Title: Programmable phase shifter and attenuator for active load pull
Language: English
Authors: Schöller, Johannes 
Qualification level: Diploma
Keywords: Phasenschieber; Abschwächer; USB488; USBTMC; harmonisches aktives Load Pull; Load Pull
phase shifter; attenuator; USB488; USBTMC; harmonic active load pull; load pull
Advisor: Magerl, Gottfried
Assisting Advisor: Arthaber, Holger 
Issue Date: 2008
Number of Pages: 91
Qualification level: Diploma
Abstract: 
In aktuellen Mobilfunksystemen werden häufig Modulationsverfahren mit hoher Bandbreite und variabler Hüllkurve eingesetzt. Da die Sendeverstärker die Leistungsfähigkeit dieser Systeme zu einem wesentlichen Teil mitbestimmen, ist es notwendig, diese so linear und effizient wie möglich zu entwerfen. Für die schnelle Entwicklung von Leistungsverstärkern eignet sich besonders der Einsatz von aktiven harmonischen Load-Pull-Systemen. Diese ermöglichen die Vermessung des Bauteilverhaltens unter realen Betriebsbedingungen. Der Transistor wird hierzu mit variablen Abschlussimpedanzen sowohl auf der Grundfrequenz als auch deren Vielfachen versehen und so der optimale Betriebspunkt durch Variation der Impedanzen empirisch ermittelt.
Am Institut für Elektrische Mess- und Schaltungstechnik wurden aktive harmonische Load-Pull-Systeme schon vielfach realisiert. Dabei wurden die variablen Abschlussimpedanzen mithilfe programmierbarer Signalgeneratoren verwirklicht. Obwohl die Generatoren über eine externe Referenzfrequenz von 10~MHz gekoppelt waren, ergaben sich kurzzeitige Schwankungen der Phase, wodurch die erzielbare Messgenauigkeit herabgesetzt wurde. Um diesen Nachteil zu umgehen, werden die harmonischen Frequenzen aus einer einzigen Quelle mit Frequenzverdopplern und -verdreifachern abgeleitet. Nachgeschaltete Abschwächer und Phasenschieber erlauben es, beliebige komplexe Impedanzen zu realisieren.
Ziel dieser Diplomarbeit war die Entwicklung und der Aufbau von programmierbaren Abschwächern und Phasenschiebern für ein aktives harmonisches Load-Pull-Messsystem für einen Frequenzbereich der Grundschwingung von 1.8 ... 2.45 GHz.Bedingt durch den Messaufbau ergeben sich für den Abschwächer und Phasenschieber ein abzudeckender Frequenzbereich von 1.8 ... 7.35 GHz beziehungsweise 1.8 ... 2.45 GHz bei weitgehend konstanter HF-Eingangsleistung. Der Abschwächer sollte auch während eines Verstellvorganges eine definierte Dämpfung gewährleisten und über eine Dynamik von mindestens 20 dB verfügen. Der Phasenschieber sollte einen direkten, sprungfreien Übergang des Phasenwinkels von 359.9° auf 0° ermöglichen. Weiters mussten sich die Baugruppen in die bestehende Messumgebung integrieren lassen, also von MATLAB aus ansprechbar sein.
Der HF spezifische Teil des Abschwächer und Phasenschieber basieren auf einem integrierten, spannungsgesteuerten Abschwächer (VVA) bzw. einem I/Q-Modulator. Die erzielte Dynamik des Abschwächers beträgt 27.5 dB bei einer Einfügedämpfung von 2.5 dB. Der Ausgang des I/Q-Modulators liefert eine weitgehend konstante HF-Leistung von typischerweise 5 dBm. Ein nachgeschaltetes Tiefpassfilter sorgt für eine Unterdrückung der ungewollten, nichtlinearen Störprodukte von mindestens 47 dBc. Die Ansteuerung beider Baugruppen erfolgt über einen USB-fähigen Mikrocontroller, welcher gleichzeitig eine USB488 kompatible Schnittstelle bereitstellt. Im Rahmen der Diplomarbeit wurden die Schaltungen (Digital- und Hochfrequenzteil) entwickelt, aufgebaut, und die zum Betrieb erforderliche Firmware erstellt.

In todays wireless communication standards, the tendency goes towards modulation schemes with a high bandwidth and a non-constant envelope. The performance of these systems is highly dependent on the RF power amplifier and therefore it is necessary to design them as linear and efficient as possible. A suitable approach for the fast development of such amplifiers is the application of harmonic load-pull systems which allow measuring the device characteristics under real operating conditions. The idea is to terminate the transistor with variable impedances at the fundamental frequency and its harmonics. By variation of the variable impedances the optimum load is found empirically.
Harmonic active load pull measurement setups have been built at the Institute of Electrical Measurements and Circuit Design in different configurations. In the traditional approach, the variable impedances are realized by using programmable RF signal sources. Although the generators are locked by an external reference clock of 10 MHz, existing phase jitter reduces the attainable measurement accuracy. The solution to this problem is to derive the harmonic frequencies directly from the fundamental by using frequency multipliers. Subsequent attenuators and phase shifters allow realizing arbitrary complex impedances.
The goal of this diploma thesis is the development of the programmable attenuators and phase shifters for a harmonic active load pull system.
The frequency interval of the fundamental is defined from 1.8 ... 2.45 GHz. The frequency interval of the attenuators and phase shifters of 1.8 ... 7.35 GHz and 1.8 ... 2.45 GHz, respectively, is resulting for the intended measurement setup. The RF input power is constant over the whole frequency range.
The attenuator has to meet the requirement of a monotonic change of the attenuation during variation. The dynamic range should be better than 20 dB. In case of the phase shifter, continuously changing the phase angle from 359.9° to 0° in a direct manner is requested. An additional requirement is the integration of the devices into the existing measurement environment. The RF specific parts of the attenuator and phase shifter are based on an integrated voltage variable attenuator (VVA) and an I/Q-modulator, respectively. A dynamic range of 27.5 dB is attained by the attenuator, the insertion loss is 2.5 dB. The output power of the I/Q-modulator is typically 5 dBm. A subsequent low pass filter further suppresses interferences caused by nonlinear effects. Both devices connect to a PC by USB enabled microcontrollers which provide the USB488-compatible interface and control the RF subsystem.
Within the scope of this thesis the circuit of the digital- and RF-part were designed and assembled. The firmware needed for operation was also developed as part of the thesis.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-25077
http://hdl.handle.net/20.500.12708/11897
Library ID: AC05037358
Organisation: E354 - Institut für Elektrische Mess- und Schaltungstechnik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
Appears in Collections:Thesis

Files in this item:

Show full item record

Page view(s)

16
checked on Feb 18, 2021

Download(s)

71
checked on Feb 18, 2021

Google ScholarTM

Check


Items in reposiTUm are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.