Breitband-Frequenzwandler unter der Lupe

Eine breitbandige Frequenzwandlung ist in vielen HF-Systemen erforderlich. Zur Frequenzübersetzung über große Bandbreiten kommen Breitband-Frequenzwandler zum Einsatz, die es in vielen verschiedenen Konfigurationen und Technologien mit den jeweiligen Kompromissen aus Kosten, Abmessungen und Leistungsfähigkeit gibt. Entsprechendes Hintergrundwissen über die Möglichkeiten und Schwächen der Architekturen kann die Wahl einer Architektur zur Frequenzwandlung für eine bestimmte Anwendung vereinfachen.

Empfangssignal mit Breitband-Synthesizer zweifach wandeln

Eine Architektur zur Frequenzwandlung, die häufig in hochwertigen Signal-Intelligence-Empfängern (SIGINT) verwendet wird, beinhaltet die zweifache Wandlung des Empfangssignals. Dabei erfolgt zunächst eine Aufwärtswandlung des Empfangssignals in ein kurzwelligeres ZF-Signal im unteren Millimeterbereich. Anschließend erfolgt eine Filterung des Signals und schließlich die Abwärtswandlung auf eine zweite ZF (Zwischenfrequenz) mit niedrigerer Frequenz.

Bild 1: Diese herkömmliche Frequenzwandlerarchitektur enthält Filterbänke zur Unterdrückung von Störsignalen Analog Devices

Bei dieser Technik erübrigen sich große und komplexe geschaltete Mikrowellen-Filterbänke; andererseits sind breitbandige Synthesizer erforderlich, die auf Wellenlängen im Millimeterbereich arbeiten. Solche Synthesizer waren früher sehr teuer. Durch das Aufkommen leistungsfähiger COTS-Frequenzwandler (Commercial-off-the-Shelf), hergestellt in MMIC-Technologie (Monolithic Microwave Integrated Circuit), sind Synthesizer jedoch erschwinglicher geworden.

Breitbandsysteme — speziell für SIGINT- und EW-Applikationen (Electronic Warfare) — versuchen, Signale mit geringst möglichen Pegeln und schnellst möglichen Erfassungsgeschwindigkeiten zu erkennen. Aufgrund dieser Anforderungen sollten Breitband-Frequenzwandler folgende Eigenschaften aufweisen:

• Sorgfältige Frequenzplanung, damit die Nebenwellen (Spurious Responses) nicht in das abwärts gewandelte Frequenzband fallen.
• Niedrige Rauschzahl zur Unterstützung der erforderlichen Signalempfindlichkeitspegel.
• Hohe Linearität.
• Die Fähigkeit, auch bei Interferenzen, Störsendern und Blockersignalen effizient zu funktionieren.
• Abmilderung von Leck-Effekten (Signal Leakages) durch Lokal-Oszillatoren (LO) und Transmitter.
• Akzeptables Signal/Rausch-Verhältnis (SNR), Phasen/Rausch-Verhalten und Gesamtrauschen.

Methoden zur Auf- und Abwärtswandlung von Frequenzen

Anhand eines breitbandigen durchstimmbaren Empfängers als Beispiel wird eine herkömmliche Schaltung durch den Einsatz verschiedener Konzepte zur Auf- und Abwärtswandlung von Frequenzen evaluiert. Gezeigt wird, dass sich das herkömmliche Breitband-Empfängerdesign durch eine Auswahl unterschiedlicher Frequenzwandler verbessern lässt. Dies beinhaltet auch den Einsatz einer Breitband-Wandlerschaltung mit auf dem Markt verfügbaren COTS-MMICs.

