광대역 변조 Load pull 측정

많은 통신 시스템의 RF 프론트엔드 및 증폭기는 광대역 변조 신호를 안테나 시스템으로 전송합니다. RF 프론트엔드는 여러 송신 대역에서 더 넓은 주파수 범위로 사용되기 때문에, 다양한 임피던스를 부하로 인식하게 됩니다. 이러한 분산형 부하는 증폭기의 게인과 왜곡에 중대한 영향을 미칠 수 있습니다.

목표

RF 파워 증폭기 엔지니어들은 목표 애플리케이션에서 최상의 장치 성능을 원합니다. 대부분의 RF 시스템은 명목상 50 Ω 시스템이지만, RF 프론트엔드의 실제 임피던스는 크게 다를 수 있습니다. 안테나는 광대역 주파수 범위 내에서 증폭기에 다양한 부하를 제공합니다. 증폭기 쪽 임피던스는 20 Ω 이하에서 100 Ω 이상까지 크게 변할 수 있습니다. 하지만, 게인, 효율 또는 왜곡 특성(오차 벡터 크기(EVM)나 인접 채널 누설 비율(ACLR) 같은 핵심 성능 지표에서 검증된)을 예측할 수 있는 모델은 없습니다. RF 프론트엔드가 분산성 부하를 잘 처리할 수 있는지 알 수 있는 유일한 방법은 테스트하는 것입니다.

로데슈바르즈 솔루션

로데슈바르즈는 광대역 변조 Load pull 측정에 대해 독특한 접근 방식을 취합니다. 기존 Load pull 시스템은 벡터 네트워크 분석기(VNA)와 기계식 튜너를 이용해 트랜지스터에 다양한 임피던스를 제공하는 수동 Load pull 시스템으로 구성됩니다.

하지만 여기서는 VNA 대신 벡터 신호 발생기와 벡터 신호 분석기를 사용해, 다양한 변조 신호를 지원하며 여러 부하 조건 하에서 변조 테스트 평가를 수행합니다. 튜너는 테스트 장치의 출력단에서 원하는 임피던스를 생성하는 데 사용됩니다.

이 접근법은 협대역 신호에서 수년간 사용되어 검증되었습니다. 신호 대역폭이 커지면, 튜너 고유의 주파수 응답과 그룹 지연 때문에 측정값이 왜곡되어 다른 접근법이 필요합니다.

로데슈바르즈는 DUT 출력 측면에 능동 신호 주입을 통해 원하는 임피던스를 생성하는 능동 Load pull 시스템 개념을 사용한 솔루션을 개발했으며, 기계식 튜너를 사용하지 않습니다. 이 개념은 “광대역 변조 Load pull 측정 설정” 그림에 나타나 있습니다.

이 솔루션은 DUT의 입력 및 출력 측면에서 순방향 및 역방향 파형을 측정하기 위해 4포트를 갖춘 로데슈바르즈 R&S®RTP 오실로스코프를 사용합니다. 로데슈바르즈 R&S®RTP 오실로스코프는 시간 및 위상 동기화 기능과 높은 기록 대역폭을 제공합니다. R&S®SMW200A 벡터 신호 발생기는 장치 입력 신호와 원하는 임피던스를 생성하기 위한 조정 신호를 제공합니다. 두 신호 간의 안정적이고 사용자가 제어 가능한 타이밍 및 위상 조건이 매우 중요합니다. R&S®RTP-K98 변조 Load pull 소프트웨어는 전체 장비 구성을 제어하며, 사용자에게 교정과 측정을 안내합니다. DUT 입력과 출력에 Marki Microwave CD10-0106 듀얼 방향성 결합기를 사용하여 좋은 결과를 달성했습니다.

이 솔루션은 DUT의 입력 및 출력 측면에서 순방향 및 역방향 파형을 측정하기 위해 4포트를 갖춘 로데슈바르즈 R&S®RTP 오실로스코프를 사용합니다. 로데슈바르즈 R&S®RTP 오실로스코프는 시간 및 위상 동기화 기능과 높은 기록 대역폭을 제공합니다. R&S®SMW200A 벡터 신호 발생기는 장치 입력 신호와 원하는 임피던스를 생성하기 위한 조정 신호를 제공합니다. 두 신호 간의 안정적이고 사용자가 제어 가능한 타이밍 및 위상 조건이 매우 중요합니다. R&S®RTP-K98 변조 Load pull 소프트웨어는 전체 장비 구성을 제어하며, 사용자에게 교정과 측정을 안내합니다. DUT 입력과 출력에 Marki Microwave CD10-0106 듀얼 방향성 결합기를 사용하여 좋은 결과를 달성했습니다.

더 높은 출력의 DUT 및 더 넓은 조정 범위를 위해서는 R&S®SAM100 시스템 증폭기와 같은 증폭기를 추가하여 조정 신호를 증폭할 수 있습니다. 원하지 않는 증폭기나 신호 발생기 Load pull 효과를 방지하기 위해 하나 이상의 서큘레이터를 추가하여 분리할 수 있습니다.

신호 대역폭과 주파수 범위는 장비 구성에 의해서만 제한됩니다. 최대 2 GHz의 신호 대역폭을 지원할 수 있어 주요 통신 시스템을 포함합니다. 최대 8 GHz 주파수는 모바일 및 Wi-Fi 애플리케이션용 FR1 밴드(최대 7.125 GHz)를 포함합니다.

