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5-2017

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Produktportrait

Produktportrait 40-GHz-RMS-Detektor vereinfacht präzise Hochfrequenz-Leistungsmessung Ein neuer, sehr breitbandiger Mikrowellen- RMS-Leistungs- Detektor löst bei der Realisierung akkurater Leistungsmessungen komplex modulierter Mikrowellensignale viele der Probleme, mit denen sich Designer von Mikrowellensystemen konfrontiert sehen. Bild 1: Eingangs-Rückflussdämpfung in Abhängigkeit von der Frequenz Der vielsetige RMS-Leistungsdetektor LTC5596 bietet dazu folgende Schlüsselfunktionen: • Weiter Eingangsfrequenzbereich von 100 MHz bis zu 40 GHz (Ka-Band); vollständig auf 50 Ohm Impedanz abgeglichen, ohne dass externe Abgleichkomponenten nötig sind. • 35 dB, dB-linearer-Dynamikbereich mit ±1 dB Fehler über den gesamten I-grade-Temperaturbereich von 40 °C bis 105 °C. H-grade-Betrieb bis zu 125 °C ist ebenfalls möglich. • Sehr flacher Mess-Frequenzgang; Schwankungen typisch unter ±1 dB zwischen 200 MHz und 30 GHz. • Die Messung ist sehr unempfindlich gegenüber großen Spitze-zu-Durchschnitts-Leistungsverhältnissen (PAPR = peak-to-average power ratio), was den Leistungs-Detektor, ohne die Notwendigkeit einer umfangreichen Kalibrierung, sehr gut für akkurate Messungen von sehr komplexen Signalformen geeignet macht. Der HF-Eingang des LTC5596 ist zwischen 100 MHz und 40 GHz exakt auf 50 Ohm Impedanz abgeglichen, wie dies die gemessene Rückflussdämpfung in Bild 1 zeigt. Die Konfiguration Masse-Signal-Masse des HF-Eingangs (Bild 2) wurde so gewählt, damit der Eingang - ohne externe Abgleichkomponenten - nahtlos mit einem koplanar-geerdeten Wellenleiter auf einem 5 mil dicken RO3003- oder ähnlichem Substrat verbunden werden kann. Zusätzlich ändert sich das Ausgangssignal des LTC5596 über einen weiten Eingangsfrequenzbereich hinweg nur geringfügig. Dies verringert die Notwendigkeit der Kalibrierung bei unterschiedlichen Frequenzen. Wie Bild 3 zeigt, liegt der Messfehler, bezogen auf den Messwert, bei 5,8 GHz, im gesamten Frequenzbereich von 200 MHz bis 30 GHz unter ±1 dB. Aufgrund ihres Aufbaus sind RMS-Detektoren (rms = rootmean-square) gut geeignet, um die Durchschnittsleistung von arbiträren Signalformen akkurat zu messen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass solche Bausteine die Formel zur Definition der Durchschnittsleistung (proportional zum Durchschnitt des Quadrats des Signals) präzise implementieren. Andere Arten von Leistungsdetektoren ,wie Schottky-Dioden-Detektoren oder demodulierende logarithmische Verstärker, implementieren leicht unterschiedliche Operationen, die häufig die Signalhüllkurve beinhalten. Dies führt zu einer Änderung der Antwort, wann immer sich das Eingangssignal – aber nicht der Michiel Kouwenhoven Design Manager High-Frequency Products Linear Technology Corporation www.linear.com • Leistungsfähiger Ausgangstreiber kann 50-Ohm-Lasten ansteuern • Hohe ESD-Auslegung von 3,5 kV HBM und 1,5 kV CDM machen die Handhabung in Produktionsumgebungen einfach. Bild 2: Pin-out und Schnittstellenverbindungen des LTC5598 46 hf-praxis 5/2017

