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1-2020

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Titelstory Heterodyne

Titelstory Heterodyne Direct Conversion Direct Sampling Bewährt / zuverlässig Hohe Leistung Optimale Störanfälligkeit Hoher Dynamikbereich EMV-Immunität Maximaler ADC BW Einfachste WB-Option Kein Mischen Jetzt auch im L-/S-Band einsetzbar SwaP Viele Filter Unterdrückung der Spiegelfreq. (Image rejection) I/Q-Saldo In-Band IF-Oberschwingungen LO-Störungen Störfestigkeit (IP2) DC- und 1/f-Rauschen ADC-Eingang BW Verstärkung nicht über die Frequenz verteilt Bild 2: Die verschiedenen Architekturen. Obwohl nur der Empfänger dargestellt wird, gelten die Topologien auch für die Signalketten der Wellenformgeneratoren Strahlform-Zeitverzögerung und Summierungsstrukturen erreicht. Es handelt sich um eine Form der Parallelverarbeitung, die mehrere Keulen erzeugt, die unabhängig voneinander aus dem gleichen ADC-Datenstrom programmierbar sind. Theoretisch könnte dies auf eine sehr große Anzahl von Keulen ausgedehnt werden. In der Praxis bestimmt die Fähigkeit der digitalen Verarbeitung das realisierbare Limit. Um die Verarbeitung mit praktischen Datenraten zu verbinden, definieren einige Systeme ein Strahl-Bandbreiten-Produkt. Dies ermöglicht einen Kompromiss zwischen der Anzahl der Keulen und der Bandbreite pro Keule. Bild 2 illustriert den Vergleich. Welche Vor- und Nachteile sind zu nennen? Ein Vorteil des analogen Beamformings ist die einfache Implementierung. Es werden nur wenige Datenwandler eingesetzt, und damit ergibt sich ein gut beherrschbarer digitaler Entwicklungsaufwand. Die Herausforderung besteht aber darin, dass eine analoge Strahlformungsstruktur für jede Keule geschaffen werden muss. Nach der Strahlformung ergeben sich aber einige Fehlerquellen. Für kostengünstige Systeme mit niedriger Keulenanzahl ist die analoge Strahlformung jedoch eine gute Lösung und wird die erste Wahl sein für kostensensitive Antennensysteme. Die Vorteile der digitalen Strahlformung liegen in der Flexibilität durch mehrere programmierbare Keulen gleichzeitig in unterschiedliche Richtungen. Leider sind die Herausforderungen beträchtlich, einschließlich der großen Menge an digitalen Daten, der Synchronisation und der physikalischen Größenbeschränkungen für die Elektronik, die hinter jedem strahlenden Element benötigt wird. Trotz dieser Herausforderungen kann die digitale Strahlformung immer noch eine kostengünstige Architektur sein, wenn viele Keulen gleichzeitige von einer einzigen Antenne erzeugt werden. Ein Kompromiss ist der Mix aus analoger und digitaler Strahlformung. In diesem Fall werden die Strahler-Elemente im analogen Bereich zu Subarrays geformt, dann können Keulen innerhalb des Subarray-Musters digital gebildet werden. Das kann man als eine hybride Architektur betrachtet, die auch sehr beliebt ist, wenn digitales Beamforming gewünscht wird, aber volldigitales Beamforming aufgrund der vielfältigen Herausforderungen oder wegen der Systemkostenbeschränkungen nicht praktikabel ist. Können Sie Ihren Anteil in RF-Frontends beschreiben? Zuerst definieren wir das RF- Frontend. Dieses besteht typischerweise aus dem T/R-Modul zusammen mit der analogen Strahlformung. In allen diesen Bereichen entwickeln wir Produkte. Neue HPAs und LNAs werden regelmäßig angekündigt, um die Marktanforderungen zu erfüllen. Es gibt auch verlustarme, leistungsstarke Schalter, die im Frontend ein schnelles Umschalten zwischen Senden und Empfang ermöglichen. Diese können in T/R-Module als Komplettlösung integriert werden, wenn dies für Kundenanwendungen sinnvoll ist. Die Industrie arbeitet intensiv an der Verbesserung der GaN- Technologie für HPAs und LNAs. Motiviert durch zahlreiche Publikationen die z.B. deren höhere Leistungsdichte und höhere Durchbruchspannungen beschreiben. Für Phased-Array-Anwendungen gibt es zusätzliche Motivation. Bei höheren Betriebsspannungen fließt geringerer Strom in die Stromverteilung, was zu einer Effizienzsteigerung des Gesamtsystems führt. Die höheren Durchbruchspannungen führen zu einer längeren Lebensdauer der LNAs und können in einigen Fällen Frontend-Limiter überflüssig machen, die zu einem insgesamt niedrigeren Empfängerrauschen führen, auch wenn die GaN-LNA-Rauschwerte leicht über denen der GaAs- LNA liegen. 28 hf-praxis 1/2020

