S Parameters: הקרן של RF מודרני כוח מגבר עיצוב

האבולוציה המהירה של 4G LTE ל-5G רדיו חדש הציבה דרישות יוצאות דופן בסוף החזית RF.בלב של כל תחנת בסיס ומכשיר נייד, מגבר כוח RF (PA) קובע כיסוי, שיעור נתונים וחיי סוללה.עיצוב יעיל, ליניארי ויציב הרש"פ עבור ספקטרום צפוף ותכניות מודולציה מורכבות דורשות התאמה מדויקת והתאמה של רשת.

מה הם פרדוקסים ולמה הם פונדמנטל ב-RF

פרמטרים S מתארים את ההתנהגות של רשת חשמל ליניארית במונחים של אירוע ומשתקף גלי נסיעה במקום מתחים וזרמים. במיקרוגל ו- מילימטר-גלי גל, מדידות פתוחות וקצרות הופכות לא מעשיות בשל תגובה פרציטית ומגבלות בדיקה.S פרמטרים מוגדרים תחת תנופה אופיינית, בדרך כלל 50 ⁇ , וניתן למדוד ישירות עם רשת ניתוח קיסרי (דיוק) באמצעות דיוק גלאי (Cava) או דיוק גל).

פרמטר S ממטריקס למכשיר שני-פורט מורכב מארבע כמויות מורכבות: S11, S21, S12 ו-S22. כל אחד הוא יחס של גל משתקף או משודר לגל אירוע, לכידת הן גודל והן שלב.המידע בשלב הוא קריטי לתכנון רשתות טעינה המספקות התאמה להתאמה ולהבטיח יציבות על פני רוחב הפס הרצוי.

הסבר טכני עמוק יותר, ספרו של דייוויד פוזאר:0 (Microwave EngineeringFLT:1) מספק כיסוי מקיף של פרמטר S וניתוח רשת.

מפתח S Parameters ותפקידם בעיצוב הרש"פ

בהנדסת כוח RF, Sפרמטרים לשרת כמה פונקציות חיוניות. ראשית, הם מאפשרים למעצב להעריך את היציבות הטבוע של המכשיר הפעיל. על ידי חישוב גורם יציבות רולט (K) ואמצעי יציבות עזר (B1, μ) מפרמטרים Sport, מהנדסים יכולים לזהות טווחי תדר שבהם הטרנזיר עשוי osciate. a PA מתחיל עם יציבות מלאה לאורך כל הלהקה, לעתים קרובות להשיג את ה-S משוב על ידי רשת S.

שנית, פרמטרים להגדיר את היתרונות הזמינים והתאמה דרישות.S21 ישירות מצביע על רווח או הפסד קדימה כאשר שני הנמלים הם לסיים את המערכת אימפולסיביות. יותר חשוב, S11 ו-S22 לחשוף כמה רחוק הקלט הטרנסיסטאור ופלט אימפולסי רצון מ 50 ⁇ פשוט הדבקה התאמה, מונע על ידי ההשתקפות האלה, יכול להגביר את הרווח הקטן אך לא יכול להיות תשואות אופטימליות או יעילות משיכה פשוטה.

שלישית, בידוד הפוך (S12) קובע כמה אותות פלט דולף בחזרה קלט.ב הרש"פ רב-שלבי או משדרים משולבים, בידוד גרוע יכול לגרום משוב מעוות את האות המונות או מוביל לאי-יציבות תחת וריאציה עומס. מודרני GaN ו LDMOS לעתים קרובות להציג נמוך מאוד S12 בתדרים סלולריים, אבל תשומת לב זהירה נשאר הכרחי בשרשרת גבוהה.

