4-2019

beamnet

Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

April 4/2019 Jahrgang 24

HF- und

Mikrowellentechnik

MEMS-basierte Taktgeber

Die quarzlose Alternative

WDI AG, Seite 26


LTCC

WIDEBAND

XFORMERS & BALUNS

240 MHz-18 GHz

■ Case Styles as small as 0603

■ Power Handling up to 3W

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Editorial

50 Jahre Internet

Autor:

Ing. Frank Sichla

hf-praxis

Heutzutage wissen viele Nutzer

gar nicht mehr, dass Internet

und World Wide Web nicht

dasselbe sind. Denn das Internet

wurde schon 1969, also vor 50

Jahren, vom US-Verteidigungsministerium

geschaffen und

vereinte zunächst nur vernetzte

Großrechner von Universitäten,

Behörden und Forschungseinrichtungen.

Die Öffnung dieser

Netze für weitere Teilnehmer

sowie der Kommunikation

zwischen verschiedenen Netzen

standen aber permanent auf der

Tagesordnung. Doch erst 1982

war diese Hürde genommen:

Das US-Militär stellte das TCP/

IP vor und erklärte es zum internen

Standard für die Datenkommunikation.

Um 1990 erfand dann der Brite

Tim Berner-Lee am CERN, dem

europäischen Kernforschungszentrum

in der Schweiz, das

World Wide Web: Berner-Lee

entwickelte das Hypertext Transfer

Protocol (HTTP) und die

Hyperlinks, die es ermöglichen,

über Browser-Software schnell

und bequem auf die Inhalte des

Internets zuzugreifen. So wurde

das World Wide Web möglich,

das Netz zur kommerziellen

und privaten Nutzung des Internets.

An der nach wie vor gültigen

Struktur einer URL http://

www... ist erkennbar, dass URLs

ursprünglich nur für den internen

Gebrauch durch einige Wissenschaftler

konzipiert und nicht für

den Massengebrauch optimiert

wurden. Für die beiden Schrägstriche

hat sich Berners-Lee später

sogar entschuldigt, weil es

keinen Grund für ihre Einführung

gegeben habe...

1997 wurde der WAP-1.0-Standard

veröffentlicht. Dadurch

konnte man vom Handy aus auf

das Internet zugreifen, zunächst

zu teilweise sehr hohen Kosten.

Durch die Weiterentwicklung

der Handys, der Erhöhung der

Übertragungsgeschwindigkeit

sowie die mögliche Senkung der

Tarife erhielt seit etwa 2010 das

„Internet am Handy“ eine neue

Bedeutung.

Heute ist das Internet Teil des

täglichen Lebens. Es bietet

traumhafte Informations- und

Kommunikationsmöglichkeiten,

hat die Unterhaltungsindustrie

umgekrempelt und ist ein weltumspannender

Handelsplatz für

Waren und Dienstleistungen

aller Art. Vor wenigen Jahren

war diese Entwicklung in ihrer

Wucht noch nicht abzusehen.

Sie ist durchaus auch problematisch,

schaut man auf die monopolartigen

Stellungen der größten

Player, das Unvermögen der

Politik, deren gerechte Besteuerung

herbeizuführen oder die

bitteren Folgen für die traditionellen

Ladengeschäfte.

Derzeit nimmt das Internet of

Things Fahrt auf. Es bedeutet

im Wesentlichen die Vernetzung

eines Haushalts oder Unternehmens

und seine Anbindung an

das Internet. Der Ursprung liegt

im Auto-ID Center am Massachusetts

Institute of Technology

(MIT). Hier sprach man

1999 zum ersten Mal vom IoT,

als eine firmenübergreifende

RFID-Infrastruktur (Radio Frequency

Identification, Identifizierung

mithilfe von Funkwellen)

entworfen wurde. Der

damalige Leiter des Centers,

Kevin Ashton, verwendete den

Ausdruck, um das Prinzip zu

erklären. Seine Vision: Computer

sollen in der Lage sein,

sich unabhängig vom Menschen

Informationen zu beschaffen.

Die reale Welt muss für die PCs

zugänglich sein – ohne Zutun

der Menschen. Und genau dies

wurde über die letzten Jahre ermöglicht.


Oszillatoren, Filter

und Quarze

für Anwendungen im Bereich

Kommunikation, Industrie,

Militär, Automotive und

Raumfahrt

Stratum 3/3E

VCXO/VCSOO

MEMS

TCXO

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municom GmbH

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Filter

Technische Beratung und Distribution

hf-praxis 4/2019 3


Inhalt 4/2019

Titelstory:

Die quarzlose Alternative: MEMS-basierte

Taktgeber

Seit Jahrzehnten sorgen quarzbasierte Oszillatoren als

Taktgeber für stabile Frequenzen. Neue Möglichkeiten

eröffnen MEMS-basierte Taktgeber 26

Schwerpunkt Quarze und Oszillatoren:

Produkte und Artikel zum Thema: „Quarze und

Oszillatoren“ ab Seite 8

Silizium-MEMS als

Taktgenerator &

Zeitreferenz

Takt-Quarzoszillatoren

werden mehr und mehr

von MEMS-Oszillatoren

verdrängt. Warum bringen

diese Vorteile und was

sollte man bei ihrem

Einsatz beachten? 22

HF-Technik:

RMS-Leistungsmesser für 100 MHz bis 40 GHz

Mit dem Baustein LTC5596 von Analog Devices lässt sich ein

breitbandiger Leistungsmesser im Handheld-Format oder auch für

den direkten Einbau in eine Schaltung realisieren 30

Elektromechanik:

Hohlleiter-Koax-

Adapter zur

verlustarmen

Übertragung

Rosenberger hat ein Produktspektrum

an Hohlleiter-Koax-Adaptern

entwickelt, die zur verlustarmen

Übertragung

zwischen Hohlleiter und

Koax-Steckverbinder eingesetzt

werden. 54

MEMS-

Oszillatoren

erobern den Markt

der OCXOs

Zukünftig werden

OCXOs für das aufkommende

5G und die IEEE-

1588-Synchronisationsapplikationen,

die einsatzkritische

Dienste,

wie autonomes Fahren

unterstützen, essentiell

sein. 18

4 hf-praxis 4/2019


5G und IoT:

5G: Wundermittel

oder Utopie für IoT-

Konnektivität?

Mit dem Aufbau des 5G-Netzes

und dem wachsenden Internet

der Dinge wird rund um den

Globus zunehmend alles

vernetzt. Dank 5G wird in

nicht allzu ferner Zukunft eine

Hochgeschwindigkeitsverbindung

für alle verfügbar sein –

ausreichende Netzabdeckung

vorausgesetzt. 43

RF & Wireless ab Seite 62:

Distributed Antenna System (DAS) for IoT, Cellular and

other Wireless Applications

The Internet of Things (IoT) has continued to grow at a rapid rate in recent years.

With the connectivity of cellular devices, computers, vehicles, buildings, sensors,

and more electronics, it’s more important than ever that these devices are able to

connect, communicate and meet the needs that users covet. 66

Messtechnik ab Seite 45:

Sicherheitsisolierte CAN-FD-

Transceiver für Netzwerke mit

12 MBit/s

Anwender, denen es auf niedriges

Phasenrauschen, hohe Empfindlichkeit

und große Analysebandbreite ankommt,

profitieren von den Vorteilen des R&S FSV

40N, der US-Navy-Version des R&S FSV 40,

insbesondere bei Messungen bis 40 GHz. 48

hf-praxis 4/2019 5


Aktuelles

25. Hightech auf dem Olympiaturm

erforderlich. Mehr zu Programm

und Anmeldung finden Sie unter

www.olyturm.de.

Am 15. und 16. Mai 2019 (Mittwoch

und Donnerstag) jährt sich

die Fachveranstaltung „Hightech

auf dem Olympiaturm“ zum 25.

mal. Auch auf der Jubiläumsveranstaltung

stehen Produktneuheiten,

Fachvorträge und interessanten

Gespräche im Fokus.

Als Veranstalterin präsentiert

die Meilhaus Electronic GmbH

eine hochkarätige Auswahl ausstellender

Firmen und durch

Distributoren vertretene Firmen,

darunter B+K Precision, Bürklin

Elektronik, Ceyear, erfi, GMC-I

Messtechnik Gossen Metrawatt,

Keysight Technologies, Kniel

System-Electronic, MCD Elektronik,

Pickering Interfaces, Pico

Technology, Plig-in Electronic,

Rigol und als neuen Aussteller

Siglent. Für Fachgespräche mit

Experten ist das Drehrestaurants

„181 Business“ mit Panoramablick

auf die Landeshauptstadt

München vorgesehen. Für Besucher

ist die Teilnahme kostenfrei,

eine Voranmeldung ist jedoch

Das Premium-Messtechnik-

Event hat sich über die Jahre zu

einem Dauerbrenner entwickelt

und ist bei Ausstellern und Besuchern

gleichermaßen beliebt. Die

25. Hightech auf dem Olympiaturm

vereint Technologie-Vorträge,

Branchentreff und Networking

mit Live-Präsentationen

und Applikationen aus der

Praxis. Im Fokus der Veranstaltung

stehen Produktneuheiten,

Trends und neue Technologien

in der Mess- und Prüftechnik, der

Automation und Interface-Technik,

im Bereich Embedded-PC,

IoT/IIoT, Highend-HF-Messtechnik,

Industrie 4.0 und vieles

mehr. Der außerordentlich gute

Erfolg, den die Veranstaltung

bei Anwendern wie Technikern,

Ingenieuren oder auch Studenten

genießt, zeigt sich besonders in

der hohen Teilnehmerfrequenz.

