ECK-DATEN

Als es bei Rohde & Schwarz darum ging, einen Nachfolger für die HF- und Mikrowellen-Signalgeneratoren SMA100A und SMF100A zu entwickeln, war das Ziel, Spitzenwerte bei allen technischen Daten zu erreichen, ohne komplizierte Abhängigkeiten zwischen diesen Eigenschaften. Das Ergebnis ist der SMA100B mit einer besonders hohen Ausgangsleistung und einer bislang nicht erreichten Signalqualität.

Eine Signalquelle sollte so hochwertig sein, dass sie die Messergebnisse nicht beeinflusst. So brauchen Ingenieure beispielsweise zum Testen von A/D- und D/A-Wandlern Signale mit größtmöglichem Nebenlinienabstand (SFDR) und kleinstmöglichem Breitbandrauschen. Bei Radaringenieuren steht minimales Phasenrauschen ganz oben auf der Anforderungsliste. Und bei großen Messaufbauten mit starken Kabelverlusten wird eine hohe Ausgangsleistung der Signalquelle gewünscht, um nicht auf performanceverschlechternde Zusatzverstärker zurückgreifen zu müssen. All das erfüllt der Signalgenerator SMA100B von Rohde & Schwarz.

ADC- und DAC-Komponententests

Mit jeder Generation von A/D- und D/A-Wandlern steigt deren maximale Taktfrequenz und effektive Auflösung. Um leistungsfähige Bausteine testen zu können, benötigt man für die Takt- und Testsignale eine Quelle, deren spektrale Güte die der Messobjekte übertrifft. Der SMA100B erzeugt hochreine Signale mit nichtharmonischen Anteilen (SFDR) von <100 dBc bei einer Trägerfrequenz von 1 GHz und <80 dBc bei einer Trägerfrequenz von 10 GHz. Das ist eine Verbesserung von 10 dB bis 18 dB im Vergleich zur Vorgängergeneration und übertrifft auch deutlich die Daten aller vergleichbaren Geräte am Markt. Und der tatsächlich gemessene Nebenlinienabstand liegt nochmals deutlich unter den Garantiewerten.

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Bild 1: Mit dem analogen High-End-HF-und Mikrowellengenerator SMA100B müssen Ingenieure keine Kompromisse zwischen Ausgangsleistung und spektraler Reinheit mehr eingehen. Rohde & Schwarz

Hohe Abtastfrequenz und Auflösung erfordern eine Signalquelle mit sehr niedrigem Breitbandrauschen. Denn nur Taktsignale mit geringem Breitbandrauschen verringern nicht den Signal/Rausch-Abstand des abgetasteten Eingangssignals eines ADCs. Das gilt insbesondere für ADCs, die mit Unterabtastung arbeiten. Beim SMA100B sorgen ein optimiertes HF-Design und eine neue, komplett digitale Amplitudenregelschleife für ein typisches Breitbandrauschen von -160 dBc/Hz bei einer Trägerfrequenz von 10 GHz. Ein solcher Wert konnte bisher nur von wenigen sehr speziellen Signalquellen mit eingeschränktem Einsatzspektrum erreicht werden.

Für den Test von ADCs sind häufig zwei Signalquellen notwendig: Eine Quelle stellt den Takt für den Prüfling bereit, die andere das analoge Eingangssignal. Der SMA100B liefert beides. Eine optionale Clock-Synthesizer-Option stellt eine zweite, völlig unabhängige Signalquelle mit extrem geringem Phasen- und Breitbandrauschen bis 6 GHz bereit. Die Option ist speziell für Takteingänge an ADCs optimiert. Ihre Frequenz lässt sich unabhängig vom Hauptsignal einstellen. Durch eine gemeinsame 1-GHz-Referenz wird eine sehr hohe Phasenstabilität zwischen dem Taktausgangssignal und dem Haupt-Synthesizersignal erreicht. Darüber hinaus lassen sich Signaltyp, Amplitude und Gleichspannungsanteil einstellen, um sowohl gängige unsymmetrische als auch differenzielle Takt-Schnittstellen zu unterstützen.

High-End-Radar-Entwicklung

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Bild 2: Gemessene Unterdrückung der nichtharmonischen Signalanteile des SMA100 B mit der Option SMAB-B711 zusammen mit spezifizierten Werten. Rohde & Schwarz

Beim Entwickeln und Testen von High-End-Radarsystemen wird die Detektionsempfindlichkeit häufig durch das Phasenrauschen der HF-Signalquelle begrenzt. Der SMA100B bietet mehrere Optionen an, um das Phasenrauschen zu verbessern und so auch die härtesten Anforderungen zu erfüllen. Das trägernahe Phasenrauschen lässt sich bis auf Werte von typisch unter -60 dBc/Hz bei 1 Hz Offset und 10 GHz Trägerfrequenz reduzieren. Für Applikationen, die ein möglichst niedriges Phasenrauschen über den gesamten Offsetbereich erfordern, steht eine Option mit einem YIG-Oszillator bereit, mit der zum Beispiel bei 10 GHz Ausgangsfrequenz -132 dBc/Hz (typisch) bei Offsets von 10 kHz bis 100 kHz erzielt werden. Der SMA100B begründet damit eine neue Liga in der Disziplin Phasenrausch-Performance.

