Согласование нагрузки для широкополосных модулированных сигналов

Многие высокочастотные входные каскады и усилители, применяемые в системах связи, подают широкополосные модулированные сигналы в антенные системы. Входные каскады работают в широком диапазоне частот с несколькими диапазонами передачи, поэтому на них воздействуют нагрузки с переменными импедансами. Такие колебания нагрузки могут оказывать существенное влияние на коэффициент усиления и искажения усилителя.

Измерительная задача

Разработчики усилителей ВЧ-мощности стремятся получить наилучшие рабочие характеристики устройства при решении конкретных задач. Большинство ВЧ-систем номинально имеют импеданс 50 Ом, однако реальный импеданс для высокочастотного входного каскада может существенно отличаться от этого значения. Антенна может создавать нагрузки на усилитель в широком диапазоне частот. Импеданс относительно усилителя может находиться в диапазоне от менее 20 Ом до более 100 Ом. К сожалению, ни одна модель не позволяет прогнозировать коэффициент усиления, эффективность или искажения, оцениваемые по таким ключевым показателям эффективности, как модуль вектора ошибок или коэффициент утечки мощности в соседний канал. Лишь испытания высокочастотного входного каскада позволяют убедиться в том, что он способен справляться с изменениями нагрузки.

Решение компании Rohde & Schwarz

Специалисты Rohde & Schwarz разработали уникальную концепцию согласования нагрузки для широкополосных модулированных сигналов. В традиционной концепции применяются векторный анализатор цепей и механические тюнеры, с помощью которых создается пассивная система согласования нагрузки, прилагающая различные импедансы к транзистору.

В новом решении векторный анализатор цепей заменяется на векторный генератор сигналов и векторный анализатор сигналов в целях поддержки различных модулированных сигналов и их анализа в модулированных испытаниях с различными нагрузками. Тюнер создает требуемый импеданс на выходе испытуемого устройства.

Данная система широко применялась на протяжении многих лет для испытаний узкополосных сигналов. При увеличении полосы частот сигналов собственная АЧХ тюнера и групповое время задержки вносят искажения в результаты измерений, поэтому требуется другой подход.

В компании Rohde & Schwarz было разработано решение на основе активной системы согласования нагрузки, которая создает требуемый импеданс с активной подачей сигнала на выход испытуемого устройства без применения механического тюнера. Данное решение представлено на рисунке «Схема согласования нагрузки для широкополосных модулированных сигналов».

В решении применяется осциллограф R&S®RTP с четырьмя портами для измерения прямых и обратных волн на входе и выходе испытуемого устройства. Осциллографы R&S®RTP имеют синхронизацию по времени и фазе, а также функцию регистрации данных в широкой полосе пропускания. Векторный генератор сигналов R&S®SMW200A подает тестовый сигнал на вход устройства и сигнал подстройки для создания требуемого импеданса. Очень важно обеспечить надежные и контролируемые пользователем значения времени и фазы между двумя сигналами. Программное обеспечение R&S®RTP-K98 для согласования нагрузки модулированных сигналов управляет всей схемой и помогает пользователю проводить калибровку и измерения. Хорошие результаты были достигнуты с двунаправленными ответвителями Marki Microwave CD10-0106 на входе и выходе испытуемого устройства.

В решении применяется осциллограф R&S®RTP с четырьмя портами для измерения прямых и обратных волн на входе и выходе испытуемого устройства. Осциллографы R&S®RTP имеют синхронизацию по времени и фазе, а также функцию регистрации данных в широкой полосе пропускания. Векторный генератор сигналов R&S®SMW200A подает тестовый сигнал на вход устройства и сигнал подстройки для создания требуемого импеданса. Очень важно обеспечить надежные и контролируемые пользователем значения времени и фазы между двумя сигналами. Программное обеспечение R&S®RTP-K98 для согласования нагрузки модулированных сигналов управляет всей схемой и помогает пользователю проводить калибровку и измерения. Хорошие результаты были достигнуты с двунаправленными ответвителями Marki Microwave CD10-0106 на входе и выходе испытуемого устройства.

Для испытуемых устройств с повышенной мощностью и более широким диапазоном подстройки требуются такие усилители, как системный усилитель R&S®SAM100, который встраивается в контур и усиливает сигнал подстройки. Во избежание нежелательного согласования нагрузки на усилителе или генераторе сигналов можно добавить в схему один или несколько циркуляторов в целях развязки.

