Breitbandmodulierte Load-Pull-Signale, wie sie in realen Systemen auftreten, ermöglichen eine aussagekräftige Analyse der Performance von HF-Frontends. Das Verhalten eines HF-Verstärkers hängt jedoch von der Impedanz ab. Schwankt die Impedanz beim Einspeisen von Signalen in eine Breitbandantenne, reagiert ein HF-Verstärker auch unterschiedlich – und zwar in einer Weise, die sich weder vorhersagen noch berechnen lässt.
Viele HF-Frontends und HF-Verstärker in Kommunikationssystemen sind dafür zuständig, breitbandig modulierte Signale einem Antennensystem zuzuführen. Da die Frontends über einen breiten Frequenzbereich mit mehreren Übertragungsbändern betrieben werden, sind sie unterschiedlichen Impedanzverhältnissen ausgesetzt. Solche dispersiven Lasten können den Verstärkungsfaktor und die Verzerrungswerte des Verstärkers erheblich beeinflussen.
Lösung für breitbandmodulierte Load-Pull-Messungen mit dem R&S®RTP164B Hochleistungsoszilloskop und dem R&S®SMW200A Vektorsignalgenerator
Ihre Anforderung
Entwickler von HF-Leistungsverstärkern streben eine optimale Geräte-Performance im vorgesehenen Einsatzbereich an. Die meisten HF-Systeme sind nominell auf 50 Ω ausgelegt, doch die tatsächliche Impedanz am HF-Frontend kann erheblich davon abweichen. Eine Antenne kann für einen Verstärker über einen weiten Frequenzbereich als Last auftreten. Die Impedanz am Verstärkereingang kann stark schwanken, typischerweise zwischen unter 20 Ω und über 100 Ω. Leider lässt sich das Verhalten in Bezug auf Verstärkung, Effizienz oder Verzerrungen, das durch wichtige Leistungsindikatoren (KPIs) wie Fehlervektorbetrag (EVM) oder Nachbarkanalleistungsverhältnis (ACLR) beschrieben wird, von keinem Modell zuverlässig vorhersagen. Ob ein HF-Frontend mit einer dispersiven Last zurechtkommt, muss sich im Praxistest zeigen.
Blockdiagramm eines einfachen passiven Load-Pull-Aufbaus mit Vektorempfänger
Lösung von Rohde & Schwarz
Rohde & Schwarz bietet ein einzigartiges Konzept für breitbandmodulierte Load-Pull-Messungen. Herkömmliche passive Load-Pull-Systeme nutzen einen Vektornetzwerkanalysator (VNA) in Verbindung mit mechanischen Tunern, um verschiedene Impedanzen gegenüber einem Transistor zu erzeugen.
Hier wird der VNA durch einen Vektorsignalgenerator und einen Vektorsignalanalysator ersetzt, um verschiedene modulierte Signale zu unterstützen und eine Bewertung in Modulationstests mit unterschiedlichen Lastbedingungen zu ermöglichen. Ein Tuner wird verwendet, um die gewünschte Impedanz auf der Ausgangsseite des Testgeräts zu erzeugen.
Aufbau für breitbandmodulierte Load-Pull-Messungen
Dieser Ansatz wird seit Jahren für Schmalbandsignale eingesetzt und hat sich in der Praxis bewährt. Bei zunehmender Signalbandbreite verfälschen die frequenzabhängige Übertragungsfunktion und die Gruppenlaufzeit des Tuners aber die Messergebnisse – ein anderes Konzept ist notwendig.
Rohde & Schwarz hat eine Lösung entwickelt, die auf einem aktiven Load-Pull-System basiert: Die gewünschte Impedanz wird dabei nicht mit einem mechanischen Tuner, sondern durch aktives Einspeisen eines Signals auf der Ausgangsseite des Prüflings erzeugt. Dieses Konzept wird im Bild „Aufbau für breitbandmodulierte Load-Pull-Messungen“ veranschaulicht.
