
SoC- und SiP-Technologien entwickeln sich stetig weiter. Daher hilft Entwicklern von Mikrowellen-Hochfrequenz-Transceivern ein Software-basiertes SiP-Design dabei, ihre Systeme anzupassen. (Bild: AdobeStock 483405317, jijomathai)
Entwickler von Mikrowellen-Hochfrequenz-Transceivern müssen sich zunehmend dieser Herausforderung stellen: Sie sollen in ihre Systeme die simultane Abtastung mehrerer Frequenzbereiche (L-Ka-Band) sowie Multi-Band- und Multi-Service-Funktionen integrieren. Beispiele für solche Dienste sind die nächsten Generationen von Navigationsanwendungen, Satellitenkommunikation und Erdbeobachtungsradar (SAR-Radar). Gleichzeitig sollen Entwickler die SWaP-C-Vorgaben einhalten (Größe, Gewicht, Leistung und Kosten).
Mit herkömmlichen technologischen Ansätzen ist das nicht zu schaffen. Das zeigt sich bei der Heterodyn-Architektur, auf der bislang viele Hochfrequenz-Transceiver basierten. Bei diesem Konzept wird ein gesendetes (Tx) oder empfangenes (Rx) HF-Signal mithilfe eines Mischers vom Digital-/Analog- (DAC) beziehungsweise Analog-/Digital-Wandler (ADC) abgeleitet. In den meisten Fällen kommt die Heterodyn-Architektur nur bei einem einzelnen Frequenzband beziehungsweise Service zum Einsatz.
Welche Frequenzbänder gibt es im Mikrowellenbereich? Ein Überblick.
Im Mikrowellenbereich gibt es verschiedene Frequenzbänder, die für unterschiedliche Anwendungen genutzt werden. Hier sind einige der gängigen Frequenzbänder im Mikrowellenbereich:
- L-Band: Das L-Band umfasst Frequenzen von etwa 1 bis 2 GHz. Es wird häufig in drahtlosen Kommunikationssystemen wie Satellitenkommunikation, Mobilfunknetzen und Flugzeug-funkkommunikation eingesetzt. Aufgrund der vergleichsweise niedrigen Frequenzen hat das L-Band eine gute Durchdringungsfähigkeit von Hindernissen wie Gebäuden oder Vegetation.
- S-Band: Das S-Band erstreckt sich von etwa 2 bis 4 GHz. Es findet Anwendung in Kommunikationssystemen, Radar- und Navigationssystemen sowie in Weltraumkommunikation und Wetterradar. Das S-Band bietet eine gute Kombination aus Durchdringungsfähigkeit und Bandbreite.
- C-Band: Das C-Band umfasst Frequenzen von etwa 4 bis 8 GHz. Es wird häufig für Satellitenkommunikation, Radarsysteme, Wetterüberwachung und drahtlose Breitbandkommunikation verwendet. Das C-Band bietet eine gute Mischung aus Durchdringungsfähigkeit, Kapazität und Widerstandsfähigkeit gegen atmosphärische Störungen.
- X-Band: Das X-Band erstreckt sich von etwa 8 bis 12 GHz. Es findet Anwendung in verschiedenen Bereichen wie Radarsystemen, Satellitenkommunikation, Wetterüberwachung und Raumfahrtkommunikation. Das X-Band bietet eine höhere Auflösung und Empfindlichkeit im Vergleich zu niedrigeren Frequenzbändern, ist jedoch anfälliger für atmosphärische Dämpfung.
- Ku-Band: Das Ku-Band umfasst Frequenzen von etwa 12 bis 18 GHz. Es wird häufig in Satellitenkommunikationssystemen, Rundfunkübertragungen, Breitband-Internetdiensten und drahtlosen Übertragungen verwendet. Das Ku-Band bietet eine hohe Kapazität und eignet sich gut für Breitbandkommunikation.
- Ka-Band: Das Ka-Band erstreckt sich von etwa 26 bis 40 GHz. Es wird zunehmend für Satellitenkommunikation, Breitbanddienste und Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung verwendet. Das Ka-Band bietet eine noch höhere Kapazität und ermöglicht die Übertragung großer Datenmengen.
