Стандарт 5-го поколения мобильной связи, также известный как 5G, представляет собой новую ступень эволюции беспроводных коммуникаций. Он предназначен для высокоскоростной передачи данных, голоса, видео, а также для Интернета вещей, автомобилей, смарт-домов, смарт-городов, индустриальной автоматизации и т.д. Создание и развитие данной технологии возможно, если задействовать сразу несколько диапазонов частот – от низких мегагерцовых до сверхвысоких гигагерцовых. Для решения данной задачи потребуется большое количество исследований в области широкого диапазона от 450 МГц до 6 ГГц, в диапазоне 28–30 ГГц и миллиметровом диапазоне 37–39 ГГц.
Несмотря на наличие определённых проблем и особенностей, диапазоны миллиметровых волн имеют множество преимуществ в области беспроводной связи, включая более широкую полосу пропускания, более высокую скорость передачи данных, улучшенную защиту данных и высокую энергоэффективность.
Одной из значимых частей инфраструктуры, позволяющей реализовать данные преимущества в миллиметровом диапазоне волн, являются усилители мощности (УМ), которые должны быть разработаны для получения оптимальных характеристик. Под оптимальными характеристиками УМ подразумеваются высокие выходная мощность и коэффициент полезного действия при сохранении линейности на приемлемом уровне. Полезным инструментом в арсенале разработчика для получения требуемых характеристик УМ является методика load-pull.
Методика измерений load-pull
Процесс измерений load-pull представляет собой изменение импеданса, подключённого к тестируемому устройству (ТУ), чаще всего транзистору, с целью определения его характеристик на большом сигнале. Различные параметры ТУ (выходная мощность, усиление, КПД) измеряются или рассчитываются для различных значений импеданса. На рисунке 1 показаны контуры фиксированных значений выходной мощности и КПД.
С помощью данных контуров можно определить точку максимального значения интересующего параметра, скорость его изменения, а также оптимальный импеданс, обеспечивающий компромисс между различными критериями оптимизации.
Как работает load-pull? Для начала представим ТУ в виде двухполюсника, как показано на рисунке 2. Затем предположим, что сигнал a1 подаётся на первый порт ТУ. Часть этого сигнала будет доставлена в ТУ, в то время как другая часть, волна b1, будет отражена вследствие рассогласования между входным импедансом ТУ и импедансом источника. Рассмотрим также изменённый сигнал b2, который является выходным сигналом второго порта ТУ. Часть данного сигнала уйдёт в нагрузку, а другая часть отразится от неё в виде сигнала a2, что также является следствием рассогласования между выходным импедансом ТУ и импедансом нагрузки.
Амплитуда отражения ГL рассчитывается из соотношения:
В измерениях load-pull мы управляем амплитудой отражённого сигнала a2 на выходе ТУ, а также изменяем фазу отражённого сигнала. Другими словами, если достигается требуемый уровень сигнала a2, любой импеданс нагрузки, рассчитанный по формуле:
может быть подключён к выходу ТУ. Существуют две известные методологии управления импедансом на выходе ТУ: активный и пассивный load-pull.
Пассивный load-pull основывается на использовании механических тюнеров импеданса для варьирования амплитуды и фазы отражённого сигнала a2 и, следовательно, изменения импеданса нагрузки (см. рис. 3).
Амплитуда и фаза импеданса нагрузки устанавливаются путём изменения позиции зонда относительно осей Х и Y вдоль 50-омной воздушной линии (см. рис. 4). Амплитуда импеданса регулируется вертикальным движением зонда относительно 50-омной линии, фаза устанавливается перемещением зонда вдоль линии. Такими вертикальными и горизонтальными перемещениями зонда можно установить практически любой импеданс ГL<1 при условии достаточного уровня отражённого от нагрузки сигнала a2. Важно понимать, что , поскольку отражённый от нагрузки сигнал a2 всегда будет меньше b2 из-за потерь в СВЧ-тракте между выходом ТУ и тюнером импеданса.
Активный метод формирования импеданса в открытом контуре показан на рисунке 5. В данном методе нет необходимости использовать тюнер импеданса для отражения части выходного сигнала b2 и получения таким образом сигнала a2. Вместо этого для создания сигнала a2 используется генерация СВЧ-сигнала с требуемыми амплитудой и фазой. С помощью использования в цепи усилителя мощности можно достигать любого уровня сигнала a2 и, следовательно, любого коэффициента отражения ГL.
На первый взгляд, активный метод load-pull может показаться более совершенным по сравнению с пассивным ввиду отсутствия видимых ограничений на значение амплитуды коэффициента отражения ГL. На практике же величина может быть ограничена недостатком мощности, требуемой для формирования сигнала a2, который, в свою очередь, подаётся на выход ТУ.
