Kommunikation Neue
Kommunikation Neue hochlineare Mischergeneration für Basisstationen Bild 1: Blockschaltbild eines typischen Empfängers für Basisstationen Maxim Integrated Products www.maxim-ic.com Die durch die Kommunikationsstandards, z.B. GSM, UMTS oder LTE, geforderten Minimumanforderungen für Empfängerempfindlichkeit und Großsignalfestigkeit stellen hohe technische Anforderungen an jeden einzelnen Funktionsblock im Funkteil einer Basisstation. Diese Anforderungen lassen sich direkt auf die einzelnen Funktionsblöcke eines Empfängers herunterbrechen. Zunächst soll das typische Blockschaltbild eines Empfängers betrachtet werden, dieses Blockschaltbild kann Bild 1 entnommen werden. Es handelt sich hierbei um einen sogenannten Überlagerungsempfänger, auch Superhet-Empfänger, oder kurz „Superhet“ genannt. Das Signal wird mit einer Antenne empfangen, im ersten Filter (RF Filter 1) gefiltert und im nachfolgenden LNA (Low Noise Amplifier) verstärkt. Im Mischer (First Mixer) wird das gefilterte und verstärkte Empfangssignal mit dem Lokaloszillatorsignal gemischt. Je nach Empfängertyp wird mit einem zweiten Mischer das Signal weiter in eine tiefere Zwischenfrequenz gemischt. Der nachfolgende Demodulator demoduliert das Empfangssignal, und das Signal kann dann im Basisband verarbeitet werden. Aus dieser Empfangskette sollen der bzw. die Mischer und ihre spezifischen Parameter genauer betrachtet werden. Die Mischerparameter gehen zusammen mit denen der anderen Komponenten in die Empfindlichkeit und Großsignalfestigkeit ein. Nachfolgend sollen die wichtigsten Mischerparameter betrachtet werden. Die Rauschzahl (NF = Noise Figure) des Mischers gibt an, um wieviel sich am Ausgang des Mischers das Signal-zu- Rauschverhältnis verschlechtert; sie wird folgendermaßen definiert: NF = 10log (SNR RF /SNR IF )[dB] (1) Ein weiterer Parameter ist der sogenannte Conversion Gain oder Conversion Loss. Bei einem passiven Mischer wird die Bezeichnung Conversion Loss benutzt, bei einem aktiven Mischer, also einem Mischer mit verstärkenden Eigenschaften, die Bezeichnung Conversion Gain. Aktive Mischer sind z.B. ein passiver Mischer mit integrierter ZF-Verstärkung oder eine sogenannte „Gilbert-Zelle“. Conversion gain / loss = G = P RF /P IF [dB] (2) Der Parameter Conversion Gain bzw. Loss ist frequenzabhängig und muss über den interessierenden Frequenzbereich spezifiziert sein. Die Variation über den spezifizierten Frequenzbereich sollte so gering wie möglich sein, um eine gute Empfängerperformance im gesamten Frequenzbereich zu erhalten. Basisstationen sind wechselnden Temperaturbedingungen ausgesetzt, daher sollte die Temperaturabhängigkeit des „Conversion Gain / Loss“ innerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs so gering wie möglich sein, um nicht unnötig Systemreserven bei normalen Bedingungen vorhalten zu müssen. Mit den Parametern 1-dB- Kompressionspunkt (compression point) P1dB und den Intercept-Punkten zweiter und dritter Ordnung (IP2 und IP3) wird das Großsignalverhalten des Mischers beschrieben. Der 1-dB-Kompressionspunkt (compression point) P1dB beschreibt die Eingangsleistung, bei der die lineare Verstärkung des Mischers um 1 dB zurückgeht. Weiterhin soll ein Mischer ein schwaches Signal auch dann umsetzen, wenn zwei starke Signale nahezu gleicher Frequenz vorhanden sind. Dies wird durch die Angabe besonders des Intercept-Punktes dritter Ordnung IP3 beschrieben. Ein gutes