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3-2012

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HF-Praxis 3-2012

Wireless

Wireless HF-Leistungsabgleich verbessert Funksender Die Messung und Überwachung der HF-Leistung ist ein wichtiger Punkt bei Funksendern. Verstärker für hohe HF- Leistungen arbeiten selten ohne Gegenkopplung (Open- Loop Mode), und man verzichtet daher auf eine Anzeige der HF-Leistung, gleich welcher Art. Externe Einflüsse, wie die gesetzliche Leistungsbeschränkung, die Robustheit der Anpassung oder die Notwendigkeit, in Koexistenz mit anderen Systemen zu funktionieren, legen aber eine Steuerung oder Überwachung der HF-Leistung nahe. Zusätzlich zur Entschärfung äußerer Anforderungen kann dies zur Verbesserung der spektralen Leistungsfähigkeit führen, Kosten senken und Energie sparen. Um die HF-Ausgangsleistung einzustellen, können verschiedene fabrikmäßig im Power Amplifier (PA) vorgesehene Möglichkeiten genutzt werden. Die Algorithmen zur Justage variieren recht stark bezüglich ihrer Komplexität und Wirksamkeit. Hier wird nun beschrieben, wie eine typische HF-Leistungskontrolle entworfen und in einen Sender integriert werden kann. Dabei werden Komplexität und Effizienz der fabrikmäßigen Möglichkeiten verglichen. Sender mit integrierter Leistungssteuerung Bild 1 zeigt den typischen Prinzipaufbau eines Funksenders Gekürzter Auszug aus dem Applikationsbericht: Eamon Nash: RF Power Calibration Improves Performance of Wireless Transmitters Analog Devices Application Note AN-1040 Analog Devices www.analog.com Bild 1: Typischer HF-Leistungsverstärker mit integrierter Sendeleistungs-Überwachung einschließlich Messmöglichkeit und Steuerung der ausgesendeten Leistung. Unter Nutzung eines Richtkopplers wird ein kleiner Teil der Leistung des PAs ausgekoppelt und dann gleichgerichtet. In diesem Fall sitzt der Koppler räumlich nahe an der Antenne, allerdings nach dem Duplexer und nach dem Isolator. Die hier entstehenden Verluste können beim Abgleich mit berücksichtigt werden. Richtkoppler haben einen Koppelfaktor von 20 bis 30 dB. Die Sendeleistung wird also infolge der Steuerung um weniger als 1% gemindert. Die Einfügedämpfung des Kopplers beträgt wenige Zehntel Dezibel. In drahtlosen Infrastruktur- Anwendungen liegt die maximale Sendeleistung typisch im Bereich 30 bis 50 dBm (1 bis 100 W). Daher ist das Signal vom Koppler oft immer noch zu stark für den HF-Gleichrichter. Ein oder mehrere zusätzliche Dämpfungsglieder können das Problem lösen. Moderne RMS- oder Nicht- RMS-HF-Detektoren haben einen Eingangsleistungsbereich von ungefähr 30 bis 100 dB und liefern ein temperaturstabiles und frequenzunabhängiges Ausgangssignal. Meist folgt ihnen ein A/D-Wandler (ADC). Unter Nutzung von Kalibrier-Koeffizienten, die in einem EEPROM Bild 2: Übertragungskurven eines Log-Responding RF Power Detectors gespeichert sind, kann der Code vom ADC in Sendeleistungswerte konvertiert werden. Dieser Anzeigewert wird mit einem Referenzwert verglichen. Falls nun eine Abweichung auftritt, erfolgt ein automatisches Nachstellen. Hierzu bieten sich mehrere Punkte in der Signalverarbeitungskette an: So kann z.B. die Amplitude der Spannung im Basisband eingestellt werden. Weiterhin ist ein Verstärker mit einstellbarer Verstärkung im ZF- oder RF- Bereich möglich, oder die Verstärkung des PAs wird angepasst. Auf diese Weise hält eine Verstärkungsregelung die HF-Leistung in einem engen vorgegebenen Bereich. Es ist hierbei hervorzuheben, dass die Übertragungskennlinien von VGAs (Variable-Gain Amplifier) und PAs oft nichtlinear sind. Es lässt sich also nicht so leicht feststellen, welche Verstärkungsänderung eine Änderung der Stellgröße bewirkt. Dies verstärkt die Forderung nach einer Rückkopplung (Gegenkopplung). Fabrikmäßige Voreinstellung In den hier behandelten Systemen sorgt nicht nur eine einzige Komponente für eine hohe Genauigkeit der Verstärkung. Insgesamt muss man daher mit einer Schwankung der HF-Ausgangsleistung um ±1 dB rechnen. 14 hf-praxis 3/2012