Diese sind nur einige Beispiele für Frequenzbänder im Mikrowellenbereich. Es gibt noch weitere Frequenzbereiche wie das Q-Band, V-Band und E-Band, die für spezifische Anwendungen genutzt werden. Die Wahl des Frequenzbands hängt von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab, wie beispielsweise der benötigten Bandbreite, der Reichweite und der Durchdringungsfähigkeit.
Zu den Vorteilen zählen die geringen Kosten sowie die große Zahl ausgereifter Implementierungen und Komponenten. Hinzu kommt, dass sich Rekonfigurationen mittels der Hardware durchführen lassen. Ein Nachteil ist dagegen, dass nur ein (schmales) Band und ein einzelner Service zur Verfügung stehen. Außerdem müssen Einschränkungen bei der Hardware und durch die sequenzielle Abtastung in Kauf genommen werden (Bild 1).

Heutige homodyne Architektur
Mittlerweile werden Mikrowellen-HF-Transceiver meist mittels einer homodynen Architektur mit Direktabtastung implementiert. Bei diesem Konzept ist kein Mischer für die Umsetzung einer Frequenz auf einen höheren und tieferen Wert nötig. Die Sende- und Empfangssignale werden direkt im entsprechenden HF-Band verarbeitet. Das Direct-RF-Verfahren stellt somit eine direkte Verbindung zwischen der Antenne und der DAC/Tx- beziehungsweise ADC/Rx-Komponente her.
Teledyne e2v bietet seit 1995 mikrowellenfähige A/D- und D/A-Wandler an, die Transceiver-Designs von heterodynen bis hin zu aktuellen homodynen Lösungen ermöglichen. Je größer die Verarbeitungsbandbreite der Hardware ist, siehe beispielsweise das Ka-Band, desto stärker nimmt der Softwareanteil des Systems ab. Am Ende der Entwicklung steht ein Software-definierter Transceiver.
Software-basierter Direct-RF-Transceiver
Teledyne e2v hat einen Software-definierten Direct-RF-Simultaneous-Sampling-Receiver für Multi-Band-Anwendungen entwickelt. Der Single-Chain-Transceiver ist in der Lage, mehrere Bänder, vom L- bis zum Ka-Band, parallel zu konvertieren – nicht nur sequenziell. Dadurch ist ein Multi-Service-Betrieb möglich (Bild 2).

Die direkte HF-Konvertierung erfordert, dass sich das Tx/Rx-Modul so nah wie möglich an der Antenne befindet. Das gilt auch für die Schaltungen für die digitale Frequenzumwandlung, die Steuerung des Sende-/Empfangsstrahls sowie die Funktionen für die Modulation und Demodulation. Ein gutes Rausch- und Frequenzverhalten wird ohne Auf-/Abwärtswandlung erreicht. Zudem lassen sich Einfügungsverluste reduzieren, ohne dass Combiner und Splitter erforderlich sind.
Sobald die Hardware-Implementierung (Datenkonverter, Filter, etc.) festgelegt wurde, ist die einzige Variable im System die Taktfrequenz, abgesehen von Software-Rekonfigurationen. Ein solches softwaresteuerbares System ermöglicht es, kontinuierlich dynamische Rekonfigurationen der Software vorzunehmen, auch mithilfe von Technologien wie künstlicher Intelligenz (KI).
Anwendungen und Implementierungen
Die Lösung berücksichtigt aktuelle Entwicklungen beim Design von Transceivern. So nutzen Direkt-HF-Transceiver heute einen minimalistischen Aufbau, um eine möglichst hohe Multi-Bandleistung pro Service zu erreichen. Allerdings kann der Multi-Bandbetrieb je nach den verfügbaren ADCs und DACs auf einige Bänder begrenzt sein, etwa L und C oder X und Ku. Ob sich ein Multi-Service-Betrieb überhaupt realisieren lässt, hängt zudem von der Verarbeitungs- und Rechengeschwindigkeit des digitalen Modulators/Demodulators ab. Auch das Daten-Routing kann die Multi-Service-Fähigkeit eines Systems beeinträchtigen.
