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Wireless Bild 8a/8b: Gemessene Impedanz (a, links) und Anpassungs-Berechnungen (b, rechts) für die Empfängerantenne. Bild 9: Prinzip der ISM-Empfängerschaltung vorliegenden Fall 434 MHz) ein optimiertes Strom-Minimum und ein Leistungs-Maximum erreicht ist. Nach dieser Methode wurden für das Netzwerk, das den geringsten PA-Strom und die maximale Sendeleistung ergibt, die folgenden Werte ermittelt: L1 = 62 nH; C8 = 100 pF; C9 = 7,5 pF; L2 = 51 nH, C10 entfällt. An dem Diagramm, in dem der Strom als Funktion der Frequenz aufgetragen ist (Bild 5), wird sichtbar, wie sich das Strom- Minimum mit jeder Änderung am Anpassungs-Netzwerk zu einer anderen Frequenz verschiebt. Der Graph für die beste Anpassung bei 434 MHz ist gelb dargestellt. Wie man sieht, haben sich die Werte von C9 und L2 entscheidend verändert (nämlich von 15 pF und 39 nH), um die parasitären Einflüsse der Bauelemente und der Leiterplatte zu kompensieren. Die Anpassung von Tx, PA- Leistung, Betriebsfrequenz und Antennenimpedanzen ist in den Applikationsschriften 1954 (Designing Output Matching Networks for the MAX1472 ASK Transmitter) und 3401 (Matching Maxim‘s 300 MHz to 450 MHz Transmitters to Small Loop Antennas) beschrieben. Optimierung des Empfängers Am Beginn der grundlegenden Maßnahmen zur Optimierung der betrieblichen Eigenschaften eines Superheterodyn-Empfängers für das ISM-Band steht die systematische Untersuchung der verschiedenen Funktionsabschnitte eines solchen Empfängers. In der Regel gibt es vier Blöcke, in denen sich die Leistungsfähigkeit verbessern lässt. Dies sind die Quarzoszillator- Schaltung, die Antennenanpassungs-Schaltung, der Schwingkreis und der Basisband-Teil. Auswahl des richtigen Quarzes Zu den häufigsten Herausforderungen im Zusammenhang mit quarzbasierten Empfängern und Sendern gehört die korrekte Abstimmung der Oszillatorschaltung. Der Oszillator in ISM-Funkschaltungen ist stets für einen Quarz mit einer bestimmten Lastkapazität vorgesehen (Bild 6), die in einigen ISM-Empfängern typisch mit 3 pF spezifiziert ist. Da ein solch niedriger Wert nicht gerade eine besonders gängige Spezifikation für einen Quarz ist, versuchen die Anwender aus Gründen der Kosten oder der Liefersicherheit meist, ein System auf der Basis eines Quarzes mit einer geprüften Lastkapazität von 6 pF, 8 pF, 10 pF oder auch mehr zu entwickeln. Dies ist zwar nicht unzulässig, bringt aber Abstriche mit sich, da die Oszillatorschaltung an ihren Quarz-Anschlüssen lediglich die spezifizierte Lastkapazität von 3 pF aufweist. Bei einem für 10 pF spezifizierten Quarz hat dies zur Folge, dass die Schwingfrequenz deutlich höher ist als vorgesehen. Weitere Informationen hierzu enthält die Applikationsschrift 1017 (How to Choose a Quartz Crystal Oscillator for the MAX1470 Superheterodyne Receiver). Zur Kompensation dieser Frequenzverschiebung kann der Kunde die Lastkapazität für den Quarz anheben, indem er zusätzliche Kondensatoren in seine Schaltung einfügt. Unserer Erfahrung nach sind hier anstelle einer Parallelschaltung zwei Shunt-Kondensatoren zur Masse zu empfehlen, was mehr Flexibilität bietet und hinsichtlich der Belastung weitere Vorteile ergibt. Nachteilig an einer derart angepassten Lastkapazität ist, dass es Probleme mit dem Anlaufen des Oszillators geben kann, wenn eine zu große Kapazität an die Schaltung angeschlossen wird. Die Schwingfrequenz des im zuvor genannten Referenzdesign verwendeten Quarzes wurde durch Messen ermittelt. Hierfür wurde die Quarzfrequenz mithilfe eines Spektrumanalysators R&S ZVL3 und einer geeigneten Antenne analysiert. Die Antenne wurde hierzu in die Nähe des Quarzes (oder falls nötig an eine der Zuleitungen) gehalten, um die Schwingfrequenz näherungsweise festzustellen. Das System war mit einem 13,2256-MHz- Quarz mit einem spezifizierten CL-Wert von 8 pF bestückt, während die Oszillatorschaltung nur eine Lastkapazität von rund 3 pF zur Verfügung stellte. Das Frequenzmaximum dieses Systems wurde mit 13,23049 MHz gemessen, was etwa 370ppm mehr ist als der Sollwert. Hieraus resultiert eine Schwingfrequenz von 434,085 MHz (32 × 13,23049 + 10,7), wodurch die erwartete Local Oscillator (LO)- und Trägerfrequenz um 165 kHz höher ist als beabsichtigt. Diese vom Sollwert abweichende Frequenz des Quarzoszillators hat zur Folge, dass der empfangene ASK-Träger und die zugehörigen Seitenbänder an den Rand bzw. sogar über den Kennlinienknick des ZF-Filters hinausgeschoben werden, was zu einer unnötigen Abschwächung der Signalleistung führt. Um weitere Aussagen über die Folgewirkungen dieses Frequenzfehlers einzuholen, wurde das Durchlassband des ZF-Filters überprüft. Durch Verstellen der Trägerfrequenz und Untersuchung des Ausgangssignals am ZF-Filter mit dem Spektrum 38 hf-praxis 5/2014
