Maximización de la eficiencia de amplificadores de potencia con mediciones «load pull» de armónicos

Las aplicaciones «load pull» ayudan a mejorar la caracterización y optimización de los amplificadores de potencia. Se utilizan amplificadores eficientes en regiones no lineales cercanas a saturaciones, en donde producen una significativa cantidad de potencia armónica. Para optimizar la eficiencia del amplificador de potencia (PA), estas señales armónicas necesitan impedancia optimizada para producir frecuencias armónicas.

Su misión

Como desarrollador de amplificadores de potencia de RF, se enfoca en especificaciones obligatorias como ganancia, potencia de salida, cobertura de frecuencia junto con suficiente EVM, ACRL y planicidad linear en todos los anchos de banda admitidos. Nos hemos esforzado de manera significativa para mejorar la eficiencia a fin de diferenciarnos de otros proveedores en el mercado. Al ejecutar el amplificador cerca de la saturación, este produce contenido armónico. Diferentes modos de funcionamiento como de clase A o B se utilizan para optimizar la linealidad y la eficiencia. Estas clases se llaman ingeniería de formas de onda debido a que las curvas de corriente y voltajes que se aplican al transistor están sintonizadas. Mientras que la tensión de polarización sintoniza las clases A y B, las clases E y F utilizan armónicos para optimizar la eficiencia. Un sistema de «load pull» armónico ofrece información completa en los modos E y F, además puede explorar los modos de funcionamiento más eficientes para un dispositivo (amplificador). Las mejoras de eficiencia en el rango del 10 % al 20 % son realistas, dependiendo del dispositivo y sus modos de funcionamiento.

Rohde & Schwarz y Maury Microwave trabajan conjuntamente en un sistema llave en mano de «load pull» armónico

Tradicionalmente, los sistemas de «load pull» utilizan sintonizadores mecánicos en sistemas pasivos para aplicar diferentes niveles de impedancia al transistor (véase fig. 1).
El sistema de «load pull» utiliza un enfoque diferente, donde un sistema de retroalimentación activo envía una señal a la salida del amplificador con un nivel y fase definidos en relación a la señal, que sustituye al sintonizador. El enfoque permite un rango de sintonización más amplio en todo el diagrama de Smith, ya que se eliminan las pérdidas de los sintonizadores pasivos, y se aplica más potencia para un intervalo de sintonización más amplio. Puede utilizarse un enfoque mixto («load pull» híbrido).

Se aplican conceptos similares cuando se sintonizan frecuencias armónicas. La sintonización pasiva utiliza sintonizadores mecánicos multiplexados para el primer (f₀), segundo (2f₀) y tercer (3f₀) armónico.
Estos se combinan mediante un triplexor o sintonizador mecánico en cascada con tres portadoras internas para los armónicos. Se dispone de un intervalo de sintonización y una mayor flexibilidad con un sistema activo que proporciona señales de frecuencia armónica controladas al dispositivo.

Un enfoque común combina un sintonizador pasivo para la señal de frecuencia fundamental, debido a que admite niveles de potencia mucho mayores, con señales activas para el segundo y tercer armónico (véase fig. 2).

Maury Microwave, AMCAD Engineering y Rohde & Schwarz tienen un sistema llave en mano en conjunto con un software que puede calibrar y ejecutar todo el sistema. La solución utiliza cuatro fuentes de señales que pueden ajustarse de manera independiente pero sincronizadas, exclusivas del R&S®ZNA, que pueden generar señales de frecuencia fundamental para la entrada, así como el segundo y tercer armónico con un control de fase y amplitud para un «load pull» armónico activo (véase ffig. 3).

De manera alternativa, la cuarta fuente del R&S®ZNA puede sustituir el sintonizador mecánico en el lado de la carga por una señal f₀activa.
Esto es razonable para dispositivos con una menor potencia de salida, ya que de otra manera la señal a f0 que se desplaza hacia la salida del dispositivo tendría que ser excesiva. La solución mas flexible es un enfoque híbrido con un sintonizador mecánico más una señal activa al dispositivo.

El R&S®ZNA tiene cuatro fuentes internas para una configuración muy compacta, rápida y estable que ahorra el costo, tanto de fuentes externas, como de sintonizadores de armónicos.

Aplicación

Un enfoque de medición asistida caracteriza al dispositivo, que utiliza diferentes condiciones para buscar una solución general, así como generar la mayor eficiencia. Es habitual un enfoque de varios pasos que utiliza un sistema completamente calibrado hasta el dispositivo. Los pasos típicos son (véase fig. 4):

Paso 1: se barre la impedancia f₀en búsqueda de la mejor eficiencia del amplificador de potencia mientras que 2f₀y 3f₀se definen a una terminación adaptada de 50 Ω.

Paso 2: se barre la impedancia 2f₀mientras que la impedancia f₀se fija a la impedancia que se encontró en el paso 1 para alcanzar la mejor eficiencia. 3f₀permanece en 50 Ω.

Paso 3: se barre la impedancia 3f₀mientras que la impedancia f₀y 2f₀se fijan a la impedancia que se ha encontrado en los pasos 1 y 2 para obtener la mejor eficiencia.

Paso 4: sintonización fina de la impedancia f0: se barre otra vez la impedancia f₀mientras que las impedancias 2f₀y 3f₀se fijan a aquellas que se encontraron en los pasos 2 y 3 para obtener la mejor eficiencia.

Este esquema proporciona los datos para seleccionar la adaptación de impedancias en los diferentes armónicos para así obtener la mejor eficiencia del amplificador. Debido a que estos gráficos por lo general muestran la eficiencia sobre la potencia de salida con múltiples curvas para los diferentes niveles de impedancia, puede seleccionarse el punto de compresión a 1 dB o a 3 dB como el punto óptimo para la potencia de salida máxima o la mejor linealidad con un retroceso superior a 3 dB.

Curvas de eficiencia a lo largo del trayecto de optimización (fig. 4)
Los gráficos muestran la eficiencia de potencia agregada (PAE) sobre la potencia de salida proporcionada en la salida del transistor. El rango de variación de impedancia también se muestra en el diagrama de Smith para cada paso. La escala del eje «y» cambia para dejar sitio a valores PAE mayores cuando se cambia la impedancia para obtener la mejor eficiencia.

Resumen

La solución conjunta de Maury Microwave, AMCAD Engineering y el R&S®ZNA de Rohde & Schwarz es un enfoque exclusivo y único para mediciones «load pull» de armónicos al desarrollar los amplificadores más avanzados.

Dado que las clases de amplificadores de vanguardia, como las clases F o J son comúnmente utilizadas en los sistemas modernos de comunicaciones inalámbricas, es importante para mantener el consumo de energía lo más bajo posible, tener la mejor eficiencia y la mejor terminación armónica.