פתרונות עבור אפיון לא ליניארי של מגברים גבוהי הספק

קית’ אנדרסון, Agilent Technologies

מגברי RF גבוהי הספק נמצאים בשימוש במערכות טלקומוניקציה, ביו-רפואיות וצבאיות. מגברים אלה, שרמות הספק המוצא שלהם מגיעות עד ל-1kW, מיועדים בדרך כלל לפעול עד לנקודת דחיסה או בקרבתה, כדי לספק את הספק המוצא המרבי האפשרי. הדבר עלול לגרום ליצירת הרמוניות, עיוות שמקורו באינטרמודולציה ודחיסת שבח, שלרוב הנם תוצרי לוואי בלתי רצויים. כתוצאה מכך, תכנון מגברים גבוהי הספק מצריך בדרך כלל ניתוח מעמיק של התנהגותם הלא-ליניארית.
בעבר, בעת תכנונן של מערכות שכללו מגברים גבוהי הספק, המתכנן נדרש למדוד את ה-S-parameters של המגבר באמצעות נתח רשת וקטורי (VNA), לטעון את התוצאות לתוך סימולטור RF, להוסיף מרכיבי מעגל נוספים שנמדדו או מודלו ולאחר מכן להריץ הדמיה כדי לחזות את ביצועי המערכת, כגון אפקטי טעינה ושבח. כיוון שה-S-parameters מבוססים על ההנחה, כי כל מרכיבי המערכת הנם ליניאריים, גישה זו אינה מתאימה לאפיון ההתנהגות הלא-ליניארית של התקנים כגון מגברים גבוהי הספק. השגיאות ניכרות במיוחד בעת תהליך מדידת ה-S-parameters של שני התקנים אשר מפגינים התנהגות לא ליניארית, הדמיית שרשרת ההתקנים והשוואת התוצאה למדידה שבוצעה בפועל בשני התקנים משורשרים.

נתח הרשת הווקטורי
הלא-ליניארי
כדי לאפיין התקנים לא ליניאריים, פותח ה-VNA של Agilent והפך לנתח רשת וקטורי (VNA) לא ליניארי מודרני.
ה-NVNA יכול לשמש למדידת המאפיינים הלא ליניאריים של מגבר גבוה הספק, המובעים כערכה של X-parametes*. בניגוד ל-X-parameters, S-parametes אלה ניתנים לשימוש על-ידי סימולטור RF לצורך הדמיה מדויקת של ביצועי מערכת המכילה מרכיבים לא ליניאריים.
ה-NVNA דומה לנתח רשת סטנדרטי, אולם הוא יכול לדמות את ההתקן תחת בדיקה (DUT) עם שני מקורות RF במקום אחד (ראה איור 1). עבור מדידות X-parameter, המקור הראשון מספק טון ראשי, אשר מיועד להניע את ה-DUT ברמות ההספק ובתדרים הרגילים שלו, בעוד שהמקור השני מספק טון חילוץ (extraction), אשר משמש למדידת ביצועי האותות הקטנים של ה-DUT. במהלך סבב מדידה אופייני, הטון הראשי מוגדר עבור מספר תדרים ורמות הספק, בעוד שטון החילוץ מוגדר עבור הטון וההרמוניות הראשיים של המבוא והמוצא של ה-DUT. גלי המבוא והמוצא של ה-DUT יימדדו בתנאים אלה וה-X-parameters יופקו מן המדידות שבוצעו.

התקנה של מגבר +48 dBm
בדרך כלל, מדידה של מגבר גבוה הספק באמצעות NVNA מצריכה הכנסת שינויים מסוימים במכשור. רמות ההספק הגבוהות עלולות להסב נזק לנתח הרשת. בנוסף, בעת בחירת התקנה מתאימה למגבר גבוה ההספק, יש לקחת בחשבון גם את הספק המוצא של המקור, הפסדי הנתיב הפנימיים, דחיסת הרסיבר ורצפת הרעש של הרסיבר. ערכת הבדיקה של ה-NVNA חייבת לכלול גישה ישירה לרסיברים הפנימיים, כדי שניתן יהיה לבצע את השינויים הנגזרים מן ההספק הגבוה.
ההתקנה הבאה (ראה איור 2) מיועדת למדוד מגבר של 1 גה”צ עם שבח של
+14 dB והספק מוצא של +48 dBm, באמצעות נתח רשת Agilent PNA-X, מדגם N5242A (אופציות 423 ו-H85). ההתקנה מצריכה הוספה של שני התקני קדם-מגבר, שני צמדים ושישה מנחתים (מוצגים באפור).