Die Fachvorträge finden an

beiden Ausstellungs tagen statt,

ebenso die Vorstellung neuer

Produkte. Jeder Fachbesucher

und Zuhörer der Technologie-

Vorträge erhält auf Wunsch ein

ME-Olympiaturm-Diplom als

Zertifikat für die Teilnahme.

Hoch über den Dächern von

München lädt die „Hightech auf

dem Olympiaturm“ zum intensiven

Fachgespräch und Sammeln

neuer Ideen und Lösungen

ein – ohne die auf Großmessen

sonst so häufige Hektik, dafür

mit ausführlicher Information

von ausgesuchten Ausstellern.

Fachvorträge kommen von

von GMC-I Messtechnik Gossen

Metrawatt, Kniel System-

Electronic, Keysight Technologies,

erfi, Rigol, Meilhaus

Electronic, Pico Technology,

MCD Elektronik, Pickering

Interfaces, Siglent und B+K

Precision.

■ Meilhaus Electronic GmbH

www.meilhaus.com

Neue satellitenbasierte Frequenzreferenz

Beim FS752 handelt es sich um einen

GNSS-synchronisierten Zeit- und Frequenzstandard.

Der eingebaute Empfänger

verfolgt jede der vier wichtigsten

GNSS-Systeme GPS (USA), Galileo (EU),

Glonass (Russland) und Beiduu (China).

Es sind Indoor- und Outdoor-Antennen

als Zubehör lieferbar.

Das Gerät besitzt exzellente Eigenschaften

bzgl. Phasenrauschen, Allan Varianz

(Kurzzeitstabilität) und Alterungscharakteristik.

Es verfügt intern über einen

Doppelofen-Oszillator (OCXO) mit

einem Phasenrauschen von weniger als

-125 dBc/Hz bei einem Offset von 10 Hz.

Dies macht den Standard ideal für präzise

Timing-Anwendungen, Netzwerksynchronisationen,

Telekommunikation und

GPS-Navigation sowie Ultraschall- und

Radaranwendungen. Als Referenzoszillator

im Labor ist das Gerät auf bis zu

13 10-MHz-Ausgänge oder zehn 1-pps-

Ausgänge erweiterbar. Standardmäßig

sind fünf 10-MHz-Ausgänge und zwei

1-pps-Ausgänge (pulse per second) eingebaut.

Die Langzeitstabilität entspricht

der Spezifikation des nachverfolgten

GNSS-Systems.

■ SI Scientific Instruments GmbH

www.si-gmbh.de

6 hf-praxis 4/2019


HF- und

Mikrowellentechnik

Schwerpunkt in diesem Heft:

Quarze und Oszillatoren

E-Serie Oszillatoren (SPXOs) bieten extrem geringen Jitter

Epson Europe präsentiert die neuen SPXOs

der E-Serie, die sich durch extrem geringen

Jitter auszeichnen. Ausgelegt für hochleistungsfähige

Netzwerk-Anwendungen sind

die E-Serie SPXOs in einem Frequenzbereich

von 25 bis 200 MHz verfügbar und

bieten einen extrem geringen Jitter für ein

weit offenes Augendiagramm, optimal für

optische und elektrische Hochgeschwindigkeitsschnittstellen

(bis zu 400 Gbps).

Dank der Integration von LDO und dem

Einsatz von Epson’s HFF (High Frequency

Fundamental) Quarz Technologie, erreichen

die E-Series SPXOs einen industrieführendes

Jitter-Niveau von 50 fs rms

bei 156,25 MHz, bei gleichzeitig geringem

Stromverbrauch und einer Betriebsspannung

von +2,5 oder +3,3 V. Die hohe

Stabilität von optional ±25ppm über -40

bis +85 °C, ±50ppm über -40 bis +105

°C oder ±100ppm über -40 bis +105 °C

bietet erfüllt übliche Netzwerkspezifikationen.

Der weite Betriebstemperaturbereich

von -40 bis 105 °C prädestiniert die

Serie für den Einsatz in Außenanlagen

und Einrichtungen ohne Lüfter. Zusätzlich

zur Industrie-Standartgröße 7,0 x 5,0 mm

ist die E-Serie im kleineren 3,2 x 2,5 mm

Gehäuse verfügbar.

Besondere Merkmale

• Extrem geringer Jitter: 50 fs rms 12 kHz

bis 20 MHz @ 156,25MHz

• Hohe Stabilität: ±25ppm über -40 °C bis

+85 °C, ±50ppm über -40 bis +105 °C,

oder ±100ppm über -40 bis +105 °C

• Weiter Betriebstemperaturbereich

• Verfügbar in zwei Größen: Industrie-

Standard 7,0 x 5,0 mm und 3,2 x 2,5 mm

• Geringer Stromverbrauch

• Verfügbar mit LVPECL- oder LVDS-

Ausgang

■ EPSON Europe Electronics GmbH

www.epson-electronics.de

Quarzoszillatoren mit

höchster Präzision

Der in UK ansässige Hersteller Euroquartz

hat mit der XOR-Serie hochstabile SMD-

Oszillatoren im Programm und schließt

damit die Lücke zwischen den herkömmlichen

unkompensierten und den meist

erheblich teureren, temperaturkompensierten

Oszillatoren. Der in einem SMD-Keramikgehäuse

mit den Bauformen 7 x 5, 5 x 3,2

und 3,2 x 2,5 mm erhältliche Oszillator ist

im Frequenzbereich von 1 bis 56 MHz lieferbar

und bietet ein hervorragendes Phasenrauschen

von nur -145 dBc/Hz bei 100

kHz Offset sowie eine exzellente Jitter-Performance

von nur 300 fs typ. (12 kHz bis

20 MHz). Erhältlich ist die XOR-Serie mit

HCMOS-Ausgang in 1,8, 2,5 sowie 3,3 V

Versorgungsspannung. Sie bietet eine Frequenzstabilität

von ±7ppm über den kommerziellen

Temperaturbereich von -10 bis

+70 °C sowie von ±15ppm über den industriellen

Temperaturbereich von -40 bis +85 °C.

Durch ihre hervorragende Stabilität füllt die

XOR-Serie die bisherige Lücke zwischen

den gewöhnlichen, unkompensierten Oszillatoren

mit üblichen Werten von ±25ppm

Frequenzstabilität über -40 bis +85 °C und

den meist erheblich teureren temperaturkompensierten

Oszillatoren (TCXO), welche

typischerweise eine Frequenzstabilität

von ±2,5ppm über -30 bis +75 °C aufweisen.

Sie eignet sich daher für kostensensitive

Anwendungen, die ein Taktsignal mit

höchster Präzision erfordern. Für technische

Beratung, Angebots- oder Musteranfragen

sprechen Interessenten den offiziellen Distributor,

die WDI AG, an.

■ WDI AG

info@wdi.ag, www.wdi.ag

Quarzoszillatoren für

IoT & 5G

Mit dem Internet of Things ist auch die

5G-End-to-End-Highspeed-Kommunikation

immer weiter auf dem Vormarsch. Um den

Anforderungen ultraschneller Kommunikationsgeräte,

hoher Datenübertragungsraten

sowie der immer schnelleren Produktentwicklungen

seitens der Gerätehersteller im

Bereich 5G und IoT gerecht zu werden, hat

Taitien Electronics die FastXO-Serie hochfrequenter

Quarzoszillatoren entwickelt.

Taitiens FastXO-Serie hat in der Vergangenheit

schon die superschnellen Hochfrequenz-Quarzoszillatoren-Typen

OT-M (7 x

5 mm) und OW-M (5 x 3,2 mm) erfolgreich

8 hf-praxis 4/2019


etabliert. Bedingt durch die immer stärker

werdende Nachfrage nach Miniaturisierung

wurde nun mit dem nur 3,2 x 2,5

mm kleinen Typ OA-M das bisher kleinste

Mitglied dieser Produktfamilie vorgestellt.

Da die für 5G-Kommunikation und IoT-

Geräte typischen Frequenzen, wie beispielsweise

155,52, 312,5, 491,52, 622,08

und 1244,16 MHz, erreicht werden können,

eignet sich der OA-M hervorragend

für IoT-Anwendungen jeglicher Art sowie

alle Anwendungen, für die Geschwindigkeit

und Zuverlässigkeit unabdingbar sind.

■ WDI AG

info@wdi.ag, www.wdi.ag

PLL-OCXO mit

Multifrequenzausgang und

Frequenzreferenz

Quarze und Oszillatoren

Der XO8085 OCXO bietet eine nominale

Ausgangsfrequenz von 100 MHz, exzellente

SWaP-Eigenschaften, die Multifrequenzausgangs-Option

und eine Aufwärmzeit

von nur 5 min. Der Oszillator

ist hermetisch versiegelt und RoHS-konform.

Bevorzugte Anwendungen umfassen

Radarsysteme, Satellitenkommunikation,

Luftfahrttechnik sowie Prüf- und

Messtechnik.

