Dieser Artikel beschreibt den Entwurf eines HF-Wandlers und stellt Blockdiagramme für HF-Aufwärts- und HF-Abwärtswandler vor. Er erläutert die im C-Band-Frequenzwandler verwendeten Frequenzkomponenten. Der Entwurf basiert auf einer Mikrostreifenleitung und verwendet diskrete HF-Bauteile wie HF-Mischer, Lokaloszillatoren, MMICs, Synthesizer, OCXO-Referenzoszillatoren, Dämpfungsglieder usw.
HF-Aufwärtswandler-Design
Ein HF-Frequenzwandler wandelt Frequenzen von einem Wert in einen anderen um. Geräte, die Frequenzen von niedrigen auf hohe Werte umwandeln, werden als Aufwärtswandler bezeichnet. Da sie im Radiofrequenzbereich arbeiten, spricht man von einem HF-Aufwärtswandler. Dieses HF-Aufwärtswandlermodul wandelt die ZF-Frequenz im Bereich von etwa 52 bis 88 MHz in die HF-Frequenz von etwa 5925 bis 6425 GHz um. Daher wird es auch als C-Band-Aufwärtswandler bezeichnet. Es ist Bestandteil von HF-Transceivern, die in VSAT-Systemen für Satellitenkommunikationsanwendungen eingesetzt werden.
Abbildung 1: Blockdiagramm des HF-Aufwärtswandlers
Schauen wir uns den Aufbau des HF-Aufwärtswandlers anhand einer Schritt-für-Schritt-Anleitung an.
Schritt 1: Ermitteln Sie, welche Mischer, Lokaloszillatoren, MMICs, Synthesizer, OCXO-Referenzoszillatoren und Dämpfungsglieder allgemein erhältlich sind.
Schritt 2: Führen Sie die Leistungspegelberechnung an verschiedenen Stufen der Aufstellung durch, insbesondere am Eingang der MMICs, so dass der 1-dB-Kompressionspunkt des Geräts nicht überschritten wird.
Schritt 3: Entwerfen und verwenden Sie geeignete Mikrostreifenfilter in verschiedenen Stufen des Designs, um unerwünschte Frequenzen nach den Mischern herauszufiltern, je nachdem, welcher Teil des Frequenzbereichs durchgelassen werden soll.
Schritt 4: Führen Sie die Simulation mit Microwave Office oder Agilent HP EEsof durch. Verwenden Sie dabei die erforderlichen Leiterbahnbreiten an verschiedenen Stellen der Leiterplatte für das gewählte Dielektrikum entsprechend der HF-Trägerfrequenz. Vergessen Sie nicht, während der Simulation ein Abschirmmaterial zu verwenden. Überprüfen Sie die S-Parameter.
Schritt 5: Lassen Sie die Leiterplatte herstellen und löten Sie die gekauften Bauteile darauf.
Wie im Blockdiagramm in Abbildung 1 dargestellt, müssen dazwischen geeignete Dämpfungsglieder von entweder 3 dB oder 6 dB verwendet werden, um den 1-dB-Kompressionspunkt der Geräte (MMICs und Mischer) zu berücksichtigen.
Es müssen ein Lokaloszillator und ein Synthesizer mit geeigneten Frequenzen verwendet werden. Für die 70-MHz-zu-C-Band-Konvertierung werden ein Lokaloszillator mit 1112,5 MHz und ein Synthesizer mit einem Frequenzbereich von 4680–5375 MHz empfohlen. Als Faustregel für die Auswahl des Mischers gilt: Die Leistung des Lokaloszillators sollte 10 dB über dem höchsten Eingangssignalpegel bei P1dB liegen. Das GCN (Gain Control Network) ist ein Verstärkungsregelungsnetzwerk, das mit PIN-Dioden-Dämpfungsgliedern arbeitet, deren Dämpfung sich anhand der analogen Spannung ändert. Verwenden Sie bei Bedarf Bandpass- und Tiefpassfilter, um unerwünschte Frequenzen auszublenden und die gewünschten Frequenzen durchzulassen.
HF-Abwärtswandler-Design
Das Gerät, das Frequenzen von hohen auf niedrige Werte umwandelt, wird als Abwärtswandler bezeichnet. Da es im Radiofrequenzbereich arbeitet, spricht man von einem HF-Abwärtswandler. Im Folgenden wird der Aufbau eines HF-Abwärtswandlers Schritt für Schritt erklärt. Dieses HF-Abwärtswandlermodul wandelt HF-Frequenzen im Bereich von 3700 bis 4200 MHz in Zwischenfrequenzen (ZF) im Bereich von 52 bis 88 MHz um. Daher wird es auch als C-Band-Abwärtswandler bezeichnet.
Abbildung 2: Blockdiagramm des HF-Abwärtswandlers
Abbildung 2 zeigt das Blockdiagramm eines C-Band-Abwärtswandlers mit HF-Komponenten. Im Folgenden wird der Entwurf des HF-Abwärtswandlers Schritt für Schritt erläutert.
Schritt 1: Gemäß der Heterodyn-Schaltung wurden zwei HF-Mischer ausgewählt, die die HF-Frequenz von 4 GHz auf 1 GHz und von 1 GHz auf 70 MHz umwandeln. Der verwendete HF-Mischer ist ein MC24M, der ZF-Mischer ein TUF-5H.
Schritt 2: Für die verschiedenen Stufen des HF-Abwärtswandlers wurden geeignete Filter entwickelt. Dazu gehören ein Bandpassfilter (BPF) von 3700 bis 4200 MHz, ein Bandpassfilter (BPF) von 1042,5 ± 18 MHz und ein Tiefpassfilter (LPF) von 52 bis 88 MHz.
Schritt 3: MMIC-Verstärker-ICs und Dämpfungsglieder werden, wie im Blockdiagramm dargestellt, an den entsprechenden Stellen eingesetzt, um die erforderlichen Leistungspegel am Ein- und Ausgang der Geräte zu erreichen. Die Auswahl erfolgt entsprechend der Verstärkung und der 1-dB-Kompressionspunktanforderung des HF-Abwärtswandlers.
Schritt 4: Der im Aufwärtswandler-Design verwendete HF-Synthesizer und LO werden, wie dargestellt, auch im Abwärtswandler-Design verwendet.
Schritt 5: HF-Isolatoren werden an geeigneten Stellen eingesetzt, um das HF-Signal in eine Richtung (vorwärts) durchzulassen und seine Reflexion in Rückwärtsrichtung zu verhindern. Daher spricht man von unidirektionalen Bauelementen. GCN steht für Gain Control Network (Verstärkungsregelungsnetzwerk). Das GCN dient als variable Dämpfung und ermöglicht die Einstellung der HF-Ausgangsleistung entsprechend der HF-Link-Budgetierung.
Fazit: Analog zu den in diesem Entwurf eines HF-Frequenzumrichters vorgestellten Konzepten lassen sich Frequenzumrichter auch für andere Frequenzen wie das L-Band, das Ku-Band und das Millimeterwellenband entwerfen.
Veröffentlichungsdatum: 07.12.2023