מבט מפורט על ארבעת ה-S Parameters

  • (FLT:0S11 - Input Reflection Coefficient:BuildFLT:1) היחס של גל מתח משתקף לתקרית ב-נמל 1 עם פורט 2 שהופסק במערכת Impedance: Expressed in dB, נמוך |S11) מציין התאמה טובה לקלט עבור הרש"פ, הפסד החזרה של 10B (- 10DB) הוא בדרך כלל הולם, אך גבוה יותר דרישות לינאריות עבור שלב של S11 או יותר של קבוצת ה-B.
  • (FLT:0S21 - Transmission Coefficient:cioFLT:1) זהו הרווח הקטן של הנמל 1 לפורט 2. בעוד הרש"פ פועלת בתנאים גדולים שבהם לצבור דחוסים, S21 בנקודת ההטיה ה ⁇ מבססת את יכולות המכשיר.רחב S21 מגלה סימנים ב-pript ו-Rol-off, אשר חייב להיות שווה באמצעות עיצוב רשת 5G שטוחה.
  • <חזק>S12 - Reverse Transmission Coefficient: מדד בידוד מפלט לקלט. A נמוך S12 (<-20 dB) מקטין את הסבירות של משוב לא רצוי.ברשות המעסיק מעקב מעטפה או נטייה דיגיטלית, S12 נתונים מסייע לבנות מודלים התנהגותיים מדויקים אשר לתקן לא ליניאריות ללא מפריעים באופן בלתי נמנע את הלולאה.
  • (FLT:0S22 - Output Reflection Coefficient:BuildFLT:1) דומה ל-S11 אבל מחפש פורט 2.הרשת ההתאמה של הפלט מיועדת בדרך כלל להציג את הדחף של מטען אופטימלי (ZFLT:2optuaFLT 3:2optuaFLT 3) עבור כוח מקסימלי או יעילות, אשר לעתים רחוקות שווה את רצף של S22, עם זאת, S22 המדידות כי מאשרות כאשר המטען המכוון עם הפחתת כוח או יעילות, הוא ניתוח, הוא ניתוח, עם זאת, אשר נועד עם זאת, סימולציה, סימולציה, עם זאת, כלומר, סימולציה, עם סימולציה, כאשר הוא ניתוח סימולציה של סימולציה, סימולציה, סימולציה, סימולציה, עם סימולציה, עם זאת, עם זאת, עם סימולציה, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, כאשר הוא צמצום, כאשר הוא מצמצם את הפחתת לחץ על ידי סימולציה של סימולציה של סימולציה של סימולציה של סימולציה של סימולציה של סימולציה

שיטות מדידה ו-Celbration Fundamentals

נתוני פרמטר S הם סלע של אופטימיזציה מוצלחת של הרש"פ.A מודרני וקטור רשת מנתח, calibrated באמצעות קצר-פתוח-Load-Thru (SOLT) או Thru-Reflect-Line (TRL) סטנדרטים, יכול למדוד את ארבעת הפרמטרים המורכבים של S על פני תדרים מ- MHz ליותר מ -100 GHz.עבור על אופי של GaAs או NMT, כדי לתקן את ההשפעות של סימולציה של סימולציה מרחוק, כדי לתקן את ה-S.

בעוד שפרמטרים קטנים של S נמדדים בהטיה קבועה של DC, מעצבי הרש"פ מצביעים באופן שגרתי על מנת לבחור את הזרם ה ⁇ האופטימלי אשר מאזן רווח, ליניאריות ויעילות.לדוגמה, מדגימה של Class-AB ו-S12 של S21 ו-S12 Shift כמו transistor נע קרוב יותר ל- Class-B.A משפחה של פרמטרים ב-VLTF:0GSFreaver:

משאבים חיצוניים מספקים תובנה עמוקה יותר של שיטות גילוח. Keysight Technologies מציעה הודעת יישום בשם FLT:0"RF ו-מיקרוגל Analysis Basics"OVAFLT:1 כי פרטים VNA פעולה ותיקון שגיאות.