Großsignalverhalten heißt Linearität bei großen Eingangssignalen und bestimmt zusammen mit der Rauschzahl den Dynamikbereich des Mischers. Bei der Spezifikation der Interceptpunkte IP2 und IP3 im Datenblatt muss darauf geachtet, ob der Interceptpunkt für den Mischereingang oder – ausgang definiert wurde. Gemäß Formel (3) lassen sich mit Hilfe des im Datenblatt angegebenen Conversion Gains bzw. Loss die Werte berechnen. OIP 3 = IIP 3 + G (3) Bei passiven Mischern führt der Conversion Loss also dazu, dass der OIP3 kleiner als der IIP3 ist. Das nachfolgende Signal muss dann mit einem Verstärker (Gain block) verstärkt werden. Die Rauschzahl des Verstärkers und die Interceptpunkte dieser Kette müssen gemeinsam betrachtet 28 hf-praxis 1/2012
Kommunikation Bild 2: Blockschaltbild des Mischers MAX2042A werden. Ein großer Vorteil eines passiven Mischers ist, dass er sowohl als sogenannter Downconverter zum Umsetzen der Empfangsfrequenz in die Zwischenfrequenz benutzt werden kann, als auch als sogenannter Upconverter das Signal von der Zwischenfrequenz in eine höhere Sendefrequenz verschieben kann. Somit ist es möglich, den gleichen Mischer sowohl im Empfangspfad als auch im Sendepfad zu benutzen. Dies reduziert z. B. den Aufwand bei der Bauteilbeschaffung und Lagerhaltung. Soll der Mischer in einem Empfänger mit Direktmischung eingesetzt werden, so muss besonders auf die sogenannte Port-Port-Isolation geachtet werden. Der Parameter gibt an, wie groß die Entkopplung zwischen Lokaloszillator(LO)und RF-Eingang des Mischers ist. Ist diese nicht hoch genug, kann z.B. der Lokaloszillator (LO) mit sich selbst mischen und zu einem Gleichspannungsoffset am ZF-Ausgang führen. Durch die Frequenzumsetzung ergeben auch die Frequenzanteile 2*RF – 2*LO und 3*RF – 3*LO einen Beitrag in der ZF- Frequenz. Die sogenannte 2 x 2 und 3 x 3 Performance gibt ein Maß dafür an, wie groß dieser Anteil ist. Neben diesen Parametern spielt der Integrationsgrad eine große Rolle. Es erweist sich oft als vorteilhaft, dass neben dem Mischerkern auch noch ein Pufferverstärker für den Lokaloszillator, die notwendigen Symmetrierübertrager (Baluns) und die Möglichkeit zur LO-Umschaltung integriert ist. Um den Aufwand bei der Entwicklung und der Produktion zu verringern, werden heute oftmals die Schaltungen so entwickelt, dass eine Leiterplatte für verschiedene Frequenzbereiche und Mobilfunkstandards, z.B. für das GSM-Band bei 900 MHz, als auch für das UMTS- Band bei 2100 MHz, benutzt werden kann. Es hat sich somit als vorteilhaft erwiesen, ganze Mischerfamilien mit identischer Pinbelegung anzubieten, die die Frequenzbereiche z. B. für GSM, UMTS und LTE abdecken. Als Beispiel für einen passiven Mischer soll der Baustein MAX2042A näher betrachtet werden. Er kann sowohl im Empfänger zum Heruntermischen des Empfangssignals in die ZF-Frequenz, als auch im Sender zum Heraufmischen des ZF-Signals in den Sendefrequenzbereich benutzt werden. Bild 2 zeigt das Blockschaltbild des Mischers. In diesem Baustein sind alle externen Komponenten, wie ein LO-Pufferverstärker und die Baluns für den RF- und LO- Zweig integriert. Durch die Verwendung eines SiGe-Halbleiterprozesses kann eine beachtliche Performance bei einer RF-Bandbreite von 1600 MHz – 3900 MHz erreicht werden. Durch den hohen Intercept-Punkt dritter Ordnung von +33,3 dBm am Eingang des Mischers und einem 1-dB-Kompressionspunkt von +21,7 dBm ist dieser Baustein optimal für den Einsatz in