Agilent PNA-Xアプリケーション： 電力付加効率（PAE）

Application Note 1408-16

2

目次 はじめに ..................................................................................................................2

PAE測定 ................................................................................................................3

機器の要件 ..............................................................................................................7

アナログ（DC）信号の読み取り ...........................................................................9

アナログ入力（AI1と AI2）の校正 .................................................................10

まとめ ...................................................................................................................11

電力付加効率（PAE）は、パワーアンプのパワー変換効率の指標です。理想的には、アンプへ供給されるすべてのパワーが出力パワーに変換されることです。しかし、実際にはそうならないので、PAEはパワーアンプの重要な性能パラメータです。これは、一般に以下のように定義されます。

Power（RF_out）－ Power（RF_in）PAE（%）＝ _________________________________ * 100% Power_dc

リニア動作領域と飽和動作領域の間に、パワーアンプが最も効率的になるポイントが存在します。入力パワーを増加していくと、出力パワーは特定のポイントまでは増加します。そのポイントを過ぎると、増加した入力パワーは、そのデバイスの熱を発生させるだけです。PAE測定の目的は、この最適点（パワーアンプが入力パワーを出力パワーに変換するもっとも効率の良いポイント）を見つけることです。最近までは、PNAネットワーク・アナライザでアンプのDC測定をすることができなかったので、ネットワーク・アナライザでこの変換効率を測定することは不可能でした。

現在N5242A PNA-X では、他のパワーアンプ測定とともに、PAE測定を行うことができます。1回のセットアップと接続で、以下の測定（およびその他の測定）を実行できます。

S21：利得対周波数 S21：利得対パワー（利得圧縮） AM-PM：位相対パワー IMD：相互変調歪み PAE：電力付加効率 ← New！

はじめに

3

このアプリケーション・ノートでは、パワーアンプの測定例を示します。

ステップ1. 測定のセットアップ周波数レンジ、ポイント数、IF 帯域幅（IF BW）、パワーレベルなどを設定します。

ステップ2. 校正絶対パワー（例えば、BレシーバとR1レシーバ）と比で表わしたパワー（例えば、S21 と S11）の両方の測定を行うので、パワー校正と誤差補正を行う必要があります。このアプリケーションでは、信号源パワーとレシーバ・パワーの両方の校正が必要です。信号源パワー校正は R1 レシーバ測定のために必要であり、レシーバ・パワー校正はBレシーバ測定のために必要です。最も簡単な誤差補正の方法は、電子校正（ECal）モジュールを使用する方法です。

a) Ecal モジュールを使用して完全な 2ポート校正を実行

b) パワー・メータとパワーセンサを使用してポート 1の信号源パワー校正を実行

c) アクティブな信号源パワー校正を使用して R1 レシーバと Bレシーバのレシーバ・パワー校正を実行し、その後校正データをアクティブな cal セットに追加

ステップ3. 被試験デバイス（DUT）の接続被試験アンプ（AUT）を、RF測定用のポート 1と 2に接続し、DC測定のためのセンシング回路と電源 I/Oコネクタに接続すると、PNA-X 上にAI1 トレースとAI2 トレースとして電圧を表示できます。図 1に、テスト・セットアップの例を示します。

PAE測定

センシング回路

DC電源

AI1 AI2

ポート1 ポート2

電源I/Oコネクタ（PNA-Xの

リア・パネル）

電源I/O

AUT（被試験アンプ）

PNA-Xネットワーク・アナライザ

図1. PAE測定のテスト・セットアップ（パワー I/Oコネクタとそのピンの詳細については図5を 参照してください）

4

ステップ4. トレースを追加して測定結果を表示図 2 は周波数に対する測定を、図 3 はパワーに対する測定を示し、図 4 はPAEの値を表示するための式を表しています。図 2の上のウインドウは以下を示しています。

