Якими б не були бездротові пристрої, а тестувати їх необхідно

Посилання на сторінку сайту Магазину Gtest(R) з пропонованими Аналізаторами спектру, а також рекомендовані прилади та статті для подальшої самоосвіти - наприкінці цієї Розділу

Найважливішим конструктивним параметром пристроїв бездротового зв'язку є їх ККД або ефективність. Застосування активних пристроїв, що працюють у нелінійному режимі, підвищує експлуатаційний ККД таких виробів. Традиційні високоефективні методи зняття характеристик нелінійних пристроїв пов'язані з вимірами та моделюванням. Існуючі засоби вимірювань були доповнені спеціалізованим прикладним програмним забезпеченням. Однак ці методи не завжди передбачають повноцінну інтеграцію із системою частотно-залежної зміни імпедансу джерела та навантаження. В результаті значення імпедансів, при яких знімаються характеристики пристрою та підсилювачів, можуть відрізнятися від тих, що мають місце в готовій конструкції, що ускладнює, по-перше, трансформацію виміряного імпедансу пристрою в конструкцію підсилювача потужності, а по-друге, досягнення потенційно можливих характеристик .
Тому існує потреба в інтегрованій вимірювальній системі, яка б підтримувала зняття кривих струму та напруги пристрою з одночасною частотно-залежною зміною імпедансу джерела та навантаження в межах усієї діаграми Сміта. Для частотно-залежного регулювання імпедансу та активної зміни імпедансу навантаження необхідно компенсувати всі втрати між досліджуваним пристроєм та джерелом або навантаженням зі змінним імпедансом. Така інтегрована система дозволяє встановити реальну та стійку відповідність між знятими характеристиками нелінійного пристрою та конструкцією підсилювача потужності. Частотно-залежна зміна імпедансу джерела та навантаження дозволяє генерувати радіочастотні сигнали, що підвищують ККД пристрою, а безпосередня трансформація виміряних значень імпедансу в конструкцію пристрою забезпечує точне відтворення в ній отриманих характеристик. Можливий і зворотний перехід, оскільки система дозволяє легко імітувати значення імпедансу, що існують у схемі підсилювача потужності, а за результуючим радіочастотним кривим напруги та струму можна отримати докладну інформацію про те, наскільки близький фактичний ККД пристрою до максимального, і який вплив на надійність пристрою можуть мати відповідні коливання напруги та струму.

Схема активної зміни імпедансу навантаження із незамкненим контуром
Новий підхід до нелінійних вимірів втілює у собі схема активної зміни імпедансу навантаження із незамкненим контуром, зображена на рис. 1. У ній для порушення входу або виходу досліджуваного пристрою (ІУ) використовується окреме джерело сигналу, за рахунок чого усуваються всі неконтрольовані взаємодії між ІП та системою зміни імпедансу навантаження. Архітектуру із незамкненим контуром можна без побоювання використовувати навіть для створення коефіцієнтів відображення, що перевищують одиницю. Це дає унікальну можливість дослідити взаємодію між генератором збудження та основним каскадом підсилювача потужності.

Рис. 1. Вимірювальна установка, виконана за схемою активної зміни імпедансу навантаження із незамкненим контуром

Той факт, що система активної зміни імпедансу навантаження розташована далі, ніж система імпедансів реальної конструкції, можна компенсувати, керуючи фазою і магнітудою кожної частотної складової сигналу, що виробляється генератором довільної форми сигналів (ГСПФ). Оскільки система активної зміни імпедансу навантаження розташована поза каліброваним трактом (що складається з розгалужувачів і точок їх підключення до осцилографа, що запам'ятовує), її можна переконфігурувати без необхідності в повторному калібруванні вимірювальної системи. У відсутність сигналу на виході ГСПФ архітектура з активною зміною імпедансу джерела та навантаження є широкосмуговим ланцюгом з імпедансом 50 Ом. Змінюється цей ланцюг лише на частотах, що містяться у сигналі ГСПФ. Отже, ця архітектура зміни імпедансу навантаження також усуває артефакти, властиві методу з пасивним тюнером.
Активна система зміни імпедансу навантаження має електронне управління, не містить рухомих механічних елементів та ідеально підходить для виконання вимірювань безпосередньо на напівпровідниковій пластині. При цьому досягається максимальна надійність контакту зі щупом, оскільки в процесі вимірювання зі зміною імпедансу відсутні механічні вібрації.
ГСПФ може виробляти імпульсні сигнали і, таким чином, дозволяє використовувати архітектуру з незамкненим контуром для імпульсних вимірювань. Діапазон робочих частот починається з нуля, що уможливлює використання тієї ж системи зміни імпедансу навантаження для регулювання імпедансу в смузі частот модулюючого сигналу. Нарешті, сучасні синтезатори частоти здатні виробляти сигнали від субгерцового до гігагерцового діапазону, дозволяючи використовувати архітектуру із незамкненим контуром на частотах модулюючого сигналу, основних частотах та вищих гармоніках. ГСПФ здатні генерувати будь-який сигнал у смузі частот до 6 ГГц, що дає можливість керувати фазою та магнітудою всіх частотних складових і, отже, охопити широкий діапазон основних та гармонійних частот, що використовуються в системах бездротового зв'язку.
Схема із незамкненим контуром має низку дрібних недоліків. Наприклад, щоб одержати бажаного коефіцієнта відображення необхідний ітеративний пошук належного рівня потужності. Оскільки зміна імпедансу на основній частоті має місце, виконувати ітерації в лінійній області ВП не потрібно. Однак вони необхідні в нелінійній ділянці ІУ при свіпіруванні потужності або для обліку нелінійного взаємозв'язку між навантаженнями на різних гармоніках.
При знятті характеристик потужних пристроїв потрібні також додаткові підсилювачі потужності для компенсації різниці між характерним імпедансом системи та оптимальним навантаженням. Це стосується лише основний частоті, оскільки на гармонійних частотах потреба у розсіювання потужності відсутня.