Basisstationen geeignet, die diverse Standards oder Frequenzvarianten zu erfüllen haben. Ein Conversion Loss von 7,2 dB und eine Rauschzahl von 7,25 dB unterstreichen die Leistungsfähigkeit des Bausteins. Besonders hervorzuheben ist die überragende 2*RF-2*LO Performance von 72dBc, damit vereinfachen sich die Filteranforderungen und es können einfachere und somit kostengünstigere Filterschaltungen eingesetzt werden. Da besonders bei Mischern hohe Anforderungen an die Linearität und Rauscharmut gestellt werden, mussten diese Bauteile in der Vergangenheit mit hohen Strömen und hohen Versorgungsspannungen betrieben werden. Durch Ströme im Bereich von mehreren 100 mA ergeben sich Verlustleistungen im Bereich von 1 - 2 W pro Mischer. Die entstehende Verlustleitung muss auf der Platine durch passende Layoutmaßnahmen abgeleitet werden. Durch die hohe Bauteildichte in heutigen Schaltungen ist oftmals eine optimale Wärmeableitung nicht möglich, es können sich somit auf der Platine lokal begrenzte Übertemperaturen, auch „Hot Spots“ genannt, ausbilden. Übertemperaturen von mehr als 30 K sind hierbei nicht ungewöhnlich und können die Lebensdauer der Komponenten deutlich reduzieren. Mit der neuen Mischergeneration von MAXIM ist es nun möglich, die Verlustleistung der Mischer weiter abzusenken, ohne dass sich durch diese Maßnahme die Rauschzahl, der Conversion Loss drastisch verschlechtert. Dies wird dadurch erreicht, dass die neue Mischergeneration neben einer Versorgungsspannung von 5 V auch mit einer Versorgungsspannung von 3,3 V betrieben werden kann. Der Mischer MAX2042A ist pinkompatibel mit den Mischern M A X 2 0 2 9 , M A X 2 0 3 9 , MAX2041, MAX2042 sowie MAX2044 und erweitert mit seinem RF-Frequenzbereich von 1600 MHz bis 3900 MHz den Frequenzbereich der passiven Mischerfamilie. Mit dieser Mischerfamilie ist es möglich, mit einem einzigen Layout einen Empfänger für verschiedene Frequenzbereiche und Kommunikationsstandards zu realisieren. Als nächstes soll nun ein aktiver Mischer näher betrachtet werden. Diese Mischer bestehen z.B. aus einer Gilbert-Zelle oder einem passiven Mischer mit einem Verstärker im ZF-Pfad. Hier soll die letztere Ausführung genauer besprochen werden. Besitzt dieser Mischer dazu noch eine sehr gute Rauschzahl, wie z.B. der MAX9986, kann vor dem Mischer auf eine Verstärkerstufe mit geringerer Verstärkung zurückgegriffen werden. Im Gesamtsystem führt dies zu einer höheren Linearität. Oder anders gesprochen, wird vor dem Mischer ein Verstärker mit einem höheren Gain eingesetzt, so muss die Linearität des Mischers verbessert werden, um die gleiche Linearität im Gesamtsystem zu erreichen. Die Empfangseinheit (Receiver oder kurz RX genannt) einer Basisstation besteht normalerweise aus zwei kompletten Empfängerzügen, „Main“ und „Diversity Receiver“ genannt. Durch Ausnutzung des Diversity-Empfangs kann die Leistungsfähigkeit der Übertragungsstrecke erhöht werden und damit z.B. auch bei Mehrwegeempfang oder Fading eine hohe Qualität der Übertragungsstrecke sichergestellt werden. Es ist nun nahe liegend, die Mischer in diesen beiden Empfängern durch ein Bauteil mit zwei integrierten Mischerpfaden zu ersetzen. MAXIM bietet eine neue Generation von Dual- Mischern speziell für Basisstationen an. Stellvertretend für diese Familie soll hier der Mischer MAX19985A vorgestellt werden. Diese Mischergeneration bietet auch die Möglichkeit, durch Reduktion der Versor- hf-praxis 1/2012 29