■ WDI AG

info@wdi.ag, www.wdi.ag

Schnell verfügbare

HF-Oszillatoren mit extrem

niedrigen Phasenjitter

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PORTABLE ISOTROPIC

3D ANTENNA

ISOLOG 3D MOBILE PRO

Die OCXO-Serie des US-Herstellers

MtronPTI kombiniert über 25 Jahre Erfahrung

in der diskreten HF-Entwicklung mit

hochpräziser OCXO-Fertigungserfahrung

und bietet Entwicklern eine PLL-OCXO-

Plattform mit hoher Stabilität, extrem

niedrigem Phasenrauschen und niedriger

G-Empfindlichkeit sowie der Option eines

Multifrequenzausgangs. Für die immer

kleiner werdenden Hochfrequenzsysteme

ermöglicht eine integrierte Baugruppe

wie der XO8085 Systementwicklern die

Verwendung eines kleinen Gehäuses mit

Multifrequenzausgang anstelle mehrerer

OCXOs. Dies reduziert Größe, Gewicht

und Stromverbrauch, senkt die Kosten

und steigert die Zuverlässigkeit.

Des Weiteren bietet der XO8085 die Möglichkeit,

ihn mit einer Frequenzreferenz

zu betreiben. Wird ein OCXO mit einer

Frequenz von 100 MHz durch einen Referenz-OCXO

mit 10 MHz gesichert, wird

das sogenannte Close-in-Phasenrauschen

des Ausgangs durch die Referenz mit der

niedrigen Frequenz bestimmt. Das Phasenrauschen

von Offsetfrequenzen, die

größer als die PLL-Bandbreite sind, wird

durch den gesicherten OCXO (100 MHz)

bestimmt. Die XO8085-Serie bietet ein

geringes Grundrauschen von -180 dBc/

Hz und ein Close-in-Phasenrauschen von

-130 dBc/Hz oder besser bei 100 Hz Offset.

hf-praxis 4/2019

Der britische Spezialist Euroquartz, Ltd.

bietet seine beiden neuesten Oszillatoren

mit einem extrem niedrigem Phasenjitter

von nur 150 fs jetzt auch mit extrem kurzer

Lieferzeit an. Muster und Serienmengen

können innerhalb von zwei Wochen

geliefert werden.

Die EQJF-Serie ist im Frequenzbereich von

50 bis 2100 MHz mit LVPECL-, LVDS-,

CML- oder HCSL-Ausgangslogik erhältlich

und benötigt eine Versorgungsspannung

von 1,8, 2,5 oder 3,3 V. Sowohl für

den kommerziellen Arbeitstemperaturbereich

von -10 bis +70 °C als auch für den

industriellen Bereich von -40 bis +85 °C

sind die Oszillatoren standardmäßig mit

einer Frequenzstabilität von ±25, ±50 und

±100ppm erhältlich. Auf Kundenwunsch

sind auch engere Spezifikationen möglich.

Ergänzt wird die EQJF-Serie durch die

spannungsgesteuerten Oszillatoren der

EQVJF-Serie, welche mit Frequenzen von

150 bis 2100 MHz (HCSL von 150 bis 700

MHz) und denselben Optionen sowie ähnlichem

Phasenjitter verfügbar sind.

Zu den Anwendungen gehören Flachbildschirme,

Videostreaming-Systeme über

externe Kabel (z.B. LDI), serielle Highspeed-Kommunikationsverbindungen

wie

Serial ATA & FireWire, SONET, xDSL,

SDH, Settop-Box und Ethernet-Karten.

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Quarze und Oszillatoren

MEMS-Timing bietet hohe Performance

Als revolutionierende Technologie gegenüber

dem seit Jahrzehnten bewährten

Quarzoszillator haben Oszillatoren auf

Basis von mikroelektromechanische

Systemen (MEMS) in den letzten Jahren

eine breite Markteinführung erfahren. In

diesem schnell wachsenden Markt entwickelte

sich Microchip zu einem führenden

Unternehmen und bietet umfassende

MEMS-basierte Timing-Lösungen. Diese

umfassen Oszillatoren mit nur einem Frequenzausgang,

die als Drop-in-Ersatz für

herkömmliche Quarzoszillatoren eingesetzt

werden können, sowie Taktgeber mit

Mehrfachfrequenzausgängen, die ohne

externen Referenzquarz auskommen und

einen äußerst zuverlässigen und exakten

Referenztakt liefern.

MEMS-basierte Oszillatoren bieten eine

hohe Zuverlässigkeit (einschließlich der

AEC-Q100-Zertifizierung für den Automobilbereich),

einen weiten Arbeitstemperaturbereich

von -55 bis 125 °C,

hervorragende Schock- und Vibrationsfestigkeit,

eine hohe Genauigkeit von

±10ppm und sehr kleine Bauformen (z.B.

1,6 x 1,2 mm). Mit umfangreichem technischen

Know-how und über Zehn Jahren

Erfahrung in der Fertigung MEMSbasierter

Oszillatoren ist Microchip ein

führender Anbieter, wenn es um Taktgeber

für Automobil-, Videoüberwachungs-,

Server-/Speicher- und Industrieanwendungen

geht.

■ WDI AG

info@wdi.ag, www.wdi.ag

Oszillatorserie mit extrem niedriger

Versorgungsspannung

Mit den Oszillatoren QXO-691 hat IQD,

der in Großbritannien ansässige Spezialist

für frequenzbestimmende Bauteile,

eine Serie CMOS-basierter Oszillatoren

mit extrem niedriger Versorgungsspannung

im Programm. Der IQXO-691 ist

lieferbar in Ausführungen mit 0,9, 1,2

und 1,5 V Versorgungsspannung und

bietet Frequenzen im Bereich von 10 bis

50 MHz sowie eine Frequenzstabilität von

entweder ±20ppm über den kommerziellen

Arbeitstemperaturbereich von -20

bis +70 °C oder ±25ppm über den industriellen

Arbeitstemperaturbereich von -40

bis +85 °C. Dabei werden eine Anlaufzeit

von 10 ms sowie eine Anstiegs- und

Abfallzeit von 7 ns angegeben.

Sämtliche Varianten enthalten standardmäßig

eine Tristate-Funktion auf Pin 1.

Erhältlich ist der IQXO-691 mit hermetisch

dichten Keramikgehäusen in den

Bauformen 2,5 x 2, 3,2 x 2,5, 5 x 3,2

sowie 7 x 5 mm.

Diese Niederspannungsoszillatoren eignen

sich für Designs, bei denen eine

verbesserte Batterielebensdauer von

entscheidender Bedeutung ist, wie beispielsweise

in Körperkameras für Sicherheitskräfte,

Digitalkameras, Navigationsgeräten,

Audioplayern, tragbaren Testgeräten,

USB-Schnittstellen, WLAN und

Wearables.

■ WDI AG

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10

hf-praxis 4/2019


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PETERMANN

TECHNIK

QUARZE, OSZILLATOREN & MEHR

WELCOME TO THE WORLD OF CLOCKING

PRODUKTSPEKTRUM:

+ SMD/THT Quarze

+ Quarzoszillatoren

+ Silizium (MEMS) Oszillatoren

+ 32.768 kHz Ultra LP Oszillatoren

+ MHz Ultra Low Power Oszillatoren

+ 32.768 kHz Quarze

+ Low Power Oszillatoren

+ Differential Oszillatoren

+ Spread Spectrum Oszillatoren

+ VCXO, VCTCXO

+ High Temperature Oszillatoren

+ Stratum3 Oszillatoren

+ Automotive Oszillatoren

+ SPXO, LPXO

+ TCXO, OCXO

+ ULPO, ULPPO

+ Keramikresonatoren

+ Quarzfilter

APPLIKATIONEN:

+ Wireless (WLAN, WIFI, Sub GHz)

+ Smartphones & Tablets

+ IoT

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+ M2M

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Quarze und Oszillatoren

Neues Evaluation Board für Standardoszillatoren

gewählt werden. Alle Ausgänge

sind über einen SMA-Stecker

verfügbar.

Das Evaluation Board ist in

zwei Optionen erhältlich. Die

erste Option ist die unbestückte

Leiterplatte, die mit der entsprechenden

Stückliste geliefert

wird. Die zweite Option ist die

bereits bestückte Leiterkarte zur

sofortigen Nutzung.

■ IQD Frequency Products

Ltd.

www.iqdfrequencyproducts.

de

EMCO übernimmt die Handelsvertretung

von AXTAL in der DACH-Region

Wie oft haben Sie sich schon

gewünscht, eine schnelle und

einfache Möglichkeit zu haben

um einen Oszillator zu testen?

Nun gibt es keinen Grund mehr

sich Sorgen um das Entwerfen

und Bauen einer eigenen

Testschaltung zu machen – Sie

können einfach das neue IOSC-

EV Board, erhältlich von IQD

und deren Distributoren, nutzen.

Dieses kann verwendet

werden um oberflächenmontierbare

Standardoszillatoren,

VCXOs oder TCXO/VCTCXOs

zu messen.

Das IOSC-EV Board wird mit

sechs kleineren Platinen geliefert

die von der Hauptplatine

abgeknipst werden können und

auf welchen verschieden große

4-Pad-Oszillatoren gelötet werden

können. Das kleinere Board

kann dann wiederum auf die

Hauptplatine gelötet werden.

Die sechs verschiedenen unterstützten

Gehäusegrößen sind

1.6 x 1.2 mm, 2.0 x 1.6 mm, 2.5

x 2.0 mm, 3.2 x 2.5 mm, 5.0 x

3.2 mm und 7.0 x 5.0 mm.

Da Störungen in der Versorgungsspannung

die Frequenz des

Oszillators beeinflussen können,

enthält das IOSC-EV Board eine

geregelte und gefilterte Versorgungsspannung

welche frei zwischen

1,8 und 5,0 V gewählt werden

kann. Dies erlaubt Ihnen die

Leistung des Oszillators unter

Idealbedingungen zu betrachten.

