Mediciones «load pull» con señales moduladas de banda ancha

Muchos front-ends de RF, así como amplificadores de RF en los sistemas de comunicaciones conducen señales moduladas de banda ancha a los sistemas de antenas. Debido a que los front-ends se utilizan en una gama de frecuencias más amplia con múltiples bandas de transmisión, estos ven variar las impedancias como las cargas. Estas cargas dispersivas pueden tener un gran impacto tanto en la ganancia como en la distorsión del amplificador.

Su misión

Los ingenieros de amplificadores de potencia de RF desean el mejor rendimiento de un dispositivo en su aplicación de destino. La mayor parte de los sistemas de RF presentan un valor nominal de 50 Ω, pero la impedancia real para el front-end de RF puede diferir mucho. Una antena puede presentar cargas a un amplificador dentro de una amplia gama de frecuencias. La impedancia hacia el amplificador puede cambiar significativamente desde por debajo de los 20 Ω hasta por encima de los 100 Ω. Desafortunadamente, ningún modelo puede predecir el comportamiento validado de la ganancia, la eficiencia o la distorsión en los indicadores clave de desempeño (KPI) esenciales, como la magnitud del vector de error (EVM) o la relación de potencia de canal adyacente (ACLR). La única manera de saber si un front-end de RF puede lidiar con una carga dispersiva es probarlo.

Solución de Rohde & Schwarz

Rohde & Schwarz adopta un enfoque único para mediciones «load pull» con modulación de banda ancha. Tradicionalmente, los sistemas de «load pull» utilizan un analizador de redes vectoriales (VNA) junto con sintonizadores mecánicos para crear un sistema «load pull» pasivo que presenta diferentes impedancias a un transistor.

Aquí, el analizador se sustituye por un generador y un analizador de señales vectoriales para admitir diversas señales moduladas, así como para su evaluación en pruebas de modulación con diferentes condiciones de carga. Se utiliza un sintonizador para crear la impedancia deseada en el lado de la salida del dispositivo de prueba.

Este enfoque ha sido utilizado y probado durante años con señales de banda estrecha. Al aumentar los anchos de banda de la señal, la respuesta en frecuencia inherente del sintonizador, así como el retardo de grupo alteran el resultado de las mediciones y, por lo tanto, se requiere un enfoque diferente.

Rohde & Schwarz ha desarrollado una solución que utiliza el concepto de un sistema de «load pull» activo, el cual crea la impedancia deseada con una inyección de señal activa en el lado de la salida del dispositivo sin la necesidad de usar un sintonizador mecánico. El concepto se muestra en la figura «Configuración de mediciones “load-pull” con señales moduladas de banda ancha».

La solución utiliza un osciloscopio R&S®RTP con cuatro puertos para medir las ondas incidentes y reflejadas en los lados de entrada y salida del dispositivo. Los osciloscopios R&S®RTP cuentan con sincronización de tiempo y fase, además de un gran ancho de banda de grabación. El generador de señales vectoriales R&S®SMW200A proporciona tanto una señal de prueba como entrada al dispositivo, como la señal de sintonización a fin de crear la impedancia deseada. Son muy importantes las condiciones de sincronización y fase, estables y controladas por el usuario, entre las dos señales. La opción R&S®RTP-K98 Modulated Load Pull Software controla toda la configuración y guía al usuario a través de las calibraciones y las mediciones. Se obtuvieron buenos resultados con los acopladores direccionales dobles Marki Microwave CD10-0106 en la entrada y salida del dispositivo.

La solución utiliza un osciloscopio R&S®RTP con cuatro puertos para medir las ondas incidentes y reflejadas en los lados de entrada y salida del dispositivo. Los osciloscopios R&S®RTP cuentan con sincronización de tiempo y fase, además de un gran ancho de banda de grabación. El generador de señales vectoriales R&S®SMW200A proporciona tanto una señal de prueba como entrada al dispositivo, como la señal de sintonización a fin de crear la impedancia deseada. Son muy importantes las condiciones de sincronización y fase, estables y controladas por el usuario, entre las dos señales. La opción R&S®RTP-K98 Modulated Load Pull Software controla toda la configuración y guía al usuario a través de las calibraciones y las mediciones. Se obtuvieron buenos resultados con los acopladores direccionales dobles Marki Microwave CD10-0106 en la entrada y salida del dispositivo.

Los dispositivos de mayor potencia y con un intervalo de sintonización más amplio necesitan de un amplificador como el amplificador de sistema R&S®SAM100, el cual puede conectarse en forma bucle para aumentar la señal de sintonización. Para evitar «load pulls» no deseados del amplificador o del generador de señales, pueden añadirse uno o más circuladores para el desacople.