Der Beispielempfänger verarbeitet Eingangssignale mit 2 bis 18 GHz in Bandbreiteschritten von 0,5 GHz, über die gesamte Eingangsbandbreite. Die Frequenzabwärtswandlung erfolgt mit Frequenzmischern. Das eintreffende HF-Signal (f_RF) wird durch Mischung mit einem LO-Signal (f_LO, Lokaloszillartorfrequenz) in ein ZF-Signal (f_IF) gewandelt. Dieser Zusammenhang lässt sich so beschreiben:

f_IF = ±mf_RF ± nf_LO

Darin sind m und n ganzzahlige Harmonische der HF- und LO-Frequenzen, die sich addieren und subtrahieren und so zahlreiche Kombinationen von Nebenwellen erzeugen, die ursächlich aufgrund der nicht linearen Eigenschaften von Dioden und Transistoren im Frequenzmischer entstehen. Filter unterdrücken zwar HF-Signale außerhalb des relevanten Bandes (Out-of-Band), sie können jedoch Nebenwellen innerhalb des ZF-Bandes (In-Band) verursachen. Die Steilheit des ZF-Filters hinter dem Mischer ist so ausgelegt, dass nur die gewünschten Frequenzen passieren können. Störsignale werden vor dem Detektor bzw. Signalprozessor herausgefiltert.

Nebenwellen, die innerhalb des ZF-Bandes erscheinen, dämpft derZF-Filter nicht. In Breitbandwandlern wird daher eine sorgfältige Frequenzplanung durchgeführt, damit Nebenwellen nicht in das ZF-Band fallen. Nebenwellenverhalten sowie Frequenzplanung  sind in der entsprechenden technischen Literatur ausführlich beschrieben.

Frequenzabwärtswandlung über Mischer und Filter

Eine Möglichkeit zur breitbandigen Frequenzabwärtswandlung besteht im Einsatz von Mischern mit mehreren Filtern (Bild 1). In diesem Fall wird eine breitbandige Signalsuche von 2 bis 18 GHz in fünf Frequenzbändern durchgeführt: 2,0 bis 3,5 GHz, 3,5 bis 6,0 GHz, 6,0 bis 9,0 GHz, 9,0 bis 12,0 GHz und 12,0 bis 18,0 GHz. Bänder von 6 bis 18 GHz werden nicht gewandelt und zunächst durchgelassen. Für die Bänder von 2 bis 6 GHz erfolgt eine Aufwärtswandlung mit einem High-Side LO von 20 GHz, damit alle Frequenzbänder in den Bereich 6 bis 18 GHz fallen.

Tabelle 1: Zu erwartende Leistungsdaten eines einfachen Breitband-Frequenzwandlers. Analog Devices

Das Frequenzband von 6 bis 18 GHz wird durch zehn 1,5-GHz-Filter verarbeitet. Diese 1,5-GHz-Bandbreite wird mit dem zweiten Mischer in 0,5-GHz-Bänder zerlegt verarbeitet. Dabei kommt ein breitbandiger Frequenzsynthesizer mit 5,25 bis 17,25 GHz zum Einsatz. Deshalb beinhaltet die Konfiguration in Bild 1 mehrere Filter und zwei Frequenzwandlungsstufen.

Die Frequenzwandlungstopologie bietet einen Dynamikbereich von etwa 50 dB. Bei einem besonders sorgfältigen Design ist ein etwas höherer Dynamikbereich erreichbar. Die Architektur erfordert viele leistungsstarke Spiegelfrequenzfilter, die schwierig zu integrieren sind. Einflüsse des Stehwellenverhältnisses (VSWR) in Verbindung mit den Filterbänken verursachen einen beachtlichen Amplituden- und Phasen-Ripple. Da ein Breitband-Frequenzsynthesizer für den zweiten LO erforderlich ist, lässt sich dieser Frequenzplan nur schwer erstellen und ändern. Erfreulicherweise lassen sich die Probleme mit dem Frequenzplan durch eine Aufwärtswandlung auf höhere Frequenzen und anschließende Abwärtswandlung lösen.

Mischprodukte durch Aufwärtswandlung unterdrücken

Bild 2: Das Diagramm zeigt typische Mischer-Störpegel als Funktion von Signalleistung zum Mischer. Analog Devices

Die Aufwärtswandlung der 2-bis-18-GHz-Eingangssignale erzeugt m × n Produkte, die jetzt höhere Frequenzen haben. Die Filterung erfolgt durch Elimination derjenigen Nebenwellen, welche in das ZF-Band fallen würden. Konzeptionell werden hierdurch unerwünschte Mischprodukte optimal unterdrückt. Durch eine Steuerung von Signalverstärkungen mit einem Mikroprozessor lässt sich der Dynamikbereich zusätzlich optimieren, wodurch verbleibende Störsignalprodukte weiter minimiert werden.