B レシーバでパワー出力を測定（トレース 1）（注記：レシーバ・アッテネータを使用してレシーバの圧縮を回避）

R1 レシーバでパワー入力を測定（トレース 2） S21 利得を測定（トレース 3） S11 入力整合を測定（トレース 4）

下のウィンドウは以下を示しています。

AI1：レシーバでピン 7 の電圧を測定（トレース 5）。図 1 から、AI1 はDC電源の読み値です。AI1 とピン 7の詳細については、図 5を参照してください。

AI2：レシーバでピン 8の電圧を測定（トレース 6）。図 1から、AI2 はアンプに供給されるDC電源の読み値です。AI1 と AI2 の読み値より、センシング回路での電圧降下を計算できます。AI2 とピン 8の詳細については、図 5を参照してください。

Vsupp：テスト・セットアップに供給される電圧（トレース 7）。式エディタを使用して、すべての電圧の読み値にスケーリング係数 2を適用しました。AI1 と AI2 のレンジが± 10 V なので、ここではスケーリングが必要でした。このアンプのドライブに必要なDC電源は 15 V なので、AI1と AI2 の読み値が 10 V 未満となるように、電圧ディバイダをセンシング回路の一部として組み込みました。次に、実際の電圧値を表わすように、電圧の読み値をスケーリングする必要があります。

Isupp：アンプに供給される電流（トレース 8）。この値は、式エディタ、AI1 と AI2 の読み値、センシング回路内の精密抵抗を使用して計算しました。AI1 と AI2 の値を使用すると、センシング回路での電圧降下が求まります。この電圧降下を精密抵抗の値で割ることにより、アンプに供給される電流が求まります。

PAE：式エディタを使用した％表示の電力付加効率の値（トレース 9）。式の詳細については図 4を参照してください。

周波数掃引を使用して、最大 PAEなどの最適な動作周波数ポイントを見つけることができます。この特定のAUTについては、図 2から、最良の動作周波数は 900MHz で、その PAEが 16%であることがわかります。この情報を使用すると、最適な動作ポイントを見つけるために、パワー掃引に切り替えることができます。図 3に示すように、AUTの効率は 4 dBmまでは大幅に増加し、その後は、増加が小さくなります。図3に示すトレースは図2のサブセットです。これらの 2つの図に示されているように、PNA-X により、パワーアンプのデザイン／テスト段階で、多くの情報が得られます。

5

図2. PAEを含む、周波数掃引測定（注：上のウィンドウでは、トレースBとS21が互いに重なっています。 R1が 0 dBのとき、S21と B/R1が等しいので、S21は Bと等しくなります。すべてのパラメータの単位は dBです）

図3. パワー掃引測定（PAEを含む）

Vsupp

lsupp

PAE

B & S21R1

S11

Vsupp

lsuppPAE

B

S21

6

図4. 式エディタを使用して、画面上に表示されているトレースを使用して、PAEなどのデータをPNA-X に表示できます。

式エディタを使用してPAEを計算

Power_out － Power_inPAE（%）＝ ________________________ * 100% Power_dc

AUTを図 1のように接続した場合、Power_out = B（W）Power_in = Power_out / gain = B / S21（W）Power_dc = V_supplied * I_supplied（W）V_supplied = AI1I_supplied =（AI1 － AI2）/ R ここで、R = precision_resistor（Ω）

上の定義を使用すると、Power_out － Power_in = 0.001*pow（mag（B）,2）－（0.001* pow（mag（B）,2）/ pow（mag（S21）,2））Power_dc = AI1 *（AI1 － AI2）/ R

注：1. 元となるトレース（ヘルプ・システムでは equation trace と呼ばれる）は、Aなどの比で表わされていないパラメータでなければなりません、これは、式エディタを適用できるトレースです。PAE測定で、最も簡単な方法は、式エディタを適用する前にAI1トレースを追加する方法です。

2. 「Power_out - Power_in」式の結果は、実数フォーマットで表示する必要があります。他のフォーマットのデータは有効ではありません。同じことが個々の Power_ out または Power_in にも当てはまります。単位はWです。