Allerdings wissen wir auch, dass

Sie während des Testens möglicherweise

gerne absichtlich

Störungen einbringen möchten

und die Folgen dessen beobachten

wollen. Deshalb enthält das

IOSC-Board des Weiteren die

Option eine Versorgungsspannung

direkt anzuschließen.

Die Enable/Disable Funktion

kann durch manuelles Schalten

getestet werden um den Effekt

auf die Stromaufnahme zu beobachten.

Zudem gibt es die Möglichkeit

diesen Eingang über eine

digitale Quelle auf “high” oder

“low” zu setzen um die Enablezeit

zu messen. Für Produkte

mit Zieheingang, zum Beispiel

VCXOs und VCTCXOs, enthält

die Platine ein Potentiometer um

die Frequenztoleranz und den

Effekt des Lötens durch Ziehen

wieder auf die Nennfrequenz

zu bringen. Dies kann zudem

zum manuellen Anpassen der

Ziehspannung genutzt werden,

um diesen Einfluss auf die Frequenz

zu simulieren. Für sensible

Produkte wie VCTXOS gibt es

zusätzlich zum Ziehen der Frequenz

die Möglichkeit durch

das Ersetzen des anliegenden

Potentiometer Widerstandes mit

einen festen Widerstand bessere

Stabilität, sowie besseres Jitter

und Phasenrauschen zu erzielen.

Natürlich kann der Zieheingang

auch über eine externe analoge

Quelle gespeist werden.

Für die Ausgangsstufe bietet das

IOSC-EV Board drei Konfigurationen.

Hier kann zwischen

einem CMOS Ausgang, einem

Clipped Sinus oder direktem

Ausgang ohne Buffer oder Last

Seit seiner Gründung vor

über 15 Jahren durch Bernd

und Brigitte Neubig hat sich

AXTAL – kurz für „Advanced

XTAL Products“ – zu einem

führenden deutschen Hersteller

von hochstabilen und

rauscharmen Quarzoszillatoren

und anderen Frequenzkontroll-Produkten

(FCP) entwickelt.

Kern des in Mosbach/Baden

entwickelten und gefertigten

Produktportfolios sind temperatur-

stabilisierte Quarzoszillatoren

(OCXO), die sich

durch hohe Frequenzstabilität

im ppb (10-9) Bereich, äußerst

geringes Phasenrauschen (bis

-185 dBc/Hz), niedrigstem Jitter

im Femtose-kundenbereich

und Kurzzeitstabilitäten von

besser 10-12 auszeichnen.

Mission LARA der

ESA

Diese OCXO stellen auch die

interne Referenz für AXTAL’s

Oszillatormodule mit hochfrequenten

Ausgängen bis 8

GHz dar, die durch Frequenzmultiplikation

und / oder PLL

erzeugt werden.

Strahlungsfeste AXTAL Oszillatoren

fliegen unter anderem

auf den geostationären Wettersatelliten

FengYun 2G,

auf dem Relaissatelliten Queqiao

auf der Rückseite des

Mondes und in Kürze bei der

EXOMARS

Die Produktreihe von PLL-

Oszillatoren umfasst Clean-Up

Module, die aus einer externen

Referenz (z.B. 10 MHz oder

100 MHz) ein rauscharmes

Signal der gleichen oder einer

anderen Frequenz (z.B. 100

MHz oder 1 GHz) erzeugen.

Seit über 27 Jahren ist die

EMCO Elektronik ein „alter

Hase“ im HF-Markt. Kundenspezifische

Lösungen, speziell

in den Bereichen Aerospace,

Militär und Messtechnik, werden

ab dem 01. April 2019

auch mit den Komponenten

von Axtal realisiert.

■ EMCO Elektronik GmbH

info@emco-elektronik.de

www.emco-elektronik.de

12 hf-praxis 4/2019


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Quarze und Oszillatoren

Meilenstein im Bereich der Zeitreferenzen

Der Schweizer Hersteller Micro

Crystal, vertrieben durch die

WDI AG, stellt mit der RV-

3028-C7 die weltweit erste

Echtzeituhr (RTC) mit nur 40

nA Stromverbrauch vor. Eine

Kombination aus Timing und

Batterie-Backupschaltung mit

dem branchenweit niedrigsten

Stromverbrauch soll die Autonomie

unter rauen Bedingungen

erhöhen und so zur ersten Wahl

für Wearable- und IoT-Anwendungen

werden.

Mit einem Stromverbrauch von

nur 40 nA bei einer Versorgungspannung

von 3 V sowie einer

hohen Genauigkeit von ±1 ppm

bei Raumtemperatur, welche

eine spätere Kalibrierung in der

Fertigung des Kunden überflüssig

macht, setzt Micro Crystals

jüngstes RTC-Modul neue Maßstäbe.

Die RV-3028-C7 kombiniert

in einem winzigen 3,5 x

1,5 x 0,8 mm SMD-Gehäuse

den Quarz mit der RTC-Schaltung

und bietet sogar einen integrierten

Batterie-Backupschalter.

Zusammen mit dem extrem

geringen Stromverbrauch ermöglicht

dies die Verwendung

von MLCC-Kondensatoren oder

Super-Caps zur Überbrückung

der Backup-Zeit.

Weitere Features sind ein großer

Eingangsspannungsbereich von

1,2 bis 5,5 V, ein 32-Bit-Unix-

Zeitzähler (z.B. für Sicherheitscode-Berechnungen)

sowie eine

400 kHz I²C-Schnittstelle.

Oszillatoren mit

extrem niedrigem

Phasenjitter

Der in Großbritannien ansässige

Spezialist für frequenzbestimmende

Bauteile Euroquartz Ltd,

vertrieben durch die WDI AG,

lanciert die neue Oszillatorserie

EQHJ mit einem extrem niedrigen

Phasenjitter von maximal

50 fs. Erhältlich sind die Oszillatoren

mit LVCMOS-Ausgang

und einer Versorgungsspannung

von 1,8, 2,5 oder 3,3 V.

Entwickelt wurde die EQHJ-

Serie für Anwendungen, die

ein extrem niedriges Phasenrauschen

erfordern. Hierzu gehören

z.B. Flachbildschirme, Videostreaming-Systeme

über externe

Kabel (z.B. LDI), serielle Highspeed-Kommunikationsverbindungen

wie Serial ATA & Fire-

Wire, SONET, xDSL, SDH, Set-

Top-Box und Ethernet-Karten.

Die Oszillatoren sind in den

Frequenzen von 5 bis 50 MHz

erhältlich und bieten eine Frequenzstabilität

von ±25 ppm

über den industriellen Arbeitstemperaturbereich

von -40 bis

+85 °C. Verfügbar sind die drei

SMD-Standardbauformen 7 x 5

x 1,4 mm, 5 x 3,2 x 1,2 mm und

3,2 x 2,5 x 1 mm. Die Stromaufnahme

reicht von typischerweise

3 bis maximal 10 mA für

die größte Bauform.

Des Weiteren bietet die EQHJ-

Serie eine Lastkapazität von 15

pF (CMOS), eine typische Startup-Zeit

von 0,8 ms (maximal

5 ms) und eine Symmetrie von

50% (±5 %). Charakteristische

Anstiegszeiten sind 5 ns für die

kleinste Größe, bis zu 1,5 ns

für die größte Bauform (maximal

10 ns für alle Größen). Die

maximale Alterung beträgt ±3

ppm im ersten Jahr (±2 ppm in

jedem weiteren Jahr). Das Phasenrauschen

ist mit 48 fs typisch

14 hf-praxis 4/2019


K N O W - H O W V E R B I N D E T

bei 3,3 V und 118 fs typisch bei 1,8 V spezifiziert.

■ WDI AG

www.wdi.ag

Quarze und Oszillatoren

Neue TCXO-/VCTCXO-

Familie mit großem

Temperaturbereich

EMV, WÄRME­

ABLEITUNG UND

ABSORPTION

SETZEN SIE AUF

QUALITÄT

OCXOs mit internem

Multiplizierer

Die Vertreter der OCXO2526C-Serie von

Dynamic Engineers können Frequenzen im

Bereich 30...300 MHz ausgeben und nutzen

dabei einen internen Frequenzmultiplizierer

3x oder 5x. Diese SMD-OCXOs haben ein

Phasenrauschen von -135 dBc/Hz bei 1 kHz

und eine Stabilität von ±3ppb über den Einsatztemperaturbereich

von -40 bis +85 °C.

Sie erfordern eine Versorgung mit 3,3/5/12

V und liefern ein HCMOS-, TTL- oder

Sinus-Ausgangssignal. Die OCXOs sind

lieferbar mit einem 25,8 x 25,8 x 12,7 mm

messenden Gehäuse und eignen sich optimal

für Basisstationen, Radar-Referenzen,

Stratum-3E-Taktysteme und Mikrowellen-

Applikationen.

■ Dynamic Engineers

www.dynamicengineers.com

TCXOs mit hervorragender

Stabilität und Zuverlässigkeit

Epson präsentierte mit den neuen Modellen

TG2016SMN und TG2520SMN TCXOs

mit hervorragender Stabilität und Zuverlässigkeit,

bestens geeignet für den Einsatz

in Kommunikationssystemen für drahtlose

Anwendungen wie WiFi, GPS, Mobilfunk,

LPWA für IoT und 2-Way-Funkgeräte.

