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10-2014

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HF-Praxis 10/2014

Bauelemente

Bauelemente Mikrowellen-Vektormodulatoren Die Firma Hittite bietet eine breite Palette von Mikrowellen-Modulatoren an. Der folgende Beitrag hilft, den richtigen Typ zu finden und die zugehörigen Daten richtig zu interpretieren. Bild 1: Der grundsätzlichen Aufbau eines Vektormodulators Der Beitrag zeigt, wie Vektormodulatoren arbeiten und gibt praktische Hinweise, insbesondere zur Verstärkungseinstellung bezüglich der Steuereingänge I und Q. Der ideale Vektormodulator Ein Vektormodulator ist im Prinzip eine Baugruppe, welche es ermöglicht, innerhalb einer bestimmten Bandbreite die Verstärkung und die Phasendrehung eines HF-Signals definiert zu beeinflussen. Den grundsätzlichen Aufbau zeigt Bild 1. Demnach wird das HF- Signal im Eingang gesplittet, wobei die resultierende Phasendifferenz 90° beträgt. Nach dem Hinzumischen der Signale I und Q werden die resultierenden Größen summiert. Dabei ist der Ausgangspegel auch über die Größe von I und Q beeinflussbar. Dies ist genauer in Bild 2 dargestellt. Weisen I und Q einen bestimmten und gleichen Betrag auf (typisch 1,5 V), dann beträgt die Verstärkung null. Auch jeder andere Punkt in diesem Diagramm kann durch die Größe von I und Q beschrieben werden. Hierbei benötigt jeder Punkt eine eindeutige Wertekombination. Somit liegt eine polare Funktion vor, die Verstärkungsbetrag und Verstärkungswinkel beschreibt. Der Einstellbereich beginnt bei Null und reicht bis zu einem definierten Maximalwert. Um den Zusammenhang zwischen den vier Parametern Vmi, Vmq, Φ und G MAX auf effiziente, nützliche Weise zu beschreiben, kann man einige kreative Testmethoden und clevere Algebra nutzen: Bestimmung des Nullpunkts und Messung von G null Der Ablauf ist folgender: 1. Man hält Q konstant auf 1,5 V und verändert I zwischen 1,4 und 1,6 V, wobei man notiert, bei welchem Wert die Verstärkung minimal bzw. null ist. Das ist Vmq. 2. Man hält I konstant auf 1,5 V und verändert Q zwischen 1,4 und 1,6 V, wobei man notiert, bei welchem Wert die Verstärkung minimal bzw. null ist. Das ist Vmi. 3. Der Verlust an diesem Nullpunkt mit I = Vmi und Q = Vmq korrespondiert mit G null = G min . Messung der maximalen Verstärkung G NI G NI ist der größtmögliche mit den Steuerspannungen erreichbare praktische Radius. NI steht für nichtideal. Über die gesamte Kreisbahn sollte die Schwankung im Bereich ±1 dB liegen. Der typische Wert oder Mittelwert gilt als G NI . Wenn sich größere abweichungen ergeben, so hat der aktuelle Nullpunkt einen Offset (Versatz) und muss korrigiert werden (s. oben). Ein Beispiel: Die Spannungsbereiche für I und Q seien für 0,5 bis 2,5 V spezifiziert, und der Nullpunkt liegt bei Vmi = Vmq = 1,5 V. Dann errechnet sich der nutzbare Spannungsbereich so: V R = 2 x min (Vmi – V Rmin ), (Vmq – V Rmin ), (V Rmax – Vmi), (V Rmax – Vmq) = 2 V. Das R steht für Range (Bereich). Die Verstärkung sollte an verschiedenen Punkten des Kreises bei r = 1 gemessen werden. Wenn die Abweichungen gering sind, handelt es sich um die maximale Verstärkung G NI . Für den Betrag der Verstärkung ergibt sich: Bild 2: Die Verstärkung ist gleichermaßen von den Steuerspannungen an I und Q abhängig. Messung des Offsets von Φ Zunächst sorgt man mit bekannten Steuerspannungen für eine beliebige, aber definierte Verstärkung. Hierzu ermittelt man den Phasenunterschied zwischen Ein- und Ausgangssignal. Der Unterschied zwischen Mess- und Rechenwert ist der Verstärkungswinkel- Offset Φ Offset Man sollte dazu wissen, dass die entsprechende Tangensfunktion tan(Φ) im 180°-Raster oder -Abstand periodisch ist. Ein Beispiel: I und Q seien mit je 1 V beaufschlagt. Der entsprechende theoretische Verstärkungswinkel ist Φ = arctan ([1 V – 1,5 V]/[1 V – 1,5 V]) = 45° mit Vmi = Vmq = 1,5 V. Gemessen wird ein Phasenversatz von 102°. Somit folgt: Φ Offset = 102° - 45° = 57° 38 hf-praxis 10/2014

Bauelemente Tabelle 1: Verstärkungsbeträge in dB unter der Annahme 0 NI (ΔI, ΔQ) = 0 Bild 3: Darstellung der Verstärkung bei Nullpunkt-Offset Der nichtideale Verstärkungskreis In Bild 3 wird der unerwünschte Fall eines Nullpunkt-Offsets zum besseren Verständnis übertrieben dargestellt. So kann der Effekt des Verstärkungs-Einstellbereichs transparenter gemacht werden. Wir definieren den Offset des Nullpunkts wie folgt: O NI (ΔI, ΔQ) = ([Vmi - 1,5 V]/ [Vmq - 1,5 V]) Dabei lokalisieren Vmi und Vmq den aktuellen Nullpunkt. Der ideale Nullpunkt liegt ja bei I = Q = 1,5 V. Der Punkt, in dem sich die Kreise idealer und realer maximaler Verstärkung schneiden, kann als Vektor mit einem Winkel

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