61 848 88 71
info@astat.pl
Wzmacniacze RF - wstęp
Wzmacniacze RF i ogólnie urządzenia wzmacniające sygnały są wykorzystywane w wielu dziedzinach życia zaczynając od nadawania sygnałów wysokiej częstotliwości (np. radio FM), kończąc na badaniach odporności promieniowanej i przewodzonej z dziedziny EMC. Wzmacniacze RF cechują pewne parametry techniczne, które są kluczowe do odpowiedniego dobrania urządzenia. Jest to przykładowo:
- Typ wzmacniacza – wzmacniacz może być wykonany w technologii TWT (lampowej) lub półprzewodnikowej.
- Zakres częstotliwości pracy wzmacniacza – pasmo przenoszenia pracy wzmacniacza.
- Znamionowa moc wyjściowa.
- Poziom harmonicznych – stosunek mocy wyższych harmonicznych do mocy częstotliwości podstawowej.
- Wzmocnienie – jest to stosunek mocy wyjściowej do mocy wyjściowej.
Jednakże w niniejszym artykule interesuje nas parametr mocy wyjściowej P1 dB oraz jego pomiar. Zaczynając od kwestii zdefiniowania mocy, to ta jest generowana przez wzmacniacz z 1 dB punktem kompresji. Parametr ten ma ogromne znaczenie w aplikacjach wymagających liniowości pracy podczas badań EMC. Przykładowo, wykonując kalibrację pola dla testów odporności promieniowanej zgodnie z normą komercyjną (np. PN-EN 61000-4-3), liniowość jest kluczowym parametrem. Moc P1dB można uznać jako granicę. Poniżej tej mocy uważa się, że wzmacniacz pracuje liniowo, a dla wyższych mocy wyjściowych wzmacniacz pracuje nieliniowo.
Czym jest więc liniowość wzmacniacza?
Wzmacniacz RF otrzymuje sygnał wejściowy i wysyła go dalej zwiększając jego amplitudę. Nieliniowy wzmacniacz nie odtwarza wiernie sygnału wejściowego dodając do niego zniekształcenia, co pogarsza wydajność systemu i pogarsza jakość pomiarów. Testowanie liniowości wzmacniacza ma zatem kluczowe znaczenie dla utrzymania dużej powtarzalności pomiarów.
Jeśli wzmacniacz RF zachowuje się liniowo, wówczas sygnał wyjściowy zmienia się proporcjonalnie do sygnału wejściowego, co oznacza, że stosunek między nimi będzie stały (wzmocnienie). Zachowanie to można zobaczyć na poniższym filmie jako idealnie prostą ukośną linię. Gdy ma to miejsce w całym zakresie dynamiki, wzmacniacz zapewnia idealną, liniową odpowiedź.
Niestety wzmacniacz jest obiektem rzeczywistym i moc wyjściowa wzmacniacza, powyżej liniowego obszaru działania, nie rośnie liniowo wraz z rosnącą mocą wejściową. W rzeczywistości moc wyjściowa wzmacniacza osiąga punkt, w którym wzrost mocy wejściowej nie powoduje już wzrostu mocy na wyjściu. W takim przypadku wzmacniacz jest w stanie nascycenia. Dla przykładu poniżej znajduje się wykres przedstawiający moc P1 dB wzmacniacza marki Amplifier Research modelu 250S1G6. Poniższy film przedstawia liniowy obszar pracy wzmacniacza i inne kluczowe parametry.
Sposoby pomiaru mocy P1 dB
Poniżej znajdziecie Państwo kilka metod pomiarów liniowości wzmacniacza RF. W tym przypadku wykorzystano mierniki mocy RF marki Boonton. Był to miernik mocy RF serii RTP5000 zasilany i sterowany za pomocą portu USB.
Metoda pierwsza. Współczynnik szczytu:
Współczynnik szczytu (CF), określany również jako stosunek mocy szczytowej do średniej (PAPR), to tak naprawdę stosunek szczytowej amplitudy sygnału do jego średniej mocy. Metoda CF może wykorzystać ograniczony pasmowo przebieg białego szumu Gaussa (AWGN) (produkty marki Noisecom). Miernik szczytowej mocy RF mierzy poziom sygnału na wejściu i wyjście wzmacniacza, a rozbieżność między dwiema wartościami CF wskazuje na ich nieliniowość.
Metoda druga. Intermodulacja trzeciego rzędu:
W systemach z wieloma sygnałami wejściowymi, nieliniowe wyjściowe wzmacniacza zawiera harmoniczne i intermodulacje, które są generowane, gdy sygnały wejściowe łączą się ze sobą i tworzą dodatkowe sygnały pochodne. Teoretycznie w niektórych przypadkach stosując filtr jesteśmy w stanie złagodzić niektóre efekty, to niestety harmoniczne 3 rzędu stają się wyzwaniem, a tym samym prowadzą do zniekształceń intermodulacyjnych (IMD). Wartość punktu „third-order intercept” (IP3/TOI) może być wykorzystana do pomiaru IMD i scharakteryzowania liniowości wzmacniacza.
Metoda trzecia. Współczynnik mocy szumów:
Metoda pomiaru współczynnika mocy szumów (NPR) wykorzystuje przebieg sygnału AWGN do wygenerowania odpowiednich sygnałów wejściowych. Po przejściu sygnału AWGN o ograniczonym paśmie przez filtr grzebieniowy jest on przekazywany do wzmacniacza i analizowany pod kątem nieliniowości i IMD poprzez obserwację zmiany głębokości grzebienia.