Активный метод load-pull имеет ряд преимуществ перед пассивным. Среди них – значительное увеличение скорости измерений, покрытие всей области диаграммы Смита (теоретическая возможность достигать ГL>1). Данные преимущества обусловлены отсутствием необходимости в механических перемещениях и прямой генерацией сигнала a2, значение которого может превышать значение b2, и, соответственно, коэффициент отражения ГL может быть больше 1. Обратимся вновь к рисунку 5. Вследствие рассогласования между 50-омным усилителем и не 50-омным ТУ часть сигнала будет отражаться и возвращаться обратно к усилителю, и чем сильнее рассогласование, тем бо¢льшая часть сигнала вернётся. В случаях экстремального рассогласования существует вероятность того, что только 10% сигнала, доступного на выходе ТУ, будет действительно доставлено к ТУ. Таким образом, для выполнения данных измерений может потребоваться более мощный усилитель.
Гибридно-активный метод load-pull решает данную проблему с помощью предварительного согласования ТУ от сильно рассогласованного к умеренно рассогласованному, таким образом уменьшая мощность, требуемую для обеспечения того же сигнала a2 на выходе ТУ.
Во время измерений load-pull желательно иметь возможность получения «закрытых» контуров (когда оптимальное значение импеданса полностью окружено результатами измерений). В случае «открытого» контура существует вероятность того, что импеданс, соответствующий максиму искомой характеристики, не является оптимальным.
Измерения load-pull в диапазоне миллиметровых волн
Современные нитрид-галлиевые транзисторы (GaN) обладают выходным импедансом порядка 1–2 Ом, которому соответствуют значения Г = 0,96 и Г = 0,92. Для того чтобы иметь возможность получить так называемые «закрытые» контуры в результате измерений load-pull, амплитуды коэффициента отражения должны быть больше, чем амплитуда выходного импеданса ТУ.
В пассивной системе измерений load-pull амплитуда отражения в опорной плоскости ТУ может быть рассчитана следующим образом:
В случае типичных значений КСВН-тюнера, потерь в направленном ответвителе, кабеле и зонде на 30 ГГц, VSWRtuner = 20:1, ILcoupler+cable+probe= 2,5 дБ максимальное значение амплитуды коэффициента отражения снижается с Г = 0,9 в опорной плоскости тюнера импеданса до Г = 0,5 в опорной плоскости ТУ.
На рисунке 6 представлены результаты пассивных измерений load-pull GaN-транзистора на частоте 30 ГГц. Максимальная выходная мощность транзистора составляет 30,66 дБм. Нужно отметить, что контуры измеренных значений не «закрыты» и, следовательно, нет уверенности в том, что максимум выходной мощности определён верно.
Как уже было сказано ранее, гибридно-активные измерения load-pull помогают преодолеть ограничение амплитуды коэффициента отражения, имеющееся в пассивных измерениях load-pull, посредством активной инжекции сигнала для увеличения сигнала a2 и, таким образом, увеличения Г. Схема гибридно-активной системы load-pull представлена на рисунке 7. На рисунке 8 изображена измерительная load-pull-установка.
Формула, описывающая взаимосвязь между импедансом нагрузки, импедансом системы, инжектируемой мощностью и диапазоном подстройки, выглядит следующим образом:
где ZL – импеданс нагрузки, Zsys – импеданс системы, ZDUT – выходной импеданс ТУ.
Коэффициент K определяется формулой:
где ZL – активная мощность, инжектируемая на выход ТУ в опорной плоскости ТУ; Pb2 – выходная мощность ТУ, Z0= 50 Ом.
Амплитуда коэффициента отражения, возможная на выходе ТУ, может быть рассчитана по формуле:
Благодаря использованию усилителя мощности (40 дБм) и тюнера импеданса для преобразования импеданса системы из 50 в (23,17+28,12i) Ом стало возможным получить коэффициент отражения Г = 0,85 и успешно «закрыть» контуры измерений выходной мощности. Контуры, показанные на рисунке 9, демонстрируют максимум выходной мощности 31,12 дБм, полученный на том же GaN-транзисторе, то есть на 0,46 дБ или на 12% мощности больше, чем изначально определено в пассивных измерениях и «незакрытых» контурах.
Заключение
В связи с активной разработкой технологии 5G и большой конкуренцией на рынке решений в данном сегменте оптимизация мощности, коэффициента полезного действия и линейности является приоритетным направлением исследований. Небольшое преимущество в несколько децибел мощности или несколько процентов КПД может стать ключевым фактором, определяющим конкурентоспособность разрабатываемых систем.
Гибридно-активные измерения load-pull помогают решить многие проблемы при разработке УМ, избавиться от неопределённости результатов и достигнуть практически идеального согласования. Таким образом, сторонники данной методологии получают заметное преимущество на рынке новейших разработок.
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