Produktportrait Bild 3: Frequenzabhängigkeit der Detektorantwort, relativ zu 5,8 GHz, ausgedrückt als Messfehler der Eingangsleistung durchschnittliche Leitungspegel ändert. Moderne Kommunikationssysteme nutzen komplex modulierte Signale mit hohem PSPR, wie OFDM und WCDMA extensiv und passen Modulation und Codierung - basierend auf der Qualität der (Funk)Verbindung - ständig adaptiv an. Dies resultiert in Tausenden von unterschiedlichen Signalformen mit stark variierenden PAPRs. In einer solchen Umgebung ist das Erreichen der erforderlichen Messgenauigkeit (typisch ±1 dB Messfehler) mit einem nicht RMS-fähigen Leistungsdetektor üblicherweise nur mit extensiver und aufwändiger Kalibrierung sowie einer umfassenden Kenntnis der Art des empfangenen Signals möglich. Durch Einsatz des RMS-Leistungsdetektors LTC5596 ist die Kalibrierung für Signale mit Frequenzen bis ins Ka-Band üblicherweise nicht mehr nötig. In vielen Anwendungen sind die Leistungspegel von HF-Signalen typischerweise in dB spezifiziert (ein Grund dafür ist, dass der Verlust im Übertragungspfad Bild 4: dB-lineare Antwort des LTC5596 bei 30 GHz und Fehler, relativ zu einer angepassten, dB-lnearen-Übertragung bei 25 °C ungefähr dB-linear in Abhängigkeit von der Entfernung ist). Der LTC5596 generiert eine DC- Ausgangsspannung, die proportional zum durchschnittlichen Leistungspegel (RMS-Signalpegel) an seinem Eingangsport in dBm ist. Die Antwort ist auch sehr stabil über einen weiten Betriebstemperaturbereich, was typischerweise in einem Fehler von unter ±1 dB über den gesamten Betriebstemperaturbereich resultiert, wie Bild 4 zeigt. An jedem Punkt innerhalb des Dynamikbereichs des LTC5596 von – 37 dBm bis – 2 dBm, resultiert eine 1-dB-Änderung der Eingangsleistung in einer 29-mV-Änderung der Ausgangsspannung. Detektoren des Diodentyps oder spannungslineare Detektoren, generieren z.B. bei geringen Leistungspegeln deutlich kleinere Änderungen des Ausgangssignals um einem 1-dB-Lastschritt als bei höheren Leistungspegeln. Dies macht es sehr schwer, ausreichend akkurate Leistungsmessungen über den gesamten Dynamikbereich zu erzielen. Durch das Verbinden eines A/D-Wandlers mit dem Ausgang des LTC5596 erhält man über den gesamten Dynamikbereich jedoch eine digitale Repräsentation der gemessenen Leistung mit konstanter und hoher Auflösung. Der LTC5596 ist auch ein einfaches Hilfsmittel, um eine zusätzliche Filterung des Ausgangssignals vorzusehen und damit noch vorhandenes Hochfrequenzbrummen und -rauschen zu reduzieren. Die Bandbreite des Ausgangstreiberverstärkers im Baustein kann dazu mit einem einzigen Kondensator zwischen OUT und FLTR verringert werden, ohne die Stromtreiber-Fähigkeit des Bausteins zu beeinträchtigen. Einige wenige zehn pF an Kapazität sind dazu üblicherweise ausreichend. Alternativ kann ein Filter mit dem OUT-Interface des Bausteins verbunden werden. Die hohe Treiberfähigkeit des LTC5596 erlaubt einen weiten Bereich an Impedanzwerten, ohne die Genauigkeit der Leistungsmessung zu verändern. Der LTC5596 ist gut geeignet für Anwendungen mit kleinem Arbeitstakt, in denen der Baustein nur für eine kurze Zeitspanne aktiv ist. Das Ausgangsinterface wird im abgeschalteten Zustand hochohmig, was die Entladung großer Kondensatoren in einem Ausgangsfilter minimiert und ein schnelles Einstellen sicherstellt, wenn das Bauteil wieder aktiviert wird. Der LTC5596 wird in einem kleinen DFN-Gehäuse mit 2 mm x 2 mm Kantenlänge in I-Grade- (- 40 °C bis 105 °C Gehäusetemperatur) und H-Grade-Versionen (- 40 °C bis 125 °C Gehäusetemperatur) angeboten. Die H-Grade-Version hat garantierte engere Grenzen für die logarithmischen Steigungs- und Abfangparameter (slope und intercept) was die Notwendigkeit für eine Kalibrierung in der Fertigung vereinfacht oder gar völlig eliminiert. Der Autor Michiel Kouwenhoven has been a design manager at Linear Technology since 2011. He received his M.Sc. and Ph.D. in Electrical Engineering from Delft University of Technology in The Netherlands in 1993 and 1998, respectively. He was an assistant professor in analog high-frequency circuit design from 1997 to 2000. Michiel joined National Semiconductor in 2000 and managed the design of RF power detector products in Delft. Beginning in 2008 he served in various management positions in National’s Santa Clara, California headquarters. Michiel holds several patents on analog and high-frequency circuit design. ◄ hf-praxis 5/2017 47

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