۲۸- اندازه‌گیری‌های کشش بار با استفاده از SIMULIA IVCAD Suite 4.0 و RF Load Pull Measurements using SIMULIA IVCAD Suite 4.0
۲۸-Load Pull Measurements using SIMULIA IVCAD Suite 4.0
توصیف Load-Pull با نرم‌افزار IVCAD Suite: نگاهی جامع به اندازه‌گیری و بهینه‌سازی RF
چکیده
کشش بار (Load Pull) یک تکنیک ضروری برای توصیف ترانزیستورهای RF است، به خصوص هنگام کار در ناحیه غیرخطی یا سیگنال بزرگ. پارامترهای S فقط در ناحیه خطی، جایی که ترانزیستورهای RF ناکارآمد هستند و حداقل توان را تولید می‌کنند، نتایج معتبری ارائه می‌دهند.
کشش بار (Load Pull) دستگاه‌ها را در شرایط واقعی و با توان بالا به طور دقیق اندازه‌گیری می‌کند و آن را به گزینه‌ای ترجیحی برای ارزیابی ترانزیستورها در کاربردهای تقویت‌کننده توان RF تبدیل می‌کند. هنگامی که یک ترانزیستور با سیگنال بزرگ کار می‌کند، کشش بار تنها روش قابل اعتماد برای شبیه‌سازی شرایط مشابه کاربرد و پیش‌بینی مشخصات کلیدی RF است. با استفاده از یک تنظیمات کشش بار (Load Pull) که توسط نرم‌افزار کنترل می‌شود، مهندسان می‌توانند به سرعت یک دستگاه تحت آزمایش (DUT) را توصیف کنند، شرایط عملیاتی بهینه را شناسایی کنند و تقویت‌کننده‌های توان را در کسری از زمان طراحی کنند که به طور چشمگیری چرخه طراحی را کاهش می‌دهد و حداکثر عملکرد را تضمین می‌کند.
برای طراحی‌های تقویت‌کننده توان RF، اندازه‌گیری‌های کشش بار را می‌توان تحت شرایط موج پیوسته (CW) یا CW پالسی، بسته به توان DUT و اتلاف حرارتی، انجام داد. اندازه‌گیری‌های CW پالسی به کاهش اثرات حرارتی کمک می‌کند و امکان ارزیابی دقیق‌تر عملکرد دستگاه را در شرایط شدید فراهم می‌کند. کلید اندازه‌گیری‌های موثر کشش بار، انتخاب پیکربندی مناسب، متعادل کردن پوشش فرکانسی، مدیریت توان، دقت و سهولت کار برای برآورده کردن الزامات خاص آزمایش است.
مجموعه IVCAD نرم‌افزار پیشگام در اتوماسیون اندازه‌گیری‌های کشش بار بر اساس استفاده از یک تحلیلگر شبکه برداری (VNA) بود. پس از اولین وبینار در مورد اندازه‌گیری پارامترهای پالسی IV و S، این وبینار به شرح قابلیت‌های مختلف ارائه شده توسط مجموعه IVCAD Suite 4.0 برای انواع مختلف کاربردهای کشش بار می‌پردازد.
نکات برجسته:
• چرا ترانزیستورها باید تحت شرایط کشش بار آزمایش شوند؟
• نحوه اندازه‌گیری پاسخ غیرخطی ترانزیستور با امپدانس‌های بار مختلف با استفاده از IVCAD 4.0 را بیاموزید.
• اندازه‌گیری‌های اسکالر یا برداری را با استفاده از تنظیمات غیرفعال یا فعال مدیریت کنید و به راحتی داده‌های اندازه‌گیری را کاوش/تجزیه و تحلیل کنید.
Load Pull is an essential technique for characterizing RF transistors, especially when operating in the nonlinear or large-signal region. S parameters provide valid results only in the linear region, where RF transistors are inefficient and output minimal power.
Load Pull accurately measures devices under real-world, high-power conditions, making it the preferred choice for assessing transistors in RF Power Amplifier applications. When a transistor operates with a large signal, Load Pull is the only reliable method to simulate application-like conditions and predict key RF specifications. By using a software-controlled Load Pull setup, engineers can quickly characterize a Device Under Test (DUT), identify the optimum operating conditions, and design power amplifiers in a fraction of the time, dramatically reducing the design cycle and ensuring maximum performance.
For RF Power Amplifier designs, Load Pull measurements can be performed under Continuous Wave (CW) or Pulsed CW conditions, depending on the DUT power and thermal dissipation. Pulsed CW measurements help mitigate thermal effects, allowing for more accurate assessments of device performance under extreme conditions. The key to effective Load Pull measurements is selecting the right configuration, balancing frequency coverage, power handling, accuracy, and ease of operation to meet specific testing requirements
The IVCAD suite was the pioneering software in the automation of load pull measurements based on the use of a vector network analyzer (VNA). After a first webinar on pulsed IV and S parameter measurements, this one continues the description of the different functionalities offered by IVCAD Suite 4.0 suite for the different types of load pulling applications.