3. 「Power_out - Power_in」式では、パラメータ（B、S21 など）が測定された電圧波形なので、すべての項が 2乗されます。このように、パワー波形に変換するためにこれらの項を 2乗する必要があります。注記：“pow（mag（B）, 2）”=｜B｜2

4. 式エディタを使用するときは、絶対項（B_1、S21 ほか）ではなく、トレース・アノテーション（Tr1、Tr2、Tr3 ほか）を常に使用してください。その理由は、絶対項を使用すると、誤差補正がかならず適用されるとは限らないからです。適用されることもありますが、適用されないこともあります。トレース・データを使用すると、かならず校正が行われます。

5. dBmとパワー（W）の変換：dBm = 10*log（power/1mW）6. PAEを手動で計算して比較する場合は、式（Power_out － Power_in）/Power_dc を適用する前に、すべてのパラメータをかならずリニア・フォーマットへ戻してください。

7

N5242A PNA-X、ファームウェアA.07.22.00 からアナログ入力で被試験アンプからの電圧センシングが可能になりました。電圧をセンシングすると、式エディタを使用して電流を求め、効率を計算できます。

アナログ信号は、PNA-X のリア・パネルにある Power I/O（9- ピン D サブ）コネクタから入力します（詳細は図 5参照）。ピン 7はAnalogIn1（AI1）、ピン8はAnalogIn2（AI2）です。PNA-X は、これらの 2つのピンから電圧を読み取り、DC測定を行います。

図5. PNA-X のリア・パネル上のPower I/O コネクタ

Power I/O コネクタ 1

ピン 名称 概要

1 ＋ 15V ＋ 15V @ 400 mA

2 － 15V － 15V @ 400 mA

3 AnalogOut1（AOS1） アナログ出力電圧：プログラマブル±10V

4 AnalogOut2（AOS2） アナログ出力電圧：プログラマブル±10V

5 ACOM システム・グラウド

6 GndSense アナログ入力と出力のグランド・センス

7 AnalogIn1（AI1） アナログ入力：±10V @ 1.22mV分解能（代表値）

8 AnalogIn2（AI2） アナログ入力：±10V @ 1.22mV分解能（代表値）

9 Power Button アクティブ・ロー：電源ボタンのキー押し下げでアクティブ

1. 詳細については、PNAのヘルプを参照してください。

PNA-X が電圧をセンスするには、パワーアンプの電圧信号を PNA-X に供給する回路が必要です。図 6に、このアプリケーションで使用可能な抵抗回路の例を示します。この回路では、センスされる電圧レベルに基づいて、1、2、10 のスケーリング係数での読取りが可能です。図 7に、作成した実際の回路を示します。この実装では、SPDT（単極双投）スイッチを使用して、2または 10 のいずれかのスケーリング係数で、2つの読み値が得られます。

機器の要件

8

図6. パワーアンプのセンシングに使用できる抵抗回路の例

図7. 図 6に示すセンシング回路の実装。左：上面図、右：底面図

AI1 と AI2 のレンジが± 10 V ですので、±10 V を超える場合、分圧回路（図 6に示した回路など）が必要になります。例えば、この回路を使用すると、スケーリング係数 2では、15 V の信号は 7.5 V として測定できます。このスケーリングされた 7.5 V の値はAI1 と AI2 のレンジ内にあり、式エディタを使用して元の値に戻すことができます。± 10 V 内の測定では、大電力用抵抗（1 Ωの精密大電力抵抗）を使用します。

V2（スケーリング係数1）

V1（スケーリング係数1）

1Ω

50 kΩ 50 kΩ

40 kΩ 40 kΩ

10 kΩ 10 kΩ

電源へ DUTへ

V1a

（スケーリング係数2）

V1b

（スケーリング係数10）

V2a

（スケーリング係数2）

V2b（スケーリング係数10）

抵抗回路

ピン7へ接続

ピン8へ接続

ピン6とグランドへ接続

50 kΩ

40 kΩ

10 kΩ

センス抵抗：1Ω

Power I/Oコネクタ（9ピン Dサブ）ピン7は左側に接続ピン8は右側に接続

スイッチの位置

スケーリング係数10

スケーリング係数2電源へ接続

DUTへ接続

グランド・ピン

9

アナログ（DC）入力（および出力）信号は、単にAI1 と AI2 トレースを追加することにより、PNA-X 上で測定／表示できます。これらのトレースを追加するには、Traces > New Traces > Receiver タブを選択し、次に、ドロップダウン・メニューを使用してAI1とAI2を選択してからOKをクリックします。図 8に画面の例を示します。