אופטימיזציה של כוח Amplifiers עם S Parameters ו- Load-Pull

למרות שפרמטרים קטנים של S בלבד לא יכולים לחזות ביצועים גדולים כמו כוח פלט רווי (PFearve:0 satFLT:1) או יעילות מופחתת כוח (PAE), הם נקודת ההתחלה עבור מתודולוגיה עיצוב הרש"פ החזקה ביותר: עומס-pull ו- Source-pull. בהגדרה עומס, מכוונת או פעיל מציג מגוון של מכשירים מלוטשים, תוך כדי להגדיר יעילות מקסימלית של מיפוי, כאשר הוא מקבל את ה-E3, בתנאי שהוא מקבל מיפוי.

פרמטרים S משולבים במדידות עומס-סגול בשני דרכים. ראשית, הדחף עצמו מאופיין על ידי פרמטרים S משלה, המאפשר הגדרה מדויקת של הדחף שהוצג ל DUT השני, הקלט והפלט של הרש"פ השתקפות coefficients תחת כונן גדול-signal הם במעקב באמצעות זוגות כיוון ו- VNA מקלטים, נותן אמיתי-Time S11 ו-S22 בבסיס בתדרים ונזקים מסוג זה הוא לעתים קרובות מעבר לעומס ה-Fonic-C.

מקור-pull עוקב אחר אותו עיקרון בקלט, זיהוי של מקור אופטימלי הממקסם רווח או מצמצם את דמות הרעש. ב 4G ו-5G יישומים, שבו אותות לשאת יחס גבוה לעוצמה גבוהה לממוצע (PAPR), המעצב לעתים קרובות מקריב כמה עשיריות של DB של רווח כדי להשיג התאמה רחבה יותר כי שמירה על ליניאריות על פני רוחב הפס של שינוי רוחב פס של SPV.

מגבר על יכולת ב-4G ו-5G Bands

ניתוח היציבות המושרש ב-Sפרמטרים משתרע מעבר לגורמי רולט פשוטים.גורמי ה- μ ו- ⁇ מספקים מדד חד-ממדי יחיד של יציבות, שבו ערכים גדולים מ-1 מצביעים על יציבות ללא תנאי.עם זאת, כאשר הרשות פועלת בדחיסה, הפרמטרים היעילים שלה S פרמטרים משתנים, פוטנציאל ליצור קידוד נמוך או מחוץ לפסים של פסים.

עבור מגבר Doherty בשימוש נרחב בתחנות בסיס 4G/5G, יציבות הופכת אפילו יותר קריטית בשל אפקט הפחתת העומס.הטרנס הראשי והפסגות יש מאפיינים שונים S22 אשר משתנים עם רמת כוח. Accurate S מדידת תחת כוח נמוך ומשטרים בעוצמה גבוהה עוזר להבטיח כי המשלב Doherty אינו מציג חוסר יציבות בטווח הדינמי כולו.

משאב מעשי על ניתוח יציבות הוא המאמר התקנים (FLT:0) אנלוג "RF Amplifier Stability Analysis Using S-Parameters".

קואריזציה ושילוב DPD באמצעות S Parameters

מערכות מודרניות 4G ו-5G מסתמכות רבות על נטייה דיגיטלית (DPD) כדי לעמוד במסכות פליטה ספקטרלית וגודל וקטורת שגיאות (EVM) דרישות מנוע DPD דורש מודל התנהגותי מדויק של הרש"פ, ו-S פרמטרים - לצד X-parameters או אחר גדול של ניתוח רשת קידוד - מזהמים את המודלים האלה, בעוד פרמטרים קטנים של Sal לא יכולים ללכוד רק את התגובה הלינית, אשר הם מעכבים של התדירות של מערכת ההפעלה של התדירות של התדירות של התדירות של התדירות של התדירות של ה-SD21.

