Annons

X-parametrar för olinjära RF-kretsar

De väletablerade S-parametrarna duger enbart för att karakterisera linjära komponenter. X-parametrar, däremot, kan karaktärisera även olinjära element och användas för att simulera exempelvis blandarsteg. Agilent satsar nu stort på lösningar för att mäta, karakterisera, modellera och simulera X-parametrar.
Vi har träffat dr Mark Pierpoint, vice president och chef för divisionen EEsof EDA inom Agilent.

– X-parametrar kommer att etableras mycket snabbare än vad S-parametrarna gjorde när de kom, säger dr Mark Pierpoint. Om fem år kommer användningen av X-parametrar att vara lika vanlig som S-parametrarna är idag.

Användningen av S-parametrar inleddes under början av 70-talet. Men det tog ganska lång tid innan de blev allmänt accepterade. Idag är S-parametrarna ett universalhjälpmedel för alla RF-ingenjörer. De passar utmärkt för att karakterisera passiva komponenter eller aktiva komponenter som transistorer, under förutsättning att de drivs i sitt linjära område. Därför passar S-parametrar bara att användas i småsignaltillämpningar, som exempelvis ett lågbrusigt ingångssteg (LNA) för en mottagare. I sådana sammanhang kan S-parametrarna användas i konstruktionsprogramvara (EDA) för att simulera en önskad funktion.

Olinjärt
Så snart en förstärkare styrs ut i sitt olinjära område måste man lämna S-parametrarna för annan typ av karakterisering, t ex då man konstruerar ett slutsteg för radiofrekvenser. Då handlar det om att mäta förstärkningskompression, intermodulation (ibland uttryckt som interceptpunkt), PAE, ACPR etc.
Olinjäriteter kan också avspegla sig i omvandling av amplitud-till-fas (AM-PM), något som exempelvis kan upptäckas i ett konstellationsdiagram eller som bitfel (BER, Bit Error Rate) vid dataöverföring.

Modeller
En önskan om att kunna karakterisera olinjära kretsar har funnits länge. Mark Pierpoint doktorerade vid Leeds universitet i ämnet modellering av RF-komponenter på 80-talet. Arbetet var inriktat dels på matematiska modeller, dels på att ta fram en automatiserad metod för load-pull-mätningar. Efter sin doktorsexamen 1987 kom han till Agilent (dåvarande Hewlett Packard).
Han bildade en grupp som under 20 år fokuserade på modeller.
– Under det senaste decenniet har vi koncentrerat oss på modeller för olinjära komponenter. Vi arbetade med minst tre olika lösningar som alla visade sig bli alltför komplicerade. Till slut utkristalliserade vi X-parametrar som den bästa vägen att gå. Dessa har vi nu arbetat med under minst tio år.

 

Poly harmonic distortion
X-parametrar är egentligen en "spin-off" av de PHD-modeller som tidigare togs fram av Agilents nämnda grupp. PHD är en förkortning av Poly Harmonic Distortion, en teknik för att i en "black box" skapa en modell där såväl grundtonens som övertonernas fas och amplitud ingår. Samma "black box"-tänkande präglar X-parametrarna: de avslöjar inte vad som finns inne i modellen. Detta är mycket fördelaktigt eftersom det skyddar en konstruktion från yttre insyn. "Reverse engineering" med utgångspunkt i modellen är omöjlig.
Att Agilent idag satsar stort på mätinstrument och konstruktionshjälpmedel som extraherar respektive använder sig av X-parametrar råder ingen tvekan om.
– Just nu arbetar ett hundratal personer med detta.

Lämplig mätteknik
Mättekniken utvecklades och 2008 kunde Agilent presentera inte bara X-parametrarna utan också utrustning för att extrahera dessa. I stället för S11, S12, S21 och S22 arbetar man med X21, X12, X21 och X22.
En avgörande skillnad är att X-parametrarna måste beskriva så mycket mer är S-parametrar eftersom de innehåller information om inte bara grundtonen impedans och fasläge utan även övertonernas.
X-parametrarna kan beskrivas som en beteendemodell.

Det intressanta är att det finns en klar koppling mellan X- och S-parametrar: En linjär krets kommer att ha exakt samma S- och X-parametrar! Men det finns en klar och viktig skillnad: X-parametrarna kan kaskadkopplas. Därför lämpar de sig synnerligen väl i simulering av system.
Kommer då X-parametrarna att standardiseras? Kommer man att bilda ett konsortium för detta?
– Det finns ingen mening i att verka för en öppen standard. Vi har valt att märkesskydda ("trade mark") X-parametrarna. Orsaken är att vi inte vill att det skall uppstå flera olika tolkningar eller varianter. X-parametrarna skall vara entydiga!

Nytt konstruktionssätt
Agilent har utvecklar lösningar för såväl mätningar som konstruktionshjälpmedel, EDA.
Mätinstrumentlösningen består av en komplettering av företagets mest avancerade NVNA, Nonlinear Vektor Network Analyzer.
Sedan X-parametrarna utvunnits med denna utrustning kan de användas i olika konstruktionsprogramvaror från Agilent, sådana som ADS, Genesys och SystemView.
– På samma sätt som när S-parametrarna kom för 40 år sedan ändras nu konstruktionssättet.
Systemintegratörer kan direkt se hur en komponent kommer att påverka systemets storsignalegenskaper. Agilent refererar till ett aktuellt fall: Sony-Ericssons konstruktör dr Joakim Eriksson kan berätta att han på bara tre dagar kunnat skapa en komplett modell för ett RF-effektslutsteg och med utgångspunkt i denna modell se vad som händer vid missanpassning. Ett traditionellt arbetssätt, där man använder ett stort och skrymmande system för load-pull-mätningar, skulle ha krävt en månads arbetstid.