Viele Anforderungen lassen sich bereits erfüllen, indem ausschließlich ein Bandpassfilter zur Unterdrückung der Spiegelfrequenz (Image Rejection) eingesetzt wird. Dieser Frequenzplan ist sehr flexibel und bereitet im Gegensatz zum Konzept in Bild 1 keine Schwierigkeiten mit Spiegelfrequenzen. Dominant treten die vor dem Frequenzwandler erzeugten LNA-Harmonischen (Low Noise Amplifier) hervor.

Bild 3: Diese Frequenzwandlungsarchitektur wurde für minimalen Filteraufwand entwickelt. Analog Devices

Dieser Ansatz arbeitet mit LO-Frequenzen oberhalb des zu mischenden Bandes. Diese Frequenzen werden durch Frequenzsynthesizer mit Wellenlängen im Millimeterbereich erzeugt. Eine Anzahl Computer-Simulationsprogramme zur Berechnung der Leistung und Ordnung der Nebenwellen des Mischers stehen zur Verfügung. In Verbindung mit einem Suchprogramm für Nebenwellen ermöglichen die Simulationsprogramme Kompromisse zwischen Frequenzplänen, erlaubten Leistungspegeln am Mischer und erforderlicher Störfrequenzunterdrückung durch die Filter.

Die Gleichungen in den Simulationsprogrammen wurden vor vielen Jahren entwickelt und haben beim Einsatz von Standard-Double-Balanced-Mischern eine gute Übereinstimmung mit praktischen Testergebnissen gezeigt. Natürlich ist es für ein praktisches Design stets das Beste, reale Messungen der kritischen Störsignale zu nutzen, die durch die im Frequenzwandler vorhandenen Mischer erzeugt werden.

Die Störsignal-Performance eines typischen Double-Balanced-Mischers zeigt Bild 2. Daraus ist ersichtlich, dass es wichtig ist, die Verstärkung vor dem Mischer zu steuern, und dass selbst ein moderates Maß an Hochpassfilterung die Leistungsdaten erheblich verbessern kann.

Wandlerarchitektur für minimalen Filteraufwand

Tabelle 2: Zu erwartende Leistungsdaten eines verbesserten Frequenzwandlers. Analog Devices

Die Topologie mit minimalem Filteraufwand in Bild 3 nutzt einen breitbandigen abstimmbaren LO-Synthesizer. Dieser ermöglicht die Aufwärtswandlung des 2-bis-18-GHz-Bandes in 500-MHz-Segmenten innerhalb eines festen Frequenzbereiches von 22,75 bis 23,25 GHz. Anschließend erfolgt eine Abwärtswandlung mit einem festen zweiten LO in das 1,75- bis 2,25-GHz-Band, welches direkt verarbeitet werden kann.

Dieses Frequenzwandlungskonzept hat den Vorteil, dass nur ein Bandpassfilter für die gesamte Spiegelfrequenzfilterung benötigt wird. Zusammen mit der Tatsache, dass alle HF × nLO Störprodukte (wobei n die Zahl der Harmonischen ist) sich oberhalb des Bandes befinden, bietet dies eine ausgezeichnete Leistungsfähigkeit bei minimalem Filteraufwand. Bild 2 zeigt das zu erwartende Oberwellenverhalten über der Eingangsleistung.

Bild 4: Diese Frequenzwandlertopologie ist für geringere Nebenwelleneinflüsse verbessert. Analog Devices

Für das Beispiel in Bild 3 und eine angenommene Rauschzahl von 8 dB, eine Bandbreite von 20 MHz und ein SNR von 10 dB ist der störungsfreie Dynamikbereich (SFDR) größer als 55 dB, wobei die obere Grenze des SFDR bei etwa -20 dBm und der Kompressionspegel bei etwa 15 dB über der Obergrenze des SFDR liegen. Bei dieser Architektur lassen sich mithilfe digitaler Signalverarbeitung die Störprodukte minimieren und der Nutzbereich des Systems verbessern. Darüber hinaus fallen in dieser Konfiguration alle Störsignale, die nicht im Bereich des Eingangsspektrums liegen, gänzlich außerhalb des Bandes. Diese Architektur ermöglicht Designs mit geringem Gewicht und kleinen Abmessungen zu geringen Kosten. Allerdings sind diese Schaltungen infolge der fehlenden Vorselektion empfindlich gegenüber High-Level-Interferenzen (Blockern) und Störern.

