Роль S-параметров в оптимизации усилителей Rf для сетей 4g и 5g

S-параметры: основа современного проектирования усилителя мощности РФ

Быстрая эволюция от 4G LTE до 5G New Radio предъявляет чрезвычайные требования к передней части радиочастот. В основе каждой базовой станции и мобильного устройства усилитель мощности радиочастотного излучения (PA) определяет покрытие, скорость передачи данных и время автономной работы. Проектирование эффективного, линейного и стабильного PA для многолюдных спектров и сложных схем модуляции требует точной характеристики транзистора и соответствующей оптимизации сети. Параметры рассеяния или параметры S остаются основным языком для этой характеристики, позволяя инженерам прогнозировать, измерять и оптимизировать производительность усилителя от концепции до проверки соответствия.

Что такое S-параметры и почему они являются фундаментальными в РФ

Параметры S описывают поведение линейной электрической сети с точки зрения падающих и отраженных движущихся волн, а не напряжений и токов. На частотах микроволновой и миллиметровой волн традиционные измерения с открытым и коротким замыканием становятся непрактичными из-за паразитных реактивных действий и ограничений зонда. Параметры S определяются под конкретным характерным импедансом, обычно 50 Ом, и могут быть измерены непосредственно с помощью векторного сетевого анализатора (VNA) с использованием прецизионных коаксиальных или волноводных калибровочных наборов.

Матрица параметров S для двухпортового устройства состоит из четырёх сложных величин: S11, S21, S12 и S22. Каждая представляет собой отношение отраженной или передаваемой волны к падающей волне, захватывающей как величину, так и фазу. Информация о фазе имеет решающее значение для проектирования совпадающих сетей, обеспечивающих сопряженные импедансные соответствия и для обеспечения стабильности по требуемой полосе пропускания. Хотя параметры S являются малыми сигнальными величинами и наиболее точны, когда устройство работает линейно, они образуют основу для контуров нагрузки и моделей больших сигналов, которые направляют развитие PA.

Для более глубокого технического объяснения, учебник Дэвида М. Позара Микроволновая инженерия обеспечивает полный охват теории параметров S и сетевого анализа.

Ключевые S-параметры и их роль в дизайне PA

В технике усилителя мощности RF параметры S выполняют несколько существенных функций. Во-первых, они позволяют дизайнеру оценить присущую активному устройству стабильность. Вычисляя коэффициент устойчивости Rollett (K) и вспомогательные меры стабильности (B1, μ) из параметров двух портов S, инженеры могут идентифицировать частотные диапазоны, где может колебаться транзистор. Надежная конструкция PA начинается с безусловной стабильности по всей полосе, часто достигаемой через резистивную нагрузку или сети обратной связи, которые изменяют необработанные параметры S.

Во-вторых, параметры S определяют доступные требования к коэффициенту усиления и соответствия. S21 непосредственно указывает на коэффициент усиления или потери при вставке вперед, когда оба порта заканчиваются в импедансе системы. Что более важно, S11 и S22 показывают, насколько сильно входное и выходное импедансы транзистора отклоняются от 50 Ом. Простое сопряженное соответствие, обусловленное этими отражениями, может повысить коэффициент усиления малых сигналов, но не может обеспечить оптимальную мощность или эффективность - именно здесь становятся необходимыми выводы о большом сигнале и вытягивание импеданса на основе S-параметра.

В-третьих, обратная изоляция (S12) определяет, сколько выходного сигнала течет обратно на вход. В многоступенчатых PA или интегрированных передатчиках плохая изоляция может вызвать обратную связь, которая искажает модулированный сигнал или приводит к нестабильности при изменении нагрузки. Современные транзисторы GaN и LDMOS часто демонстрируют очень низкий S12 на клеточных частотах, но тщательное внимание остается необходимым в цепочках с высокой долей усиления.

