Een RF-versterker vergroot een radiosignaal door energie uit zijn voeding om te zetten in extra radiofrequent vermogen. Het zwakke ingangssignaal bepaalt daarbij het ritme en de vorm van de veel grotere uitgangsstroom. Transistor, elektronenbuis, aanpassing en koeling werken daarom als één geheel. Versterking is dus geen gratis energie, maar nauwkeurig bestuurde energieoverdracht.
Waar de extra energie vandaan komt
Een antennesignaal aan de ingang bevat vaak maar weinig vermogen. Het dient vooral als stuurinformatie voor een actief onderdeel, meestal een transistor. Zodra de spanning aan de basis of gate verandert, verandert ook de stroom die uit de gelijkspanningsvoeding door het onderdeel loopt. Het uitgangsnetwerk haalt uit die gestuurde stroom een grotere kopie van het oorspronkelijke radiosignaal.
De energiebalans blijft daarbij keurig op orde. Het opgenomen gelijkstroomvermogen en het kleine ingangsvermogen keren terug als bruikbaar RF-vermogen, warmte en overige verliezen. Levert een trap 10 watt aan de uitgang terwijl er 0,1 watt wordt ingestuurd, dan is de ontbrekende energie afkomstig uit de voeding. De transistor werkt eerder als een snel regelventiel dan als een bron die vermogen uit het niets voortbrengt.
Het werkpunt bepaalt het gedrag
Een versterkend onderdeel heeft een ingestelde rusttoestand nodig, het werkpunt of de bias. Die instelling bepaalt hoeveel stroom er zonder ingangssignaal loopt en hoeveel ruimte de spanning naar boven en beneden heeft. Een verkeerd werkpunt veroorzaakt vroegtijdige vervorming, onnodige warmte of een instabiele schakeling. Bij vermogenstrappen moet de ruststroom bovendien met de temperatuur onder controle blijven, omdat opwarming anders nog meer stroom kan oproepen.
Rond het werkpunt kan een kleine verandering aan de ingang vrijwel evenredig worden omgezet in een stroomverandering aan de uitgang. Die verhouding heet transconductantie en wordt uitgedrukt in siemens. Bij grotere uitsturing wordt het gedrag steeds minder evenredig, waardoor harmonischen en mengproducten ontstaan. De versterker moet dus niet alleen voldoende versterken, maar ook binnen het bruikbare deel van zijn karakteristiek blijven.
Transistoren en elektronenbuizen
De bipolaire transistor
Bij een bipolaire transistor regelt de basis-emitterspanning de collectorstroom. Een kleine spanningsverandering kan daardoor een veel grotere stroomverandering teweegbrengen, mits de voeding en de belasting dat toelaten. BJT-transistoren bieden veel transconductantie bij een bescheiden ruststroom en zijn bruikbaar in gevoelige voorversterkers en stuurtrappen. Hun prestaties op hoge frequenties worden begrensd door interne capaciteiten, ladingsopslag, aansluitdraden en de fysieke bouw van de printplaat.
FET, MOSFET en LDMOS
Een veldeffecttransistor gebruikt een elektrisch veld aan de gate om de geleidbaarheid van een kanaal te regelen. De gate trekt bij gelijkspanning doorgaans weinig stroom, maar is op radiofrequenties beslist niet stroomloos. Interne capaciteiten moeten iedere cyclus worden geladen en ontladen, zodat de stuurtrap werkelijk RF-vermogen levert. LDMOS is een voor radiovermogen aangepaste MOS-structuur die veel wordt toegepast waar robuustheid, uitgangsvermogen en een goed rendement samen nodig zijn.
HEMT en galliumnitride
Een HEMT vormt zijn geleidende kanaal bij de grens tussen twee verschillende halfgeleidermaterialen. De ladingsdragers kunnen daar met hoge beweeglijkheid stromen, wat gunstig is voor lage ruis en werking op microgolffrequenties. Uitvoeringen op basis van galliumnitride verdragen hoge elektrische velden en kunnen veel vermogen op een klein oppervlak verwerken. Dat laatste stelt zware eisen aan de warmteafvoer, want een hoge vermogensdichtheid maakt zelfs een klein halfgeleideroppervlak tot een plaatselijke warmtebron.
