Messtechnik Entwicklung
Messtechnik Entwicklung und Spezifizierung eines HF-Schaltsytems 1 fasst die Vor- und Nachteile zusammen. Schalter auf Basis einer CMOSoder GaAsFET-Technologie erreichen im Vergleich zu elektromechanischen Ausführungen eine sehr hohe Schaltgeschwindigkeit und Lebensdauer, haben jedoch eine große Einfügedämpfung. In vielen Fällen kann diese durch Signalanpassung kompensiert werden. Auch die Isolationswerte können kritischer sein als bei elektromechanischen Schaltern, denn Halbleiterrelais sind von Natur aus sehr klein und weisen daher sehr kleine Abstände bei der Signalführung auf. Verbessert werden kann das Verhalten durch Anwendung absorbierender Schalter oder auch durch kaskadierte Schalter, wenngleich das wiederum die Einfügedämpfung negativ beeinflusst. Vorteil der geringen Baugröße ist die gute Integrationsmöglichkeit durch hohe Packungsdichte. Zu bedenken ist auch, dass mit steigender Bandbreite die Produktion elektromechanischer Relais schwieriger wird, da selbst geringfügige mechanische Schwankungen die Leistungsdaten beeinträchtigen. Infolgedessen können Ausführungen für über 3 GHz sehr kostspielig sein bei reduzierte Lebensdauer (Anzahl der Schaltzyklen bei moderater Belastung). In der Entwicklungsphase eines Hochfrequenz- Prüfsystems hat die Auslegung des Schaltsystems oft eine untergeordnete Priorität. Autor: Matthias von Bassenheim Geschäftsführer Pickering Interfaces Deutschland www.pickeringtest.com Häufig müssen jedoch grundlegende Entscheidungen bereits früh in der Entwicklungsphase getroffen werden, wodurch sich die HF-Schaltlösung schnell zu einem bestimmenden Element entwickelt. Bevor jedoch mit ihrer Auslegung begonnen werden kann, müssen die erforderlichen Eckparameter der Anwendung bestimmt werden: Benötigt wird eine Spezifikation mit genauen Leistungsdaten für das HF- Schaltsystem. Die Kernfragen in diesem Zusammenhang sind u.a.: • Welche Signalfrequenzen sind zu erwarten? • Welche Signalpegel und -leistungen müssen verarbeitet werden? • Zu welchen Steckverbindern und Kabeln muss das Schaltsystem passen? • Welche Kabel- und Steckertypen erfordert der Prüfling? • Welche Tests sind erforderlich (Schaltflexibilität, Schaltzeiten...)? • Welches Bus- und Betriebssystem sowie welche Anwendungssoftware kommen zur Anwendung? • Wie soll das Schaltsystem gesteuert, wie räumlich aufgebaut sein? Antworten auf diese Fragen früh in der Entwicklungsphase helfen, Überblick darüber zu gewinnen, welche Schaltmodule mit welchen Relaistypen auszuwählen sind, wie der Prüfling anzuschließen ist und wie eine Systemlösung im Allgemeinen aussehen sollte. Relais-Grundtypen Eine weitere wichtige Frage ist die nach dem grundsätzlichen Relaistyp: elektromechanisch oder halbleiterbasiert? Tabelle Aber auch Halbleiterrelais haben Einschränkungen. So können sie z.B. weniger HF-Leistung schalten als ihre mechanischen Pendants. Schaltsysteme auf Basis von Halbleiterrelais eignen sich sehr gut für Anwendungen mit Signalpegeln bis 20 dBm, womit die Anforderungen zahlreicher Applikationen abgedeckt sind. Bei hohen Signalpegeln ist hier z.B. die Nichtlinearität zu beachten. Die Anwendung von HF-Halbleiterschaltern bei Frequenzen unter 10 MHz ist, um Beschädigungen zu vermeiden, nicht 36 hf-praxis 12/2018
Messtechnik Relais-Art Vorteile Nachteile elektromechanisch geringere Einfügedämpfung, bessere Isolation, größerer Frequenzbereich (bis 65 GHz), höhere Belastbarkeit geringere Schaltgeschwindigkeit (ms gegenüber µs), größere Bauform Halbleiter Tabelle 1: Die Grundtypen im Vergleich allzu ratsam. Oft sollte eine AC- Kopplung erwogen werden. Bei hohen Anforderungen an die Intermodulationseigenschaften kann der Intercept-Point dritter Ordnung (IP3), der das Intermodulationsverhalten charakterisiert, herangezogen werden. Die Pickering-Serie 40-880 bietet hier beispielsweise mehr als 60 dBm. Steckverbinder und Kabel erfordern weiter die Aufmerksamkeit des Entwicklers. HF- Schaltsysteme werden mit unterschiedlichsten HF-Steckverbindern geliefert. Die folgende Übersicht beschreibt die gängigen Typen: • SMB höhere Schaltgeschwindigkeit (bis zu 1000-fach), kleiner, zuverlässiger Dieser kleine Steckverbinder kann bis 4 GHz benutzt werden und ist in den Versionen 50 und 75 Ohm verfügbar. Seine geringen Abmessungen prädestinieren ihn für PXI-Module; es lassen sich viele Buchsen auf der Frontplatte des Moduls anordnen. Die werkzeuglose SnapOn-Verriegelung sorgt für eine einfach zu bedienende, schnelle und sichere mechanische Verbindung. Das SMB-System ist wohl gerade deshalb weit verbreitet, und konfektionierte Kabel können von vielen