Die Lösung nutzt ein R&S®RTP Oszilloskop mit vier Messtoren, um die vor- und rücklaufenden Wellen auf der Eingangs- und Ausgangsseite des Prüflings zu messen. Die R&S®RTP Oszilloskope bieten Zeit- und Phasensynchronisation sowie eine hohe Aufzeichnungsbandbreite. Der R&S®SMW200A Vektorsignalgenerator liefert ein Testsignal für das Gerät sowie das Abstimmsignal zur Erzeugung der gewünschten Impedanz. Entscheidend sind stabile und vom Benutzer steuerbare Zeit- und Phasenverhältnisse zwischen den beiden Signalen. Die R&S®RTP-K98 Software für modulierte Load-Pull-Messungen steuert den kompletten Aufbau und führt den Benutzer durch die Kalibrierungen und Messungen. Gute Ergebnisse wurden mit Marki Microwave CD10-0106 Doppelrichtkopplern am Eingang und Ausgang des Prüflings erzielt.
Die Lösung nutzt ein R&S®RTP Oszilloskop mit vier Messtoren, um die vor- und rücklaufenden Wellen auf der Eingangs- und Ausgangsseite des Prüflings zu messen. Die R&S®RTP Oszilloskope bieten Zeit- und Phasensynchronisation sowie eine hohe Aufzeichnungsbandbreite. Der R&S®SMW200A Vektorsignalgenerator liefert ein Testsignal für das Gerät sowie das Abstimmsignal zur Erzeugung der gewünschten Impedanz. Entscheidend sind stabile und vom Benutzer steuerbare Zeit- und Phasenverhältnisse zwischen den beiden Signalen. Die R&S®RTP-K98 Software für modulierte Load-Pull-Messungen steuert den kompletten Aufbau und führt den Benutzer durch die Kalibrierungen und Messungen. Gute Ergebnisse wurden mit Marki Microwave CD10-0106 Doppelrichtkopplern am Eingang und Ausgang des Prüflings erzielt.
Erweiterter Aufbau für breitbandmodulierte Load-Pull-Messungen
Leistungsstärkere Messobjekte und ein größerer Abstimmbereich erfordern einen Verstärker wie den R&S®SAM100 Systemverstärker, der zur Verstärkung des Abstimmsignals in den Signalpfad eingeschleift werden kann. Um unerwünschte Load-Pull-Effekte auf Verstärker oder Signalgenerator zu verhindern, können ein oder mehrere Zirkulatoren zur Entkopplung eingesetzt werden.
Die Signalbandbreite und der abgedeckte Frequenzbereich sind nur durch die Gerätekonfiguration begrenzt. Es werden Signalbandbreiten von bis zu 2 GHz unterstützt – genug für die wichtigsten Kommunikationssysteme. Dank einer maximalen Frequenz von 8 GHz wird auch das FR1-Band bis 7,125 GHz für Mobilfunk- und Wi-Fi-Anwendungen abgedeckt.
Maximale Ausgangsleistung, Verstärkung, EVM und ACLR lassen sich direkt aus der abgetasteten b2-Wellenform bestimmen. Wenn der Prüfling eine sehr hohe Leistung aufweist, kann das b2-Signal aufgeteilt und ein Signal- und Spektrumanalysator eingesetzt werden, beispielsweise der R&S®FSVA3000 mit erweitertem Dynamikbereich und hervorragenden EVM-Messfähigkeiten.
Konturdiagramm des Scheitelfaktors (PAPR) als Maß für die Modulationsverzerrung des Prüflings, aufgenommen mit der R&S®RTP-K98 Software
Anwendung
Wie bei allen ähnlichen Netzwerkanalysatormessungen ist eine Kalibrierung auf Systemebene erforderlich, um einen bestimmten Punkt im Smith-Diagramm genau und zuverlässig einzustellen. Alle Komponenten des Systems – einschließlich Verstärker und Zirkulatoren – müssen bei der Kalibrierung angeschlossen sein, damit ihr Einfluss berücksichtigt werden kann. Die R&S®RTP-K98 Software führt durch den Prozess und zeigt jeden Kalibrierschritt visuell an. Die Kalibrierung beinhaltet zwei Arbeitsschritte: Zuerst erfolgt eine OSM-Kalibrierung (Open, Short, Match) auf der Eingangsseite des DUT, anschließend die Übertragung auf die Ausgangsseite mit einem bekannten Through-Standard.