Wireless Bild 4: Zur Arbeitsweise nach der Justage Bild 3: Flussdiagramm für den Zweipunkt-Abgleich Das Übertragungsverhalten solcher Bausteine wie PAs, Spannungsgesteuerten Dämpfungsgliedern (VVAs), HF-Verstärkungsstufen und anderer Blöcke in der Signalverarbeitungskette kann aber von Baustein zu Baustein auch so ungünstig schwanken, dass in Einzelfällen größere Abweichungen als 1 dB bei der produzierten Leistung auftreten können. Hinzu kommen Temperatur- und Frequenzabhängigkeiten. Es macht daher Sinn, die HF-Leistung abzugleichen und zu stabilisieren. Abgleich und Stabilisierung können hierbei als die Übertragung der Genauigkeit einer äußeren Referenz in das System angesehen werden. Hierzu ist es notwenig, die Antenne durch einen HF- Leistungsmesser gemäß Bild 1 zu ersetzen. In diesem Fall entscheidet dessen Anzeigegenauigkeit mit über die Präzision der Justage. Dieser Vorgang umfasst das Einstellen mindestens eines HF-Leistungspegels unter Beachtung der Anzeige des HF-Leistungsmessers und der Richtspannung des Detektors. Entsprechende Informationen werden dann im EEPROM gespeichert. Danach ist der HF- Sender in der Lage, eine stabile und definierte Leistung in die Antenne zu liefern. Der Gleichrichter ersetzt nun gewissermaßen den HF-Leistungsmesser, und durch den Regelvorgang werden die Einflüsse von Temperatur, Frequenz oder Alterung ausgeglichen. Der HF-Gleichrichter Entscheidet man sich für die Regelung der HF-Leistung, dann sollte zunächst der passende RF Power Detector gefunden werden. Bild 2 zeigt die Übertragungskennlinien für drei Umgebungstemperaturen eines Log Amp Detectors. Diese logarithmischen Übertragungsfunktionen können mithilfe einer einfachen Gleichung erster Ordnung modelliert werden. Bei der Kurve für 25 °C liegt die Ausgangsspannung im Bereich 1,8 V (-60 dBm) bis 0,4 V (0 dBm). Die Hilfslinie deckt den Bereich auf, wo fehlerhaft angezeigt wird (-15 bis 0 dBm). Eine schnelle Rechnung zeigt, dass dieser Detektor ein Übertragungsverhalten von -25 mV/ dB bietet. Die Gleichung erster Ordnung lautet: U OUT = -25 mV/dB x (P IN – Intercept) Intercept ist der Punkt, wo die extrapolierte Kurve die X-Achse kreuzt. Diese Funktion ist bei der Senderjustage gut brauchbar, denn man benötigt nun nur zwei Messergebnisse, um die Übertragungsfunktion des Detektors zu bestimmen bzw. einzubeziehen. Nun zum Temperaturverhalten. Bei der Eingangsleistung -10 dBm unterscheiden sich die Ausgangsspannungen bei den extremen Umgebungstemperaturen um etwa 100 mV. Daraus resultieren Fehlanzeigen von ±4 dB gegenüber Zimmertemperatur. Das ist für die meisten praktischen Anwendungen unakzeptabel. Man benötigt also in der Praxis oft einen RF Log Amp Typ Eingangsfrequenz Dynamikbereich Temperaturdrift Gehäuse Bemerkung AD8317 max. 10 GHz 55 dB ±0,5 dB 2x3 mm achtpolig LFCSP Non-RMS Log. AD8318 max. 8 GHz 70 dB ±0,5 dB 4x4 mm 16-polig LFCSP Non-RMS Log. AD8319 max. 10 GHz 45 dB ±0,5 dB 2x3 mm achtpolig LFCSP Non-RMS Log. ADL5513 max. 4 GHz 80 dB ±0,5 dB 3x3 mm 16-polig LFCSP Non-RMS Log. ADL5519 max. 10 GHz 62 dB ±0,5 dB 5x5 mm 32-polig LFCSP Dual Non-RMS Log. AD8361 max. 2,5 GHz 30 dB ±0,25 dB sechspolig SOT, achtpolg MSOP Lin. V/V RMS ADL5501 max. 6 GHz 30 dB ±0,1 dB 2,1x2 mm sechpolig SC-70 Lin. V/V RMS AD8862 max. 3,8 GHz 65 dB ±1 dB 6,4x5 mm 16-polig TSSOP RMS Log. AD8363 max. 6 GHz 50 dB ±0,5 dB 4x4 mm 16-polig LFCSP RMS Log. AD8364 max. 2,7 GHz 60 dB ±0,5 dB 5x5 mm 32-polig LFCSP Dual RMS Log. Tabelle 1: RMS- und Non-RMS Responding Detektoren von Analog Devices mit ihren wichtigsten Eigenschaften. hf-praxis 3/2012 15

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