Подробный взгляд на четыре ключевых параметра S

• S11 — Коэффициент отражения входного напряжения: Отношение отраженной волны напряжения к падающей волне в порту 1 с портом 2, завершённым в импедансе системы. Выраженное в dB, низкое |S11 | указывает на хорошее соответствие входного сигнала. Для PAs, возвратная потеря 10 дБ (−10 дБ) обычно адекватна, но более высокие требования к линейности толкают на −15 дБ или лучше по рабочей полосе. Фаза S11 определяет реактивную составляющую входного импульса, направляя выбор последовательного или шунтирующего совпадающих элементов.
• S21 — Коэффициент пересылки вперед: Это коэффициент усиления малых сигналов от порта 1 до порта 2. В то время как PA работает в условиях больших сигналов, где сжимается коэффициент усиления, S21 в точке покоя определяет возможности устройства. Широкополосные следы S21 показывают пульсацию и откат в полосе усиления, которые должны быть выравнены через согласованную конструкцию сети для удовлетворения спецификаций плоскости 4G и 5G.
• S12 – Коэффициент обратной передачи: Мера изоляции от вывода к входу. Низкий |S12 | (< −20 дБ) снижает вероятность нежелательной обратной связи. В PA, использующих отслеживание конвертов или цифровое искажение, данные S12 помогают создавать точные поведенческие модели, которые исправляют нелинейности без непреднамеренной дестабилизации цикла.
• S22 — Коэффициент отражения выходной мощности: Аналогично S11, но при рассмотрении порта 2. Сеть согласования выходной мощности обычно предназначена для представления оптимального импеданса нагрузки (Z_опта) для максимальной мощности или эффективности, что редко равняется сопряжению S22. Тем не менее, измерения S22 подтверждают, что при приводе PA с предполагаемым источником и нагрузкой в рабочих условиях, отражение выходной мощности является управляемым, сводя к минимуму потери в передающем фильтре и антенном переключателе.

Методы измерения и основы калибровки

Точные данные параметров S являются основой успешной оптимизации PA. Современный векторный сетевой анализатор, калиброванный с использованием стандартов Short-Open-Load-Thru (SOLT) или Thru-Reflect-Line (TRL), может измерять четыре сложных параметра S на частотах от десятков МГц до более 100 ГГц. Для характеристики на пластине GaAs или GaN HEMTs, на пластине калибровочные подложки перемещают плоскость отсчета к наконечникам зонда, устраняя эффекты кабеля и зонда. В тестировании на основе крепления методы де-встраивания извлекают паразитные вклады крепления, обеспечивая внутренние параметры устройства S, необходимые для моделирования схемы.

В то время как параметры S с малым сигналом измеряются при фиксированном смещением постоянного тока, PA-дизайнеры обычно сметают точки смещения, чтобы выбрать оптимальный покоящий ток, который уравновешивает усиление, линейность и эффективность. Например, смещение усилителя S21 и S12 класса AB по мере приближения транзистора к операции класса B. Семейство файлов параметров S при различных V_]GS и V_DS служит основой для нелинейных моделей, таких как Angelov или EEHEMT, используемых в гармонических моделях баланса.

Внешние ресурсы обеспечивают более глубокое понимание методов калибровки. Keysight Technologies предлагает прикладную записку под названием «Основы анализа радиочастотной и микроволновой сети» , в которой подробно описывается работа VNA и исправление ошибок.

Оптимизация усилителей мощности с S-параметрами и нагрузкой

Хотя параметры S с малым сигналом сами по себе не могут предсказать производительность большого сигнала, такую как насыщенная выходная мощность (P_]sat) или эффективность с добавлением мощности (PAE), они являются отправной точкой для самой мощной методологии проектирования PA: тяга нагрузки и тяга источника. В настройке с тягой нагрузки пассивный или активный тюнер представляет диапазон импедансов на выход устройства при измерении доставляемой мощности, усиления и эффективности. Полученные контуры на диаграмме Смита определяют оптимальную область импеданса для данной метрики, такую как максимальная PAE при сжатии 3 дБ.

Параметры S интегрированы в измерения нагрузки двумя способами. Во-первых, импеданс тюнера сам по себе характеризуется собственными параметрами S, что позволяет точно определить импеданс, представленный в DUT. Во-вторых, коэффициенты отражения входа и выхода PA при приводе с большим сигналом контролируются через направленные соединители и приемники VNA, давая S11 и S22 в реальном времени на фундаментальных и гармонических частотах. Это часто расширяется до гармонического нагрузочного тяги, где импеданс на второй и третьей гармониках контролируется независимо, позволяя работать с классом F, обратным классом F или классом J, который выталкивает PAE за пределы классического класса B.