Die M-Serie mit einer Betriebsspannung von

1,7 bis 3,36 V setzt einen Epson-eigenen

Halbleiter und MHz-Quarz ein. Durch diese

speziell eingesetzte Technologie erreichen

Epsons M-Serie-TCXOs ein sehr geringes

Phasenrauschen von -164 dBc/Hz @ 26

MHz, eine hohe Stabilität


Quarze und Oszillatoren

Programmierbare Takt-ICs mit integriertem Quarz

Die VersaClock-Familie

programmierbarer

Takt-ICs mit

integriertem Quarz von

IDT wird sukzessive

erweitert. 2018 kam

z. B. das Produkt

VersaClock 6E hinzu.

Programmierbare Takt-

ICs mit integriertem

Quarz sind in

vielen Consumer-

Applikationen

einsetzbar.

Quellen:

Baljit Chandhoke, Sebastian

Gerstl: Programmierbare

Takt-ICs mit integriertem

Quarz, „Elektronikpraxis”

3/2016

„IDT Expands Award-

Winning VersaClock Family

of Programmable Clock

Generators with New

VersaClock 6E“, www.idt.com/

about/press-room

Die VersaClock-6E-Serie fällt

durch mehrere neue Features,

Möglichkeiten und Optionen

auf. So sind auch Frequenzen

im Kilohertzbereich möglich,

und es gibt einen optionalen

integrierten Quarz. Dies alles

macht die VersaClock-6E-

Produkte optimal geeignet für

Daten-Center und Netzwerk-

Equipment, wie beispielsweise

industrielle Test- und Messaufbauten,

digitale Videorecorder,

professionelle Videodisplays

und andere consumer-orientierte

Kommunikationsanwendungen

mit strengsten Anforderungen

an Kosten, Leistungsaufnahme

und Jitter.

Schlüsselparameter

Die Reihe VersaClock 6E zeichnet

sich aus durch:

• Ausgangsfrequenzen bis in

den Kilohertzbereich, sodass

Anwendungen in Audio,

Realtime-Clock- und anderen

Applikationen mit sehr

präziser Synchronisation

möglich werden.

• einen optionalen integrierten

Quarz, was den Vorteil

einer möglichen Platzersparnis

bedeutet. Von Vorteil ist

weiter die Kombination mit

einem kalibrierten Eingang,

sodass auch Highend-Consumer-Anwendungen

günstig

umgesetzt werden können.

• Auswahl zwischen vier

Produkten (5P49V6965,

5P49V6967, 5P49V6968

und 5P49V6975)

• Crystal-on-Die bedeutet

fortschrittlichen, inneren

Aufbau ohne Verzicht

auf Leistungsfähigkeit und

geringe Abmessungen.

Hintergrund

Üblicherweise entsteht ein Takt

durch einen festen Quarzoszillator

oder ein einfaches Takt-

IC. Jedoch benötigen heutige

komplexe Systeme oft mehrere

Taktsignale für verschiedene

Schnittstellen, wie USB

oder Ethernet, als auch interne

Funktionen. Doch die Verwendung

mehrerer Quarzgeneratoren

verlangt entsprechend Platz auf

der Leiterplatte, abgesehen von

Kosten und komplexeren Layouts.

Besser ist daher ein einziger

Taktgenerator mit mehreren

Ausgangsignalen, ausgehend

von nur einem Quarz.

Noch einen Schritt weiter gehen

programmierbare Taktgeneratoren.

Sie sind nicht auf feste

Ausgangsfrequenzen fixiert,

sondern der Anwender kann

Ausgangsfrequenzen gemäß seinen

Wünschen festlegen. Wird

hier jedoch ein externer Quarz

verwendet, ist das Ganze nicht

unproblematisch:

• zusätzlicher Platzbedarf

• Störanfälligkeit aufgrund der

Quarz-Anschlussleitungen

• garantierte Leistungsfähigkeit

des Quarz-Taktgenerator-Paars

• keine Feinabstimmung des

Schaltkreises erforderlich

• Layout unabhängig von

Besonderheiten des Quarzes

• Wiederverwendbarkeit für

andere Designs, dadurch minimale

Entwicklungszeit

• mögliche Fertigungsprobleme,

um eine dauerhafte Leistungsfähigkeit

zu erzielen, wenn

verschiedene Quarz-Anbieter

in Frage kommen

Denn Quarze unterscheiden sich

von Hersteller zu Hersteller mehr

oder weniger in ihren Spezifikationen,

was oft übersehen wird.

Alles in einem Gehäuse

Bringt man Quarz und programmierbaren

Taktgenerator

in einem Gehäuse unter, erhält

man eine komplette Multi-Output-Taktquelle

von der Größe

eines üblichen Taktgenerators.

Der Quarz wird dabei neben oder

über dem Taktgenerator integriert.

Fortschritte in der Gehäusetechnik

ermöglichen dies.

Diese Integrationstechnik ließ

sich bis vor kurzem jedoch nur

für Taktgenerator-ICs mit einer

Ausgangsfrequenz anwenden.

Auch die VersaClock-6E-Serie

überwindet dieses Problem. Hier

ist ein integrierter sogenannter

co-packaged Quarz unter einem

Multi-Output-Taktgenerator

angebracht. Das ermöglicht die

Verwendung eines Standardgehäuses

mit dem gleichen Footprint

von z. B. 4 × 4 mm und der

üblichen Bauhöhe von 0,9 mm

eines konventionellen Taktgenerator-ICs.

Auch elektrisch ist das Ganze

kompromisslos. So werden etwa

bis zu vier unabhängige Ausgangssignale,

von denen jedes in

der Frequenz (z.B. bis 350 MHz)

und für LVDS, LVPECL, HCSL

oder Dual-LVCMOS mit einer

16 hf-praxis 4/2019


Quarze und Oszillatoren

individuell wählbaren Spannung

(1,8/2,5/3,3 V) konfigurierbar ist.

Hinzu kommen u.a.:

• individuell programmierbare

Ausgangsfreigabe

• Reglung der Anstiegsgeschwindigkeit

• Streuspektrum-Funktion

Der Phasen-Jitter ist so gering,

dass alle Anforderungen von

1G/10G-Ethernet und PCI

Express Gen 1, 2, 3 sowie für

zahlreiche SoCs und FPGAs

erfüllt werden und zwar ohne

Kompromisse bei der Stromaufnahme

(Core-Stromverbrauch

z.B. 30 mA). Auch die Gefahr

einer unerwünschten Interaktion

mit einem anderen Bauteil

infolge sehr geringen Abstands

ist nun minimal.

Blockaufbau eines VersaClock 6E

Fazit

Bei den programmierbaren Takt-

ICs mit integriertem Quarz ist die

Platzierung des Chips oberhalb

des Quarzes gelungen, ohne die

Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems

zu beeinträchtigen. Die

Produkte von IDT, etwa aus der

VersaClock-6E-Serie, bieten

nicht nur kompromisslos, sondern

sogar vorteilhaft das, was

für einen programmierbaren

Taktgenerator mit mehreren Ausgängen

und mit externem Quarz

üblich ist. Sie stellen eine robuste

Lösung ohne Leistungseinbußen,

mit hervorragenden Taktspezifikationen

und mit geringer

Stromaufnahme bei kleiner

Baugröße dar. FS

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hf-praxis 4/2019 17


Quarze und Oszillatoren

MEMS-Oszillatoren erobern den Markt der OCXOs

OCXOs (Oven-

Controlled Oscillators)

erreichen den

Gipfel der Timing-

Performance. Nur

wenige Hersteller

können Stabilität auf

OCXO-Level (ca.

±50ppb oder besser)

bieten. Da OCXOs

Stratum-3E-Level

an Timing-Stabilität

erreichen, werden sie

in Kommunikationsnetzwerken

mit hohem

Durchsatz eingesetzt,

die mit jeder neuen

Generation eine noch

striktere Performance

erfordern.

Bild 1: SiTime Emelrald

Zukünftig werden OCXOs für

das aufkommende 5G und die

IEEE-1588-Synchronisationsapplikationen,

die einsatzkritische

Dienste, wie autonomes

Fahren unterstützen, essentiell

sein.

Wie erreichen OXCOs

diese Stabilität?

Diese Hochpräzisionsoszillatoren

sind dazu konzipiert, trotz

Temperaturänderungen – einem

der Hauptgründe für Frequenzdrifts

– eine Frequenz aufrechtzuerhalten.

Dies wird dadurch

erreicht, dass der Resonator

zusammen mit einem temperaturkompensierenden

Schaltkreis

und einem Heizelement

im Gehäuse verbaut wird. Doch

obwohl diese „ofenbetriebenen“

Bauteile entwickelt werden, um

die interne Temperatur konstant

zu halten, sind OCXOs traditionell

trotzdem anfällig für

Schwankungen in der Umgebungstemperatur,

speziell, wenn

die Temperatur sich schnell verändert.

Aus diesem Grund müssen Designer

wohlüberlegte Entscheidungen

treffen, wo auf dem

Board sie den Oszillator platzieren.

OXCOs werden oft in einer

Ecke platziert – fern von Lüftern,

die durch Luftströme Temperaturschocks

verursachen können

und auch fern vom Hauptprozessor,

der in signifikantem Maße

Hitze entwickeln kann. Doch

den Oszillator von dem Chip,

den er taktet, fernzuhalten, bringt

andere Schwierigkeiten mit sich,

wie erhöhte Routing-Komplexität

oder mögliche Probleme

mit der Signalintegrität. Manche

Applikation erfordert es, das

Layout mehrmals zu überarbeiten,

nur um herauszufinden, wo

der OCXO platziert werde soll.