La configuración del instrumento solo limita el ancho de banda de señal, así como la gama de frecuencias cubierta. Puede admitir un ancho de banda de señal de hasta 2 GHz, el cual cubre los principales sistemas de comunicaciones. La frecuencia máxima de 8 GHz permite cubrir la banda FR1 de hasta 7,125 GHz para aplicaciones móviles y Wi-Fi.

Pueden medirse de manera directa la potencia de salida máxima, la ganancia, la magnitud del vector de error o la relación de potencia de canal adyacente con la forma de onda b₂ muestreada. Si el dispositivo es de muy alto rendimiento, la señal b₂ puede dividirse y utilizar un analizador de señal y espectro, como el R&S®FSVA3000 con un rango dinámico mejorado y excelentes funciones de medición de la magnitud del vector de error.

Aplicación

Como sucede con cualquier medición similar de un analizador de redes, se requiere de una calibración a nivel de sistema para sintonizar un determinado punto en el diagrama de Smith de forma precisa y confiable. Todos los accesorios en el sistema deben estar presentes durante la calibración, por ejemplo, el amplificador y los circuladores para regular su influencia. La opción de software R&S®RTP-K98 guía el proceso con una representación gráfica en la que se muestra cada paso de la calibración. La calibración sigue una rutina de dos pasos que inicia con una calibración Open, Short y Match (OSM) en el plano de entrada del dispositivo, a la cual le sigue una transferencia a su lado de salida por medio de un Through conocido.

La señal de sintonización debe diferir de la señal de entrada para una mayor precisión. Aunque pueda parecer contradictorio, la explicación es sencilla: el front-end de RF añade distorsión a la señal y la señal de salida b₂ difiere de la señal de entrada a1. La señal de sintonización a₂ necesita ser la misma que la señal b₂ para lograr precisión. La aplicación primeramente graba la señal de salida b₂ del dispositivo para cada frecuencia y punto de nivel y la utiliza como señal de sintonización a₂, la cual incluye la distorsión individual añadida por el dispositivo para un escenario dado antes de sintonizar diferentes puntos de impedancia.

La aplicación R&S®RTP-K98 proporciona una sintonización de impedancia única para verificaciones de un solo punto o cuando se controla desde un programa de usuario externo en un enfoque paso a paso. Un plan de barrido puede crear una secuencia de medición a través de diferentes impedancias para múltiples frecuencias y niveles a fin de crear gráficos de contorno de los indicadores clave de desempeño del dispositivo como ganancia, potencia de salida máxima o magnitud del vector de error. La sintonización es muy rápida, debido a que la variación de impedancia consiste en cambiar la relación de amplitud y fase entre los dos canales del generador de señales vectoriales.

El informe de pruebas que se creó de manera automática contiene todos los resultados. Además, todos los datos de las pruebas pueden compilarse en formatos de fácil acceso como CSV para su posprocesamiento.

Está disponible la predistorsión digital (DPD) al integrar la opción R&S®VSE-K18 Amplifier Measurement Software en el proceso DPD directo para el osciloscopio R&S®RTP. Utilizar señales personalizadas, predistorsionadas, así como evaluaciones externas, pone a disposición cualquier DPD definido por el usuario.

La solución incluye una potente extensión que ayuda a compensar impedancias dispersivas para lograr un mayor realismo y abre las puertas a nuevas aplicaciones potenciales. La impedancia de una antena depende en gran medida de la frecuencia. Los anchos de banda de una señal de 100 MHz y más hacían que, incluso en banda, esta variación ya no pudiera pasar desapercibida. La solución puede utilizar un archivo S1P que describa el comportamiento de la antena para ofrecer un escenario realista el cual incluya la variación de frecuencia. Pueden compensarse dos archivos S2P a fin de recrear una red de adaptación o un filtro paso banda. Al utilizar diferentes archivos S2P para diferentes redes de adaptación, la influencia de la red de adaptación puede optimizarse muy fácilmente y su diseño puede adoptarse en un entorno de simulación para una representación S2P. Incluso pueden ensamblarse sistemas híbridos mientras se cargan los datos del sintonizador como un archivo S2P en el software R&S®RTP-K98 para su compensación.

Finalmente, esta solución basada en osciloscopio puede utilizarse para adaptarse con el seguimiento de envolvente con un segundo R&S®SMW200A, así como para obtener información real del dominio temporal sobre la respuesta del dispositivo.

Resumen

La solución para mediciones «load pull» con señales moduladas de banda ancha usando instrumentos de laboratorio estándar es una solución rápida, versátil y asequible. Permite la sintonización precisa de la impedancia. La flexibilidad de los instrumentos permite una amplia cobertura de señales y aplicaciones.