Highlights:
• Why Transistors should be tested under Load Pull conditions
• Learn how to measure transistor nonlinear response with different load impedances using IVCAD 4.0
• Manage scalar or vectorial measurements using passive or active setups, and easily explore/analyze measurement data.
توصیف Load-Pull با نرم‌افزار IVCAD Suite: نگاهی جامع به اندازه‌گیری و بهینه‌سازی RF
در دنیای پیچیده طراحی و اعتبارسنجی تقویت‌کننده‌های توان RF، اندازه‌گیری Load-Pull به عنوان ابزاری حیاتی برای مشخصه‌یابی دقیق دستگاه‌ها در شرایط سیگنال بزرگ و غیر-۵۰ اهم شناخته می‌شود. این وبینار با محوریت معرفی نرم‌افزار IVCAD Suite و قابلیت‌های بی‌نظیر آن در ساده‌سازی و بهینه‌سازی این فرآیند، بینشی عمیق به چالش‌ها و راهکارهای موجود در اندازه‌گیری Load-Pull ارائه می‌دهد.
معرفی AMCAD Engineering و IVCAD Suite
AMCAD Engineering، شرکتی با سابقه ۱۰ ساله در زمینه مشخصه‌یابی RF و مایکروویو، در سال ۲۰۲۴ توسط Dassault Systèmes خریداری شد و اکنون تیم آن بخشی از بخش شبیه‌سازی الکترومغناطیسی Simulia را تشکیل می‌دهد. محصولات نرم‌افزاری AMCAD، که پیش‌تر شامل پنج برند مجزا (IVCAD IQ، Star Vision، Stan و Whiteboard) بودند، اکنون در یک پلتفرم واحد به نام IVCAD Suite ادغام شده‌اند. این ادغام، یک جریان طراحی کامل را از اندازه‌گیری تا شبیه‌سازی و مدل‌سازی پوشش می‌دهد.
اهمیت اندازه‌گیری Load-Pull در طراحی RF
Load-Pull ابزاری ضروری در فرآیند طراحی و اعتبارسنجی تقویت‌کننده‌های توان RF است. مشخصه‌یابی ترانزیستورها در فناوری‌های مختلف مانند MMIC، GAN، یا LDOS، به شدت به امپدانس بار وابسته است. این اندازه‌گیری به طراحان امکان می‌دهد تا بهترین شبکه تطبیق را برای دستیابی به تعادل بهینه بین راندمان، توان خروجی و بهره طراحی کنند. با استفاده از نمودارهای ISO-contour، مهندسان می‌توانند به راحتی امپدانسی را شناسایی کنند که بهترین عملکرد را ارائه می‌دهد.
چالش‌ها و روش‌های اندازه‌گیری Load-Pull
اندازه‌گیری Load-Pull فرآیندی پیچیده است که با چالش‌هایی نظیر محدوده تنظیم، تکرارپذیری و سرعت مواجه است. سه روش اصلی برای کنترل امپدانس بار وجود دارد:
- تنظیم غیرفعال (Passive Tuning): این روش از تیونرهای مکانیکی برای تغییر امپدانس با حرکت پروب در یک خط انتقال استفاده می‌کند. چالش اصلی در این روش، محدودیت در محدوده تنظیم به دلیل تلفات فیزیکی است.
- تنظیم فعال (Active Tuning): با تزریق سیگنال از یک منبع خارجی به خروجی دستگاه تحت آزمایش (DUT)، این روش محدودیت‌های تنظیم غیرفعال را برطرف می‌کند. این امر امکان پوشش کامل نمودار اسمیت را فراهم می‌آورد، اما محدودیت آن در توان موجود از تقویت‌کننده درایور خارجی است.
- تنظیم ترکیبی (Hybrid Tuning): این روش ترکیبی از مزایای تنظیم فعال و غیرفعال است و حداکثر انعطاف‌پذیری را در سیستم فراهم می‌کند، اما از نظر پیچیدگی بالاتر است.
علاوه بر این، دو خانواده اصلی برای اندازه‌گیری پارامترهای مختلف وجود دارد:
- تنظیمات اسکالر (Scalar Configuration): در این روش، توان خروجی DUT با استفاده از حسگر توان اندازه‌گیری می‌شود. این سیستم مقرون‌به‌صرفه و آسان است، اما دقت آن به شدت به آماده‌سازی تیونر وابسته است و اطلاعات فاز از دست می‌رود.
- تنظیمات برداری (Vectorial Configuration): این تنظیمات، فاز سیگنال را نیز در نظر می‌گیرد و از VNA (تحلیلگر شبکه برداری) برای اندازه‌گیری امواج توان کالیبره شده (A1, B1, A2, B2) استفاده می‌کند. این روش دقت و انعطاف‌پذیری بالایی را ارائه می‌دهد و امکان محاسبه دقیق تمام مشخصه‌های ترانزیستور را فراهم می‌کند.
