La misura della linearità degli amplificatori di potenza

Gli amplificatori di potenza, come ad esempio gli amplificatori GaN, continuano ad essere dispositivi chiave in molti sistemi di comunicazione radar, di guerra elettronica, satellitari e terrestri. In questo articolo tratteremo la misura di linearità degli amplificatori di potenza.

Introduzione

Tra gli amplificatori di potenza, l’amplificatore GaN, tra i diversi vantaggi, ha la caratteristica di funzionare a tensioni molto elevate. Combinata con un'elevata velocità di saturazione e una capacità di carica corrispondentemente elevata, i dispositivi GaN sono ideali per applicazioni ad alta potenza. Grazie anche ad un’eccellente conduttività termica, è facile comprendere perché le applicazioni con i dispositivi GaN continuano a crescere, in particolare nei sistemi di telecomunicazione e difesa. Alcuni dei dispositivi GaN più comuni sono gli amplificatori di potenza a radiofrequenza a banda larga. In generale, gli amplificatori sono descritti da molte caratteristiche tra cui guadagno, risposta in frequenza o larghezza di banda, potenza in uscita, linearità, efficienza e cifra di rumore. Due caratteristiche chiave spesso utilizzate per descrivere la qualità di un amplificatore sono la linearità e l'efficienza. L'importanza relativa di questi due attributi dipende dall'applicazione. Ad esempio, in un sistema satellitare l'efficienza energetica può essere più importante poiché è disponibile una potenza limitata. Nelle comunicazioni wireless terrestri l'importanza relativa può essere più equilibrata. I sistemi di comunicazione, come quelli basati sugli standard 5G, utilizzano la modulazione a banda larga con requisiti di linearità significativi. Inoltre, a causa della quantità di stazioni base RF necessarie per supportare questi sistemi, è necessaria maggiore attenzione all'efficienza energetica per gestire i costi operativi. Purtroppo, i livelli di potenza di uscita per mantenere la linearità dell'amplificatore sono spesso ben al di sotto dei livelli necessari per la massima efficienza.

Misura della linearità

Il concetto di linearità di un amplificatore si concentra sulla relazione lineare tra potenza in ingresso e potenza in uscita dell'amplificatore. Nel caso ottimale, la linearità sarebbe direttamente correlata al guadagno dell'amplificatore, che inevitabilmente diminuisce con l'aumentare della frequenza. Infatti, la maggior parte degli amplificatori lineari ha un guadagno fisso per una banda di frequenza specifica. Con la necessità simultanea di linearità ed efficienza, è fondamentale ottimizzare il livello d’input di potenza. Una diminuzione eccessiva sacrifica l'efficienza e fa sì che l'amplificatore sia sovradimensionato per raggiungere la potenza di uscita richiesta, e quindi più costoso; mentre, una minore riduzione di potenza d’ingresso provoca un aumento del livello di compressione e, conseguentemente, del degrado del segnale di uscita. Pertanto, misurare accuratamente la linearità dell'amplificatore in condizioni operative realistiche è importante per i progettisti di amplificatori di potenza. Gli amplificatori sono specificati da molte caratteristiche tra cui guadagno, larghezza di banda di frequenza, potenza di uscita, linearità, efficienza, rumore e impedenza di ingresso e di uscita. Ad esempio, nelle applicazioni wireless la linearità è fondamentale a causa degli schemi di modulazione a banda larga utilizzati, come l'accesso multiplo a divisione di codice a banda larga e altri schemi. Gli amplificatori lineari operano in classe A o in classe AB. Il funzionamento in classe A è preferito se si desidera la massima linearità, ma lo svantaggio è la scarsa efficienza, in pratica, in genere inferiore al 20%. Per ottenere una maggiore efficienza, viene utilizzata la classe AB. Lo svantaggio della classe AB è che la sua polarizzazione introduce la distorsione del segnale e produce armoniche e prodotti di intermodulazione. I metodi di misura IP3 e P1dB possono fornire un mezzo per determinare la linearità dell'amplificatore. Ad esempio, la linearità di un amplificatore di potenza GaN viene misurata utilizzando tre tecniche: distorsione di intermodulazione, rapporto di potenza di rumore e fattore di cresta. Il metodo del fattore di cresta si dimostra più attinente alle effettive condizioni operative, pur dimostrando i vantaggi di maggiore accuratezza, semplicità e minor costo. In generale, si possono utilizzare due importanti metodi di misura per determinare la linearità di un amplificatore di potenza, che consentono di valutare e confrontare le specifiche e le prestazioni di un amplificatore: il punto di compressione di 1 dB (P1dB) e il punto di intercetta del terzo ordine (IP3).

La misura della linearità con il metodo del P1dB

La Figura 1 mostra il grafico di una tipica caratteristica del guadagno di potenza di un amplificatore. La linea tratteggiata rappresenta l’andamento lineare ideale del guadagno dell’amplificatore, mentre la linea continua descrive l’andamento non lineare reale del guadagno.

Figura 1: Grafico di una tipica caratteristica di trasferimento di potenza di un amplificatore

La Figura 1 descrive graficamente il comportamento tipico di un amplificatore. La linearità viene misurata aumentando gradualmente la potenza in ingresso e osservando la potenza in uscita finché l'amplificatore non entra in compressione, ovvero, la linearità dell'amplificatore è specificata come il livello di potenza in ingresso per cui la corrispondente potenza in uscita è inferiore di 1 dB rispetto alla risposta lineare teorica, spesso designata come P1dB (Punto di compressione di 1 dB). Storicamente, questo è stato considerato il punto in cui gli amplificatori funzionano in modo più efficiente. Riferendoci ancora al grafico di Figura 1, osservando l’andamento della potenza in uscita in funzione della potenza in ingresso, si noti il tratto lineare del grafico la cui pendenza definisce il guadagno dell’amplificatore. Man mano che la potenza in ingresso aumenta, ad un certo punto il guadagno inizia a diminuire, ovvero la pendenza della retta tende a diminuire curvando. L'amplificatore entra in compressione e quindi non si verificano ulteriori aumenti della potenza di uscita per un aumento della potenza di ingresso. L’andamento del guadagno si appiattisce, il che significa che l'amplificatore tende a saturare. La sua risposta diventa non lineare e produce distorsione del segnale con generazione di armoniche e prodotti di intermodulazione. Il punto di compressione di 1 dB è più comunemente usato nelle specifiche dell'amplificatore di potenza di classe A, ma può anche essere usato per dare qualche indicazione di linearità anche nell'amplificatore di classe AB. È importante sapere a che punto inizia a verificarsi la compressione per evitare distorsioni.

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