Waarom elektronenbuizen nog bestaan
In een elektronenbuis stuurt een rooster de elektronenstroom van een verhitte kathode naar de anode. Een tetrode voegt een schermrooster toe om de terugkoppeling tussen anode en stuurrooster te verkleinen. De pentode gebruikt daarnaast een remrooster om ongewenste secundaire elektronen bij de anode tegen te houden. Buizen zijn groot en vragen hoge spanningen, maar blijven bruikbaar in omroepzenders en industriële installaties waar zeer hoge vermogens en stevige warmteafvoer tellen.
Versterkingsklassen en rendement
Klasse A, B en AB
De versterkingsklasse beschrijft welk deel van een signaalperiode het actieve onderdeel stroom voert. In klasse A geleidt het gedurende de volledige cyclus, wat een nette overdracht geeft maar voortdurend rustvermogen kost. Een ideale afgestemde klasse-A-trap kan hooguit ongeveer 50 procent rendement halen; een eenvoudige weerstandstrap blijft daaronder. Klasse A past daarom vooral waar lage vervorming zwaarder weegt dan energieverbruik.
Klasse B laat ieder actief onderdeel een halve cyclus verwerken en bereikt theoretisch maximaal 78,5 procent rendement. Rond de nuldoorgang kan echter een knik ontstaan doordat het onderdeel juist daar in- en uitschakelt. Klasse AB houdt een kleine ruststroom aan en verzacht dat probleem, terwijl het verbruik duidelijk lager blijft dan bij klasse A. Veel lineaire zenders gebruiken AB omdat het een bruikbaar evenwicht biedt tussen vervorming, uitgangsvermogen en warmte.
Klasse C, D, E en F
In klasse C vloeit stroom gedurende minder dan een halve cyclus. De transistor levert korte stroompulsen, waarna een afgestemde kring de gewenste grondfrequentie overhoudt. Deze aanpak werkt goed bij signalen met een vrijwel constante omhullende, maar vervormt amplitude-informatie zonder aanvullende technieken. Het uitgangsfilter is hier geen schoonmaakbeurt achteraf, maar een onderdeel van de werking zelf.
Klassen D en E behandelen de transistor grotendeels als een schakelaar. Het netwerk wordt zo ontworpen dat een hoge spanning en een hoge stroom zo weinig mogelijk tegelijk optreden, want hun product bepaalt het ogenblikkelijke verlies. Klasse F vormt de spannings- en stroomgolven met doelbewuste impedanties op harmonischen. De theoretische rendementen kunnen zeer hoog zijn, al zorgen schakelduur, weerstand, parasitaire capaciteiten en spoelverliezen in de praktijk voor een lagere uitkomst.
Moderne breedbandsignalen maken deze keuze lastiger doordat hun piekvermogen veel hoger kan liggen dan hun gemiddelde vermogen. Een conventionele eindtrap werkt dan vaak ver onder zijn efficiëntste punt om de pieken onvervormd door te laten. Belastingsmodulatie, zoals in een Doherty-versterker, kan het rendement bij dat lagere gemiddelde niveau verbeteren. Digitale voorvervorming corrigeert daarnaast een deel van de voorspelbare niet-lineariteit, maar kan een slecht thermisch of instabiel ontwerp niet redden.
Ruis, vervorming en stabiliteit
De eerste ontvangtrap telt het zwaarst
Elke weerstand en ieder actief onderdeel voegt willekeurige elektrische fluctuaties toe. Rond 290 kelvin bedraagt het beschikbare thermische ruisvermogen ongeveer min 174 dBm per hertz. Over 200 kHz komt dat zonder extra ruis uit op ongeveer min 121 dBm, omdat een bredere ontvanger meer ruis verzamelt. Het ruisgetal geeft vervolgens aan hoeveel de versterker de verhouding tussen signaal en ruis verslechtert.
De cascaderegel van Friis verklaart waarom de eerste trap van een ontvanger zoveel aandacht krijgt. De ruis van latere trappen wordt door de voorafgaande versterking gedeeld, terwijl verlies vóór de eerste versterker rechtstreeks meetelt. Een kabel of filter met 1 dB verlies vóór een goede voorversterker verslechtert het systeemruisgetal bij kamertemperatuur ongeveer met dezelfde 1 dB. Meer versterking is niet onbeperkt beter, want sterke signalen mogen de volgende trappen niet oversturen.