アナログ入力測定では、Source Portの選択も行って、どの掃引を利用するかを明確にする必要があります。これにより、同じアナログ入力に対してさまざまな測定が可能になります。図9は、ソース・ポートの異なるトレースの例です。

図8. AI1 と AI2 のトレースをPNA-X の画面に追加するためのステップ。利用できる他の測定には、 AIG（アナログ入力グランド）、AOS1とAOS2（それぞれ、アナログ出力センス1とセンス2）があります。

図9. さまざまなソース・ポートで表示されたAI1トレースとAI2トレース

アナログ（DC）信号の 読み取り

10

PNA-X からのアナログの読み値は校正されていませんので、その確度は不明です。ただし、いくつかの測定を行って、補正係数を求めることができます。式エディタに補正係数を使用すると、1.22mV（PNAの分解能、代表値）または使用するマルチメータの確度のどちらか大きい方の確度で測定できます。

これらの入力を校正するには、PNA-Xに加えて以下の2つの測定器が必要です。 AI1 と AI2 を DCドライブするための電源（PNA-X のリア・パネル上の

Power I/Oコネクタのピン 7と 8） データ収集のためのデジタル・マルチメータ

セットアップの例を図 10 に示します。簡単なプログラムでデータ収集を自動化することもできます。

図10. PNA-X のアナログ入力の校正に使用するセットアップ。この例では、読み値の比較のために、ピン7（AI1）とピン8（AI2）への接続を行うとともに、デジタル・マルチメータにも接続します。ピン6はグランドです。抵抗回路は図6のものと同じであり、この例ではスケーリング係数2の出力を使用します。

PNA-X のアナログの読み値は校正されていないので、PNA-X の読み値とマルチメータの読み値との間に違いが生じます。しかし、この違いは傾きの一定な直線にフィッティングでき、その傾きの値が補正係数になります。この特性は直線であるので、補正係数を決定するのに、最低 2つのデータ・ポイント（かなり離れた位置にある）で十分です。ただし、2つよりも多くのデータ・ポイントを使用することもできます。校正プロセスは非常に簡単です。（1）電源の電圧を設定し、（2）PNA-X とマルチメータの値を読み取り、（3）すべてのデータ・ポイントが得られるまでステップを繰り返します。

電源

デジタル・マルチメータ Power I/Oコネクタ（PNA-Xのリア・パネル上に配置）

1 Ω

50 k Ω50 k Ω

40 k Ω40 k Ω

10 k Ω10 k Ω

電源へ

V1a（スケーリング係数2）

V2a（スケーリング係数2）

6 7 8

電源I/O

アナログ入力 （AI1 と AI2）の校正

11

図 6と図 7 の抵抗回路（スケーリング係数 2）を使用してAI1 と AI2 に対して収集したデータの例を、図 11 と図 12 にそれぞれ示します。さらに、各グラフの下に各傾きの値も表示されます。これらの値を、式エディタを使用して、図 2のように適用できます。

図11. 図 6と図7の抵抗回路（スケーリング係数2）を使用してAI1に対して収集したデータの例

図12. 図 6と図7の抵抗回路（スケーリング係数2）を使用してAI2に対して収集したデータの例

このアプリケーション・ノートに示したように、DC入力（AI1 と AI2）を使用することにより、PNA-X で増幅器の包括的なテストが行えます。さらに、式エディタを使用すれば、PNA-X の機能が広がります。

まとめ

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February 18, 2008

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