Rolle der Gehäuse- und Verbindungstechnologie
Zu beachten ist außerdem, dass die Implementierung eines Multi-Band-/Service-Mikrowellen-Transceivers nicht nur leistungsfähige Komponenten erfordert. Auch aktuelle Gehäuse- und Verbindungstechnologien sind erforderlich. Dadurch lässt sich das System so aufteilen, dass analoge und digitale Interferenzen minimal ausfallen.
Um das zu erreichen, kommen unterschiedliche Partitionierungstechniken in Betracht:
- Ein einzelnes Multi-Chip-Modul, bei dem die Daten um das FPGA herum zentral platziert werden. Dies minimiert das digitale Routing.
- Ein SoC-Design (System on Chip).
- SiPs (System-in-a-Package), die mit Glasfasern verbunden sind. Dadurch lassen sich die ADCs und DACs in der Nähe der Antenne platzieren, während die digitalen Funktionen von den analogen isoliert werden.
Das erste Verfahren ist bereits seit Jahrzehnten im Einsatz, erfordert jedoch eine komplexe Weiterleitung der analogen Signale für die ADCs und DACs. Außerdem ist das Routing der analogen Signale problematisch, wenn die Betriebsfrequenzen des Systems steigen.
Beim zweiten Ansatz wird ein SoC verwendet. Dieses erfordert jedoch eine monolithische Prozesstechnologie. Außerdem muss die Geometrie der Komponente auf die analogen und digitalen Mikrowellenfunktionen des Transceivers abgestimmt werden. Das erhöht Komplexität, Kosten und Entwicklungszeiten. Das Verfahren auf Basis von SiPs kombiniert das Beste der beiden erstgenannten Techniken. Ein Nachteil ist jedoch, dass eine optische Datenübertragung erforderlich ist. Außerdem eignen sich SiPs am besten für Einsatzfelder mit getrennten Sendern und Empfängern, die mit separaten Antennen verbunden sind.
Kombination von Multi-Chip-Modul und SiP
Eine weitere Option bietet Teledyne e2V mit dem Software-definierten Direct-RF-Simultaneous-Sampling-Receiver für Multi-Band-Anwendungen an. Sie kombiniert die Vorteile von Multi-Chip-Modulen mit System-in-a-Package.
Der Transceiver ist in ein einzelnes, geschlossenes Transceiver Antenna Module (TAM) integriert, das wiederum direkt mit den Antennen für die L- bis KA-Band-Services verbunden wird. Das Kernelement des TAM ist ein Tx/Rx MiXip-SiP. Er besteht aus einem EV12DD700 (DAC) von Teledyne e2v, zwei EV10AS940 (ADCs) und der FPGA-Engine XQRVC1902 von AMD Xilinx (7-Nanometer-Technologie). Hinzu kommen Komponenten wie Tiefpassfilter (LPF), Bandpassfilter/Multi-Band(n)-Passfilter (BPFn), rauscharme (Low-Noise Amplifiers, LNA) und Hochleistungsverstärker (HPA) sowie Zirkulatoren.
Das Packaging und die Aufteilung des TAM hängt von den Frequenzbändern, den Pegeln bei der Leistungsübertragung, den physischen Abmessungen sowie den thermischen Anforderungen der Zusatzkomponenten ab. So kann es beispielsweise die beste Lösung sein, den MiXip SiP, die LNAs, LPFs und BPFns auf derselben Leiterplatte unterzubringen, die direkt mit den HPAs und Zirkulatoren verbunden ist (Bild 3).

Keine Einschränkung durch Hardware
Ein TAM, das den MiXip-SiP-Kern für das L- bis Ka-Band nutzt, hat den Vorteil, dass das System nicht mehr durch Hardware eingeschränkt ist. Da DAC, die ADCs und das FPGA des MiXip SiP in einem einzigen SiP-Gehäuse enthalten sind, müssen Entwickler von Transceivern nur noch die passenden Zusatzkomponenten auswählen. Anschließend lässt sich das TAM dynamisch per Software rekonfigurieren – bei paralleler Abtastung und einer nahtlosen Anbindung an Satelliten im Low Earth Orbit (LEO) oder Medium Earth Orbit (MEO). Die einzige Designvariable im System ist die Abtastfrequenz.
