Medidas load-pull con modulación de banda ancha

Las señales load-pull con modulación de banda ancha, como las que se emplean en instalaciones definitivas, permiten verificar el verdadero rendimiento de los front-ends de RF. Sin embargo, los amplificadores de RF se comportan de forma diferente según la impedancia. Es decir, si varía la impedancia, el comportamiento de los amplificadores de RF es distinto al insertar señales en una antena de banda ancha, y este comportamiento no se puede predecir ni calcular.

Muchos front-ends de RF y amplificadores de RF de sistemas de comunicación insertan señales con modulación de banda ancha en sistemas de antenas. Dado que los front-ends se utilizan en un amplio rango de frecuencias con varias bandas de transmisión, experimentan condiciones de impedancia variables. Estas cargas dispersivas pueden tener un efecto decisivo en la ganancia y la distorsión del amplificador.

Solución de medida load-pull con modulación de banda ancha con el R&S®RTP164B y el R&S®SMW200A
Solución de medida load-pull con modulación de banda ancha con el osciloscopio de alto rendimiento R&S®RTP164B y el generador de señales vectoriales R&S®SMW200A
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Su misión

Los ingenieros que desarrollan amplificadores de potencia de RF aspiran a lograr el mejor rendimiento posible del dispositivo en la aplicación para la que está destinado. La mayoría de los sistemas de RF tienen una impedancia nominal de 50 Ω, pero la impedancia real en el front-end de RF puede diferir de forma notable. Una antena puede presentar cargas en un amplificador dentro de un amplio rango de frecuencias. La impedancia en la entrada al amplificador puede variar sustancialmente, desde por debajo de 20 Ω hasta por encima de 100 Ω. Por desgracia, ningún modelo puede predecir el comportamiento de ganancia, eficiencia o distorsión validado con indicadores clave de rendimiento (KPI) esenciales, como la magnitud del vector de error (EVM) o la relación de potencia de canal adyacente (ACLR). La única manera de averiguar si un front-end de RF es capaz de manejar una carga dispersiva es sometiéndolo a prueba.

Diagrama de bloques de una configuración load-pull básica de receptor vectorial
Diagrama de bloques de una configuración load-pull básica de receptor vectorial
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Solución Rohde & Schwarz

Rohde & Schwarz propone un planteamiento único para las medidas load-pull de banda ancha. Los sistemas load-pull convencionales utilizan un analizador de redes vectoriales (VNA) y sintonizadores mecánicos, conformando un sistema load-pull pasivo que presenta diferentes impedancias a un transistor.

Aquí, el VNA se sustituye por un generador de señales vectoriales y un analizador de señales vectoriales que admiten distintas señales moduladas y facilitan una evaluación en pruebas moduladas con distintas condiciones de carga. Para generar la impedancia deseada en el lado de salida del dispositivo examinado se utiliza un sintonizador.

Escenario de medida load-pull modulada convencional
Escenario de medida load-pull modulada convencional. Para el estímulo de utiliza un generador de señales vectoriales y para las medidas un analizador de señales vectoriales.
Configuración de medida load-pull con modulación de banda ancha
Configuración de medida load-pull con modulación de banda ancha
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Este enfoque se utiliza desde hace años con señales de banda estrecha con buenos resultados. Pero, al aumentar los anchos de banda de las señales, la respuesta en frecuencia inherente del sintonizador y el retardo de grupo falsifican los resultados de las medidas, y por lo tanto es necesario un enfoque diferente.

Rohde & Schwarz ha desarrollado una solución basada en un sistema load-pull activo, que genera la impedancia deseada insertando una señal activa en el lado de la salida del DUT, y no con un sintonizador mecánico. El concepto se muestra en la figura «Configuración de medida load-pull con modulación de banda ancha».

La solución utiliza un osciloscopio R&S®RTP con cuatro puertos para medir las ondas de ida y vuelta en la entrada y la salida del DUT. Los osciloscopios R&S®RTP ofrecen sincronización de tiempo y fase, así como un amplio ancho de banda de registro. El generador de señales vectoriales R&S®SMW200A proporciona una señal de prueba al dispositivo y la señal de sintonización para generar la impedancia deseada. Es muy importante que las condiciones de temporización y fase entre las dos señales sean estables y controlables por el usuario. El software para medidas load-pull moduladas R&S®RTP-K98 controla toda la configuración de medida y guía al usuario a través de los pasos de calibración y medida. Con acopladores direccionales dobles Marki Microwave CD10-0106 en la entrada y salida del DUT se han obtenido buenos resultados.

La solución utiliza un osciloscopio R&S®RTP con cuatro puertos para medir las ondas de ida y vuelta en la entrada y la salida del DUT. Los osciloscopios R&S®RTP ofrecen sincronización de tiempo y fase, así como un amplio ancho de banda de registro. El generador de señales vectoriales R&S®SMW200A proporciona una señal de prueba al dispositivo y la señal de sintonización para generar la impedancia deseada. Es muy importante que las condiciones de temporización y fase entre las dos señales sean estables y controlables por el usuario. El software para medidas load-pull moduladas R&S®RTP-K98 controla toda la configuración de medida y guía al usuario a través de los pasos de calibración y medida. Con acopladores direccionales dobles Marki Microwave CD10-0106 en la entrada y salida del DUT se han obtenido buenos resultados.