Verlustarme Filter verringern Nebenwelleneinflüsse

Die Architektur in Bild 3 lässt sich im Hinblick auf eine Reduzierung von Störungen durch eine einfache Filterung (Bild 4) weiter verbessern. Dies beinhaltet die Erweiterung um fünf Hochpass- und drei Tiefpassfilter vor der Aufwärtswandlung. In dieser Konfiguration wird das 2-bis-18-GHz-Band in drei Bänder geteilt aufwärts gewandelt: 2,0 bis 7,5, 7,5 bis 11,5 und 11,5 bis 18,0 GHz.

Bild 5: Diese Frequenzwandlungsarchitektur beinhaltet zusätzliche Filter für herausragende Störsignalunterdrückung und einen ausgezeichneten SFDR. Analog Devices

Diese Konfiguration bietet eine exzellente Störproduktunterdrückung von über 20 bis 30 dB. Erreicht wird dies mit verlustarmen Hoch- und Tiefpassfiltern. Eine Ausnahme bildet das Spiegelfrequenzband (Image Band), das nach der Mischung  durch ein separates Filter unterdrückt wird. Die einzigen verbleibenden signifikanten Störsignale sind durchschlüpfende Harmonische des HF-Eingangssignals, die in den Bauteilen vor den Hochpassfiltern entstehen.

Die Störfrequenzpegel für diese Architektur sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Unter Nichtberücksichtigung der Störbänder von 2 × 0 und 3 × 0 ergibt sich unmittelbar ein SFDR von etwa 80 dB. Mit einem Image-Reject-Mischer (IRM) zur Abwärtswandlung lassen sich die Anforderungen an den Millimeterwellenfilter reduzieren. Mit einer Standard-Microstrip-Konstruktion lässt sich eine Spiegelfrequenzunterdrückung von 80 dB erzielen (die Spiegelfrequenz ist das größte Störsignal).

Hohe Störsignalunterdrückung und guter SFDR

Eine weitere Verbesserung ist mit zusätzlicher Filterung des aufwärts gewandelten Signales vor dem zweiten Mischer zur Abwärtswandlung möglich. Mit zusätzlichen geschalteten Filter-Komponenten lassen sich praktisch alle Single-Tone-Störsignale eliminieren (Bild 5). Das wichtigste Ergebnis ist die Eliminierung der ersten Harmonischen (2HF) hinter dem Mischer mithilfe von zwei wählbaren ZF-Bändern (Tabelle 3).

Tabelle 3: Zu erwartende Leistungsfähigkeit eines Frequenzwandlers mit bestmöglicher Unterdrückung aller Nebenwellen und Störprodukte. Analog Devices

Diese Frequenzwandlungsarchitektur wird nur bei  extrem hohen System-Leistungsanforderungen verwendet. Gegenüber den vorgenannten Architekturen benötigt sie wesentlich komplexere HF- und LO-Schaltkreise, um ein einzelnes Störungsprodukt zu eliminieren, das nur über einem schmalen Eingangssignalbereich auftritt.

Zahlreiche Bauteile, die in diesen Frequenzwandlungsarchitekturen eingesetzt werden — zum Beispiel Verstärker, Mischer, Dämpfungsglieder, Schalter, Frequenzmultiplizierer, Frequenzteiler, PLLs (Phase-Locked Loops) und spannungsgesteuerte Oszillatoren (VCOs) — stehen als integrierte Schaltkreise zur Verfügung. Damit lässt sich eine Frequenzwandlerschaltung optimal kompakt und einfach aufbauen. Bild 6 zeigt einen Frequenzwandler mit Bauteilen von Analog Devices.