Timing ist ein entscheidender

Faktor und potenziell eine der

größten Herausforderungen

in 5G-Systemen. Durch die

höheren Datenraten wird eine

sehr viel präzisere Synchronisation

der Funkanlagen gefordert,

womit die Ansprüche an

Autor:

Axel Gensler

Senior Product Manager RF

Components,

Quartz Crystal Oscillators,

Endrich Bauelemente

Vertriebs GmbH

Bild 2: MEMS-Elite-TCXO versus Quarz-TCXO bei schnellen Temperaturänderungen

18 hf-praxis 4/2019


Quarze und Oszillatoren

Bild 3: EMS-Elite-TCXO versus Quarz-TCXO unter Luftstrom

Genauigkeit der Taktgeber steigen.

Diese Vorgaben können oft

nur durch OCXOs erfüllt werden.

Diese haben Toleranzen

im Bereich von ±5ppb. Salopp

gesagt, wird ein kleiner Ofen um

den Quarz herum gebaut, um

die Temperatur zu kontrollieren

und ihn damit von der äußeren

Umgebung zu entkoppeln,

womit die Frequenzdrift durch

Temperaturschwankungen weitgehend

aus der Driftberechnung

eliminiert wird.

Quarzoszillatoren wurden - trotz

einiger Nachteile - mangels

Alternativen eingesetzt. Es ist

nicht trivial, eine konsistente,

enge Timing-Performance stabil

über Temperaturänderungen

oder bei Vibrationen zu erzielen.

Die bisherigen Taktgeber

sind teuer, sperrig und benötigen

oft eine lange Einlaufzeit,

bevor sie loslegen können. Für

den zuverlässigen Betrieb gilt

es, beim Design besondere Vorkehrungen

zu treffen, um Temperatursprünge

zu vermeiden.

Der OCXO sollte weitgehend

thermisch isoliert werden, was

die Anordnung des Bauteils auf

der Leiterplatte beschränken

kann, oder zusätzliche mechanische

Isolierungsmaßnahmen

erfordert. Die Applikationen,

insbesondere Mobilphon-Verteilerstationen,

werden zunehmend

an exponierten Stellen

angebracht, wo Wind, Wetter,

Feuchtigkeit sowie Vibrationen

wirken. Quarzoszillatoren sind

anfällig gegenüber schnellen

Temperaturänderungen und

Vibration, was zur Unterbrechung

der Kommunikation führen

kann. Diese Änderung der

Betriebsumgebung erfordert ein

neues Denken und eine Neubewertung

der Vorteile von MEMS

gegenüber der Quarztechnologien

für das Timing.

In vielen Fällen ist der quarzbasierende

OXCO zur thermischen

Isolation mit einer

speziellen, mechanischen Schirmung

bedeckt. Diese „Schilde“

sind jedoch in der Regel keine

Stangenware und nur wenige

Anbieter designen und produzie-

Fachbücher für die

Praxis

Digitale Oszilloskope

Der Weg zum

professionellen

Messen

Joachim Müller

Format 21 x 28 cm, Broschur, 388 Seiten,

ISBN 978-3-88976-168-2

beam-Verlag 2017, 47,90 €

Ein Blick in den Inhalt zeigt, in welcher

Breite das Thema behandelt wird:

• Verbindung zum Messobjekt über passive

und aktive Messköpfe

• Das Vertikalsystem – Frontend und

Analog-Digital-Converter

• Das Horizontalsystem – Sampling und

Akquisition

• Trigger-System

• Frequenzanalyse-Funktion – FFT

• Praxis-Demonstationen: Untersuchung

von Taktsignalen, Demonstration Aliasing,

Einfluss der Tastkopfimpedanz

• Einstellungen der Dezimation,

Rekonstruktion, Interpolation

• Die „Sünden“ beim Masseanschluss

• EMV-Messung an einem Schaltnetzteil

• Messung der Kanalleistung

Weitere Themen für die praktischen

Anwendungs-Demos sind u.a.: Abgleich

passiver Tastköpfe, Demonstration der

Blindzeit, Demonstration FFT, Ratgeber

Spektrumdarstellung, Dezimation,

Interpolation, Samplerate, Ratgeber:

Gekonnt triggern.

Im Anhang des Werks findet sich eine

umfassende Zusammenstellung der

verwendeten Formeln und Diagramme.

Unser gesamtes Buchprogramm finden Sie unter www.beam-verlag.de

oder bestellen Sie über info@beam-verlag.de

hf-praxis 4/2019 19


Quarze und Oszillatoren

Bild 4: Frequenzstabilität

ren derartige Produkte. Zudem

wird mehr Platz auf der Leiterplatte

benötigt, und es sind weitere

Produktionsschritte erforderlich,

um die Abschirmung

anzubringen. All das kostet Zeit

und Geld, ein Erfolg ist trotzdem

nicht garantiert.

Es gab bisher keinen einfachen

Weg, um all die Risiken auszuschalten,

die mit der Verwendung

eines OCXOs einhergehen,

zumindest nicht vor der Einführung

der Emerald-Plattform von

SiTime, dem ersten MEMSbasierten

OCXO.

Eine neue, robuste

Lösung

Die Emerald-Platform OCXOs

von SiTime ist eine Lösung im

Präzisions-Timing, die eine weitaus

bessere Verlässlichkeit und

Performance unter dynamischen

Bedingungen bietet. Sie basiert

auf einer programmierbaren

Plattform, die jede Frequenz von

1 bis 220 MHz und LVCMOSoder

Clipped-Sinewave-Outputs

bieten kann. Sie löst seit langem

bestehende Timingprobleme.

Einige Features im Vergleich zu

traditionellen, quarzbasierten

Stratum-3E-OCXOs:

• zehnfach bessere Performance

unter Einfluss von Luftströmen

und thermischen Schocks

Dies zeigt sich in ±5ppb Frequenzstabilität

über den Temperaturbereich,

eine dynamische

Stabilität von ±50ppt/K und eine

Allan Deviation (ADEV) von

2 -11 unter Luftstrom.

• 20-fach höhere Widerstandsfähigkeit

gegen Vibration

(0,1ppb/g)

• keine Aktivitätseinbrüche oder

Mikrosprünge

• kleinste Gehäusegrößen (9 x

7 mm Footprint, 75% kleiner

als üblich, 6,5 mm Höhe, 40%

dünner)

• auch in Standard-OCXO-

Größen verfügbar, um Quarz-

OCXOs ohne Designänderung

zu ersetzen

• Qualität und Verlässlichkeit

auf Halbleiterniveau

Dies zeigt sich an folgenden

Fakten: Eliminiert werden Lotzu-Lot-Schwankungen

von

Quarzoszillatoren, Bemusterung

und Tests eintreffender Lots

ist überflüssig, unübertroffene

Anwenderfreundlichkeit, keine

Restriktionen bzgl. Platzierung

auf dem Board, keine mechanische

Abschirmung zur thermischen

Isolation notwendig,

Onchip-Spannungsregulatoren,

keine LDOs oder Ferrite notwendig

sowie feuchtigkeitsresistent.

Konkrete Vorteile

Welche Vorteile bieten die

MEMS-OCXOs gegenüber

quarzbasierten OCXOs? Nun,

die OCXOs der Emerald-Plattform

basieren auf der Elite-

Super-TCXOs Plattform; durch

die thermisch direkte Verbindung

des Resonators und Temperatursensors

(MEMS-Resonator) auf

einem Die wird eine unerreichte

Kurzzeitstabilität erreicht, ausgedrückt

als Allan-Abweichung

(Allan Deviation), siehe Bild 3

und 4. Zudem gibt es eine thermische

Kontrolle. Der MEMS-

Oszillator kann an beliebiger

Stelle auf der Leiterplatte platziert

werden. Man benötigt keine

zusätzliche Metall- oder Kunststoffabdeckung.

Die MEMS-OCXOs bieten ±5

bis ±8ppb Stabilität. Die programmierbare

analoge Architektur

liefert Frequenzen zwischen 1

und 220 MHz und damit höchste

Flexibilität im Systemdesign bei

der Frequenzwahl mit Ausgangsoptionen

LVCMOS der Clipped

Sinus. Es gibt eine kurzfristige

Verfügbarkeit jeglicher Frequenz

im Spezifikationsbereich durch

werkseitige Programmierung.

Messungen zeigen, dass sich die

typischen Werte der Frequenzstabilität

der Emerald-OCXOs

im Bereich von nur 1ppb bewegen

und das für einen Temperaturbereich

von -40 bis +85 °C,

siehe Bild 4.

Eine I 2 C-Schnittstelle für die

systeminterne Programmierbarkeit

ist möglich. Diese digitale

Steuerungsfunktion, die in Kürze

aktiviert wird, beseitigt das Rauschen

auf Board-Ebene, das mit

herkömmlichen VCOCXOs

verbunden ist, die eine analoge

Spannungssteuerung verwenden.

Dies kann auch das Tiefpassfilter

unnötig machen, das erforderlich

ist, um den VCOCXO an

den SOC anzuschließen.

Die SiTime-Lösung ist energieeffizient

mit nur 600 mW.

Dies ist etwa die Hälfte dessen,

was herkömmliche Stratum-

3E-Geräte verbrauchen. Weiter

von Vorteil: keine Aktivitätssprünge

(Activity Dips) und

Micro-Jumps.

