Sinais de load-pull modulados de banda larga, como os usados em implementações finais, fornecem insights reais do desempenho do front-end de RF. Entretanto, os amplificadores de RF se comportam de forma diferente quando a impedância muda. Os amplificadores de RF se comportam de maneira diferente com impedâncias variáveis quando conduzem sinais para uma antena de banda larga; nesses casos, seu comportamento não pode ser previsto ou calculado.
Muitos front-ends e amplificadores de RF em sistemas de comunicação conduzem sinais modulados de banda larga para sistemas de antena. Como os front-ends são usados em uma faixa de frequência mais ampla com várias bandas de transmissão, eles veem impedâncias variáveis como cargas. Essas cargas dispersivas podem ter um impacto significativo na distorção e no ganho do amplificador.
Solução de load-pull modulado de banda larga usando o osciloscópio de alto desempenho R&S®RTP164B e o gerador de sinais vetoriais R&S®SMW200A
Sua tarefa
Os engenheiros de amplificadores de potência de RF querem o melhor desempenho do dispositivo na sua aplicação desejada. A maioria dos sistemas de RF são nominalmente sistemas de 50 Ω, mas a impedância real do front-end de RF pode ser muito diferente. Uma antena pode apresentar cargas a um amplificador em uma ampla faixa de frequência. A impedância em relação ao amplificador pode mudar significativamente de menos de 20 Ω para mais de 100 Ω. Infelizmente, nenhum modelo pode prever o comportamento de distorção, eficiência ou ganho validado nos indicadores de desempenho (KPI) essenciais, como a magnitude do vetor de erro (EVM) ou a taxa de vazamento do canal adjacente (ACLR). A única maneira de saber se um front-end de RF pode lidar com uma carga dispersiva é testando-o.
Diagrama de blocos de uma configuração básica de load-pull do receptor vetorial passivo
A solução da Rohde & Schwarz
A Rohde & Schwarz adota uma abordagem única para o load-pull modulado de banda larga. Tradicionalmente, os sistemas de load-pull usam um analisador de redes vetoriais (VNA) e sintonizadores mecânicos para criar um sistema de load-pull passivo que apresenta diferentes impedâncias a um transistor.
Nesse caso, o VNA é substituído por um gerador de sinais vetoriais e um analisador de sinais vetoriais para dar suporte a vários sinais modulados e sua avaliação em testes modulados com diferentes condições de carga. Um sintonizador é usado para criar a impedância desejada no lado da saída do dispositivo de teste.
Configuração do load-pull modulado de banda larga
A abordagem tem sido usada e comprovada há anos com sinais de banda estreita. Quando as larguras de banda do sinal aumentam, a resposta em frequência inerente do sintonizador e o atraso de grupo falsificam as medições, e é necessária uma abordagem diferente.
A Rohde & Schwarz desenvolveu uma solução que usa o conceito de um sistema de load-pull ativo que cria a impedância desejada com uma injeção de sinal ativo no lado de saída do dispositivo em teste e não um sintonizador mecânico. O conceito é mostrado na figura «Configuração de load-pull modulado de banda larga».
A solução usa um osciloscópio R&S®RTP com quatro portas para medir as ondas diretas e reversas nos lados de entrada e saída do dispositivo em teste (DUT). Os osciloscópios R&S®RTP têm sincronização de fase e tempo, além de uma alta largura de banda de registro. O gerador de sinais vetoriais R&S®SMW200A fornece um sinal de teste como entrada para o dispositivo e o sinal de sintonia para criar a impedância desejada. As condições de fase e tempo estáveis e controláveis pelo usuário entre os dois sinais são muito importantes. O software de load-pull modulado R&S®RTP-K98 controla a configuração completa e guia o usuário durante as calibrações e medições. Foram obtidos bons resultados com os acopladores direcionais duplos CD10-0106 da Marki Microwave na entrada e na saída do dispositivo em teste.
A solução usa um osciloscópio R&S®RTP com quatro portas para medir as ondas diretas e reversas nos lados de entrada e saída do dispositivo em teste (DUT). Os osciloscópios R&S®RTP têm sincronização de fase e tempo, além de uma alta largura de banda de registro. O gerador de sinais vetoriais R&S®SMW200A fornece um sinal de teste como entrada para o dispositivo e o sinal de sintonia para criar a impedância desejada. As condições de fase e tempo estáveis e controláveis pelo usuário entre os dois sinais são muito importantes. O software de load-pull modulado R&S®RTP-K98 controla a configuração completa e guia o usuário durante as calibrações e medições. Foram obtidos bons resultados com os acopladores direcionais duplos CD10-0106 da Marki Microwave na entrada e na saída do dispositivo em teste.