יתר על כן, ההשתקפות coefficients S11 ו-S22 משפיעים על האופן שבו הרשות פועלת באופן משמעותי עם המעגל שמסביב.מערכת DPD מודל את הרש"פ כ"קופסא שחורה" עם קלט ופלט.אם S22 משתנה באופן משמעותי עם רמת כוח - כפי שהוא עושה בדוגמת דוהרטי תחת עומסים מודולציה - DPD חייב לכלול השפעות זיכרון כי מעבר AM-AM ו-PM-S משתמשים במהנדסים דינמיים, בסופו של שינוי של דגם DPD.

עבור מדריך מעשי לדPD וליינריזציה של הרש"פ, Analog מכשירים "FLT:0" (הקדמה לרדיו חשמל Amplifiers)" מאמר 1 של Analog מכשירים עם התייחסות לטרנסיביים מודרניים.

עיצוב מעשי סטרימינג באמצעות S Parameters: A 5G n78 דוגמה

זרם עיצוב הרש"פ טיפוסי עבור להקה 5G N78 (3.3-3.8 GHz) באמצעות GaN HEMT עשוי להמשיך כדלקמן:

  • (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0)Stability Check:FLT:1 Plot μ ו ⁇ ממדד S פרמטרים.הוספת התנגדות שער אם כל תדירות מתחת 10 GHz מראה חוסר יציבות.
  • (ב) (הופנה מהדף "ה-לוד-פוטומאלי: 1) השתמש במודל הגדול של היצרן כדי לבצע עומס-טהור בתדירות היעד וברמת הכוח.העומס האופטימלי לרש"פ (Zigph:2L,optFLT 3: 3) הוא בדרך כלל לא 50 קידוד.
  • (FLT:0) עיצוב רשת מחשוב: FLT:1uing קובץ הפרמטר S של transistor ומודל substrate , הזזת קלט ופלט תואם רשתות בכלי CAD כמו Keysight ADS או Cadence AWR אופטימיזציהe S11, S21, S22, וגורמי יציבות בו זמנית. עבור רחב 5G מובילים, חתך או מפולת קיבולת עשוי להפוך את ה-Ter נדרש.
  • (FLT:0) מלא-ועבד EM Verification:veFLT:1) לאחר הפריסה הוא סופי, לחלץ S פרמטרים עבור המבנה הפסיבי כולו מ סימולטור אלקטרומגנטי ושותף-simulate עם המודל הטרנסיסטור.
  • (FLT:0)Bench Optimization: FLT:1 השתמש ב-VNA עם מד כוח למדידת רווח ו-S פרמטרים בתנאים קטנים של חתימה. בצע עומס מוכוון-מזד כדי לאשר את הדחף האופטימלי, ולאחר מכן tweak תואם ערכים רכיב ישירות על הלוח.

לולאה זו, המוטבעת בנתונים פרמטר S בכל שלב, מקטין את מספר ספינים לוחית ומבטיחה הצלחה ראשונה.

המונחים: wideband 5G Carriers

5G מוביל יכול להיות 100 MHz רחב או יותר, הדורש רשתות התאמה כי לשמור על רווח שטוח ואובדן תשואה נמוך לאורך רוחב הפס כולו.S פרמטרים נמדדים בתדרים מרובים מאפשר עיצוב של התאמה רב-מחדש להתנצלות, כגון מסננים קו זוגי או ירידה נמוכה מעבר לפרמטרים של סימפונס.בנוסף, הפרמטרים של רשת S של הטיה יש לקחת בחשבון עבור; רבע-חנוק כי הוא אידיאלי על מנת למנוע בעיות של Sulance מלא.

S Parameters בעידן של 5G mmWave ו-שלב Arrays

בתדרי גלי מילימטר מעל 24 GHz, שיקולים נוספים מתעוררים.הפסדי קו ההקצאה, הפיכה פרציטית ואפקטי החבילה הופכים דומיננטיים.S פרמטרים הם עדיין המטבע העיקרי, אבל הפחתת המטוס ההתייחסות חייבת להרחיב לממשק האנטנה.על שבב Sp S מדידות באמצעות GSG בדיקות ו- Multi-port VNAs לאפיין את התא PA יחד עם רשת beamforming.