שינויי היציאה המחוברת
לצד המבוא
יציאה 1 של ה-NVNA, אשר מחוברת לצד המבוא של ה-DUT, שונתה על-ידי הוספת קדם-מגבר, צמד ושני מנחתים לערכה של בדיקת ה-RF.
הקדם-מגבר של +35 dBm נוסף כדי לספק מבוא של +34 dBm ל-DUT; שינוי זה מתבסס על ההנחה, כי שני הצמדים מתאפיינים במשולב בהפסד של -1 dB. הקדם-מגבר נוסף מאחורי צמדי הייחוס והבדיקה, כך ששגיאות הסחיפה ואי ההתאמה יוסרו לאחר תיקון השגיאות.

כלל אצבע הוא, כי העיוות שנגרם על-ידי הקדם-מגבר אמור להיות -20 dBc או פחות מכך, כדי למנוע התנהגות לא ליניארית של ה-DUT, שאותה לא יצליח ה-NVNA לתקן. הקדם-מגבר אמור להיות מסוגל לטפל במצב של מתח מעגל פתוח או של קצר חשמלי בתפוקת מוצא של +35 dBm, וזאת במקרה של ניתוק ה-DUT.
צמד הייחוס הפנימי הוחלף בצמד חיצוני בעל הספק גבוה יותר. עבור רמת הינע של +35 dBm במוצא הקדם-מגבר ואל תוך מעגל פתוח, הגל הממתין בכניסת הצמד יכול להגיע ל40 dBm+. כיוון שצמד הייחוס מתאפיין ברמת נזק של +30 dBm, יש להחליפו בצמד חיצוני, המותאם לרמה של +40 dBm. יש לשים לב שצמד הבדיקה לא הוחלף משום שרמת הנזק שלו הנה +43dBm.
בקדמת הרסיברים הותקנו שני מנחתים חיצוניים של -40 dB. מתוך הנחה כי רמת ההספק המרבית של הצמד הנה +35 dBm וכי גורם הצימוד של הצמד הנו -15 dBc, הרי שפעולה זו מגבילה את הספק המבוא של הרסיבר ל20 dBm. ככלל, יש להקפיד שסיווג המבוא של הרסיבר יישאר נמוך מ-20 dBm כדי למזער את תוצרי העיוות שנגרמים ברסיבר.

שינויי יציאת המוצא
יציאת ה-NVNA מס. 3, אשר מחוברת לצד המוצא של ה-DUT, שונתה על-ידי הוספת מגבר, צמד וארבעה מנחתים לערכת הבדיקה של ה-RF.
קדם-מגבר של +33dB נוסף כדי לספק רמת טון חילוץ של +18dBm למוצא ה-DUT (לאחר טיפול בהפסדי המנחתים של -4dB,
-10 dB ו-1 dB באמצעות הצמדים). רמת טון זו מצויה -30 dB מתחת לתפוקת המוצא המרבית של ה-DUT, שהנה
+48 dBm. ככלל, אנו מעוניינים לשמר את טון החילוץ ברמה של -20 dB עד
-40 dB מתחת לרמת הטון הראשי; טון חילוץ ברמה גבוהה יותר יגרום לרעש פחות. הקדם-מגבר נוסף מאחורי צמדי הייחוס והבדיקה, כדי לאפשר את הסרת שגיאות הסחיפה ואי ההתאמה שלו  לאחר תיקון השגיאות. מעניין לציין, כי תוצרי עיוות שייווצרו בקדם-המגבר יהיו תמיד קטנים לעומת רמת הטון הראשי. לפיכך, כל עיוות שייווצר על-ידי הקדם-מגבר יימדד ויתוקן ב-X-parameters. על הקדם-מגבר להיות בעל סיווג שיאפשר לו להתמודד עם תנאי מתח מעגל פתוח או קצר ברמה של +33 dBm, כיוון שה-DUT עשוי להניע אות של +33 dBm לתוך המוצא שלו, אשר יכול להיראות כמעגל פתוח או קצר.
צמד הייחוס הפנימי הוחלף בצמד חיצוני גבוה הספק. עבור רמת הינע במוצא של +33 dBm מתוך הקדם-מגבר עד לרמת הינע מוצא מרבית ב-DUT, הגל הממתין בכניסת הצמד יכול להגיע ל- +36dBm. כיוון שצמד הייחוס הפנימי מתאפיין ברמת נזק של +30dBm, חיוני להחליפו בצמד חיצוני שסיווגו +39 dBm. יש לציין כי צמד הבדיקה לא הוחלף משום שרמת הנזק שלו הנה +43 dBm.
בקדמת הרסיברים הותקנו מנחתים של -40 dB ו- -46 dB, כדי להגביל את רמות ההספק של הרסיבר לפחות מ-20 dBm וכך למזער את תוצרי העיוות ברסיבר, בדומה לשינויים שהוכנסו ביציאה 1 של ה-NVNA.
מנחתי ה- -4dB וה- 46dB נוספו לנתיב ה-RF הראשי כדי להגביל את האירוע בעל רמת ההספק המרבית במוצא הקדם-מגבר ל+33 dBm. אירוע כזה מתרחש ביציאת DUT של +48 dBm, בהנחה כי הצמדים מתאפיינים בהפסד משולב של -1 dB. בתנאים כאלה, הקדם-מגבר עשוי לחוות תנאים של מתח מעגל פתוח או של קצר חשמלי, כיוון שרמת המוצא שלו הנה
+33 dBm. מנחת של -10 dB ממוקם בין צמד הבדיקה לבין מוצא ה-DUT כדי להגביל את ההספק בצמד הבדיקה
ל+38 dBn, רמה שנמצאת במרחק בטוח מרמת הנזק, המסווגת כ43 dBm+. הוספת המנחת של -10 dB מגינה על הצמדים ומשפרת את התאמת העומסים של יציאת הבדיקה, אולם היא גם מפחיתה את הכיווניות הגולמית של יציאת הבדיקה בשיעור של -20 dB, והדבר גורם ליציבות כיול מופחתת. מוטב למזער מנחת זה כדי לשפר את היציבות, אולם ככלל, הנחתה של עד -10 dB היא בגדר המותר.