Compressie en intermodulatie
Bij kleine signalen blijft de versterking nagenoeg constant, maar bij grotere amplitudes raakt de transistor geleidelijk aan zijn grenzen. Het 1 dB-compressiepunt is het niveau waarbij de gemeten versterking 1 dB onder de rechte kleine-signaalverwachting ligt. Dat getal geeft aan hoeveel bruikbare uitsturing beschikbaar is voordat duidelijke compressie optreedt. Voor een zender is het meestal verstandiger enige marge onder dit punt te houden, zeker bij een gemoduleerd signaal met hoge pieken.
Twee sterke signalen kunnen in een niet-lineaire trap nieuwe frequenties vormen die dicht bij de oorspronkelijke kanalen liggen. Vooral derde-ordeproducten zijn lastig, omdat een gewoon uitgangsfilter ze vaak niet kan scheiden van het gewenste verkeer. Het derde-orde-onderscheppingspunt, meestal IP3 genoemd, beschrijft dit gedrag via een extrapolatie uit een tweetoonsmeting. P1dB en IP3 belichten verschillende delen van het gedrag en mogen daarom niet als uitwisselbare specificaties worden gebruikt.
Wanneer een versterker gaat zenden
Een echte transistor koppelt altijd een beetje uitgangssignaal terug naar zijn ingang. Interne capaciteiten, gedeelde massa-inductie, voedingssporen en elektromagnetische koppeling over de print kunnen samen een ongewenste lus vormen. Komen versterking en fase daar verkeerd uit, dan verandert de versterker in een oscillator. Soms ligt die oscillatie ver buiten de bedoelde werkband en verraadt zij zich alleen door extra stroom, warmte of vreemd gedrag binnen het gewenste kanaal.
Stabiliteit moet daarom over een ruim frequentiegebied en bij verschillende belastingen, temperaturen en werkpunten worden bekeken. De Rollett-factor en bijbehorende stabiliteitsvoorwaarde geven met S-parameters aan of een lineaire tweeport bij elke passieve bron en belasting stabiel blijft. Weerstanden aan gate of basis, emitter- of sourcedegeneratie en zorgvuldige ontkoppeling kunnen de reserve vergroten. Zulke maatregelen kosten soms versterking, maar dat is doorgaans goedkoper dan een eindtrap die op eigen initiatief een zender begint.
Impedantieaanpassing en het 50-ohmsysteem
Een RF-transistor heeft van zichzelf zelden een optimale in- of uitgangsimpedantie van 50 ohm. Die waarde is vooral een afgesproken referentie voor kabels, connectoren, meetapparatuur en filters. Het aanpassingsnetwerk transformeert de externe 50 ohm naar de complexe impedantie die het actieve onderdeel nodig heeft. Bij een vermogenstrap wordt die doelwaarde liefst met grootsignaalmetingen bepaald, omdat zij tijdens krachtige uitsturing afwijkt van het kleine-signaalmodel.
Een netwerk met één spoel en één condensator kan twee zuiver ohmse waarden op één frequentie aan elkaar aanpassen. Voor de omzetting van 50 naar 10 ohm bij 100 MHz levert een ideale laagdoorlaatuitvoering bijvoorbeeld ongeveer 31,8 nanohenry in serie en 63,7 picofarad naar massa. Werkelijke waarden veranderen door de uitgangscapaciteit van de transistor, soldeereilandjes en spoelverliezen. De berekening is dus een vertrekpunt, geen boodschappenlijstje voor de soldeerbout.
Een hoge kwaliteitsfactor maakt een stevige impedantietransformatie en goede onderdrukking van harmonischen mogelijk, maar versmalt gewoonlijk de bandbreedte. Bij een enkelvoudige resonantie geldt bij benadering dat de relatieve bandbreedte omgekeerd evenredig is aan de belaste kwaliteitsfactor. Een kring met een kwaliteitsfactor van 10 rond 100 MHz heeft daardoor grofweg 10 MHz bandbreedte. Hogere kringstromen vergroten tegelijk het verlies en kunnen kleine onderdelen onverwacht warm maken.
Smithkaart en S-parameters
De Smithkaart zet complexe impedanties en reflecties om in een meetkundige kaart waarop een aanpassingsroute zichtbaar wordt. Een serie- of parallelcomponent verplaatst het meetpunt langs een herkenbare baan richting het midden, waar de belasting aan de referentie-impedantie is aangepast. De kaart vervangt de berekening niet, maar maakt snel zichtbaar wat een componentwijziging doet. Bij microgolven is dat nuttig, omdat enkele picofarads of een fractie van een nanohenry al veel verschil maken.
