12-2018

Komponenten Bild 3: Das

Komponenten Bild 3: Das 400-W-Outdoor-Modell des R&S PKU100 ker liefert keine HF-Leistung mehr, ihr Austausch ist kostspielig. Zudem ist die Röhrentechnik relativ fragil. Eine Änderung des Betriebsmodus, z.?B. der Frequenz, hat oft unliebsame Folgen für die Signalqualität. Und Schwankungen der Umgebungstemperatur beeinflussen die Ausgangsleistung. Die hohe Rauschzahl der Röhrenverstärker ist der Signalqualität nicht zuträglich. Für eine gute Leistungsausbeute werden ihre nicht linearen Verzerrungen durch Linearisierer für einen bestimmten Arbeitspunkt kompensiert. Beim Ändern der Ausgangsleistung muss der Linearisierer erneut optimiert werden. Auch die Wartung ist nicht trivial: Wegen der hohen Spannungen an der Röhre ist erfahrenes Personal notwendig. Verstärker auf Halbleiterbasis sind in vielen Punkten im Vorteil. Aktuell werden meist GaN- (Galliumnitrid-) oder GaAs- (Galliumarsenid-)Transistoren verwendet. Ihr wichtigster Pluspunkt ist ihre hohe Ausfallsicherheit. Da sie aus mehreren Einzeltransistoren aufgebaut sind, deren Leistungen über vollisolierte Koppelnetzwerke zur Gesamtausgangsleistung addiert werden, ist sichergestellt, dass beim Ausfall eines Transistors der Betrieb mit reduzierter Leistung weitergeht. Zwar ist auch die Lebensdauer von Transistoren, bedingt durch Elektromigration, begrenzt, doch liegt ihre Time-to-Failure bei typisch über 100 Jahren. Halbleiter-Leistungsverstärker sind sofort betriebsbereit, da sie nicht vorgeheizt werden müssen. Temperaturkompensierte Regelschaltungen halten ihre Ausgangsleistung in einem großen Temperaturbereich konstant (< ±0,1 dB). Gewicht und Größe sind ein Schwachpunkt herkömmlicher Halbleiter-Leistungsverstärker, bedingt durch die notwendigen Combiner für die Zusammenschaltung der Transistoren. Sie sind daher in der Regel deutlich größer und schwerer als leistungsmäßig vergleichbare Röhrenverstärker. Zudem fällt ihre Energiebilanz aktuell noch wesentlich schlechter aus. R&S PKU100: Das Beste aus beiden Welten Die Vorteile aus beiden Welten zu vereinen und ihre Schwächen möglichst zu meiden war das Ziel bei der Entwicklung der HF-Hochleistungsverstärker R&S PKU100. Sie kombinieren die Kompaktheit und Vorzüge der Röhren- mit den Vorteilen der Halbleitertechnologie. Zum Erzielen hoher Ausgangleistungen sind ihre Endstufen aus mehreren MICs (Microwave Integrated Circuits) zusammengeschaltet. Fällt ein MIC aus, liefert der R&S PKU100 weiterhin eine (verringerte) Ausgangsleistung, die oft noch ausreicht, um den Uplink aufrechtzuerhalten. Die Geräte sind lieferbar als Indoor- und Outdoor-Variante mit 400 W und 750 W Spitzenleistung, und das jeweils für die Frequenzbereiche 12,75 GHz bis 13,25 GHz und für 13,75 GHz bis 14,5 GHz (Bild 2 und 3). Beide Indoor- Ausführungen sind nur 3 HE hoch, das 400-W-Modell nur 18 kg schwer. Der Formfaktor der Verstärker ist damit einzigartig unter Halbleiterverstärkern und mit denen von Röhrenverstärkern gleicher Leistung vergleichbar. Auch beim Wirkungsgrad kommt der R&S PKU100 den TWTA sehr nahe, er liegt bei mindestens 20 % bezogen auf die Spitzenleistung. Die Qualität des HF-Ausgangssignals ist von großer Bedeutung. Sie wird maßgeblich von der Linearität des Verstärkers bestimmt, wobei man zwischen Inband- und Außerband-Signalqualität unterscheidet (Bild 4): Bild 4: Je größer der Schulterabstand ist, umso weniger werden die Nachbarkanäle gestört Inband-Signalqualität Das Ausgangssignal des Verstärkers muss eine bestimmte Güte haben, u.?a. definiert durch den MER-Wert (Modulation Error Ratio). Die MER kennzeichnet die Summe aller Störeinflüsse auf die Qualität im Nutzsignal einer digitalen Funkübertragung. Dazu zählen Rauschen und nicht lineare Verzerrungen, deren spektrale Anteile in das Nutzsignal fallen. Je besser die MER des ausgesendeten Signals, desto geringer kann der Signal- Rausch-Abstand im Empfänger sein, um das Signal fehlerfrei decodieren zu können. Ein weiterer Parameter zur Charakterisierung der Inband-Signalqualität ist die EVM (Error Vector Magnitude). Sie beschreibt die Größe des Fehlervektors und ist ein Maß für die Abweichung der übertragenen Symbole von der Idealkonstellation. Je kleiner die EVM, umso besser ist die Signalqualität. Außerband- Signalqualität Die spektrale Reinheit des Signals in den Nachbarkanälen ist ebenfalls ein wichtiges Kriterium bei der Wahl eines Verstärkers. Zur Beurteilung dient hier der Schulterabstand des Nutzsignals. Je größer er ist, umso weniger Störungen gelangen in die Nachbarkanäle. Bei Verstärkern für Satelliten-Uplinks 54 hf-praxis 12/2018