Источник-притяжение следует тому же принципу на входе, идентифицируя оптимальное импеданс источника, который максимизирует коэффициент усиления или минимизирует показатель шума. В приложениях 4G и 5G, где сигналы несут высокие коэффициенты мощности пик-средний (PAPR), дизайнер часто жертвует несколькими десятыми долей прироста dB для достижения более широкого диапазона входного соответствия, которое поддерживает линейность по полосе модуляции. Данные S11 от разметки источника-притяжения имеют решающее значение при проектировании многосекционной сети согласования входа, которая обменивается плоскостью усиления и потерей возврата.

Стабильность усилителей в 4G и 5G диапазонах

Анализ устойчивости, основанный на параметрах S, выходит за рамки простых факторов Роллетта. Факторы μ и μ' обеспечивают единую геометрически полученную меру стабильности, где значения, превышающие 1, указывают на безусловную стабильность. Однако, когда PA работает в сжатии, его эффективные параметры S изменяются, потенциально создавая низкочастотные или внеполосные колебания. Проверка стабильности с параметрами S, пересчитанными на различных уровнях мощности, или с помощью анализа круга стабильности широкополосного диапазона, который смотрит на частоты, далекие от предполагаемой полосы, предотвращает полевые сбои. Вставка небольшого последовательного резистора у ворот или добавление параллельной сети RC в линии смещения - оба информированы моделированием параметров S - являются общими методами стабилизации.

Для усилителей Doherty, широко используемых в базовых станциях 4G/5G, стабильность становится ещё более критической из-за эффекта модуляции нагрузки. Основные и пиковые транзисторы имеют разные характеристики S22, которые варьируются в зависимости от уровня мощности. Точное измерение параметров S как при маломощном, так и при высокомощном режимах помогает гарантировать, что комбинатор Doherty не вносит нестабильности во весь динамический диапазон.

Практическим ресурсом по анализу стабильности является статья в журнале Analog Devices «Анализ устойчивости усилителя РФ с использованием S-параметров».

Линейная и DPD интеграция с использованием S-параметров

Современные системы 4G и 5G в значительной степени полагаются на цифровое искажение (DPD) для удовлетворения требований к спектральным маскам излучения и векторной величине ошибок (EVM). Двигатель DPD требует точной поведенческой модели PA, и параметры S - наряду с X-параметрами или другими измерениями анализа сети большого сигнала - заполняют эти модели. В то время как традиционные параметры S малого сигнала сами по себе не могут захватывать нелинейные искажения, они встроены в частотную реакцию PA. Фаза S21 по сравнению с частотой определяет вариацию групповой задержки, которая, если она чрезмерна, ограничивает полосу коррекции DPD. Поэтому оптимизация линейности фазы S21 через межэтапную соответствующую сеть так же важна, как оптимизация амплитуды ответа.

Кроме того, коэффициенты отражения S11 и S22 влияют на то, как PA взаимодействует с окружающей схемой. Система DPD моделирует PA как «черный ящик» с входом и выходом. Если S22 значительно варьируется с уровнем мощности — как это происходит в усилителях Доэрти при модуляции нагрузки — DPD должен включать эффекты памяти, которые выходят за рамки простых искажений AM-AM и AM-PM. Инженеры используют измеренный S22 при динамическом смещении для уточнения модели DPD, в конечном итоге достигая улучшений ACLR в 20 дБ или более.

Для практического руководства по линеаризации DPD и PA статья Analog Devices «Цифровое искажение для усилителей мощности RF» объясняет основы со ссылкой на современные приемопередатчики.

Практический рабочий процесс проектирования с использованием S-параметров: пример 5G n78

Типичный поток проектирования PA для полосы 5G n78 (3.3-3.8 ГГц) с использованием GaN HEMT может происходить следующим образом:

