang des Prüflings gespeist wird, extrem groß sein müsste. Ein hybrider Ansatz mit einem mechanischen Tuner und einem aktiven Signal für den Prüfling ist die flexibelste Lösung.

Der R&S®ZNA verfügt über vier interne Quellen für einen sehr kompakten, schnellen und stabilen Aufbau, mit dem die Kosten für externe Quellen oder Harmonischen-Tuner eingespart werden.

Anwendung

Ein messungsgestützter Ansatz charakterisiert den Prüfling anhand verschiedener Bedingungen, um nach einer Gesamtlösung zu suchen und den größten Wirkungsgrad zu erzielen. Üblich ist ein mehrstufiger Ansatz, bei dem ein vollständig bis zum Prüfling kalibriertes System verwendet wird. Die typischen Schritte sind (siehe Bild 4):

Schritt 1: Die f₀-Impedance wird gesweept, um nach dem besten Verstärkerwirkungsgrad zu suchen, während 2f₀und 3f₀auf einen 50-Ω-Abschluss eingestellt sind.

Schritt 2: Die 2f₀-Impedanz wird gesweept, während die f₀auf die in Schritt 1 ermittelte Impedanz für den besten Wirkungsgrad festgelegt wird. 3f₀bleibt bei 50 Ω.

Schritt 3: Die 3f₀-Impedanz wird gesweept, während die f₀-Impedanz und 2f₀auf die in den Schritten 1 und 2 ermittelte Impedanz für den besten Wirkungsgrad festgelegt werden.

Schritt 4: Feinabstimmung der f0-Impedanz: Die f₀-Impedanz wird wieder gesweept, während die 2f_0-und 3f₀-Impedanzen auf die in den Schritten 2 und 3 ermittelten Impedanzen für den besten Wirkungsgrad festgelegt werden.

Dieses Schema liefert Daten zur Auswahl der Impedanzanpassung bei den verschiedenen Harmonischen für den besten Verstärkerwirkungsgrad. Da diese Diagramme in der Regel den Wirkungsgrad in Abhängigkeit von der Ausgangsleistung mit mehreren Kurven für verschiedene Impedanzwerte zeigen, kann der P1dB- oder P3dB-Kompressionspunkt als optimaler Punkt für die maximale Ausgangsleistung gewählt werden, oder es kann ein Punkt mit besserer Linearität gewählt werden, indem ein Backoff von mehr als 3 dB verwendet wird.

Wirkungsgradkurven entlang des Optimierungspfads (Bild 4)
Die Diagramme zeigen den Leistungswirkungsgrad (Power Added Efficiency, PAE) über der Ausgangsleistung, die am Ausgang des Transistors geliefert wird. Der Bereich der Impedanzvariation wird auch im Smith-Diagramm für jeden Schritt angezeigt. Die Skalierung der y-Achse wird geändert, um größere PAE-Werte darstellen zu können, wenn die Impedanz geändert wird, um den besten Wirkungsgrad zu erreichen.

Zusammenfassung

Die gemeinsame Lösung von Maury Microwave, AMCAD Engineering und Rohde & Schwarz, das den R&S®ZNA beisteuert, bietet ein einzigartiges und kompaktes System für Load-Pull-Messungen an Harmonischen bei der Entwicklung moderner Verstärker.

Da in den heutigen Funkkommunikationssystemen häufig fortgeschrittene Verstärkerklassen wie die Klassen F oder J verwendet werden, sind ein optimaler Wirkungsgrad und ein optimaler Oberwellenabschluss wichtig, um den Stromverbrauch so gering wie möglich zu halten.