S-parameters beschrijven wat er met invallende en terugkerende golven aan de poorten van een RF-netwerk gebeurt. S11 staat voor de reflectie aan de ingang, S21 voor de overdracht vooruit, S12 voor terugwerking en S22 voor de reflectie aan de uitgang. Een vectornetwerkanalysator meet zowel grootte als fase van deze vier grootheden. Kleine-signaalmetingen zijn zeer bruikbaar voor aanpassing en stabiliteit, maar voorspellen niet vanzelf compressie, rendement of de beste belasting bij vol vermogen.
Frequentie verandert de hele schakeling
Bij 100 MHz zijn korte printbanen en kleine afwijkingen vaak nog enigszins te overzien. Een discrete voorversterker kan daar met een degelijk massavlak, een stabiele bias en gewone afgestemde netwerken worden opgebouwd. Toch hoort ook zo’n schakeling niet op een steekbord met lange draadjes, want ieder draadje bezit inductie en vangt energie op. Wat bij gelijkstroom een verbinding lijkt, is bij RF tegelijk een spoel, condensator en soms een kleine antenne.
Rond 1 GHz worden behuizing, soldeerpads en uitgangscapaciteit een zichtbaar deel van de schakeling. Stel dat een klasse-AB-trap 5 watt levert uit een voeding en 60 procent drainrendement haalt, dan neemt hij ongeveer 8,3 watt gelijkstroomvermogen op. Ongeveer 3,3 watt blijft als warmte in en rond het actieve onderdeel achter. De eenvoudige ideale belastingsschatting kan helpen, maar een werkelijk ontwerp vraagt fabrikantmodellen en grootsignaalgegevens over de gewenste bron- en belastingsimpedantie.
Op 3,5 GHz kan één via al een merkbaar deel van de bedoelde inductie leveren. Spoelen en condensatoren gedragen zich daar niet langer als perfecte losse onderdelen, terwijl printbanen doelbewuste transmissielijnen worden. Elektromagnetische simulatie, een bekende printopbouw en een nauwkeurig thermisch contact zijn dan deel van het ontwerp. Een intern aangepaste module vermindert veel afstemwerk, maar voeding, massa, filtering en koeling op de print blijven de verantwoordelijkheid van de bouwer.
Warmte, reflecties en bedrijfszekerheid
Rendement zegt welk deel van het opgenomen vermogen als RF-vermogen verschijnt. Bij drainrendement wordt alleen de gelijkstroomvoeding vergeleken met de uitgang, terwijl power-added efficiency ook rekening houdt met het benodigde stuurvermogen. Dat verschil is klein bij veel versterking, maar kan bij een zware stuurtrap flink meetellen. Het ontbrekende vermogen verdwijnt grotendeels als warmte en bepaalt samen met de thermische weerstand hoe heet de halfgeleider wordt.
De volledige warmteroute loopt van de actieve laag via behuizing, soldeerverbinding en thermisch materiaal naar koelplaat en lucht. Alleen de thermische weerstand van chip naar behuizing gebruiken geeft daarom een te gunstig beeld. Ook omgevingstemperatuur, inschakelduur, lokale hotspots en de verwarming van naburige onderdelen tellen mee. Een elektrisch correct prototype kan na enkele minuten alsnog wegzakken in vermogen, van werkpunt verschuiven of blijvende schade oplopen.
Een slechte antenneaanpassing stuurt bovendien een deel van het vermogen terug naar de eindtrap. Bij een reflectiecoëfficiënt met grootte 0,5 keert 25 procent van het invallende vermogen terug en bedraagt de staandegolfverhouding 3. Plaatselijk kunnen spanning of stroom daardoor veel hoger worden dan bij een nette 50-ohmbelasting. Connectoren, condensatoren, printbanen en transistor moeten tegen die pieken kunnen, terwijl beveiliging het vermogen zo nodig tijdig terugregelt.
Meten voordat het misgaat
Een goede meetvolgorde begint zonder RF-signaal. Eerst worden voedingsspanning, ruststroom en temperatuurgedrag gecontroleerd met een ingestelde stroombegrenzing. Daarna volgt een brede meting van aanpassing en overdracht op laag vermogen, niet alleen een smalle strook rond de gewenste frequentie. Zo komen ongewenste resonanties aan het licht voordat de trap voldoende energie krijgt om zichzelf of het meetinstrument te beschadigen.
