Active Antenna Performance Estimation: Load-Pull Measurement Technique

Abstract

Radio Frequency (RF) networks are often designed with input and output impedances of 50 Ω. This choice is a compromise, and there is not a fundamental reason beyond convention for selecting this specific value. While datasheets for various vendors’ RF modules often claim that their power amplifiers (PAs) transfer maximum power at 50 Ω, the overall performance of an integrated active antenna system—where the antenna and PA are combined into a single unit—after integration may not meet initial targets, resulting in a total radiated power that does not satisfy expectations. This work aims not to design power amplifiers, but rather to address methods to identify the impedance at which the PA achieves its most efficient power transfer, ultimately to increase the antenna’s total radiated power.

Given that power amplifiers typically operate in their non-linear region, their S-parameters do not provide a reliable means for determining the optimum impedance point. An alternative approach is to explore various reflection coefficient (Γ) points on the Smith chart to find the optimum impedance. To achieve this, we establish an automated load-pull measurement system. This process involves familiarizing ourselves with different load-pull methodologies. In engineering practice, it is generally preferable to establish a relatively simple yet functional system. The simplest load-pull method is the scalar passive load-pull technique, where the primary instrument is an impedance tuner. Due to the unavailability of an impedance tuner in our company’s laboratory, suitable alternatives are reviewed. The required impedance tuner should operate within lower frequency bands (from 400 MHz upwards) and represent an economically affordable purchase for the company. To enable automation, all instruments within the setup must be remotely controllable. Finally, these remote-controlled instruments need to be interconnected, and their control programs integrated into a unified system. This integrated system will then automatically measure and record power amplifier’s performance across a range of impedance points.

The results indicate that while a power amplifier performs well at 50 Ω, there exist other impedance values at which its performance is even better. By designing the antenna and transmission line to match the optimal impedance point, identified within the contours of constant output power, we can achieve improved overall performance of the active antenna system. This optimization could lead to an increase of 1–3 dB in radiated power. An increase of 1–3 dB corresponds to approximately 1.26 to 2 times the original output power, representing a significant improvement.

Radiotaajuiset (RF) verkot suunnitellaan usein siten, että niiden tulo- ja lähtöimpedanssit ovat 50 Ω. Tämä valinta on kompromissi, eikä tämän nimenomaisen arvon valinnalle ole välttämätöntä perusluonteista syytä. Vaikka eri toimittajien RF-moduulien datalehdissä usein väitetään, että niiden tehovahvistimet (PA:t) siirtävät maksimitehon 50 Ω:ssa, integroidun aktiivisen antennijärjestelmän—jossa antenni ja PA on yhdistetty yhdeksi kokonaisuudeksi—kokonaissuorituskyky integroinnin jälkeen ei välttämättä vastaa alkuperäisiä tavoitteita, mikä johtaa kokonaisradiotehoon, joka ei täytä odotuksia. Tämän työn tavoitteena ei ole suunnitella tehovahvistimia, vaan tarkastella menetelmiä sen impedanssin tunnistamiseksi, jossa PA saavuttaa tehokkaimman tehonsiirtonsa, lopullisena tavoitteena antennin kokonaisradiotehon lisääminen.

Koska tehovahvistimet tyypillisesti toimivat epälineaarisella alueella, niiden S-parametrit eivät tarjoa luotettavaa keinoa optimaalisen impedanssipisteen määrittämiseen. Vaihtoehtoinen lähestymistapa on tutkia erilaisia heijastuskertoimen (Γ) pisteitä Smith-kartalla tämän optimaalisen impedanssin löytämiseksi. Tämän saavuttamiseksi luomme automatisoidun load-pull-mittausjärjestelmän. Tämä prosessi sisältää tutustumisen erilaisiin load-pull-menetelmiin. Insinöörikäytännössä on yleensä suositeltavaa luoda suhteellisen yksinkertainen mutta toimiva järjestelmä. Yksinkertaisin load-pull-menetelmä on skalaarinen passiivinen load-pull-tekniikka, jossa pääinstrumentti on impedanssisovitin. Koska yrityksemme laboratoriossa ei ole saatavilla impedanssisovitinta, työssä selvitetään sopivia vaihtoehtoja. Vaaditun impedanssisovittimen tulisi toimia alemmilla taajuusalueilla (400 MHz:stä ylöspäin) ja edustaa yritykselle taloudellisesti edullista hankintaa. Automatisoinnin mahdollistamiseksi kaikkien järjestelmän instrumenttien on oltava etäohjattavia. Lopuksi nämä etäohjattavat instrumentit on yhdistettävä toisiinsa, ja niiden ohjelmat on integroitava yhtenäiseksi järjestelmäksi.

Työssä toteutettu integroitu järjestelmä mittaa ja tallentaa sitten automaattisesti tehovahvistimen suorituskykyä eri impedanssipisteissä. Tulokset osoittavat, että vaikka tehovahvistin toimii hyvin 50 Ω:ssa, on olemassa muita impedanssiarvoja, joilla sen suorituskyky on parempi. Suunnittelemalla antennin ja siirtolinjan vastaamaan optimaalista impedanssipistettä, joka on tunnistettu vakiotehon tasa-arvokäyrien sisältä, on mahdollista parantaa aktiivisen antennijärjestelmän kokonaissuorituskykyä. Tämä optimointi voi johtaa säteilytehon kasvuun 1–3 dB. 1–3 dB:n lisäys vastaa noin 1,26–2-kertaista alkuperäiseen lähtötehoon verrattuna, mikä on merkittävä parannus.