Over-the-air (OTA) בדיקות ב-5G מציגות פרדיגמת מדידה חדשה שבה פרמטרים של רכיבים בודדים הם פחות נגישים.עם זאת, המדידות שנערכות ברמת השבבים, דיווחו כפרמטרים שונים או מעורבים של S, עדיין מניעים את העיצוב של הרש"פ בשלבי-השלבים.ה תרומתו של S22 לאימפולס הפעיל בסריקה חשובה במיוחד משום ששינויים הדדיים בין רכיבי העומס המוצגים לכל אחת מהת לפרמטרים ליניאריים שעדיין עומדים על פני הפרמטרים.

מאמר עדכני של IEEE, (FLT:0) "Over-the-Air Characterization of Phased Array Transmitters Using S-Parameter Techniques", מבהיר כיצד מושג הפרמטרים של S מרחיב לקרינה.

מלכודות נפוצות וכיצד להימנע מהם

החלת רק על פרמטרים S יכול להוביל שגיאות עיצוב אם המגבלות שלהם לא מכובד. הראשון, פרמטרים S פרמטרים הם לינארית ביסודה; הם לא יכולים לחזות דחיסת כוח או עיוות בין-מודולציה.תמיד כמה סימולציה קטנה עם איזון הרמוני או מעטה ניתוחים טרנספורמטיביים המשלבים מודל גדול של כוח תפוקה.שני, וריאציות ייצור במשתנה קבוע ומרכיבי סובלנות S11, לפעמים העברת גבול לדגימה גבוהה של ניתוח של כוח-סנדר אוטומטי של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של הרש"ל-S.

לבסוף, אל תזניח את רשתות ההטיות כאשר לחלץ פרמטרים S. DC להאכיל בדרך כלל מתחבר נתיב RF דרך קו גל רבע-גל וכובע מעקף; רשת זו יכולה להציג מחדש בתדר נמוך גלוי בפרמטרים S אם לא כראוי לחב.תמיד סימולציה ומדכא פרמטרים S עם כל הטיה ו decoupling בדיוק כפי שהם יופיעו במוצר הסופי.

עתיד העיצוב של הרש"פ: מ-S Parameters ל- X-Parameters

בעוד שפרמטרים S נשארים הכרחיים עבור אופי ליניארי, הנוף מודלים התנהגותיים משתנה לכיוון X-parameters, אשר מרחיב את הרעיון של לא ליניארי, פעולה מסיבית גדול- X-parameters ללכוד הדור הרמוני ו intermodulation תחת כונן מודול מציאותי, המאפשר "קופסא שחורה" מודלים לא ליניאריים שניתן לשתף ללא חשיפה של עיצוב transistor קנייני. אבל X-paras בנוי על בסיס של 5G מתפתח במיוחד על ידי פרמטרים יציב של מערכת ההפעלה של חשמל.

להצגת פרמטרים X-Parameter ומערכת היחסים שלהם ל-Sפרמטרים, Keysight's (FLT:0) "X-Parameter Technical Review" (ראה פרק 1) מספק הסבר ברור.

מסקנה

פרמטרים S הם הרבה יותר מאשר מספרים על תרשים סמית - הם השפה האנליטית שבאמצעותו מגברי כוח RF נוצרים, מדומים ומאומתים.בגזע כדי לספק את שיעורי הנתונים הגבוהים ואת הגמישות הנמוכה שהובטחה על ידי 4G ו- 5G רשתות, מעצבי הרש"פ מסתמכים על S11, S21, S12 ו-S22 נתונים בכל שלב: הבטחת יציבות, פיתוח, התאמה, שילוב של רשתות לינאריות ושילוב של אלגוריתמים חזקים יותר.