De vectornetwerkanalysator is geschikt voor S-parameters, fase, aanpassing en kleine-signaalversterking. Een uitgang van meerdere watts mag niet rechtstreeks op een gewone meetpoort worden aangesloten. Een richtkoppelaar en een berekende, gekalibreerde verzwakker brengen het vermogen naar een veilig niveau. Kabelverlies en de positie van het meetvlak moeten in de kalibratie worden opgenomen, anders wordt vooral de meetopstelling beoordeeld.
Een spectrumanalysator toont harmonischen, ongewenste signalen en intermodulatie. Voor een IP3-meting leveren twee goed geïsoleerde generatoren twee nabije tonen, waarna de nieuwe derde-ordefrequenties worden gemeten. Zonder voldoende isolatie kunnen de generatoren elkaar moduleren en krijgt de versterker ten onrechte de schuld. P1dB wordt apart bepaald door het ingangsvermogen stapsgewijs te verhogen en te volgen waar de versterking één decibel is afgenomen.
Het ruisgetal vraagt een gekalibreerde ruisbron en een ontvanger of analysator die het verschil tussen twee bekende ruisniveaus kan meten. Verlies tussen bron en voorversterker moet nauwkeurig bekend zijn, omdat juist dat verlies de uitkomst snel beheerst. Bij vermogenstrappen worden tegelijk voedingsstroom, voorwaarts vermogen, gereflecteerd vermogen, spectrum en temperatuur gevolgd. RF-ontwerp is daarmee evenzeer meetkunde in het laboratorium als rekenwerk achter een bureau.
Conclusie
Een RF-versterker is een samenwerkend stelsel van actief onderdeel, voeding, werkpunt, aanpassingsnetwerken, printontwerp en koeling. Het ingangssignaal bestuurt de omzetting van gelijkstroomenergie in een grotere elektromagnetische golf, terwijl ruis en vervorming de bruikbare kwaliteit begrenzen. De gekozen versterkingsklasse bepaalt een groot deel van de verhouding tussen zuiverheid en rendement. Geen enkel gunstig getal compenseert een onstabiele schakeling of een verkeerd aangeboden impedantie.
Een betrouwbaar ontwerp groeit daarom in vaste stappen van model naar simulatie, laagvermogensmeting en gecontroleerde belastingproef. Op iedere hogere frequentie worden fysieke details nadrukkelijker onderdeel van het elektrische schema. Wie breed meet, verliezen meetelt en warmte vanaf het begin meeneemt, voorkomt de meeste verrassingen op de werkbank. De beste RF-versterker is niet degene met de hoogste losse specificatie, maar degene die onder echte omstandigheden schoon, stabiel en heel blijft.
Bronnen en meer informatie
- IEEE Xplore: Noise Figures of Radio Receivers. H.T. Friis (1944), Proceedings of the IRE, 32(7), 419-422.
- Ebers, J.J. en Moll, J.L. (1954). Large-Signal Behavior of Junction Transistors. Proceedings of the IRE, 42(12), 1761-1772. DOI 10.1109/JRPROC.1954.274797.
- Rollett, J.M. (1962). Stability and Power-Gain Invariants of Linear Twoports. IRE Transactions on Circuit Theory, 9(1), 29-32. DOI 10.1109/TCT.1962.1086854.
- IEEE Xplore: Power Waves and the Scattering Matrix. K. Kurokawa (1965), IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 13(2), 194-202.
- Sokal, N.O. en Sokal, A.D. (1975). Class E: A New Class of High-Efficiency Tuned Single-Ended Switching Power Amplifiers. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 10(3), 168-176. DOI 10.1109/JSSC.1975.1050582.
- Raab, F.H. (1997). Class-F Power Amplifiers with Maximally Flat Waveforms. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 45(11), 2007-2012. DOI 10.1109/22.644215.
- Raab, F.H., Asbeck, P., Cripps, S., Kenington, P.B., Popović, Z.B., Pothecary, N., Sevic, J.F. en Sokal, N.O. (2002). Power Amplifiers and Transmitters for RF and Microwave. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 50(3), 814-826. DOI 10.1109/22.989965.
- Mimura, T. (2002). The Early History of the High Electron Mobility Transistor. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 50(3), 780-782. DOI 10.1109/22.989961.
- Pozar, D.M. (2012). Microwave Engineering. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-63155-3.
- Cripps, S.C. (2006). RF Power Amplifiers for Wireless Communications. Artech House. ISBN 978-1-59693-018-6.