Bild 6: Dieser Frequenzwandler wurde mit Off-the-Shelf-Bauteilen von Analog Devices entwickelt. Analog Devices

In diesem Beispiel erfolgt eine Aufwärtswandlung der HF-Eingangssignale in der ersten Wandlungsstufe. Die Abwärtswandlung erfolgt in der zweiten Wandlungsstufe. Auf diese Art werden Störfrequenzprodukte höherer Ordnung aus dem Durchlassband „geschoben“. Die Bauteile in Bild 6 sind in SMD-Bauformen erhältlich.

Zwischen den beiden Mischern befindet sich als einziges kritisches Filter ein Bandpassfilter. Das Tiefpassfilter am Eingang dient zur Minimierung von LO-Leakage durch den Eingangsport. Der Bandpassfilter nach dem zweiten Mischer minimiert innerhalb des Bandes Harmonische zweiter Ordnung, die durch die ZF-Verstärker verursacht werden und in das Band des Antialias-Filters fallen. Außerdem bietet das Bandpassfilter zusätzliche LO-Frequenzunterdrückung.

Bild 7: Die Leistungsdaten sind für die Frequenzwandlerschaltung nach Bild 6 errechnet. Analog Devices

Je nach Systemanforderungen gibt es viele Möglichkeiten zur Entwicklung der LOs für diese Signalkette. Das Beispiel in Bild 6 zeigt eine Methode zum einfachen Aufbau eines  hochqualitativen LO mit neu verfügbaren PLL/VCO-ICs von Analog Devices. Die zugehörigen Leistungsdaten sind Bild 7 zu entnehmen.

Kompakte leichte SMT-Module

Die errechneten Leistungsdaten bei Abwärtswandlung mit diesen PLL/VCO-ICs liefern eine Rauschzahl von unter 8 dB und einen SFDR von über 55 dB. Diese wenig aufwendige Empfängerschaltung ermöglicht Module in kompakter leichter SMT-Technik und eignet sich für viele Anwendungen. Sie bietet zudem eine gute Ausgangsbasis für Erweiterungen bei höheren Anforderungen.

Tabelle 4: Breitband-Frequenzwandlungskonzepte im Vergleich. Analog Devices

Bild 8 zeigt einen Breitband-Mehrkanal-Empfänger, aufgebaut auf einer mehrlagigen Leiterplatte mit Katalogbauteilen in SMD-Bauform. Da sich Bauteile auf der Vorder- und Rückseite der Leiterplatte befinden, ergibt sich ein sehr kompakter Aufbau mit Abmessungen von 3,25″ × 1,5″ × 0,060″. Passive Komponenten, Masseverbindungen und Signalführungen erfordern einige Leiterplattenlagen.

Die Wahl einer Breitband-Frequenzwandlertopologie orientiert sich an den relevanten Leistungskenndaten. Tabelle 4 vergleicht verschiedene Frequenzwandlertypen mit ihren jeweiligen Fähigkeiten. Systementscheidungen berücksichtigen auch Faktoren wie Abmessungen, Gewicht und Energieverbrauch sowie die Kosten und die Entwicklungszeit.

Bild 8: Diese mehrlagige Leiterplatte zeigt die HF/Mikrowellenbauteile auf der Vorderseite (links) und auf der Rückseite (rechts) des Boards. Analog Devices

Digitale Mischtechnik

Digitale Konzepte zur breitbandigen Frequenzwandlung sind in diesen Vergleich nicht einbezogen. Unabhängig davon, ob herkömmliche analoge Frequenztechniken oder direkte digitale Wandlungstechniken betrachtet werden, es gelten die gleichen Auswahlkriterien, soweit es um Frequenzplanung, Unterdrückung von Störungen und Rauschanforderungen geht. Der Hauptunterschied in einem digitalen Konzept besteht im Ersatz der zweiten Abwärtswandlungsstufe in der analogen Architektur gegen einen schnellen A/D-Wandler sowie der digitalen Signalverarbeitung in der ersten und zweiten Nyquist-Zone.

Die Entwicklung von Breitband-Frequenzwandlern wird stark vereinfacht durch die hohe Verfügbarkeit vieler der erforderlichen Komponenten als Standard-IC, speziell Verstärker, Mischer, VCOs, Frequenzteiler/Multiplizierer und PLLs. Der Einsatz dieser Bauteile ermöglicht die Entwicklung von erschwinglichen leistungsstarken Breitband-Frequenzwandlern.

(jwa)