Die Fähigkeit des TAM, mehrere Bänder und Dienste gleichzeitig abzutasten, bietet den Nutzern eine größere Ausfallsicherheit auf Systemebene und die Unabhängigkeit von lokalen, irdischen und weltraumgestützten EM-Infrastrukturen. Außerdem wird eine automatische Umschaltung unterstützt. Sie ermöglicht beispielsweise ein Monitoring des Systems und die Verschlüsselung von Daten.
Einzelne Komponenten im Detail
Zu den Kernbestandteilen des TAM zählt der EV12DD700. Dies ist ein Ka-Band-fähiger, strahlungstoleranter 12-Bit-Digital-Analog-Wandler mit Wandlungsraten von bis zu 12 GSps. Der DAC kann Signale mit Frequenzen von über 21 GHz ohne Aufwärtswandlung synthetisieren. Weitere Funktionen sind neben anderen eine Digital-up Conversion (DUC), die direkte digitale Synthese (DDS), ein Beam-Forming und -Hopping sowie ein schnelles Frequenzsprungverfahren.
Neben dem klassischen Non-Return-to-Zero-Ausgabemodus (NRZ) verfügen die DAC-Cores des EV12DD700 über einen Hochfrequenz- (RF) und 2RF-Modus. Diese Ausgabemodi ermöglichen es, Frequenzen bis zu 21 GHz ohne externen Aufwärtswandler zu synthetisieren.
Der Empfänger-ADC EV10AS940 wiederum ist ein 10-Bit Einkanal-A/D-Wandler mit Abtastraten von bis zu 12,8 GSps. Die hohe analoge Eingangsbandbreite von 35 GHz macht ihn zu einer guten Wahl für Direct-RF-Ka-Band-Architekturen. Außerdem verfügt der ADC über elf serielle ESIstream-Links (Serielle High-Speed-Schnittstellenprotokolle für Mikrowellen-Datenwandler). Sie arbeiten synchron zum Abtasttakt, um eine deterministische Datenübertragung zu erreichen.
Die Digital-Down-Conversion-Funktion (DDC) des EV10AS940 bietet mehrere Optionen für die Frequenzreduzierung mit bis zu vier separaten NCOs (Numerically Controlled Oscillators). Phasenakkumulatoren auf jedem NCO und deterministische Hopping-Trigger-I/Os stellen sicher, dass im Multi-Bandbetrieb kohärente Frequenzsprünge möglich sind.
Tx/Rx-MiXip-SiP in kompaktem Formfaktor
Der Tx/Rx MiXiP-SiP-Kern des TAM besteht aus den A/D- und D/A-Wandlern EV12DD700 und EV10AS940 sowie der FPGA-Engine XQRVC1902. Der Transceiver weist dennoch einen kompakten Formfaktor von 63 × 50 mm² auf. Die ADCs von Teledyne e2v verfügen über Single-Ended-Eingänge. Das ist bei der Auswahl der LNA-Treiber (rauscharmen Verstärker) hilfreich und macht Transformatoren überflüssig (Bild 4).

MiXiP platziert den XQRVC1902 neben dem DAC und den ADCs. Dadurch werden das digitale Routing und Störungen reduziert. Die FPGAs der Reihe AMD Xilinx VC1902 mit den integrierten Versal AI Cores kommen bei der Adapt Compute Acceleration Platform zum Einsatz. Die Versal ACAP ist ein SoC, das CPUs, digitale Signalprozessoren, E/A- und RAM-Steuerung sowie programmierbare Hardware-Logik kombiniert. Durch den XQRVC1902 stehen dem SiP Funktionen zur Verfügung wie eine dynamische Frequenzplanung und eine Multi-Band- und Multi-Servicefähigkeit. Hinzu kommt die Option, Crossband-Übertragungen durchzuführen, also Multi-Band-Übermittlungen zu empfangen, gleichzeitig jedoch andere Bandbereiche für Übertragungen zu nutzen.
Komplettes Paket für Entwickler
Darüber hinaus ist eine breite Palette von Multiband-Komponenten für die softwaredefinierten direkten HF-Transceiver von mehreren Anbietern verfügbar. Dazu zählen Antennen, Verstärker, Lichtwellenleiter, Zirkulatoren und Filter. Entwickler von Mikrowellen-Hochfrequenz-Transceivern haben somit die Möglichkeit, den Schritt in Richtung Software-basierter Systeme zu gehen. (na)