Можливості засобів нелінійних вимірів наступного покоління
В умовах наявності попиту на більш ефективні пристрої бездротового зв'язку схема активної зміни імпедансу навантаження з незамкненим контуром є багатообіцяючим новим підходом з унікальним набором переваг.
У принципі такий метод зміни імпедансу навантаження сумісний з будь-яким нелінійним приймачем, здатним реєструвати всі 4 сигнальні криві на вході та виході пристрою. Привабливим рішенням є поєднання архітектури із незамкненим контуром і серійно випускаються стробоскопічних осцилографів, як показано на рис. 2.

Рис. 2. Вимірювальна установка, виконана за схемою активної зміни імпедансу джерела та навантаження із незамкненим контуром

Застосування стробоскопічних осцилографів забезпечує можливість фазокогерентних широкосмугових вимірів. Перевагою є когерентне вирівнювання всіх спектральних складових безлічі сигналів, що вимірюються одночасно. Стробоскопічний осцилограф здатний одночасно реєструвати до 8 сигналів, що дозволяє проводити вимірювання на пристроях з чотирма несиметричними або двома диференційними плечима. До того ж, блок реєстрації даних вимірює всі спектральні складові сигналу, включаючи основну частоту і ряд вищих гармонік, а також характеристики на постійному струмі і в смузі частот модулюючого сигналу, що дозволяє спостерігати часто зустрічаються в пристроях ефекти пам'яті. Результатом є справжні криві напруги та струму, що представляють реальні фізичні властивості пристрою.

Конструювання сигнальних кривих
Наступний логічний крок - використовувати щойно описану схему експериментальної установки для створення інтегрованої системи, що забезпечує формування сигналу в поєднанні з програмним забезпеченням для конструювання кривих сигнальних. У спеціальній літературі описані теоретичні криві напруги та струму для конкретних типів підсилювачів потужності — зокрема, класів F та J. Під конструюванням сигнальних кривих розуміється оптимізація конструкції для реалізації на практиці цих теоретичних сигнальних кривих. Повністю інтегрована система дозволяє вимірювати нелінійні параметри за допомогою кривих струму і напруги. Отримані в ході вимірювання результати дають змогу досліджувати та розробляти ефективні режими роботи підсилювачів потужності та проводити глибокий аналіз ефектів пам'яті. Уніфікований характер даних струму та напруги забезпечує легку взаємозамінність між вимірами та моделюванням, що дозволяє скоротити час виведення продукту на ринок. Цей процес показаний схематично на рис. 3.

Рис. 3. Процес експорту сигнальних кривих у засоби автоматизації проектування електронних пристроїв

Тепер користувач може визначити найкраще представлення цього пристрою в системі моделювання за допомогою набору нелінійних вимірювань або нелінійної моделі. Зазначені можливості роблять такий підхід актуальним для напівпровідникової промисловості. Цей підхід до вимірів є практичною реалізацією системи моделювання на базі методу гармонійного балансу або методу огинаючої і забезпечує можливість органічної інтеграції з будь-якими програмними засобами автоматизації проектування нелінійних електронних пристроїв.