Den övre bilden visar en simulering av ett LTE-system där en MMIC är inhämtad som en fil från en kretssimulator (ADS). Den undre bilden visar en systemsimulering där man i stället har lagt in X-parametrar för samma MMIC. Observera att detta är ett IP-block, skyddat från all "reverse engineering". Ytterligare en fördel är att X-parametrar kan kaskadkopplas vilket innebär att systemsimuleringen tar hänsyn till missanpassning mellan kretsar.
En jämförelse mellan mätningar av interceptpunkt för ett slutsteg med en simulering med X-parametrar visar stor överensstämmelse: 38,82 dBm kontra 38,79 dBm!

Utvinna modeller
Det finns ytterligare en fördel med X-parametrar. Med mätsystemet NVNA kan man själv utvinna X-parametrar som sedan kan användas i konstruktionsprogramvara. Tidigare har man varit hänvisad till de modeller som komponenttillverkarna ställer upp med. Och finns inte dessa modeller att tillgå kommersiellt har man tvingats använda något testhus som kan ta fram en modell av komponenten. Sådant kostar mycket pengar, långt mycket mer än vad ett NVNA-mätsystem kostar, även om detta knappast är billigt.
För framtiden planerar Agilent lösningar för att kunna se dynamiska minneseffekter i RF-effektslutsteg och att kunna utföra multiports, multi-tons-mätningar.
De första komponentleverantörer att leverera X-parametrar är Skyworks och Avago. Mark Pierpoint tror att det snart blir många fler.

Komplett mätlösning
Den mest sofistikerade produkten för komponenttest idag är Agilents NVNA, Nonlinear Vector Network Analyzer, för att utvinna X-parametrar.
Agilent baserar sin lösning på sin mest avancerade nätverksanalysator PNA-X i 2-eller 4-portsutförande för mätningar mellan 10 MHz och 13,5, 26, 43,5 eller 50 GHz, beroende på valt utförande. Med en 4-ports NVNA är det möjligt att mäta blandarsteg.
Nätverksanalysatorn är för att kunna mäta X-parametrar kompletterade med ett antal optioner. En av denna är en mycket viktig kamgenerator för att kunna kalibrera fas och amplitud. Den levererar 10 MHz med övertoner upp till ca 100 GHz. Ännu vid 50 GHz ligger amplituden bara ca 40 procent under den vid 10 MHz vilket förutsätter extremt branta flanker på pulsen.

– Det var nödvändigt att använda indiumfosfid (InP), berättar Doug Dunn.
Dan Dunn är Senior Marketing Manager vid Agilent Technologies division för komponenttest och ansvarig för försäljning, marknadsföring och support över hela världen. Han var produktansvarig för den legendariska 8510-familjen av vektor-nätverksanalysatorer.
– Med NVNA har vi skapat ett system som bygger vidare på vår PNA-X. En tidigare utvecklingslinje visade sig resultera i ett alltför komplicerat system.
Agilent tillverkar en rad halvledare i egen fabrik för att kunna nå prestanda som annars inte låter sig göras med kommersiella komponenter på öppna marknaden.
Förutom kamgeneratorn behövs det en effektmätande sensor och dessutom naturligtvis ett "kalibrerings-kit" för VNAn.
En intressant möjlighet är att mäta upp X-parametrar för en förstärkning med godtycklig, komplex belastningsimpedans.
I kombination med load-pull-utrustning från Maury Microwave Corporation kan man med X-parametrar förutbestämma detaljerade ström- och spänningsförlopp för en transistor över hela Smithdiagrammet. Det är möjligt tack vare att man, till skillnad från traditionella load-pull-mätningar, får fullständig fasinformation, får in- till utgång, och magnituder samt faslägen mellan blandningsprodukter av övertoner.
– En annan ny möjlighet är kunna mäta multitons X-parametrar med NVNA, berättar Dan Dunn.
Mätning med mätsystemet NVNA ger absoluta amplituder samt inbördes faslägen för alla deltoner (grundton plus övertoner) samt alla inbördes blandningsprodukter mäts och representeras i X-parametrar. För att ta bort systemfel krävs det först vektorkalibrering, effektkalibrering och kalibrering mot en övertonsrik fasreferens.

Två utvecklingsriktningar
För närvarande finns det fyra olika lösningar för att extrahera storsignals mätdata:
* Agilent
* NMDG/Rohde & Schwarz
* Musuro/Tektronix
* HFE/Anritsu
Sedan mätdata utvunnits gäller det att presentera dessa i någon form.
Agilent satsar entydigt på sina X-parametrar och har mönsterskyddat begreppet för att se till att det blir entydigt, utan varianter.
De övriga aktörerna på marknaden har valt en annan linje. AWR, Anritsu, HFE, Mesuro, NMDG, Rohde & Schwarz och Tektronix bildade för ett år sedan konsortiet OpenWave Forum. Syftet var att skapa ett dataformat för storsignals olinjär simulering, mätningar och modeller.

 

 

Comments are closed.