Beim Testen von Radarsystemen sind schnelle und genau geregelte HF-Pulse entscheidend. Mit 5 ns (typisch) Anstiegs-/Abfallzeit und mehr als 80 dB Pulsdynamik eignet sich der SMA100B ideal für Radarapplikationen. Moderne Radarempfänger müssen oft auch mit sehr kurzen Pulsen getestet werden, die eine hohe Pegelstabilität und Pegelwiederholgenauigkeit aufweisen. Der Pulsmodulator des SMA100B wurde eigens dafür konzipiert und kann die Amplituden von Pulsen ab 100 ns Pulslänge vom ersten Puls an regeln, auch bei geringem Tastverhältnis.

Produktionstests von Mikrowellenverstärkern

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Bild 3: Einseitenband-Phasenrauschen des SMA100 B bei 10 GHz. Rohde & Schwarz

Beim Testen von Leistungsverstärkern ist eine ausreichende Ansteuerleistung unabdingbar. Bisherige Mikrowellen-Signalgeneratoren konnten diese aber oft nicht aus eigener Kraft bereitstellen und waren auf teure Zusatzverstärker angewiesen. Der SMA100B hat entsprechende Kraftquellen an Bord, teils serienmäßig, teils optional. Drei Ausgangsleistungen stehen zur Wahl. Wem die Standardversion nicht genügt, kann eine High-Output-Power-Option bis +35 dBm per Keycode aktivieren, ohne den Werksservice zu bemühen. Die nur im Werk einbaubare Ultra-High-Output-Power-Option hebt den Pegel sogar auf bis zu +38 dBm an (6-GHz-Modell). Eine so hohe Ausgangsleistung erreichte bis jetzt kein Universal-Signalgenerator.

Dank eingebauter Tiefpassfilter ist für alle Output-Power-Optionen ein Oberwellenabstand von typisch -65 dBc bis zu hohen Ausgangsleistungen gegeben. Mit seiner einzigartigen Kombination aus höchstem Ausgangspegel mit niedrigen Oberwellen und extrem niedrigem Breitbandrauschen macht der SMA100B externe Verstärker und Filter und somit komplizierte und teure Messaufbauten überflüssig.

Robuster und bedienfreundlicher Signalgenerator

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Bild 4: Gemessene maximale Ausgangsleistung des SMA100 B. Rohde & Schwarz

In automatisierten Produktionsumgebungen ist es wichtig, die durch Service- oder Reparaturfälle bedingten Ausfallzeiten zu minimieren. Ein typischer Verschleißfaktor bei Mikrowellengeneratoren entfällt beim SMA100B: der mechanische Stufenabschwächer. Für Signalgeneratoren bis 6 GHz ist schon seit mehr als einem Jahrzehnt ein elektronischer und damit wartungsfreier Stufenabschwächer Standard. Der Signalgenerator SMA100B führt diese Technologie nun in die Welt der Mikrowellengeneratoren ein. Sein serienmäßig eingebauter elektronischer Abschwächer ermöglicht eine sehr schnelle und verschleißfreie Pegeleinstellung auch für Mikrowellenfrequenzen bis 20 GHz.

Den SMA100B gibt es mit zwei oder drei Höheneinheiten. Beide Varianten haben eine per Touch bedienbare grafische Bedienoberfläche. Während die 2-HE-Geräte Platz im Rack einsparen, empfiehlt sich das 3-HE-Modell durch sein größeres Display und der frontseitigen Anschlüsse für den Laboreinsatz.

Schlüsselbausteine für Signalgenerator wurden selbst entwickelt

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Bild 5: Ob schlank für den Rack-Einsatz oder mit frontseitigen Anschlüssen für den Labortisch: Beide Bauweisen beherbergen dieselbe Technik. Rohde & Schwarz

Für einen Generator, der völlig neue Maßstäbe am Markt setzt, waren einige neuartige Schlüsselbauteile nötig. Ist eine für Rohde & Schwarz als strategisch wichtig eingestufte Komponente nicht in der nötigen Qualität am Markt zu finden, wird sie selbst entwickelt. Ein hoher Aufwand, dem aber eine Reihe von Vorteilen gegenüberstehen: Abgesehen von maßgeschneiderten Eigenschaften lässt sich ein Baustein dann auch in anderen Modellen zu vergleichsweise niedrigen Herstellkosten verbauen. Rohde & Schwarz hat eigens ein innovationsfreudiges Team aus Chipdesignern im Mixed-Signal-Design-Center, das sich auf die Entwicklung von Schlüsselbausteinen mit einer am Markt nicht verfügbaren Performance spezialisiert hat. Für den Signalgenerator SMA100B wurden aufgrund der außerordentlich hohen technischen Anforderungen zahlreiche Schlüsselbausteine selbst entwickelt:

  • YIG-Oszillator: Im Rahmen eines vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie geförderten Forschungsprojekts wurde in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik der Universität Erlangen-Nürnberg und weiteren Partnern (Infineon AG, Innovent e. V.) ein komplett neuer Oszillator auf Basis eines optimierten SiGe-Transistors entwickelt. Dieser setzt – bei sehr kompakter Bauform – Maßstäbe beim Phasenrauschen über den gesamten Abstimmbereich hinweg. Die Technologie zur Herstellung der kritischen YIG-Resonatoren hoher Güte kommt bei Rohde & Schwarz schon seit einigen Jahren erfolgreich zum Einsatz und wurde gemeinsam mit Innovent e. V. weiter ausgebaut. YIG-Resonator und -Transistor sind Schlüsselkomponenten für die Oszillatoren. Die Zusammenarbeit mit den bewährten externen Partnern im Rahmen des Forschungsprojekts war der logische nächste Schritt, um die Performance der Rohde & Schwarz-YIG-Oszillatoren weiter zu verbessern.
    Signalgenerator

    YIG-Oszillator Rohde & Schwarz

  • Frequenzteiler: Um das überaus niedrige Phasenrauschen des ­Synthesizers zu erreichen, sind neben einem sehr rauscharmen Oszillator auch hochfrequente breitbandige Frequenzteiler mit äußerst niedrigem Phasen- und Breitbandrauschen erforderlich. Für den SMA100B wurde eine neue Generation von Teilerbausteinen entwickelt. Eine innovative Architektur und über einen SiGe-Halbleiterprozess realisierte neue Schaltungskonzepte setzen Maßstäbe beim Phasenrauschen. Die Performance ist um 10 dB besser als die der Vorgängerbausteine und übertrifft die aller am Markt verfügbaren Komponenten.
  • Verstärker: Um die für den Frequenzbereich extrem hohen Ausgangsleistungen von bis zu 10 W zu erzielen, war es zwingend notwendig, neue Endstufen, basierend auf der aktuellen GaN-Technologie, zu entwickeln. Diese Technologie ermöglicht die Bereitstellung der Leistung über einen sehr großen Frequenzbereich, ohne Abstriche bei Rauschen und Oberwellen machen zu müssen. Außerdem mussten völlig neue Wege beim Gehäuse beschritten werden, um die hohe Verlustleistung der Endstufen effektiv abzuführen und so deren Kühlung auf der Leiterplatte sicherzustellen.
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    Frequenzteiler Rohde & Schwarz

  • Schalter: Oft unterschätzt, aber mindestens ebenso wichtig wie die High-Power-Verstärker sind die elektronischen Schalter, die am Geräteausgang die verschiedenen Signalpfade zusammenführen und dabei die hohen Leistungen von bis zu 10 W mit möglichst geringen Verlusten und Verzerrungen übertragen müssen. Erstmalig hat Rohde & Schwarz diese Schalter ebenfalls auf Basis der GaN-Technologie ausgeführt.

Der vollelektronische 20-GHz-Stufenabschwächer hat darüber hinaus noch weitere Anforderungen an die Schalter gestellt – die Quadratur des Kreises: Um diese Baugruppe realisieren zu können, sollten die Schalter gleichzeitig mit sehr hoher Isolation, niedriger Durchgangsdämpfung, geringen Verzerrungen, sehr hohen Schaltgeschwindigkeiten und einer Signalbandbreite von 8 kHz bis 20 GHz aufwarten. Diese Anforderungen in einem einzigen Schalter-Design zu realisieren war nicht möglich, ohne die Geräte-Performance entscheidend zu verschlechtern. Die Lösung lag in der Kombination einer völlig neuartigen Stufenabschwächer-Architektur in Verbindung mit verschiedenen Schaltertopologien und -technologien. Unterschiedliche Schalterstrukturen in den Technologien CMOS, GaN und AlGaAs wurden entwickelt,

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GaN-Verstärker Rohde & Schwarz

um das jeweils optimale Ergebnis zu erzielen. Dadurch war es möglich, erstmals in einem Signalgenerator einen elektronischen Stufenabschwächer bis 20 GHz anzubieten. Komplett ohne Relais-Bypass liefert er eine sehr hohe Ausgangsleistung bei extrem niedrigen harmonischen Verzerrungen. Diese Performance wurde bisher nur mit mechanischen Stufenabschwächern erreicht. Der Vorteil für den Nutzer liegt auf der Hand: sehr kurze Einstellzeiten ohne jeden Verschleiß.

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GaN-Schalter Rohde & Schwarz