אזהרות
מעצם מהותן, התקנות מדידה גבוהות הספק מצריכות שיקול מוקפד ביותר של פרטי מערכת רבים. טעויות שנעשות בהקשר עם התקנת הבדיקה עלולות לגרום לשגיאות מדידה, או במקרה הגרוע ביותר – להסב נזק ל-DUT או לציוד הבדיקה. להלן מספר שיקולים חשובים:
•עליך לדעת מהן רמות ה-RF וה-DC המרביות של רכיבי המערכת ולשמור עליהן. היה מודע לכך, כי יציאות NVNA מסוימות אינן יכולות לעמוד בכל מתחי ה-DC.
•הספק ה-RF המוחל על יציאות ה-PNA-X צריך להימצא -3 dB לפחות מתחת לרמות הנזק של ה-RF המאפיינות יציאות אלה ובאופן אידיאלי אמורות להימצא -6 dB מתחת להן.
•בעת חישוב רמת ההספק המרבית בנקודה נתונה של התקנת הבדיקה, הקפד להשתמש בסכום ה-worst-case של המתחים. לדוגמה, כאשר שני אותות של 0 dBm משתלבים יחדיו באותו תדר, רמת האות המרבית תהיה שווה ל-worst case של +6 dBm.
•ה-DUT והתקני הקדם-מגבר עשויים להתאפיין בדרישות ספציפיות של התאמת עומסים במבוא ובמוצא, אשר בהן יש לעמוד לפני ההפעלה, על מנת למנוע תנודות או נזק. היזהר מתנאים של מתח מעגל פתוח.
•ה-DUT והתקני הקדם-מגבר עשויים להיות רגישים לרצפי הדלקה. הקפד ללמוד את דרישות הקדם-מגבר וה-DUT לפני הדלקת המערכת.
•הקפד להשתמש בכבלי RF קצרים וכן השתמש במידת האפשר בכבלים מוקשחים למחצה כדי להבטיח יציבות מדידה.
•הגדרה מראש של ה-NVNA עלולה לגרום לכוונון ההספק לרמה שעלולה להסב נזק ל-NVNA או ל-DUT. בדרך כלל מומלץ לאפשר את מצב “הגדרת המשתמש” (user preset) אשר מאפשר למשתמש להגדיר מראש את רמת ההספק.

סיכום
רוב המגברים גבוהי ההספק מיועדים לפעול בתחום הלא-ליניארי. נתח רשת וקטורי לא ליניארי (NVNA) הוא הכלי המתאים ביותר לאיפיון ולמידול התקן שכזה. על-ידי שינוי התקנת בדיקת ה-RF של ה-NVNA, ניתן לבצע מדידה של מגברים הפועלים ברמות הספק של עד 1 kW. שינויים אלה כוללים הוספת מנחתים חיצוניים, צמדים והתקני קדם-מגבר בנקודות אסטרטגיות של התקנת הבדיקה. התקנות ומדידות גבוהות הספק כגדון אלה מצריכות משנה זהירות והקפדה על פרטים מצד מהנדס הבדיקה, כדי למנוע הסבת נזק להתקן תחת בדיקה ולמערכת הבדיקה עצמה.