Obwohl die MEMS-Bauelemente

kleiner sind und noch

kleiner gefertigt werden können,

bietet SiTime sie auch im größeren

Quarz-OCXO-Formfaktor

an, sodass Designer sie als Dropin-Ersatz

für eine bestehende

Quarzkomponente verwenden

können. Diese Möglichkeit bietet

einen enormen Freiheitsgrad

im Design. Bild 5 zeigt verschiedene

Designs. ◄

Bisher mussten Hersteller von

Kommunikationsgeräten auf

störungsanfällige, anwenderunfreundliche

Timing-Bauteile

zurückgreifen. Die Emerald-

Plattform wurde entwickelt, um

die altbekannten Probleme von

Quarz-OCXOs, die empfindlich

gegenüber Umwelteinflüssen

sind und Schutzmaßnahmen

erfordern, zu lösen.

Bild 5: Designs (alle Bilder: SiTime)

20 hf-praxis 4/2019


Quarze und Oszillatoren

Ultrahochfrequenter Clock Oszillator

Die kürzlich veröffentlichte

neue Reihe Clock Oszillatoren

IQXO-597 von IQD bietet einen

ultrahochfrequenten Bereich von

1GHz bis 2,2GHz. Verpackt in

einem 14,0 x 9,0 x 3,3mm, 6 Pad

Gehäuse ist dieses oberflächenmontierbare

Bauteil mit FR4

Bodenteil und Metalldeckel nicht

hermetisch dicht verschlossen.

Der IQXO-597 ist erhältlich mit

drei verschiedenen Signalausgängen:

Sinus, differentiellem

Sinus und LVPECL.

Mit einer engen Frequenzstabilität

von ±20 ppm über den

Betriebstemperaturbereich von

-40 °C bis 85 °C ergibt sich

eine Gesamtfrequenzabweichung

vom Nominalwert von

lediglich ±70ppm (inklusive

Frequenztoleranz bei 25 °C,

sowie Abweichung über Betriebstemperaturbereich,

Versorgungsspannung,

Lastkapazität

und Alterung über 10 Jahre

bei 25 °C). Dieser neue Clock

Oszillator ist ideal geeignet für

Anwendungen wie 100G/400G

Datenkommunikation, Hochgeschwindigkeits-ADCs,

DACs &

SerDes, ebenso wie für kohärente

optische Module.

Die neue Baureihe ist erhältlich

mit 3,3 V Versorgungsspannung

mit einem maximalem Stromverbrauch

von 70 mA (Sinus) oder

120 mA (LVPECL) und sehr

geringem RMS Phasenjitter von

15 fs über 12 kHz bis 20 MHz

(Sinus @ 2,1930 GHz) oder

46 fs über 10 kHz bis 20 MHz

(LVPECL @ 1,0960 GHz). Als

Verpackungseinheit kann der

Oszillator sowohl lose als auch

auf Rolle geliefert werden. Das

ausführliche Datenblatt finden

Sie unter www.iqdfrequencyproducts.com

■ IQD Frequency Products Ltd

www.iqdfrequencyproducts.

de

Hochstabile Ultra-

Niederspannungs-

TCXOs

IQD, vertrieben durch die WDI

AG, hat seine neue Serie temperaturkompensierter

Quarzoszillatoren

(TCXOs) vorgestellt. Die

neue TCXO-Serie IQXT-225 ist

in einem hermetisch versiegelten

Miniatur-SMD-Keramikgehäuse

mit den Maßen 2 x 1,6 x 0,7 mm

ausgestattet und kommt mit einer

extrem geringen Versorgungsspannung

von nur 1,2 V aus.

Erhältlich ist das Bauteil in den

gängigen TCXO-Frequenzen

16,368, 16,369, 19,2, 26, 33,6

sowie 38,4 MHz und bietet dabei

eine hervorragende Frequenzstabilität

von ±0,5 ppm über einen

Betriebstemperaturbereich von

-30 bis +85 °C. Der IQXT-225

verfügt über einen Clipped-

Sinewave-Ausgang sowie eine

Enable/Disable-Funktion an

Pin 1 für den Stromsparbetrieb

und ist ausgelegt für eine Last

von 10 kOhm//10 pF bei einer

Stromaufnahme von 1,7 mA.

Im Disable-Modus beträgt die

Stromaufnahme nur 3 µA. Der

neue TCXO bietet ein Phasenrauschen

von -135 dBc/Hz bei

1 kHz Offset und zeichnet sich

durch eine kurze Startup-Zeit

von 2 ms aus.

IQDs neue TCXO-Serie eignet

sich optimal für Anwendungen,

bei denen die Batterielebensdauer

von entscheidender Bedeutung

ist. Hierzu gehören typischerweise

IoT-Anwendungen,

mobile Navigationsgeräte, tragbare

Testgeräte, Wearables sowie

Anwendungen in der drahtlosen

Kommunikation.

■ WDI AG

info@wdi.ag

www.wdi.ag

Quarzeinheit für den Einsatz in Chipkarten

Die Epson Europe Electronics GmbH präsentierte

den FC-12D-kHz-Quarz, welcher

für den Einsatz in Chipkarten entwickelt

wurde. Er hat eine extrem flache Bauform

von nur 0,35 mm Maximalhöhe, was den

Einsatz in höhenkritischen Anwendungen

wie Chipkarten der ISO-7810-Standardgröße

ermöglicht. Epsons photolithographische

Verarbeitungstechnik ermöglicht

diese Miniaturgröße (2,05 x 1,25 x

0,35 mm) und liefet gleichzeitig einen

hervorragenden äquivalenten Serienwiderstand

(ESR) von 75 kOhm maximal, der

für einen schnellen Oszillationsstart und

geringen Stromverbrauch notwendig ist.

Chipkarten müssen einen geringen Stromverbrauch

aufweisen, da sie von einer kleinen

Batterie betrieben werden. Der FC-

12D ist für hohe Genauigkeit bei geringem

Stromverbrauch ausgelegt und weist eine

geringe Empfindlichkeit gegenüber Belastungsänderungen

auf.

Zusätzlich müssen Chipkarten Biegungen

und ESD-Stress aushalten. Dem wird der

FC-12D durch den Einsatz eines Keramikgehäuses

und eine patentierte Dreipunkt-Befestigung

gerecht. Für die ESD-

Abschirmung verwendet Epsons FC-12D

ein 4-Pin-Gehäuse mit einem dedizierten

GND-Pin zur faradayschen Abschirmung

des Bausteines.

Epsons FC-12D ist bei der Frequenz von

32,768 kHz mit einer Frequenztoleranz

von ±10 bis ±20 ppm bei 25 °C und einer

Lastkapazität von 6 bis 15 pF verfügbar.

Eine verringerte Partikelkontamination

wird durch Beschichtungstechnologie

erreicht. Der parabolische Faktor wird mit

-0,04 ppm/K 2 , der Drivelevel mit 0,25 µW

maximal angegeben.

■ Epson Europe Electronics GmbH

www.epson-electronics.de

hf-praxis 4/2019 21


Quarze und Oszillatoren

Silizium-MEMS als Taktgenerator und Zeitreferenz

Takt-Quarzoszillatoren

werden mehr und

mehr von MEMS-

Oszillatoren verdrängt.

Warum bringen diese

Vorteile und was sollte

man bei ihrem Einsatz

beachten?

MEMS steht für „mikroelektromechanisches

System“ (Micro-

Electro-Mechanical System).

Ein MEMS-Oszillator besteht

aus einem CMOS-Chip mit Versorgungsschaltkreis,

der für eine

dauerhaft stabile mechanische

Schwingung des MEMS-Resonators

sorgt. Der CMOS-Chip

ist im Wesentlichen eine PLL,

mit der sich die Frequenz im

Testergebnisse

von SiTime-MEMS-Oszillatoren gegenüber quarzbasierten

Oszillatoren

• 54-mal bessere elektromagnetische Störfestigkeit (EMI)

• dreifach bessere Versorgungs-Rauschunterdrückung (PSNR,

Peak Signal-to-Noise Ratio)

• bis zu 30-mal bessere Vibrationsfestigkeit

• bis zu 25-mal bessere Stoßfestigkeit

Diese Vorteile ergeben sich aus Größe und Struktur der

Resonatoren.

Bereich von z.B. 200 kHz bis 1

GHz programmieren lässt, und

zwar mit einer Genauigkeit bis

auf die sechste Dezimalstelle.

Pluspunkte

Die wichtigsten sechs Gründe,

Silizium-MEMS-Timing-

Lösungen statt Quarzoszillatoren

als Zeitreferenz zu nutzen,

sind lt. [1]:

• höhere Leistungsfähigkeit

MEMS-Oszillatoren unterliegen

nicht den Grenzen von Quarzoszillatoren

bei Genauigkeit,

maximal möglicher Grundwellenfrequenz

und Jitter, da sie

eine programmierbare analoge

Architektur verwenden. Besonders

bei hohen Frequenzen sind

Quarzoszillatoren ungenauer.

• bessere Funktionalität

Im Gegensatz zu Herstellern von

Quarzen und Quarzoszillatoren

folgen Silizium-MEMS-Timing-

Unternehmen dem Halbleitermodell

und haben umfangreiches

Knowhow sowohl in der Gestaltung

von MEMS-Resonatoren

als auch im analogen Oszillatorschaltungs-Design.