Distributoren bezogen werden. Die geringe Größe lässt jedoch nur verhältnismäßig dünne und somit relativ hoch deämpfende Kabel zu. • MCX Diese Steckverbinder weisen gegenüber den SMB-Ausführungen einige Vorteile auf. Sie bieten bis zu 6 GHz bessere HF- Eigenschaften und sind noch etwas kleiner. Ebenso wie das SMB-System verfügen sie über einen SnapOn-Mechanismus zur werkzeuglosen Montage und Verriegelung. Obwohl nicht so verbreitet wie SMB-Steckverbinder, sind sie die höherwertige Wahl. Kabel stehen von zahlreichen Herstellern in 50- als auch 75-Ohm-Ausführungen zur Verfügung. • SMA Diese Steckverbinder eignen sich bis 18 GHz und können mit dickeren und sogar halbstarren Kabeln eingesetzt werden. Damit ausgestattete Systeme profitieren von sehr guter HF- Leistung und geringen Verlusten. Sie sind jedoch größer als SMBund MCX-Steckverbinder und benötigen zur Montage einen kleinen Gabelschlüssel, idealerweise als Drehmomentschlüssel ausgeführt, um zum einen eine sichere Verbindung zu erreichen und zum anderen mechanische Überlastung zu vermeiden. Aktuell sind nur 50-Ohm- SMA-Steckverbinder erhältlich. • QMA Diese Steckverbinder wurden speziell für Telekommunikationssysteme, kleine Mobilfunksysteme und WiFi-Anwendungen entwickelt, für die hohe Leistung und werkzeuglose Handhabung unverzichtbar ist. Sie sind den SMA-Steckverbindern sehr ähnlich und haben zusätzlich höhere Einfügedämpfung, schmalerer Frequenzbereich (10 MHz bis 6 GHz) eine gesicherte SnapOn-Verriegelung. Nach dem Einrasten des Steckers kann er erst durch Betätigen eines Sicherungsrings wieder getrennt werden. Versehentliches Lösen oder Trennen eines verbundenen Kabels ist nahezu ausgeschlossen. QMA- Steckverbinder können bis zu 18 GHz verwendet werden, optimal geeignet sind sie für Frequenzen bis 6 GHz. Es gibt aktuell nur 50-Ohm-Ausführungen. • N Typ-N-Stecker werden aufgrund ihrer Größe und Robustheit häufig bei Tischgeräten verwendet. Mit ihnen lassen sich besonders große und somit verlustarme Kabel ausstatten. Es gibt sowohl 50- als auch 75-Ohm-Ausführungen. Für die Verwendung bei PXI-HF-Schaltsystemen sind sie aufgrund der Größe weniger geeignet. • F Typ-F-Steckverbinder sind häufig bis 2 GHz spezifiziert, sollten aber nur bis 1 GHz verwendet werden. Sie zeigen häufig Schwächen bei der Impedanzanpassung, was bei höheren Frequenzen durch hohes SWR zu Signalstörungen führen kann. Typ F-Steckverbinder sollten in Messtechnikanwendungen nur eingesetzt werden, wenn keine andere Alternative besteht. • mehrpolige HF-Steckverbinder Diese werden von Positronics, Souriau und anderen Herstellern produziert. Ein Steckverbinderblock beinhaltet in proprietären Kontaktanordnungen eine Vielzahl von Koaxialverbindungen. Durch die hohe Verbindungsdichte innerhalb einer relativ kleinen Frontplattenfläche bieten sie sich besonders für PXI- Module an. So wird eine flächensparende, schnelle, sichere und gleichzeitige Kopplung vieler Koaxialverbindungen ermöglicht. Die Steckverbinder sind äußerst kompakt und nutzen die Crimptechnik zur Herstellung der Anschlüsse zu dünnen Koaxialkabeln. Der miniaturisierte Aufbau dieses Steckertyps erreicht eine qualitativ gute Signalübertragung bis 500 MHz. Pickering empfiehlt, für Messtechnikanwendungen 500 MHz wegen zunehmender Signaldegeneration durch hohes SWR nicht zu überschreiten. Terminiert oder Nichtterminiert? So lautet eine weitere Frage. Die Terminierung der Ports eines HF-Schalters bringt für viele Anwendungen Vorteile. HF-Schalter mit terminierten Ein- und Ausgängen sind zwar kostspieliger, dafür bieten sie aber auch eine bessere Systemleistung, indem sie das Stören anderer Verbindungen z.B. durch Übersprechen, Resonanz und Isolation reduzieren. Das Übersprechen ist zwar nicht vollständig eliminiert, die Leistungsmerkmale des HF-Schalters sind jedoch allgemein besser und auch konsistenter. Es gibt so gut wie keine Resonanzeffekte, auch wenn die Verbindungslänge ein Viertel der Wellenlänge oder ein ungerades Vielfaches davon betragen sollte. Unterminiert käme es sonst zu additiver bzw. subtraktiver Überlagerung der Signale. Eine Fehlanpassung der Impedanz des Schalteingangs an die Signalquelle hat grundsätzlich ein hohes SWR zur Folge. Nichtterminierte Schalter reflektieren dann hohe Spannungswerte. Zusätzlich dazu können die Reflexionen auch die HF-Quelle belasten. Sender arbeiten meist mit hohem SWR am Ausgang, um die Leistungsverluste im treibenden Verstärker zu minimieren (beim SWR 1 würde die halbe Leistung in der Ausgangsstufe verloren gehen). Dies ist jedoch kein Problem, solange es an der Quelle zu keinen Reflexionen kommt. hf-praxis 12/2018 37
