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Impedanzen messen Was Sie über den Load-Pull-Test wissen sollten

Autor / Redakteur: Gary Simpson und Maximilian Tschernitz * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Der Load-Pull-Test ist nicht nur ein Werkzeug für die Entwicklung eines Verstärkers. Im Beitrag zeigen wir Grundlagen und erforderliche Werkzeuge, damit Anwender mit der Messmethode arbeiten können.

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Impedanz messen mit dem Load-Pull-Test: Das Bild zeigt die Auswirkungen von horizontalen und vertikalen Sondenbewegungen auf die eingestellte Impedanz.
Impedanz messen mit dem Load-Pull-Test: Das Bild zeigt die Auswirkungen von horizontalen und vertikalen Sondenbewegungen auf die eingestellte Impedanz.
(Bild: bsw TestSystems & Consulting)

Messungen mit einer Abweichung von 50 Ohm bei den Impedanzwerten sind ein heißes Thema. Warum ist das so?

Das als Load-Pull-Technik bekannte Verfahren wird eingesetzt, um Verstärker zu entwickeln sowie für die Extraktion und Validierung von Modellen; eingesetzt wird das Verfahren auch bei Leistungs- und Robustheitstests.

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Traditionell findet sich die Load-Pull-Technik, um die Impedanz eines nichtlinearen HF-Geräts bei maximaler HF-Leistung zu messen. Die Lastimpedanz oder auch Load wird so manipuliert, dass diese einen von 50 Ohm abweichenden Wert annimmt. Der Prüfling reagiert auf unterschiedliche Weise auf die verschiedenen Impedanzen.

Das Ziel dabei ist zu verstehen, wie sich die Leistung des Bauteils bzw. dessen Empfindlichkeit bei variablen Lastbedingungen ändert. Load-Pull wird mithilfe von sogenannten Impedanztunern realisiert. Das sind Geräte, deren Impedanz verändert werden kann.

Der am häufigsten eingesetzte Typ eines Impedanztuners ist der Slide-Screw-Tuner, der aus einer Präzisions-Stableitung mit 50 Ohm besteht. Diese wiederum besteht aus zwei parallelen Platten und einem dazwischenliegenden Leiter sowie einer metallischen Messsonde, dem Slug. Wird die Messsonde komplett aus der Stableitung herausgezogen, dann passiert das Signal den Tuner mit minimaler Interferenzn (Bild 1).

Taucht die Sonde in die Stableitung ein, wird das elektrische Feld des Signals unterbrochen und ein Teil des Signals wird zurück zum Prüfling reflektiert. Je tiefer die Messsonde eintaucht, desto stärker die Reflexion. Dieser Wert ist als Gamma-Wert oder Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) bekannt.

Wenn sich die Position der Sonde relativ zum Prüfling ändert, dann ändert sich auch der Abstand zwischen dem Tuning-Element, also der Sonde, sowie dem Prüfling und damit die Phase der Reflexion. Durch Bewegungen der Sonde kann der Prüfling mit nahezu jeder Impedanz beaufschlagt werden, wobei alle im Smith-Chart enthaltenen Werte realisierbar sind.

Der automatische Slide-Screw-Tuner

Der automatische Slide-Screw-Impedanztuner arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie die manuelle Variante. Anstelle der manuellen Einstellung der Impedanz werden Motoren zur präzisen Positionierung der Sonde eingesetzt. Durch die Automatisierung ist eine Vor-Charakterisierung des Tuners möglich. Darunter versteht man die Zuordnung von Streuparametern (S-Parametern) zu den physischen X- und Y-Positionen der Sonde.

Damit lässt sich eine Tabelle erstellen, mit der bestimmt werden kann, wie die gewünschte Impedanz für den Prüfling wird. Für die Messung der S-Parameter wird ein kalibrierter Netzwerkanalysator (VNA) zusammen mit einer Automatisierungssoftware eingesetzt. Dabei werden die S-Parameter als Funktion der Messsondenposition ermittelt. Die Positionen werden normalerweise so gewählt, dass das Smith-Chart komplett abgedeckt wird (Bild 2).

Moderne Impedanztuner sind eine effiziente Methode für den Test und das Design auf Komponenten-, Schaltkreis- oder Systemebene. Impedanztuner können im Rahmen der Verstärkerentwicklung die ideale Impedanz für unterschiedliche Parameter festlegen: Leistung, Verstärkung, Wirkungsgrad oder Rauschfaktor. Zudem lassen sich Modelle entwickeln, indem Messungen mit von 50 Ohm abweichenden Impedanzen in Compact-, Datenbank- oder Verhaltensmodelle eingebunden werden.

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