Bild 5: Steigerung der Signalqualität durch adaptive Linearisierung. Spektrum und EVM bzw. MER ohne (linke Seite) und mit der Funktion bei 64APSK- Modulation wird oft gefordert, dass Außerband-Intermodulationsprodukte dritter Ordnung nicht größer als –25 dBc sind. Mit dieser Grenze kann sichergestellt werden, dass ein DVB-S-QPSK-Signal in etwa die Spektrummaske einhält – wobei allerdings je nach Satellitenbetreiber unterschiedlich strenge Anforderungen gelten. Eine hohe Signalqualität ist u.?a. auch wegen neuer TV-Standards wie DVB-S2 erforderlich, die höherwertige Modulationsarten definieren (z.?B. 64APSK). Top-Signale durch adaptive Linearisierung Für Ausgangssignale in noch besserer Qualität gibt es zu den R&S PKU100 eine automatische adaptive Linearisierung, mit der sich die Eingangssignale so verändern lassen, dass Nichtlinearitäten des Verstärkers optimal kompensiert werden und sich die Schulterabstände deutlich vergrößern (Bild 5). Netzbetreiber wünschen für Letztere oft einen Wert von –35 dB, den die R&S PKU100 mit dieser Option spielend erreichen. Bei herkömmlichen Verstärkern muss die Ausgangsleistung stärker reduziert werden, um sie im linearen Bereich zu halten und den gewünschten Schulterabstand zu erreichen. Durch die Linearisierung verbessert sich auch die MER. Ohne Linearisierung erreicht sie 25 dB, mit Linearisierung fast 35 dB. Dies ist ein weiteres Plus der adaptiven Linearisierung, welche die Signalgüte im Uplink deutlich erhöht und damit mehr Leistungsreserven in der Übertragungsstrecke schafft. Werden Ausgangsleistung oder Frequenz geändert, passt sich die Linearisierung auf Wunsch automatisch an. Die Option ist für Nutzsignalbandbreiten < 100 MHz geeignet. Integrierter Block- Upconverter Die Leitungsdämpfungen im Ku-Band sind frequenzbedingt recht hoch, weshalb die Signalzuführung zum Verstärker oft im verlustärmeren L-Band durchgeführt wird. Alle Verstärker der R&S PKU100-Familie sind daher optional mit einem integrierten Block-Upconverter (BUC) erhältlich. Redundant und komfortabel Mit einer Netzteilredundanz können die Verstärker aus zwei unterschiedlichen Stromversorgungsnetzen gespeist werden. Ausfälle eines Stromnetzes oder eines Netzteils gefährden den Uplink dann nicht. Eine optionale DC- Versorgung mit 48 V ist nützlich für mobile Anwendungen oder dort, wo die kurzzeitigen Überbrückung der Reserveversorgung über Akkus vorgesehen ist. Bedient werden die Verstärker über ein intuitives Web-Interface (Bild 6) oder das Gerätedisplay. Zur einfachen Einbindung in Bild 6: Die R&S PKU100 können über jeden Web-Browser bedient werden übergeordnete Managementsysteme dienen eine SNMP- Schnittstelle, die über LAN angesprochen wird, eine serielle RS-232?/?485- sowie eine parallele, potenzialfreie Schnittstelle. Fazit Die HF-Leistungsverstärker der Familie R&S PKU100 für das Ku-Band vereinen die Vorteile von Röhren- und Transistorverstärkern. Sie sind kompakt, leicht und als Indoor- und Outdoor- Geräte lieferbar. Mit der automatischen adaptiven Linearisierung erzeugen die Verstärker Signale in hervorragender Qualität und sind bestens gerüstet für den Einsatz bei höherwertigen Modulationsverfahren, wie sie im DVB-S2- Standard bereits definiert sind. ◄ hf-praxis 12/2018 55