Wireless analysator im Max-Hold-Modus ließ sich die Filterbandbreite grafisch darstellen. Der Marker M1 wurde bei 10,7 MHz (der nominellen Mittenfrequenz des ZF-Filters) gesetzt, der Delta- Marker D2 dagegen am Frequenzmaximum des HF-Signals von 433,92 MHz. Der Signalgenerator wurde auf 434,085 MHz eingestellt, wenn sich das ZF-Frequenzmaximum bei M1 befand, womit die Verschiebung der LO-Frequenz bestätigt wurde. Das Diagramm in Bild 7 belegt, dass die Fehlabstimmung zu einer Abschwächung des Trägers um etwa 7 dB führt. Die für die ASK-Demodulation nötige Seitenband-Information wird sogar noch stärker abgeschwächt und wegen der Positionierung im nichtlinearen Teil der Filterkennlinie außerdem verzerrt. Die folgenden Einträge wurden für die Schätzwerte bei einer spezifizierten Lastkapazität des Quarzes von 8 pF verwendet: ISM-Empfänger MAX7034: - CPAR = 1,8 pF - CSHUNT = 0 pF - CSER = 10.000 pF (AC-Kurzschluss) - f0 = 13,2256 MHz - C0 = 2,8 pF - CL = 8,24 pF - R1 = 60 ? - C1 = 11,1 fF. Mit diesen Werten ergibt sich eine Schwingfrequenz von 434,0853 MHz. Weitere Informationen hierzu finden sich in der Applikationsschrift 5422 (Crystal Calculations for ISM- RF Products). Durch Experimentieren mit verschiedenen Shunt-Kondensatoren ergab sich, dass eine Kombination aus zwei 10-pF-Kondensatoren den ursprünglichen Wert der Schwingfrequenz wieder herstellt. Unter der Annahme, dass die übrigen Werte des Quarzes gut abgeschätzt waren, können die Auswirkungen auf das Anlaufverhalten hier als akzeptabel bezeichnet werden. Die Berechnung des negativen Widerstands ergab einen Wert von -291,5 Ω, verglichen mit 4 × R1 = 240 Ω. Hierdurch bleibt eine Reserve von etwa -50 Ω. In erster Näherung wurde der Versuch unternommen, die Empfindlichkeit der Demonstrationsschaltung LFRD014 (Tube Motor Receiver Reference Design) zu verbessern, indem zwei Shunt-Kondensatoren à 10 pF (C21 und C22) hinzugefügt wurden. Es konnte nachgewiesen werden, dass sich die Schwingfrequenz des Quarzes hierdurch auf den korrigierten Wert von 13,226 MHz veränderte. Nach dem Abstimmen des HF-Generators zurück auf eine Mittenfrequenz von 433,92 MHz wurde die Empfindlichkeit mit -107 dBm gemessen. Diese Verbesserung um 12,4 dB resultierte aus der korrekten Einstellung der Referenzfrequenz für den Lokaloszillator. Anpassung der Antenne Bild 10: Schwingkreisschaltung im Empfänger Der nächste Schritt bei der Feinabstimmung eines Empfängerdesigns besteht im Messen der Antennenimpedanz. Hierzu wird eine Verbindung zum Einspeisepunkt der Antenne benötigt (wenn es sich um eine Leiterplatten-Antenne handelt). Bevor ein Koaxialkabel angeschlossen wird, muss der Netzwerkanalysator auf das Ende eines als Port-Erweiterung dienenden Koaxialkabels kalibriert werden. Am Netzwerkanalysator ist ein geeigneter Frequenzbereich zu wählen, und die Ausgangsleistung an Port 1 sollte auf einen sinnvollen Wert (-30 dBm) eingestellt werden, um ein Übersteuern des LNA (Low-Noise Amplifier) zu vermeiden. Schließlich kann eine S11-Messung durchgeführt und das Ergebnis in einem Smith- Diagramm visualisiert werden. Bedingt durch das Format der Antenne, das Gehäuse und das Prüfumfeld (Beeinflussungen durch menschliche Körper, Automobilkarosserien usw.) kann es sich schwierig gestalten, reproduzierbare Messungen durchzuführen. Im vorliegenden Fall wurde eine Antennenimpedanz von 205 Ω - j39 gemessen (Bild 8a). Um die Bauelemente für das Anpassungsnetzwerk richtig dimensionieren zu können, war auch die Impedanz des LNA zu messen. Hierfür wurden mit dem Netzwerkanalysator die S11-Parameter des Designs auf der anderen, mit dem LNA verbundenen Seite des Anpassungsnetzwerks gemessen. In der Regel kommt am LNA eine Gegenkopplungs-Induktivität (degeneration inductor) zwischen LNA-Quell-Pin und Masse zum Einsatz (Bild 9). In diesem Fall stellt sich die Eingangsimpedanz des LNA wie eine Parallelschaltung aus Bild 11: Abtasten der Schwingkreisschaltung einem 50-Ω-Widerstand und einem Kondensator von 2 bis 2,5 pF dar. (Ohne die Gegenkopplungs-Induktivität dagegen entspricht die Impedanz einem Widerstand von 500 bis 700 Ω parallel zu einem Kondensator mit 2 bis 2,5 pF.) Mit diesen Impedanzmodellen lassen sich Anpassungsnetzwerke für beliebige Antennenimpedanzen entwerfen. In diesem Beispiel ergab die Messung eine Impedanz von 50 – j4 Ω . Gibt man in die kostenlose Smith-Diagramm-Software LLsmith1 die Werte der Bauelemente im LNA-Bias-Netzwerk an – diese betragen 100 pF (C6) und 56 nH (L3), während C4 hf-praxis 5/2014 39
