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2-2021

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

5G und IoT Bild 1:

5G und IoT Bild 1: Herkömmliche HF-Verteilung für 2G, 3G und 4G Diese Signalverteilungssysteme arbeiten über beträchtliche Entfernungen außergewöhnlich gut. Sie können auch einen unübertroffenen SFDR (Dynamikbereich) gewährleisten, sodass Signale mit unterschiedlichen Pegeln eng nebeneinander existieren können. Mit solchen optischen Lösungen können Durchsatz und Flexibilität drastisch erhöht werden. Solche Signalübermittlungssysteme bleiben unangefochten und werden immer in ihrer Leistung hervorstechen. Im Folgenden werden Anwendungen für 5G-Basisstationen beschrieben, die Frequenzen über 6 GHz und im mm-Wellenlängenbereich nutzen. Aktueller HF-Ansatz vs. RFoF-Lösung HF-basierte Verteilungssysteme in 3G- und 4G-Mobilfunknetzen können außerordentlich komplex werden und viel Strom verbrauchen. Leckage und Übersprechen, reflektierte Signale und Einfügungsverluste erfordern ständige Wachsamkeit, um die Betriebsbedingungen aufrechtzuerhalten, unterstützt durch die Überwachung von Subsystemen. Die Infrastruktur macht Änderungen an dieser Testkonfiguration sehr zeitaufwändig und langwierig. Die mechanischen und Wartungsaspekte solcher HF-Signalverteilungssysteme mit hunderten von Koaxialleitungen, die so dünn wie möglich sein sollten, um die Montage und Verlegung praktisch zu machen, aber auch so dick wie möglich, um passive Intermodulation (PIM) und Einfügungsverluste zu reduzieren, stellen ein Paradoxon dar. Tausende von HF-Steckverbindern sind erforderlich, um eine wartbare Segmentierung dieser HF- Verkabelung zu ermöglichen. Eine potenzielle Schwachstelle ist die Abschirmung, die bei zu schwacher Auslegung zu unerwünschtem Übersprechen führt. Daher muss für 5G und 6G die Implementierung solcher HF- Signalverteilungssysteme überwunden werden. Bild 1 skizziert den aktuellen HF-Ansatz. Ein häufigerer Fall, in dem HF-Verbindungstechnologie eingesetzt wird, sind die auf einem Turm montierten Antennenarrays. Auch in diesem Fall gibt es dieselben Probleme wie Kabelgewicht, Einfügungsverluste, SWR/Reflexionen sowie Umwelteinflüsse. Ein alternativer und hochwirksamer Ansatz besteht aus einer Lösung mit den RFoF-Verbindungen beispielsweise von RFOptic und einen verwalteten optischen Schalter. Solche Lösungen umfassen: • 6-GHz-RFoF-Verbindungen mit integriertem LNA einschließlich eines internen digitalen Dämpfers und einem optischen Leistungsmessgerät • 20- und 40-GHz-RFoF-Verbindungen mit Vor- und Nachverstärker und Verstärkungsregelung • verwalteter optischer Switch • SNMP/HTML-Fernverwaltungssystem Ein Beispiel eines solchen Signalverteilungssystems ist in der Aufmachergrafik gezeigt. Das RFoF-Subsystem enthält mehrere unidirektionale und bidirektionale RFoF-Verbindungen. Aufgrund der optischen Übertragungsmedien ist es möglich, entfernte und abgeschirmte Standorte mit EMI-Immunität für alle Verbindungen zu warten. In Tabelle 1 sind die Eigenschaften beider Systeme gegenübergestellt. Merkmal HF-Verteilungsmatrix RFoF-Verteilungsmatrix Abstand zwischen HF-Ports mit der Frequenz begrenzt keine praktische Einschränkung durch den geringen Faserverlust HF-Bandbreite begrenzt aufgrund des Koaxkabels praktisch unbegrenzte HF-Bandbreite Gewicht und Größe sperrige und schwere HF-Kabel kompakte und leichte Fasern, frequenz- und bandbreitenunabhängig Umgebungseinfluss korrosionsempfindlich wenig korrosionsempfindlich Betriebskosten komplexes System, häufige Wartung einfacheres System mit minimalem Instandhaltungsaufwand Isolation begrenzt durch koaxiale Abschirmungen und unempfindlich gegen HF-EM-Strahlung Anschlüsse Systemkosten steigen mit der Frequenz unabhängig von genutzter HF-Bandbreite Tabelle 1: Vergleich zwischen HF-Verteilungsmatrix und RFoF-Verteilungsmatrix 42 hf-praxis 2/2021

