Оценка и оптимизация конструкций усилителей высокой мощности с использованием X-параметров
Обзор
Для соответствия возрастающим требованиям современные конструкции радиолокационных станций (РЛС) используют всё более широкие полосы частот и всё более сложные системы модуляции. Одним из последствий этих изменений стала необходимость оптимизации выходной мощности усилителей при сохранении их высокой эффективности. Независимо от того, работают ли конструкторы над созданием систем для космоса, обороны или коммерческих целей, многие из них исследуют и внедряют более новые технологии, такие как нитрид галлия (GaN). Работа с новыми технологиями ставит множество сложных проблем конструирования, моделирования и испытаний.
Традиционно при разработке усилителей использовались измерения S-параметров. Использование X-параметров – сравнительно новый подход, позволяющий распространить возможности S-параметров на измерение и моделирование нелинейности усилителей. X-параметры помогают преодолеть три основные проблемы разработки ВЧ устройств: нелинейность импеданса, смешение гармоник и эффекты нелинейного отражения, которые возникают при каскадном соединении компонентов и при высоких уровнях сигналa.
Для иллюстрации проблем и их возможных решений в этих заметках по применению рассмотрен пример разработки усилителя мощности (УМ) с использованием 45-ваттного GaN транзистора. Центральная рабочая частота составляет 1,2 ГГц и планируемая выходная мощность 45 дБм или более. Устройство должно работать в режиме класса AB с КПД добавленной мощности (PAE) более 60 процентов.
Общее проектирование УМ было выполнено с использованием системы автоматизированного проектирования Advanced Design System (ADS) компании Keysight . Эта САПР использовалась для моделирования импедансных контуров выходной мощности и PAE на основной частоте и частотах гармоник на входном (затвор) и выходном (сток) портах. Для достижения максимальных значений PAE и выходной мощности были использованы смоделированные контуры импеданса, что позволило определить подходящие импедансы нагрузки на основной частоте и её гармониках на портах затвора и стокa.
Смоделированные контуры импеданса были использованы при выборе определённых импедансов для надлежащего частотного согласования. Исходя из этого была разработана печатная плата, обеспечивающая требуемые импедансы для транзистора. Затем усилитель был окончательно собран, и его фактические рабочие характеристики были измерены с помощью нелинейного векторного анализа цепей (NVNA) и затем сравнены с результатами моделирования в системе ADS.
Содержание
Для соответствия возрастающим требованиям современные конструкции радиолокационных станций (РЛС) используют всё более широкие полосы частот и всё более сложные системы модуляции. Одним из последствий этих изменений стала необходимость оптимизации выходной мощности усилителей при сохранении их высокой эффективности. Независимо от того, работают ли конструкторы над созданием систем для космоса, обороны или коммерческих целей, многие из них исследуют и внедряют более новые технологии, такие как нитрид галлия (GaN). Работа с новыми технологиями ставит множество сложных проблем конструирования, моделирования и испытаний.
Традиционно при разработке усилителей использовались измерения S-параметров. Использование X-параметров – сравнительно новый подход, позволяющий распространить возможности S-параметров на измерение и моделирование нелинейности усилителей. X-параметры помогают преодолеть три основные проблемы разработки ВЧ устройств: нелинейность импеданса, смешение гармоник и эффекты нелинейного отражения, которые возникают при каскадном соединении компонентов и при высоких уровнях сигналa.
Для иллюстрации проблем и их возможных решений в этих заметках по применению рассмотрен пример разработки усилителя мощности (УМ) с использованием 45-ваттного GaN транзистора. Центральная рабочая частота составляет 1,2 ГГц и планируемая выходная мощность 45 дБм или более. Устройство должно работать в режиме класса AB с КПД добавленной мощности (PAE) более 60 процентов.
Общее проектирование УМ было выполнено с использованием системы автоматизированного проектирования Advanced Design System (ADS) компании Keysight . Эта САПР использовалась для моделирования импедансных контуров выходной мощности и PAE на основной частоте и частотах гармоник на входном (затвор) и выходном (сток) портах. Для достижения максимальных значений PAE и выходной мощности были использованы смоделированные контуры импеданса, что позволило определить подходящие импедансы нагрузки на основной частоте и её гармониках на портах затвора и стокa.
Смоделированные контуры импеданса были использованы при выборе определённых импедансов для надлежащего частотного согласования. Исходя из этого была разработана печатная плата, обеспечивающая требуемые импедансы для транзистора. Затем усилитель был окончательно собран, и его фактические рабочие характеристики были измерены с помощью нелинейного векторного анализа цепей (NVNA) и затем сравнены с результатами моделирования в системе ADS.
Содержание
- Обзор
- Проблема
- Решение: конфигурирование измерения, определение ресурса мощности, настройка моделей X-параметров с помощью ADS
- Результаты: проверка модели X-параметров
- Советы: способы измерения X-параметров
- Заключение