高周波増幅器の出力波形

質問

任意の入力波形に対し、高周波増幅器の出力波形がどうなるかを
計算で予測したいのですが、どうやって計算したらいいのか、
基本的な考え方のわかる参考書か文献をご紹介いただけませんでしょうか。

いくつか要点を書きますと
1)入力はDCから50 GHz程度までの周波数成分を含む、いわゆる通信信号
2)トータル入力強度は、増幅器の利得が抑圧を受けるレベルである
3)単一周波数入力に対しての利得抑圧出力レベルは典型データがある。
高周波領域でのレベル低下は無視できないものとする。
4)小信号利得の周波数特性は典型データがある。
群遅延もとりあえずデータはあるが無視する。
5)増幅器の内部構造は全くわからない。
6)雑音は無視する

また、予測した波形を実測結果と比較する際の注意点がありましたら、お教えいただけるとうれしいです。

回答No.4

tohoho2

以下のページが参考になるかもしれません。

http://eetimes.jp/article/22830/

お礼

ご紹介ありがとうございます。
Xパラメータというのも聞いたことが無く、多分まだ新しい概念だと
思いますが、標準的に提供されるようになればユーザー側でも予測できるようになるかもしれないですね

回答No.3

tance

#1 tanceです。

DCから、ということで、出力波形はサイン波ではなくデジタル信号
だろうと勝手に想定して回答しました。

もし単一周波数のサイン波出力であれば話は全く違ってきます。
でも飽和することが解っている場合は、やはりサイン波と言えないので
難しいことには変わりはありません。

50GHzまで帯域のあるパルスを扱うこと自体、大変なことです。
このような高周波で「波形」を問題にする、つまり「タイムドメイン」
で議論することは、必要なことですがやさしいことではありません。

シグナルインテグリティというキーワードで情報収集することを
お奨めします。

お礼

遅くなりましたがご回答ありがとうございます。
お考えのとおり興味があるのはデジタル信号です。
RF技術は枯れた技術だと聞いた覚えがあるのでもうよく分かってるのかと
思っていたんですが、やっぱり難しいんですか。
シグナルインテグリティという言葉はこれまで知らなかったので
今後勉強して参ります。

回答No.2

loveMySai

小生の数少ない経験として投稿してみます。(現場を離れて約15年以上ですが・・・)
「増幅器の内部構造がわからず、DC～50GHz までの出力電力と周波数特性を計算し、実測したい」ということですよね。
具体的に、28GHz帯で、100Wクラスだと、その増幅器は、TWTと思います。(20Wクラスは、FETの可能性もあります)
この増幅器の出力電力と周波数特性を計算は、MIT の Traveling Wave Tube に記載されていたと思います。この図書にて、下記のように計算させた経験があります。(この図書は、小生の手元になく、明確な計算式を回答することができず申し訳ありません。)
>> 単一周波数入力に対しての利得抑圧出力レベルは典型データがある。 → 入力電力 vs 出力電力　の測定値ですよね。
については、飽和出力と電力利得などより、大信号理論(だったと思う)が、計算できました。
>> 小信号利得の周波数特性は典型データがある。 → 同一電圧、入力電力における周波数特性の測定値ですよね。
については、同一周波数にて、小信号の計算ができ、周波数を変えて計算させると、周波数特性になります。

次に測定について
日本国内において、CS のアップリンク(Ka-Band、つまり、28GHz 帯でR260の導波管) の場合、昔の YHP の R-Band (R320の導波管) を利用していたと思います。(この周波数帯域の測定器は、R-Band が主流だったと記憶しています。)
50GHz 帯というと衛星間通信の領域に近いですよね。

>> また、予測した波形を実測結果と比較する際の注意点がありましたら、お教えいただけるとうれしいです。
ということで、小生の数少ない実測した経験として (Ka-Bandのみですが・・・)
(1) 波形観測は、クリスタル検波器を利用した場合が再現性が高いです。
パルス幅が、10ms程度まで比較的広い場合は、下手に50Ω終端は利用しないほうが、よかった。
(2) サーミスター・マウントを利用して「波形の幅 / 周期 (衝動係数、デューティ) 」を換算して高周波電力をパワーメータで測定の際、精密級可変減衰器のメモリとパワーメータのメモリの値は、からずしも一致しない。-- 表現が下手ですいません。パルスの高周波電力は、検波器の測定の場合が再現性が高いことを言いたいだけ。
(3) パルスの周波数の測定は、周波数カウンタより、空洞結合の波長計が再現性が高い。
まして、スペクトラム・アナライザでは、9410MHz帯、14～14.5 GHz 帯は、なんとか測定できましたが、28GHz 帯のパルスは、いくらミキサを付けても再現性のあるデータは、測定できなかった。(YHPは、R-Bandの波長計の生産中止したみたい。)
(4) 「増幅器の内部構造は全くわからない。」とのことですが、単体での増幅器としては、FET AMP は、高出力は得られないと思う。また、TWTの場合、Hughes の TWTA は、40GHz あたりの周波数に変なノイズが観測され、ローパスフィルタを利用しても理想通りの測定結果が得られなかった。(いくらへリックス型のTWTでもあまり、同一のへリックス電圧では、広帯域の周波数特性は得られません。)

回答者様 1 tance さんが、回答しておられるように、Sパラメータを実測すれば、いろいろと測定することは可能です。
また、測定する設備は、非常に高額です。(昔、NHK技研、横須賀通研でも購入の際、う～ん だったと記憶しています。)
昔の YHP の測定器を利用して、群遅延、3次高周波歪など測定した経験があります。
但し、いくら標準信号器が、シンセサイザを利用しても、てい倍器を介するので、「実際に、何を測定したのか分からない」が、現実でした。

こんな感じですが・・・的が違っていたらごめんなさいネ

－以　上－

お礼

お礼をしたつもりで投稿されていませんでした。すみません。
想定しているのはTWTAではなく、出力も100Wもありません。
同軸系で100mW位のアンプです。

測定系のお話は、なじみの無い用語が多いのですが、
これを機会に少し知識を増やします。
ありがとうございます。

回答No.1

tance

DCから50GHzまでというと、波形を計算するのは非常に難しいです。
高級な電磁界解析ソフト（1000万円以上する）を使って、注意深く
シミュレーションすれば、できないことはないかもしれない・・・
という難しさです。

波形を問題にしているのに群遅延を無視してはどうにもなりません。
位相特性、群遅延は必須です。

利得抑圧とはアンプの飽和のことでしょうか。飽和しない領域なら
アンプのSパラメータを実測すれば、アンプがブラックボックスであっても
シミュレーションはできます。でも飽和するとなるとそれも難しいです。

アンプの実際の素子パラメータと周辺寸法などを知ることができれば、
シミュレーションができる理屈ですが、その結果が正しいかどうかは
何らかのサンプルで実測と比較するしかありません。

アンプの内部構造がわからないとなると１年がかりでくらいで取り組む
テーマかもしれません。

お礼

ご回答ありがとうございます。

うーんそんなに難しいんですか。ちょっと予想外でした。
群遅延はやろうと思えばできます。
抑圧と書いたのは飽和のことです。
お書きのとおりブラックボックス的なやり方
(Sパラメータは典型値を使う)のつもりだったのですが。
飽和の扱い方がちょっと分からなかったので。

電磁界解析ソフトは、ちょっと無理ですね。