Für präzise Ergebnisse darf das Abstimmsignal nicht mit dem Eingangssignal identisch sein. Auch wenn es widersprüchlich klingt, ist die Erklärung einfach: Das HF-Frontend fügt dem Signal Verzerrungen hinzu, sodass das Ausgangssignal b2 vom Eingangssignal a1 abweicht. Um die Genauigkeit sicherzustellen, muss das Abstimmsignal a2 mit b2 übereinstimmen. Die Anwendung zeichnet zunächst für jede Frequenz- und Pegelkombination das Ausgangssignal des Prüflings b2 auf und verwendet dieses als Abstimmsignal a2, das somit die individuelle Verzerrung enthält, die vom Prüfling in einem bestimmten Szenario hinzugefügt wird, bevor verschiedene Impedanzpunkte eingestellt werden.
Die R&S®RTP-K98 Anwendungssoftware ermöglicht die Abstimmung auf eine einzelne Impedanz – entweder für die Einzelpunktprüfung oder schrittweise, wenn die Steuerung über ein externes Benutzerprogramm erfolgt. Ein Sweep-Plan ermöglicht eine Messsequenz über verschiedene Impedanzen bei mehreren Frequenzen und Pegeln, um Konturdiagramme für KPIs wie Verstärkung, maximale Ausgangsleistung oder EVM zu erstellen. Da die Impedanzvariation lediglich durch Änderung von Amplitude und Phasenbeziehung der beiden Kanäle im Vektorsignalgenerator erfolgt, ist die Abstimmung besonders schnell.
Der automatisch erstellte Testbericht enthält alle Ergebnisse. Darüber hinaus können alle Testdaten zur Nachverarbeitung in üblichen Formaten wie CSV bereitgestellt werden.
Digitale Vorverzerrung (DPD) wird durch die Einbindung der R&S®VSE-K18 Verstärker-Messsoftware in Kombination mit dem Direct-DPD-Verfahren des R&S®RTP Oszilloskops ermöglicht. Durch benutzerdefinierte, vorverzerrte Signale und eine externe Auswertung lassen sich auch frei definierte DPD-Verfahren realisieren.
Die Lösung umfasst eine leistungsstarke Erweiterung zum Deembedding dispersiver Impedanzen, die für realistischere Messergebnisse sorgt und neue Anwendungsmöglichkeiten erschließt. Die Impedanz einer Antenne ist stark frequenzabhängig. Signalbandbreiten von 100 MHz und mehr führen dazu, dass selbst innerhalb des Nutzbands Impedanzschwankungen nicht mehr vernachlässigt werden können. Die Lösung kann eine S1P-Datei verwenden, die das Verhalten der Antenne beschreibt, um ein realistisches Szenario einschließlich Frequenzvariation darzustellen. Zwei S2P-Dateien können zum Deembedding genutzt werden, um ein Anpassnetzwerk oder Bandpassfilter nachzubilden. Durch unterschiedliche S2P-Dateien für verschiedene Anpassnetzwerke lässt sich deren Einfluss auf einfache Weise optimieren – und das jeweilige Design kann in der Simulationsumgebung als S2P-Repräsentation übernommen werden. Sogar hybride Systeme lassen sich realisieren, indem die Tunerdaten zum Deembedding als S2P-Datei in die R&S®RTP-K98 Software geladen werden.
Schließlich lässt sich diese Oszilloskop-basierte Lösung auch mit Hüllkurvennachführung kombinieren, indem ein zweiter R&S®SMW200A eingesetzt wird. Sie liefert zudem echte Zeitbereichsinformationen über die Reaktion des Prüflings.
Die Lösung für breitbandmodulierte Load-Pull-Messungen mit Standard-Laborgeräten bietet eine schnelle, vielseitige und kosteneffiziente Möglichkeit zur präzisen Impedanzabstimmung. Die Flexibilität der Messgeräte ermöglicht eine breite Abdeckung verschiedenster Signale und Anwendungen.
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