Titelstory Bild 3: Halbe Wellenlänge Elementabstand vs. Frequenz Für analoge Strahlformer haben wir kürzlich den ADAR1000 vorgestellt. Dies ist ein X- und Ku-Band-4:1-analoger Strahlformer. Zusätzlich zu allen erforderlichen analogen Strahlformungsfunktionen wurde für die HPA/LNA-Impulsformung eine einzigartige Gate-Steuerung integriert. Das schnelle Ein- und Ausschalten wurde durch die Steuerung von Gate und nicht von Drain erreicht. Dieser Ansatz erübrigt das Schalten eines hohen Stroms über Drain. Wir bieten Anwendungshinweise mit Schaltungen für das Gate- Switching und solche die zeigen, wie der ADAR1000 die Steuerung der T/R-Module unterstützt. Welche sind einige der heute implementierten Architekturen für Empfänger und Wellenformgeneratoren? Die Architekturen des Empfängers und des Wellenformgenerators lassen sich grob in drei Varianten unterteilen: Heterodyn, Direkt-I/Q Sampling und Inband-Direktabtastung. Es gibt Vor- und Nachteile jeder Architektur, abhängig von der Anwendung. Wir kennen sie alle und entwickeln ICs, die alle Architekturen unterstützen. Bild 2 veranschaulicht die verschiedenen Architekturen. Obwohl nur der Empfänger dargestellt wird, gelten die Topologien auch für die Signalketten der Wellenformgeneratoren. Das seit 100 Jahren bekannte Heterodyne-Konzept ist bewährt und kann bei richtiger Frequenzplanung eine hervorragende Performance erbringen. Leider ist es das komplizierteste Verfahren. Es benötigt typischerweise die meiste Leistung und den größten physischen Speicherbedarf im Verhältnis zur verfügbaren Bandbreite. Die Frequenzplanung stellt außerdem bei großen Bandbreiten eine große Herausforderung dar. Es ist auch die am wenigsten programmierbare Technik, außer es ist zusätzliche Hardware enthalten, um zwischen einer Vielzahl von Filterund LO-Pfaden zu wechseln. Einer der neueren Trends ist, moderne Hochgeschwindigkeitswandler und Transceiver einzusetzen, die mit höheren Zwischenfrequenzen arbeiten können. Dies kann Frequenzpläne vereinfachen, Mischstufen eliminieren und Komplexität reduzieren. Das direkte Abtastverfahren wird seit langem eingesetzt, es muss aber mit Geschwindigkeiten betrieben werden, die der direkten HF-Abtastung entsprechen und eine große Eingangsbandbreite bereitstellen. Heute sind Hochgeschwindigkeitswandler für die direkte Abtastung im S-Band und höher verfügbar, einige sind in den Referenzen aufgeführt. Die Abtastung mit GSPS-Raten mit analogen Eingangsbandbreiten über 6 GHz werden bei den neuesten Hochgeschwindigkeitswandlern neu angeboten. Die direkte Abtastung höherer Frequenzen ist dabei weiterhin im Trend, bedingt durch neue Datenkonverter. Da in den Fin- FET-CMOS-Knoten der nächsten Generation Transistoren für immer höhere Frequenzen eingesetzt werden und die parasitäre Kapazitäten weiter reduziert, sind neue Datenwandlerfamilien möglich, die einen erheblichen Einfluss auf das zukünftige Design von HF-Systemen haben können. Direktwandlerarchitekturen nutzen die Datenwandler-Bandbreite am effizientesten. Die Datenwandler erfüllen das erste Nyquist-Kriterium, wo die Performance optimal ist und die Tiefpassfilterung einfacher. Die beiden Datenwandler arbeiten zusammen, um I/Q-Signale abzutasten und so die Nutzbandbreite ohne Verschachtelung zu erhöhen. Die größte Herausforderung für die Direktwandlerarchitektur seit Jahren besteht darin, die I/Q-Balance aufrechtzuerhalten für akzeptable Werte bei Spiegelfrequenz- Unterdrückung, LO-Leckagen und DC-Offsets. In den letzten Jahren hat die gelungene Integration der gesamten Signalkette für die direkte Umwandlung in Kombination mit digitalen Kalibrierungen diese Herausforderungen wesentlich verbessert. Unsere Transceiver-Produktlinie basiert auf direkten Wandlerarchitekturen. Wenn die Leistung passt, sind diese die am besten verfügbaren wirtschaftlich integrierten Lösungen. Gibt es weitere Vorteile durch die Verteilung der Wellenformgeneratoren und Empfänger in einem digitalen Strahlform- Array? Eines der Ziele der Systementwicklung mit verteilter HF- Elektronik ist eine Verbesserung des Dynamikbereichs durch die Kombination von Kanälen. Wenn zwei HF-Signale kombiniert werden, und die HF-Signale in Amplitude und Phase angepasst sind und das Rauschen in jedem der Kanäle nicht korreliert ist, gibt es eine 10logN-Kombi- hf-praxis 1/2020 29

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