최대 출력 전력, 게인, EVM 또는 ACLR은 샘플링된 b₂ 파형으로 직접 측정할 수 있습니다. DUT의 성능이 매우 뛰어난 경우, b₂ 신호를 분리하여 신호 및 스펙트럼 분석기(예: 향상된 동적 범위와 우수한 EVM 측정 기능을 갖춘 R&S®FSVA3000)를 사용할 수 있습니다.

애플리케이션

다른 네트워크 분석기 측정과 마찬가지로, 스미스 차트에서 특정 지점을 정확하고 신뢰성 있게 조정하려면 시스템 수준의 교정이 필요합니다. 교정 시에는 증폭기와 서큘레이터를 포함한 시스템 내 모든 액세서리가 함께 연결되어 있어야 하며, 이들의 영향을 반영해야 합니다. R&S®RTP-K98 소프트웨어는 각 교정 단계를 시각적으로 표시하며 과정을 안내합니다. 교정은 DUT 입력면에서 Open, Short, Match(OSM) 교정을 먼저 수행한 후, 알려진 스루를 이용해 출력면으로 전달하는 두 단계 루틴으로 진행됩니다.

조정 신호는 더 높은 정확도를 위해 입력 신호와 달라야 합니다. 모순처럼 들릴 수 있지만, 설명은 간단합니다. RF 프론트엔드는 신호에 왜곡을 추가하며, 출력 신호 b₂는 입력 신호 a1과 다릅니다. 정확도를 위해 조정 신호 a₂는 b₃과 동일해야 합니다. 애플리케이션은 먼저 각 주파수와 레벨 지점에서 DUT 출력 신호 b₂를 기록하고, 이를 조정 신호 a₂로 사용합니다. 이 신호에는 특정 시나리오에서 DUT가 추가한 개별 왜곡이 포함되어 있으며, 이후에 다른 임피던스 지점으로 조정됩니다.

R&S®RTP-K98 애플리케이션 소프트웨어는 단일 포인트 점검을 위한 단일 임피던스 튜닝을 제공하며, 외부 사용자 프로그램으로 제어할 경우 단계별 방식으로도 사용할 수 있습니다. 스윕 플랜을 통해 여러 주파수와 레벨에서 다양한 임피던스에 걸친 측정 순서를 생성할 수 있으며, 이를 바탕으로 게인, 최대 출력 전력, EVM과 같은 장치 핵심 성과 지표(KPI)의 등고선 플롯을 만들 수 있습니다. 임피던스 변동은 벡터 신호 발생기 내 두 채널 간의 진폭과 위상 관계만 변경하면 되기 때문에 조정 속도가 매우 빠릅니다.

자동으로 생성되는 테스트 보고서에는 모든 결과가 포함됩니다. 또한, 모든 테스트 데이터는 후처리를 위해 CSV와 같은 쉽게 접근 가능한 형식으로 컴파일할 수 있습니다.

디지털 전치 왜곡(DPD)은 R&S®RTP 오실로스코프용 직접 DPD 프로세스와 연동되는 R&S®VSE-K18 증폭기 측정 소프트웨어를 통해 진행할 수 있습니다. 사용자 맞춤형 전치 왜곡 신호와 외부 평가를 활용하면, 사용자가 정의한 모든 DPD도 사용할 수 있습니다.

이 솔루션에는 더욱 현실적인 측정을 위해 분산 임피던스를 제거하는 강력한 확장 기능이 포함되어 있어 새로운 애플리케이션 가능성을 열어줍니다. 안테나의 임피던스는 주파수에 크게 좌우됩니다. 100 MHz 이상의 신호 대역폭에서는 심지어 대역 내에서도 이 변화를 무시할 수 없게 됩니다. 이 솔루션은 안테나의 동작을 설명하는 S1P 파일을 사용하여 주파수 변화를 포함한 현실적인 시나리오를 제공할 수 있습니다. 두 개의 S2P 파일을 디임베딩하여 매칭 네트워크나 밴드패스 필터를 재구성할 수 있습니다. S2P 파일을 사용하여 다양한 매칭 네트워크에 대해 작업할 때, 매칭 네트워크의 영향을 쉽게 최적화할 수 있으며, 그 설계는 시뮬레이션 환경에서 S2P 형식으로 적용할 수 있습니다. 튜너 데이터를 S2P 파일로 R&S®RTP-K98 소프트웨어에 불러와 디임베딩하면 하이브리드 시스템도 구성할 수 있습니다.

마지막으로, 이 오실로스코프 기반 솔루션은 두 번째 R&S®SMW200A와 함께 엔벨로프 트래킹 매칭뿐 아니라 DUT 응답에 대한 실제 시간 도메인 정보를 제공하는 데도 활용할 수 있습니다.

요약

표준 실험실 장비를 활용한 광대역 변조 Load pull 솔루션은 빠르고 다양한 활용이 가능하며 비용 효율적이고 정확한 임피던스 튜닝 솔루션입니다. 장비의 유연성 덕분에 다양한 신호 및 애플리케이션 분야에 폭넓게 적용할 수 있습니다.