Полоса частот сигналов и охватываемый диапазон частот ограничиваются только конфигурацией приборов. Возможна поддержка типичной для большинства систем связи полосы частот сигналов до 2 ГГц. Максимальная частота 8 ГГц означает охват диапазона FR1 до 7,125 ГГц для устройств мобильной связи и Wi-Fi.

Максимальную выходную мощность, коэффициент усиления, модуль вектора ошибок и коэффициент утечки мощности в соседний канал можно напрямую измерять с помощью дискретизированной формы сигнала b₂. Если испытуемое устройство имеет очень высокие рабочие характеристики, сигнал b₂ можно разделить на фрагменты и использовать анализатор спектра и сигналов R&S®FSVA3000 с расширенным динамическим диапазоном и превосходными функциями измерения модуля вектора ошибок.

Применение

Как и для прочих аналогичных измерений на анализаторе цепей, требуется калибровка системного уровня, чтобы точно и надежно настроить определенную точку на диаграмме Вольперта-Смита. В ходе калибровки должны присутствовать все принадлежности, включая усилитель и циркуляторы, чтобы отрегулировать их влияние. Программное обеспечение R&S®RTP-K98 выводит указания и наглядно отображает каждый шаг калибровки. Двухшаговая калибровка начинается с калибровки OSM (разомкнутая цепь, короткое замыкание, согласованная нагрузка) на входной плоскости испытуемого устройства, после чего осуществляется переход к выходу испытуемого устройства с известным сквозным соединением.

Для большей точности сигнал подстройки должен отличаться от входного сигнала. Это звучит парадоксально, однако имеет очень простое объяснение: высокочастотный входной каскад вносит искажение в сигнал, поэтому выходной сигнал b₂ отличается от входного сигнала a1. Сигнал подстройки a₂ должен быть равен сигналу b₂ для обеспечения точности. Программное обеспечение сначала регистрирует выходной сигнал испытуемого устройства b₂ для каждой точки частоты и уровня и использует эти данные в качестве сигнала подстройки a₂, который включает в себя искажение, вносимое испытуемым устройством в конкретном сценарии до подстройки до различных точек импеданса.

Программное обеспечение R&S®RTP-K98 выполняет подстройку импеданса в виде проверок отдельных точек или, при управлении через внешнюю программу, в виде пошаговой процедуры. С помощью плана развертки можно создать последовательность измерений различных импедансов на нескольких частотах и уровнях, чтобы таким образом построить контурную диаграмму ключевых показателей эффективности устройства, таких как коэффициент усиления, максимальная выходная мощность или модуль вектора ошибок. Для изменения импеданса требуется лишь изменение отношения амплитуды и фазы между двумя каналами векторного генератора сигналов, поэтому подстройка выполняется очень быстро.

Автоматически генерируемый протокол испытаний содержит все результаты. Кроме того, все данные испытаний можно преобразовать в удобные форматы (например, CSV) для их дальнейшей обработки.

Функция цифровых предыскажений становится доступной путем объединения ПО R&S®VSE-K18 для измерений усилителей и непосредственной обработки цифровых предыскажений на осциллографе R&S®RTP. При использовании настраиваемых пользователем сигналов с предварительными искажениями и внешнего анализа также доступны любые цифровые предыскажения.

Решение включает в себя мощное расширение, с помощью которого можно устранять дисперсию импеданса, что повышает реалистичность и открывает новые возможности применения. Импеданс антенны в значительной степени зависит от частоты. Полосы частот сигналов 100 МГц и выше означают, что даже внутри диапазона этими колебаниями импеданса невозможно пренебречь. В нашем решении можно использовать файл S1P с описанием характеристик антенны и зависимости импеданса от частоты в качестве реалистичного сценария. Путем компенсации двух файлов S2P можно воссоздать согласующую цепь или полосовой фильтр. Используя различные файлы S2P для различных согласующих цепей, можно легко оптимизировать влияние согласующей цепи и настраивать ее в среде моделирования S2P. Возможна даже сборка гибридных систем путем загрузки данных тюнера в виде файла S2P в программное обеспечение R&S®RTP-K98 в целях компенсации цепей.

И наконец, решение на основе осциллографа можно применять для согласования с отслеживанием огибающей на втором генераторе R&S®SMW200A, а также для получения реальной АЧХ испытуемого устройства во временной области.

Заключение

Состоящая из стандартных лабораторных приборов система согласования нагрузки для широкополосных модулированных сигналов — это универсальное, быстродействующее и экономичное решение для точной подстройки импеданса. Гибкость приборов позволяет работать с широким спектром сигналов и задач.