Висновки
Застосування стробоскопічного осцилографа і генератора сигналів довільної форми є новою альтернативою методам вимірювання з використанням векторних аналізаторів ланцюгів, які передбачають вимірювання тільки однієї частотної складової за один прийом. Дане рішення повною мірою враховує той факт, що нелінійні пристрої та системи виробляють сигнали з багатим спектром на частотах модулюючого сигналу, основний частоті та гармоніках, і забезпечує можливість одночасного керування ними для отримання найкращих характеристик у рамках заданої технології. Використовуваний модульний підхід бере до уваги все різноманіття ринку, що охоплює пристрої малої, середньої та великої потужності, та передбачає рішення, розраховані на діапазон потужностей від 20 до 150 Вт. Область застосування даної технології не обмежена методами «стимул-реакція» з безперервним стимулом - її можна використовувати для вимірювань з модульованим або імпульсним стимулом, використовуючи відповідне програмне забезпечення. Такий підхід дає значні переваги у справі конструювання ефективніших пристроїв бездротового зв'язку.

Про авторів
Даррен Маккарті (Darren McCarthy)
Даррен Маккарті займає посаду менеджера з технічного маркетингу продукції радіочастотного діапазону компанії Tektronix. За його плечима великий, більш ніж 20-річний досвід роботи на різних посадах, пов'язаних з розробкою та продажем контрольно-вимірювальної апаратури, включаючи посади інженера з НДДКР, керівника проектів з НДДКР, менеджера з планування номенклатури виробів, комерційного розвитку та освоєння ринку.
У ході своєї кар'єри він також представляв США як технічного консультанта та члена робочої групи в ряді технічних комітетів та робочих груп МЕК з міжнародних стандартів електромагнітної сумісності, а зараз представляє компанію Tektronix у кількох робочих групах та форумах з промислової стандартизації.
Останні публікації охоплюють широкий спектр предметних областей — від зняття характеристик нелінійних пристроїв до проблем надширокосмугових вимірювань.
Даррен Маккарті має ступінь бакалавра електротехніки Північно-Західного Університету (Івенстон, Іллінойс, США).

Уоллі Арсено (Wally Arceneaux)
Уоллі Арсено займає посаду менеджера зі збуту та маркетингу в компанії Mesuro Ltd. Він керує виведенням на ринок нових вимірювальних рішень, що забезпечують систематичне конструювання сигнальних кривих у радіочастотному та мікрохвильовому діапазоні.
Протягом своєї 25-річної кар'єри він працював інженером з НДДКР на підприємствах військово-промислового комплексу та спеціалістом з маркетингу у сфері контрольно-вимірювальної техніки. Серед минулих та нинішніх областей його спеціалізації — проектування антен та обтічників, радіолокація, технології радіопоглинаючих матеріалів, випробування компонентів та комерційні застосування бездротового зв'язку.
Уоллі Арсено має ступінь бакалавра електротехніки Університету Західної Вірджинії та магістра електротехніки Університету Центральної Флориди.

Література
1. www.janverspecht.com
2. P. Wright, A. Sheikh, Ch. Roff, PJ Tasker і J. Benedikt, "Highly Efficient Operation Modes in GaN Power Transistors Delivering Upwards of 81% Efficiency and 12W Output Power", в 2008 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, Atlanta, Georgia, 20, 2008
3. Alghanim , J. Lees, T. Williams, J. Benedikt, і PJ Tasker, «Reducction of Electrical Baseband Memory Effect in High-Power LDMOS Devices using Optimum Termination for IMD3 and IMD5 using Active Load-Pull», в 2008 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, Atlanta, Georgia, USA, June 15-20, 2008
4. J Lees, T Williams, S Woodington, P McGovern, S Cripps, J Benedikt, і P Tasker, «Демістизуючий пристрій поєднаний Memory Effects з використанням Waveform Engineering і Envelope Domain Analysis», в 38. 27-31, 2008
5. S. Woodington, T. Williams, H. Qi, D. Williams, L. Pattison, A. Patterson, J. Lees, J. Benedikt, PJ Tasker, «A Novel Measurement Based Method Enabling Rapid Extraction of RF Waveform Look-up Table Based Behavioral Model», 2008 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, Atlanta, Georgia, USA, June 15-20, 2008
6. Sheikh, J. Lees, J. Benedikt, PJ Tasker, «Установка для вимірювання базованого CAD Tool для покращеного PA Design Investigations», в 38.
7. Roff, Johannes Benedikt, Paul J. Tasker, та Mike Uren et al.

Магазин Gtest® - авторизований постачальник Аналізаторів Спектру в Україну: https://gtest.com.ua/izmeritelne-pribory/analizatory-radiochastotnoho-spektra