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5-2014

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HF-Praxis 5/2014

Wireless Optimierung

Wireless Optimierung eines Funksystems für das ISM-Band Wenn es um Produkte für das ISM-Band (Industrial/Scientific/ Medical) geht, sind die Anwender häufig nicht mit der Struktur der Low-Pin-Count-Sender und der vollintegrierten Superheterodyn- Empfänger von Maxim vertraut. Bild 1: Prinzipschaltung des Senders Der folgende Beitrag zeigt, wie sich in einigen wenigen Schritten die optimale Performance aus diesen Sender- und Empfängerbausteinen herausholen lässt. Darüber hinaus werden Techniken vorgestellt, mit deren Hilfe sich die Leistungsfähigkeit eines Designs messen lässt. Ständig kommen neue Produkte für die drahtlose Übertragung im ISM-Band auf den Markt. Angesichts des umfangreichen Angebots verwundert es nicht, dass die Anwender in vielen Fällen nicht mit der Struktur der einzelnen Low-Pin-Count-Sender und vollintegrierten Superheterodyn-Empfänger vertraut sind. Nachfolgend werden eine Reihe einfacher Schritte vorgestellt, mit deren Hilfe Designer das Optimum an Leistungsfähigkeit aus diesen Sendern und Empfängern herausholen können. Zusätzlich werden Techniken gezeigt, mit denen sich wichtige Performance-Parameter dieser Designs messen lassen. Optimierung des Senders Um die Funktion eines einfachen ISM-Senders zu optimieren sind im Wesentlichen nur zwei Schritte nötig (Bild 1). Erstens ist sicherzustellen, dass die Referenzfrequenz korrekt eingestellt ist, und zweitens muss das Ausgangsnetzwerk des Senders korrekt an die Antenne angepasst werden. Üblicherweise wird ein Quarzoszillator als Referenz sowohl für die Sender- als auch für die Empfängerschaltungen verwendet. Die entsprechende Optimierungstechnik wird deshalb später im Abschnitt über die Empfänger behandelt. Anpassung der Sendeantenne Für die erste Anpassung einer Sendeantenne wird eine S11- Messung (Bild 2a) vorgenom­ Bilder 2a und 2b: Gemessene Impedanz (a, links) und berechnetes Netzwerk (b, rechts). Martin Stoehr Maxim Integrated www.maximintegrated.com/ Bild 3: Diese Schaltung erlaubt ein Variieren der Frequenz von 11 MHz bis 15 MHz 36 hf-praxis 5/2014

Wireless Bild 6: Prinzipdarstellung der Quarzschaltung Bild 4: Durch Optimieren des Anpassungsnetzwerks werden ein Strom-Minimum und ein Leistungs-Maxim nahe der gewünschten Frequenz erreicht. men. Hierzu wird mit einem Koaxialkabel eine Verbindung zum Einspeisepunkt der Antenne hergestellt. Die Impedanzwandlungs-Schaltung (Bild 1) wurde als Pi-Tiefpassnetzwerk konzipiert, um zwei Dinge zu erreichen: • Erstens passt die Schaltung die Ausgangsimpedanz des Leistungsverstärkers (Power Amplifier – PA), die hier mit 200 Ω + 0j modelliert ist, an die konjugiert komplexe Impedanz der Antenne (gemessen mit ca. 2,69 Ω - 80,6j – mit der Hand gehalten – siehe Bild 2 und Bild 4) an. • Zweitens dient die Tiefpasswirkung der Unterdrückung von Oberwellen. In diesem Fall wird der Wert der Bias-Induktivität des PA so gewählt, dass die 2,0 pF bis 2,5 pF betragende Streukapazität zur Masse am PA- Ausgang kompensiert wird. Der Serienkondensator C8 fungiert als Gleichspannungssperre. Mit der LLSmith-Software1 lassen sich die Werte für eine Gruppe von Bauelementen schnell näherungsweise bestimmen. Das Smith-Diagramm der theoretisch berechneten Anpassung ist in Bild 2b zu sehen. Da die Antenne elektrisch klein ist, hat sie einen hohen Q-Faktor (ca. 30). Aus diesem Grund ist es meist notwendig, die theoretisch berechneten Werte der Bauelemente anzupassen, um Änderungen der Antennen-Impedanz zu berücksichtigen, die durch Umgebungseinflüsse und parasitäre Widerstände sowie durch Verluste aus den Anpassungs- Bauelementen und der Leiterplatte resultieren. Die Bauelemente des Netzwerks wurden wie folgt dimensioniert: L1 = 62 Bild 7: Bandbreite des ZF-Filters, aufgezeichnet in der Max-Hold- Betriebsart des Spektrumanalysators nH, C8 = 100 pF, C9 = 15 pF, L2 = 39 nH, C10 entfällt. Nachdem auf diese Weise ein Ausgangspunkt geschaffen ist, werden aufgrund von Messungen der Sendeleistung und des PA-Stroms als Funktion der Frequenz Feineinstellungen vorgenommen. Die Messanordnung ist in Bild 3 zu sehen. Anstelle des mit fester Frequenz schwingenden Quarzes wird über einen Sperrkondensator ein externer Signalgenerator an die Quarz- Anschlüsse angeschlossen, damit die Frequenz zwischen ca. 11 MHz und 15 MHz variiert werden kann (was Sendefrequenzen von 352 MHz bis 480 MHz ergibt). Die Peak-to-Peak- Spannung des Signalgenerators ist auf rund 500 mV eingestellt. Bild 5: Die Diagramme des PA-Stroms machen deutlich, wie Änderungen am Anpassungs-Netzwerk die Lage des Strom-Minimums beeinflussen. Für jeden Frequenzwert werden die Sendeleistung und der PA-Strom gemessen und aufgetragen. Die Werte der Bauelemente im Anpassungsnetzwerk (Bild 1) werden anschließend so lange variiert, bis in der Nähe der gewünschten Frequenz (im hf-praxis 5/2014 37

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