Configuração aprimorada de load-pull modulada de banda larga
Os dispositivos de maior potência e uma faixa de sintonia mais ampla precisam de um amplificador como o amplificador de sistema R&S®SAM100, que pode ser ligado em loop para aumentar o sinal de sintonia. Para evitar o load-pull indesejado do gerador de sinais ou amplificador, um ou mais circuladores podem ser adicionados para desacoplamento.
A largura de banda do sinal e a faixa de frequência coberta são limitadas apenas pela configuração do instrumento. É possível suportar até 2 GHz de largura de banda de sinal, o que abrange os principais sistemas de comunicação. A frequência máxima de 8 GHz significa que a banda FR1 de até 7,125 GHz para aplicações via Wi-Fi e móveis está coberta.
A potência máxima de saída, o ganho, a EVM ou o ACLR podem ser medidos diretamente com a forma de onda b2 amostrada. Se o dispositivo tiver um desempenho muito alto, o sinal b2 poderá ser dividido e um analisador de espectro e sinal poderá ser usado, como o R&S®FSVA3000, com faixa dinâmica aprimorada e excelentes recursos de medição de EVM.
Gráfico de contorno para fator de crista (PAPR) como uma medida de distorção de modulação do dispositivo obtida pelo R&S®RTP-K98
Aplicação
Como em qualquer medição semelhante de analisador de rede, é necessária uma calibração de nível de sistema para sintonizar um determinado ponto na carta de Smith de forma precisa e confiável. Todos os acessórios do sistema devem estar presentes durante a calibração, inclusive o amplificador e os circuladores, para controlar sua influência. O software R&S®RTP-K98 guia durante o processo com uma tela que mostra cada etapa da calibração. A calibração segue uma rotina de duas etapas, começando com uma calibração «open, short and match» (OSM) no plano de entrada do dispositivo em teste, seguida de uma transferência para o lado de saída usando uma passagem conhecida.
O sinal de sintonia deve ser diferente do sinal de entrada para maior precisão. Embora possa parecer contraditório, a explicação é simples: o front-end de RF adiciona distorção ao sinal e o sinal de saída b2 é diferente do sinal de entrada a1. O sinal de sintonia a2 precisa ser o mesmo que b2 para ter precisão. A aplicação primeiro registra o sinal de saída b2 do dispositivo em teste para cada ponto de nível e frequência e o utiliza como sinal de sintonia a2, que inclui a distorção individual adicionada pelo dispositivo para um determinado cenário antes de sintonizar diferentes pontos de impedância.
O programa R&S®RTP-K98 fornece sintonização de impedância única para verificações de ponto único ou, quando controlado a partir de um programa de usuário externo, em uma abordagem passo a passo. Um plano de varredura pode criar uma sequência de medição em diferentes impedâncias para várias frequências e níveis com o intuito de criar gráficos de contorno de KPIs do dispositivo, como ganho, potência máxima de saída ou EVM. Como a variação da impedância envolve simplesmente a alteração da amplitude e da relação de fase entre os dois canais no gerador de sinais vetoriais, a sintonização é muito rápida.
O relatório de teste criado automaticamente contém todos os resultados. Além disso, todos os dados de teste podem ser compilados em formatos de fácil acesso, como CSV, para pós-processamento.
A pré-distorção digital (DPD) está disponível por meio de looping no software de medição de amplificadores R&S®VSE-K18 com o processo direto de DPD para o osciloscópio R&S®RTP. O uso de sinais personalizados e pré-distorcidos e a avaliação externa também disponibilizam qualquer DPD definido pelo usuário.
A solução inclui uma extensão avançada que ajuda a compensar impedâncias dispersivas para maior realismo e possibilita novas aplicações em potencial. A impedância de uma antena é altamente dependente da frequência. As larguras de banda de sinal de 100 MHz ou mais significam que, mesmo em banda, essa variação não pode mais ser negligenciada. A solução pode usar um arquivo S1P que descreve o comportamento da antena para oferecer um cenário realista, incluindo a variação de frequência. Dois arquivos S2P podem ser compensados para recriar uma rede de correspondência ou um filtro passa-faixa. Ao usar diferentes arquivos S2P para diferentes redes de correspondência, a influência da rede de correspondência pode ser facilmente otimizada e seu design adotado em um ambiente de simulação para uma representação S2P. Até mesmo os sistemas híbridos podem ser montados durante o carregamento dos dados do sintonizador como um arquivo S2P no software R&S®RTP-K98 para compensação.
Por fim, essa solução baseada em osciloscópio pode ser usada para combinar com o rastreamento de envelope usando um segundo R&S®SMW200A, além de informações reais no domínio do tempo sobre a resposta do dispositivo em teste.
A solução de load-pull modulado de banda larga usando instrumentos de laboratório padrão é uma solução rápida, versátil e com um bom custo-benefício para a sintonização precisa da impedância. A flexibilidade dos instrumentos permite uma ampla cobertura de aplicações e de sinais.
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