Aktives Load Pull

Alle passiven Verfahren mit mechanischen Tunern haben den Nachteil ohmscher Verluste in Tuner und Zuleitung zur Probe, so dass sehr niedrige Impedanzwerte nicht mehr erreichbar sind. So können beispielsweise Verstärker für HF-Leistungen von über 10Watt eine reelle Lastimpedanz von nur 1W  benötigen. Führen die Verluste aber schon zu mehr als 1W, kann der Verstärker in diesem Wertebereich nicht mehr systematisch untersucht werden. Diese Einschränkung kann mit aktiven Load Pull Systemen überwunden werden. Nachfolgend ist das Grundprinzip dargestellt:

Der zu prüfende Verstärker liefert am Ausgang die komplexe Wellenamplitude a. Das aktive Load Pull System liefert eine Wellenamplitude b in entgegengesetzter Richtung zurück. Durch die Einstellung von Betrag und Phase der Welle b in Bezug auf die Welle a kann jede beliebige Lastimpedanz an der Referenzebene erzeugt werden. Das skizzierte Prinzip wird als Closed-Loop Verfahren bezeichnet, da zur Rückspeisung ein abgekoppelter Teil der Eingangswelle verwendet wird. Dieses Verfahren ist sehr stabil gegenüber unerwünschten Oszillationen und wird als Grundprinzip für die kommerziell verfügbaren aktiven Load Pull Systeme von Maury-Microwave verwendet. Da Betrag und Phase der rücklaufenden Welle elektrisch eingestellt werden und es keine mechanisch bewegten Bauteile mehr gibt, erzielen diese aktiven Load Pull Systeme eine sehr kurze Testzeit. Das Verfahren ist nicht auf Load Pull am Ausgang beschränkt. Mit einem ähnlichen Schaltungsaufbau am Eingang des Prüflings kann auch die Eingangsimpedanz variiert werden (Source Pull). Für Stabilitätsuntersuchungen können auch negative Widerstände erzeugt werden. In diesem Fall ist die Wellen­amplitude b betragsmäßig größer als a.

Ein entscheidender Vorteil ist die einfache Erweiterung auf Load Pull Messungen mit mehreren harmonischen Frequenzen. Dazu werden mit Frequenzvervielfachern harmonische HF-Trägersignale erzeugt, die phasen­synchron zur Grundwelle sind. Für jede einzelne Harmonische wird eine Rückkoppelschaltung aufgebaut um sie mit variierbarem Betrag und Phase in den Verstärkerausgang zurückspeisen zu können. Mit den Systemen von Maury-Microwave können bis zu 6 aktive Frequenzen erzeugt und verwendet werden. Dabei kann der Anwender entscheiden welcher Anteil der verfügbaren Frequenzen für Source Pull und welcher für Load Pull verwendet wird.

Das Foto zeigt ein Testsystem während einer praktischen Demonstration. Für die Rückspeisung großer HF-Leistungen werden externe Verstärker verwendet, um eine hohe Flexibilität des Grundsystems zu behalten. Das gezeigte Messsystem verfügt über 4 aktive Frequenzen im Frequenzbereich von 0,7-40GHz. Die Leistung ist nur durch die Wahl der Koppler und der externen Verstärker begrenzt. Es wurden beispielsweise Load Pull Messungen an einem Verstärker mit bis zu 500Watt HF-Leistung durchgeführt (Active Load Pull Surpasses 500 Watts, Application Note 5C-087, Maury-Microwave, November 2011).

Aktives Load Pull Verfahren mit modulierten Signalen

Kommunikationssysteme arbeiten mit komplex modulierten Signalen um hohe Datenraten zu übertragen. Beispiele für heutige Modulationsstandards sind 3G, 4G, 5G Schnittstellen für die mobile Kommunikation, 802.11ac für WLAN Router und 802.11p für die neue Datenschnittstelle in Kraftfahrzeugen. Häufig sind dabei Modulationsbandbreiten von über 100MHz notwendig. Der Test mit dem modulierten Signal entsprechend der Produktanwendung ist sehr wichtig. Aufgrund der hohen Modulationsbandbreite weichen die Testergebnisse erheblich von denen ab, die mit CW-Signalen gemessen wurden. Dazu kommt die Sicherstellung eines geeigneten Frequenzspektrums, um behördliche Vorschriften für die Zulassung des Produkts zu erfüllen. Die aktiven Load Pull Systeme von Maury-Microwave ermöglichen Load Pull Messungen mit modulierten Signalen aller gängigen Standards. Das folgende Bild zeigt das Prinzip eines vollautomatischen Messplatz für 4 Frequenzen (Grundwelle fo und Oberwelle 2×fo am Eingang sowie am Ausgang der Probe):

Der zu testende Verstärker wird am Eingang mit einem komplex modulierten Signal gespeist. Am Ausgang weist das verstärkte Signal jedoch eine veränderte Spektralform auf. Um aber genau dieses Signal wieder zurückspeisen zu können, wird zunächst die Spektralform des Ausgangssignals vermessen. Dann wird dieses Signal rekonstruiert und als Rückwelle mit variierbarem Betrag und Phase zurückgespeist. Da der Prüfling aber auf eine Laständerung mit einer Veränderung des Spektrums reagiert, wird diese Regelprozedur mehrmals wiederholt, bis eine befriedigende Übereinstimmung der Spektren das Ausgangssignals mit dem des rekonstruierten Rücksignals entstanden ist.