Configuración avanzada de medida load-pull con modulación de banda ancha
Configuración avanzada de medida load-pull con modulación de banda ancha
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Los DUT con potencias más altas y un intervalo de sintonización más amplio requieren un amplificador como el amplificador de sistema R&S®SAM100, que puede integrarse en bucle para amplificar la señal de sintonización. Para evitar efectos load-pull no deseados en un amplificador o generador de señales se pueden agregar uno o más circuladores para el desacoplamiento.

El ancho de banda de señal y el rango de frecuencias abarcado solo están limitados por la configuración del instrumento. Pueden alcanzarse anchos de banda de señal de hasta 2 GHz, suficiente para los principales sistemas de comunicación. La frecuencia máxima de 8 GHz cubre también la banda FR1 de hasta 7,125 GHz para aplicaciones móviles y Wi-Fi.

Con la forma de onda b2 muestreada se puede medir directamente la potencia de salida máxima, la ganancia, la EVM y la ACLR. Si se trata de un DUT de muy alto rendimiento, la señal b2 se puede dividir y utilizarse un analizador de señal y espectro como el R&S®FSVA3000 con rango dinámico ampliado y excelentes funciones de medida de EVM.

Diagrama de contorno de factor cresta (PAPR) como medida de distorsión de modulación del DUT, realizado con el software R&S®RTP-K98
Diagrama de contorno de factor cresta (PAPR) como medida de distorsión de modulación del DUT, realizado con el software R&S®RTP-K98
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Aplicación

Como en cualquier medida similar con un analizador de redes se necesita una calibración a nivel de sistema para sintonizar con precisión y fiabilidad en un punto determinado en el diagrama de Smith. Todos los componentes del sistema deben estar presentes en el momento de la calibración, incluidos amplificadores y circuladores, para tener en cuenta su influencia. El software R&S®RTP-K98 guía por el proceso mostrando en la pantalla cada paso de calibración. La calibración sigue una rutina de dos pasos, empezando por una calibración OSM (open, short, match) en el plano de entrada del DUT, seguida de una transferencia a su salida utilizando un «through» conocido.

Para obtener una mayor precisión, la señal de sintonización debería ser diferente de la señal de entrada. Aunque parezca contradictorio, la explicación es sencilla: el front-end de RF añade distorsión a la señal, de forma que la señal de salida b2 difiere de la señal de entrada a1. Para garantizar la precisión, la señal de sintonización a2 debe coincidir con b2 . La aplicación registra primero la señal de salida b2 del DUT para cada combinación de frecuencia y nivel, y la utiliza como señal de sintonización a2, que incluye la distorsión individual añadida por el DUT en un escenario determinado antes de la sintonización a diferentes puntos de impedancia.

El software de aplicación R&S®RTP-K98 realiza la sintonización a una impedancia individual, bien para pruebas de puntos individuales o siguiendo un procedimiento paso a paso si se controla a través de un programa de usuario externo. Un plan de barrido permite crear una secuencia de medida con diferentes impedancias para varias frecuencias y niveles, y así generar diagramas de contorno de KPI del dispositivo tales como ganancia, potencia de salida máxima o EVM. Puesto que la variación de la impedancia consiste sencillamente en cambiar la relación de amplitud y fase entre los dos canales del generador de señales vectoriales, la sintonización es muy rápida.

El informe de pruebas creado automáticamente contiene todos los resultados. Además, todos los datos de las medidas se pueden exportar a formatos de fácil acceso, como CSV, para el procesamiento posterior.

También se dispone de predistorsión digital (DPD) integrando el software de medida de amplificador R&S®VSE-K18 en el proceso de DPD directo del osciloscopio R&S®RTP. Utilizando señales personalizadas y predistorsionadas y la evaluación externa también se puede utilizar cualquier DPD definida por el usuario.

La solución incluye una potente extensión que facilita la eliminación de impedancias dispersivas, lo que aporta resultados más realistas y abre nuevas posibilidades de aplicación. La impedancia de una antena depende en gran medida de la frecuencia. Con anchos de banda de señal de 100 MHz y más, incluso dentro de banda, esta variación no se puede ignorar. La solución puede utilizar un archivo S1P que describe el comportamiento de la antena para representar un escenario realista que incluye la variación de frecuencia. También se pueden extraer dos archivos S2P para recrear una red de adaptación o un filtro paso banda. Utilizando archivos S2P diferentes para redes de adaptación distintas se puede optimizar fácilmente la influencia de la red de adaptación y adoptarse su diseño en un entorno de simulación para una representación S2P. Es posible incluso configurar sistemas híbridos cargando los datos de sintonizador como archivo S2P para la desinclusión en el software R&S®RTP-K98.

Por último, esta solución basada en un osciloscopio se puede utilizar en combinación con seguimiento de envolvente con un segundo R&S®SMW200A, y aporta información de dominio temporal real sobre la respuesta del DUT.

Impedancia dispersiva y desinclusión
Impedancia dispersiva y desinclusión
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Resumen

La solución para medidas load-pull con modulación de banda ancha con instrumentos de laboratorio estandarizados es una solución rápida, versátil y económica para sintonizar la impedancia con precisión. La flexibilidad de los instrumentos proporciona una amplia cobertura de señales y aplicaciones.