5G und IoT Bauteil(e) HF-System RFoF-System Eingangsmodul mehrstufige PAs mit hoher Verstärkung und Leistungsteiler RFoF-Sender optisch, Verstärker und Leistungsteiler 1:500-Switch-Routing-Netzwerk modulare 1:N-Ka-Bnd-HF-Schalter optische 1:N-Schalter (ultraschnell) 500 Port Antenna Interfaces Ka-Band-Koaxialkabel, Multi- Anschlussschnittstellen N in 1 Mehrfach-Lichtleitfaser-Steckverbinder und Glasfaserbündel 500 Antennenausgangsmodule hohe Verstärkung (>50 dB) der Verstärker RFoF-Empfängermodul und Verstärker mit ~30 dB Tabelle 2: Vergleich zwischen HF- und RFoF-Systemen Beispiel mit 40 GHz Bandbreite Ein aktueller Fall ist ein Sendesystem mit einer Signalbandbreite von 40 GHz, das am oberen Ende des Ka-Bands arbeitet. Das System benötigt 1:500-Signalrouting- und Verteilungssysteme mit zwei Eingangssignalen. Eine zukünftige Erweiterung auf 4 oder 8 war geplant. Das Betriebsprotokoll erforderte ein Sub- Mikrosekunden-Routing eines der Eingangssignale zu einer beliebigen Kombination der 500 Ausgänge, die Watt-Pegelsignale an die Antennen liefern. Das Antennenarray bedeckt ein paar Quadratmeter. Das Verteilungssystem musste dazu modular aufgebaut sein zwecks Maximierung der Anzahl identischer Komponentenmodule, um eine effiziente Produktion zu ermöglichen. Eine wichtige Voraussetzung war die Kohärenz zwischen den Signalen aller Antennen, daher war eine auf Frequenzumwandlung basierende Lösung unattraktiv. Die direkte HF- Implementierung dieses Signalverteilungssystems bei mm- Wellenfrequenzen wurden mit einer RFoF-basierten Lösung verglichen. Einige der Unterschiede/Kompromisse sind in Tabelle 2 aufgeführt. Während jede der Komponenten der HF-Implementierung direkt die Ebenheit und Phase der Verstärkung beeinflusst (Kohärenz), werden diesbezüglich beim RFoF-System nur der RFoF-Sender und die Antennenausgangsmodule wirksam. Eine geringere Verstärkung (weniger Stufen) wirkt sich auf die Ebenheit und Phasenkohärenz positiv aus. Alle anderen Elemente des RFoF-System sind für die HF- Performance vollständig transparent. Da die Faserverluste vernachlässigbar waren, gelang es, die 500 Verkabelungen der Portantennen wesentlich einfacher zu installieren und auch leichter zu warten. ◄ Fachbücher für die Praxis Praxiseinstieg in die Spektrumanalyse Joachim Müller, 21 x 28 cm, 198 Seiten, zahlr. überwiegend farbige Abb. Diagramme, Plots ISBN 978-3-88976-164-4, beam-Verlag 2014, 38,- € Art.-Nr.: 118106 Ein verständlicher Einstieg in die Spektrumanalyse - ohne höhere Mathematik, der Schwerpunkt liegt auf der Praxis mit Vermittlung von viel Hintergrundwissen. Hintergrundwissen: • Der Zeit- und Frequenzbereich, Fourier • Der Spektrumanalyzer nach dem Überlagerungsprinzip • Dynamik, DANL und Kompression • Trace-Detektoren, Hüllkurvendetektor, EMV-Detektoren • Die richtige Wahl des Detektors • Moderne Analyzer, FFT, Oszilloskope mit FFT • Auswahl der Fensterung - Gauß, Hamming, Kaiser-Bessel • Die Systemmerkmale und Problemzonen der Spektrumanalyzer • Korrekturfaktoren, äquivalente Rauschbandbreite, Pegelkorrektur • Panorama-Monitor versus Spektrumanalyzer • EMV-Messung, Spektrumanalyzer versus Messempfänger Messpraxis: • Rauschmessungen nach der hf-praxis 2/2021 43 Y-Methode, Rauschfaktor, Rauschmaß • Einseitenbandrauschen, Phasenrauschen • Signal/Rauschverhältnis, SNR, S/N, C/N • Verzerrungen und 1 dB-Kompressionspunkt • Übersteuerung 1.Mischer - Gegenmaßnahmen • Intermodulationsmessungen • Interceptpoint, SHI, THI, TOI • CW-Signale knapp über dem Rauschteppich • Exakte Frequenzmessung (Frequenzzählerfunktion) • Messung breitbandiger Signale • Kanalleistungsmessung, Nachbarkanalleistungsmessung • Betriebsart Zero-Span • Messung in 75-Ohm-Systemen • Amplituden- und Phasenmodulation (AM, FM, WM, ASK, FSK) • Impulsmodulation, Puls-Desensitation • Messungen mit dem Trackingenerator (skalare Netzwerkanalyse) • Tools auf dem PC oder App’s fürs Smart-Phone Unser gesamtes Buchprogramm finden Sie unter www.beam-verlag.de oder bestellen Sie über info@beam-verlag.de

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