IVCAD Suite: راه‌حلی قدرتمند برای اندازه‌گیری Load-Pull
IVCAD Suite به عنوان یک نرم‌افزار منحصر به فرد، قادر به کنترل و مدیریت مجموعه‌ای کامل از ابزارها از برندهای مختلف (مانند VNAها، تحلیلگرهای سیگنال و مولتی‌مترهای دیجیتال) است. با بیش از ۲۰ سال تجربه و کتابخانه‌ای شامل بیش از ۱۰۰۰ مدل ابزار، IVCAD کاربر را در فرآیندهای کالیبراسیون و خودکارسازی اندازه‌گیری هدایت می‌کند.
در ادامه وبینار، یک مثال عملی از آزمایشگاه 3DS RF در فرانسه ارائه شد که در آن نحوه توصیف یک دستگاه در محیط Load-Pull با استفاده از IVCAD Suite و تیونرهای Focus Microwave نمایش داده شد. این آزمایش از دو تیونر (یکی در سمت منبع برای کنترل هارمونیک‌های پایه و دوم و دیگری در سمت بار برای کنترل هارمونیک‌های پایه، دوم و سوم)، کوپلرهای کم‌تلفات و یک ترانزیستور GAN 10 وات استفاده می‌کرد.
فرآیند اندازه‌گیری با IVCAD Suite
- راه‌اندازی و پیکربندی: IVCAD امکان ایجاد آسان تنظیمات جدید را فراهم می‌کند و می‌تواند چندین کاربرد اندازه‌گیری، مدولاسیون و شبیه‌سازی را پوشش دهد. در این مرحله، می‌توان تنظیمات پالس برای IV و RF را تعریف کرد، آدرس‌های IP ابزارها را وارد کرد و اتصال‌ها را بررسی نمود.
- تعریف بودجه توان: یکی از مراحل حیاتی، تعریف بودجه توان برای اطمینان از قرار گرفتن گیرنده VNA در ناحیه خطی است. IVCAD با کمک به یافتن میرایی مناسب، این فرآیند را تسهیل می‌کند.
- کالیبراسیون میز: نرم‌افزار IVCAD فرآیند کالیبراسیون سیگنال بزرگ را هدایت می‌کند و امکان کالیبراسیون وکتور-پورت کامل با VNA و همچنین کالیبراسیون یک-پورت با حسگر توان را فراهم می‌آورد. همچنین، تنظیم کنترل تیونر با اندازه‌گیری VNA برای بهبود دقت انجام می‌شود.
- بایاس و بهینه‌سازی DUT: IVCAD ابزارهایی برای کنترل بایاس دستگاه، بهینه‌سازی برای رسیدن به سطح جریان مشخص و گرفتن اسکرین‌شات از شکل موج ولتاژ و جریان ارائه می‌دهد.
- اندازه‌گیری Load-Pull: در این مرحله، می‌توان پارامترهایی مانند فرکانس، هارمونیک‌ها و الگوی امپدانس (مثلاً یک دایره یا نقاط خاص) را تعریف کرد. IVCAD امکان مشاهده زنده نتایج (مانند کانتورهای ISO برای توان خروجی، بهره و راندمان) و تجزیه و تحلیل آفلاین داده‌ها را فراهم می‌کند.
- بهینه‌سازی هارمونیک: با استفاده از نتایج اندازه‌گیری اولیه، می‌توان امپدانس بار پایه را بر اساس بهترین مصالحه بین توان و راندمان تنظیم کرد و سپس بهینه‌سازی هارمونیک‌های بالاتر (مانند هارمونیک دوم یا سوم) را انجام داد تا عملکرد کلی دستگاه بهبود یابد.
نتیجه‌گیری و قابلیت‌های پیشرفته
IVCAD Suite ابزاری قدرتمند و منعطف برای ساده‌سازی فرآیند پیچیده اندازه‌گیری Load-Pull است. این نرم‌افزار نه تنها ابزارهای چندگانه را کنترل می‌کند، بلکه کاربر را در کالیبراسیون، اندازه‌گیری و تحلیل داده‌ها هدایت می‌کند. علاوه بر قابلیت‌های اصلی، IVCAD Suite شامل ابزاری به نام “سوپان” برای اتوماسیون و تعریف توالی‌های اندازه‌گیری پیچیده، ایجاد حلقه‌های بایاس، یا حلقه‌های بهینه‌سازی دما است.
این وبینار نشان داد که چگونه IVCAD Suite می‌تواند چالش‌های اندازه‌گیری Load-Pull را برطرف کرده و به مهندسان RF کمک کند تا با دقت و کارایی بیشتری، دستگاه‌های خود را مشخصه یابی و بهینه‌سازی کنند.
آیا سوالی در مورد نحوه استفاده از IVCAD Suite برای نیازهای اندازه‌گیری RF خود دارید؟