• Характеристика устройства: Измерение параметров S малых сигналов при множественных условиях смещения. Определите смещение класса-AB (например, V_DS = 28 В, I_DQ = 50 мА), которое обеспечивает хороший компромисс между прибылью и эффективностью.
• Проверка стабильности: Участок μ и μ′ из измеренных параметров S. Добавить сопротивление затвора, если какая-либо частота ниже 10 ГГц показывает нестабильность.
• Моделирование нагрузки: Используйте модель большого сигнала производителя для выполнения тяги нагрузки на целевой частоте и уровне мощности. Оптимальное сопротивление нагрузки для PAE (Z_L,opt) обычно не составляет 50 Ом. Сеть согласования выходов должна преобразовывать 50 Ом в Z_L,opt при представлении надлежащих гармонических терминаций.
• Матчирование сетевого дизайна: Используя файл параметров S транзистора и модель с убыточной подложкой, синтезируйте сети ввода и вывода в инструменте CAD, таком как Keysight ADS или Cadence AWR. Оптимизируйте одновременно S11, S21, S22 и факторы стабильности. Для широкополосных носителей 5G может потребоваться сужение импеданса или многосекционный трансформатор.
• Полноволновая EM-верификация: После завершения компоновки извлеките S-параметры для всей пассивной структуры из электромагнитного симулятора и со-симулируйте с моделью транзистора. Настройте следы до тех пор, пока измеренные S-параметры на первом прототипе не выровняются вплотную с имитацией.
• Станковая оптимизация: Используйте VNA с измерителем мощности для измерения коэффициентов усиления и S в условиях малых сигналов. Выполните нагрузочный тяговый усилитель с помощью тюнера для подтверждения оптимального импеданса, а затем настройте значения соответствующих компонентов непосредственно на плате.

Эта итеративная петля, основанная на данных параметров S на каждом этапе, уменьшает количество спинов платы и обеспечивает успех первого прохода.

Практические соображения для широкополосных 5G-носителей

Несущие сети 5G могут иметь ширину 100 МГц или более, что требует согласования сетей, которые поддерживают плоский коэффициент усиления и низкий коэффициент возврата потерь по всей полосе пропускания. Параметры S, измеренные на нескольких частотах, позволяют проектировать многорезонансные соответствующие топологии, такие как фильтры с сопряженной линией или трансформаторы ступенчатого давления. Кроме того, должны учитываться параметры S сети смещения; четвертьволновое удушье, идеальное на центральной частоте, может вводить резонанс на краю полосы, что снижает эффективность. Моделирование параметров S полной смещения сети избегает таких проблем.

S-параметры в эпоху 5G mmWave и фазированных лучей

На миллиметровых частотах выше 24 ГГц возникают дополнительные соображения. Потери линии передачи, паразитарная связь и эффекты пакета становятся доминирующими. Параметры S по-прежнему являются основной валютой, но калибровка плоскости отсчета должна распространяться на антенный интерфейс. Измерения параметров S на кристалле с использованием зондов GSG и многопортовых VNA характеризуют PA-ячейку вместе с сетью формирования луча. Параметры S расщеплителей мощности, фазовых сдвигателей и антенных элементов объединяются с PA-характеристиками для прогнозирования общей эффективной изотропной излучаемой мощности (EIRP) и пучка луча.

Тестирование по воздуху (OTA) в 5G вводит новую парадигму измерения, где параметры S отдельных компонентов менее доступны. Однако проведенные измерения на уровне чипа, сообщенные как дифференциальные или смешанные параметры S, по-прежнему приводят к разработке фазированных параметров считывания. Вклад S22 в активное сопротивление в сканирующей матрице особенно важен, поскольку взаимная связь между элементами изменяет нагрузку, представленную каждому PA в качестве направляющих пучка. Моделирование этого взаимодействия с матрицами параметров S взаимной связи гарантирует, что PA остается линейным и эффективным во всех углах сканирования.

В недавней статье IEEE «Охарактеризация фазированных передатчиков лучей с использованием методов S-параметров» показано, как концепция параметров S распространяется на излучаемые измерения.

Для введения в X-параметры и их связь с S-параметрами, Keysight’s «X-параметрический технический обзор» дает четкое объяснение.

Заключение

Параметры S — это гораздо больше, чем просто числа на диаграмме Смита — это аналитический язык, с помощью которого разрабатываются, моделируются и проверяются усилители мощности RF. В гонке за предоставлением высоких скоростей передачи данных и низкой задержки, обещанной сетями 4G и 5G, дизайнеры PA полагаются на данные S11, S21, S12 и S22 на каждом этапе: обеспечение стабильности, формирование усиления, построение соответствующих сетей и интеграция алгоритмов линеаризации. Овладевая калибровкой измерений, интерпретацией контуров нагрузки и ко-симуляцией EM, инженеры превращают эти коэффициенты малых сигналов в надежные высокопроизводительные передатчики. По мере того, как беспроводные системы переходят на более высокие частоты и более сложные антенные массивы, фундаментальные принципы параметров S будут продолжать направлять инновации в технологии усилителей мощности.