Diese

Kompetenz auf beiden Gebieten

ermöglicht Funktionen, die von

Quarzoszillatoren nicht geboten

werden. Zu den MEMS-Timing-

Funktionen gehören beispielsweise

eine anpassbare Frequenz

von 1 Hz bis 625 MHz mit bis

zu sechs Dezimalstellen Genauigkeit,

Spread-Spectrum-EMI-

Reduktion, programmierbare

Treiber-Ausgangssignalform,

Betriebsspannung ab 1,2 V sowie

programmierbarer Ziehbereich

bis ±1600ppm bei VCXOs,

VCTCXOs und DCXOs.

• höhere Zuverlässigkeit

Silizium-MEMS-Timing-

Lösungen haben eine FIT-Rate

22 hf-praxis 4/2019


Quarze und Oszillatoren

(Failure in Time) von maximal

2, was als 500 Mio. h MTBF

gedeutet werden kann. Damit

sind sie etwa 15-mal besser als

typische Quarzlösungen.

• bessere Verfügbarkeit

Silizium-MEMS-Timing-Bauelemente

werden in Halbleiterfabriken

und Verpackungsunternehmen

hergestellt und liegen

dort in unprogrammierter Form

(Chips auf Wafern) meist auf

Lager. So kann schnellstmöglich

geliefert werden.

• günstigere Preise

Die Herstellung von MEMS-

Bauelementen aus reinem Silizium

sowie die Verpackung in

ein kostenminimiertes Standard-

Kunststoffgehäuse führen zu

einer nennenswerten Kostenreduzierung.

• SoC-Integration

MEMS-Resonatoren lassen sich

direkt in das Chip-Design des

Kunden integrieren (System on

a Chip, SoC).

Man muss nicht lange suchen,

um noch weitere Vorzüge zu finden.

Beispielsweise sind MEMS-

Oszillatoren in einer Vielzahl

von Industriestandard-SMD-

Gehäusen lieferbar und somit

optimal als Ersatz für Quarzoszillatoren

geeignet. Im Gegensatz

zu Quarzoszillatoren reagieren

MEMS-Timing-Lösungen

sehr verhalten auf Schock und

Vibration. Und last not least

gewährleisten ihre richtige

Verpackung und ihr korrektes

Schaltungs-Design eine höhere

Immunität gegen elektrische

Störungen als sie Quarzoszillatoren

besitzen.

Tipps für Anwender

Wer beim Einkauf auf einen

Spezial-Distributor setzt, dem

steht nicht nur ein großes Sortiment

von Bauteilen verschiedener

Hersteller zur Verfügung,

sondern auch das dazugehörige

Knowhow.

Bei MEMS-Oszillatoren lassen

sich, aufgrund ihrer programmierbaren

Architektur, die meisten

Funktionen mit einem Programmierer

wie SiTime Time

Machine II anpassen. Damit hat

der Anwender eine sehr hohe

Flexibilität und kann in kurzer

Zeit Frequenz, Stabilität und

Versorgungsspannung festlegen.

Unter dem Begriff „Instant-

Oszillatoren“ vermarktet

Endrich Bauelemente seinen

MEMS-Oszillator-Programmier-Service,

den der Spezial-

Distributor inhouse durchführt.

So werden aus Oszillator-Rohlingen

in kurzer Zeit kundenspezifische

Lösungen. „Bei

Auftragserteilung durch den

Kunden werden CMOS- und

MEMS-Dies verpackt, geprüft,

programmiert, gegurtet und

binnen kurzer Zeit versendet.

... Durch das MEMS-Oszillator-Programmierzentrum

sind

bis zu 3000 Stück einer Standardserie

kurzfristig – innerhalb

einer Woche – verfügbar.“ [2]

Grundsätzlich sind die Stabilität

der Taktfrequenz und eine

gute Signalqualität die wichtigsten

Design-Ziele. Für eine

möglichst hohe Zuverlässigkeit,

eine geringe Induktivität der

Anschlussleitungen, ein gutes

thermisches Betriebsverhalten

und eine flexible Gestaltbarkeit

der Kontaktflächen setzt

die Firma SiTime QFN-Kunststoff-Spritzguss-Gehäuse

ein.

Entscheidet man sich für solch

ein Modell, kann man die 0,75

bzw. 0,9 mm flachen Bauelemente

ohne Anpassungen in

bestehende Leiterplatten-Layouts

integrieren.

Es ist wichtig, sich am aktuellen

Stand der Technik zu orientieren,

die Entwicklung ist im Fluss:

„Neuste Innovationen kommen

insbesondere aus dem Bereich

µPower-MEMS-Oszillatoren

mit Ausgangsfrequenzen zwischen

1 und 26 MHz, die z.B.

für den Wearable-, den IoT- oder

Mobil-MarktVorteile bieten.

Besonders interessant ist eine

neue Lösung von SiTime: der

SiT8021 nimmt 90% weniger

Leistung auf, ist um 40% kleiner

und wiegt 70% weniger als herkömmliche

Quarzoszillatoren.

Mit einer Stromaufnahme von 60

µA (3,072 MHz, no load) liegt

er um 90% unter den quarzbasierenden

Produkten und all das

in einem extrem kleinen CSP-

Gehäuse (1,5 x 0,8 mm).“ [3]

KDS hat eine neue MEMS-

Struktur entwickelt, die eine

noch höhere Leistung aufweist.

Sie verwendet eine duale

MEMS-Technologie, enthält

also zwei Resonatoren: einen

neuen MEMS-Resonator, der

widerstandsfähiger gegenüber

Schwingungen und Erschütterungen

als ein Quarz ist, und

einen Resonator, der die Temperatur

erfasst, was eine bessere

und schnellere Kompensation

sicherstellt. Das eröffnet vielfältige

Anwendungen, bei denen

hohe Qualitätsanforderungen

bestehen. „Die neue KDS-Bauweise

ermöglicht zudem extrem

jitterarme differenzielle Oszillatoren.

Diese differenziellen

Oszillatoren wurden für den

Hochgeschwindigkeits-Datenverkehr

wie 10G-, 40G- und

100G-Ethernet konzipiert, der

nach Frequenzen über 100 MHz

verlangt. Diese Anwendung

erfordert einen differenziellen

Output, bei dem Signale, die

exakt entgegengesetzte Phase

aufweisen, um Gleichtakt-Störspannung

zu vermeiden und

eine hohe Systemperformance

zu gewährleisten.“ [4]

MEMS für die

5G-Infrastruktur

„Mit der Emerald-Platform von

SiTime können die Betreiber

5G-Geräte unter rauen Umwelteinflüssen

einsetzen und zuverlässig

missionskritische Dienste

bereitstellen. ... Die Emerald-Platform

von SiTime ist

laut Vashist der erste thermisch

kontrollierte MEMS-Oszillator

(OCXO) in der Branche. OCXOs

sind in ihrer Leistung beim

Timing unübertroffen. Sie sind

kritische Komponenten für den

zuverlässigen Betrieb aller Kommunikationsnetze.

Quarzbasierte

OCXOs reagieren jedoch äußerst

empfindlich auf Störungen aus

der Umgebung, wie Vibrationen,

Temperaturänderungen

und Vibrationen. Sie können die

Leistung des Netzwerks beeinträchtigen,

die Verfügbarkeit

verringern und missionskritische

Dienste wie Fahrerassistenzsysteme

(ADAS) stören. Die Emerald-OCXOs

von SiTime lösen

diese Probleme.“ [5]

Denn wegen der Empfindlichkeit

herkömmlicher Quarz-OCXOs

mussten die Kunden zahlreiche

Vorkehrungen treffen, um einen

zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten.

Eines der größten Probleme

war die Position der

Leiterplatte mit dem OCXO.

Sie muss so weit wie möglich

von Störfaktoren wie Temperatursprüngen

durch Hitze und

Luftströme entfernt angeordnet

werden. Das verkompliziert das

Routing und schafft Probleme

bei der Signalintegrität. Emerald-MEMS-OCXOs

vermeiden

all diese Probleme. Sie vereinfachen

die Entwicklung, verkürzen

die Entwicklungszeit, sorgen

für eine schnellere Profitabilität

und verbessern gleichzeitig die

Systemleistung.

Muster der Emerald-MEMS-

OCXOs SiT5711/12 sind für

ausgewählte Kunden ab sofort

verfügbar. Produktionsmengen

werden ab dem zweiten Quartal

2019 verfügbar sein, etwa

bei Katalog-Distributoren wie

Digi-Key. FS

Quellen:

[1] Axel Gensler, Dr. Aaron Partridge,

Thomas Kuther: Sechs

Gründe, warum Sie auf Silizium-MEMS

als Zeitreferenz

setzen sollten, „Elektronikpraxis“

5/2016

[2] Karin Zühlke: Instant-Oszillatoren

- Kundenspezifische

MEMS-Oszillatoren in einer

Woche, elektroniknet 19.10.2017

[3] Fa. Endrich: Moderne Frequenzquellen

- Warum MEMS-

Oszillatoren den Markt der

Zukunft bestimmen werden, Einkaufsführer

2017/2018 hf-praxis

[4] Yasunobu Ikuno: Mit

MEMS-Oszillatoren gehen

Taktgeber einen Schritt weiter,

26.10.2017, www.industr.

com/de

[5] Thomas Kuther: MEMS-

Ozillator löst Timing-Probleme

bei 5G-Anwendungen, 6.11.18,

www.elektronikpraxis.vogel.de

hf-praxis 4/2019 23


Quarze und Oszillatoren

Ultra-Low Current Miniature

Crystal Oscillators

Euroquartz has launched a new range of

miniature crystal oscillators from Statek,

Inc. offering ultra-low current and developed

for high reliability applications.

Hermetically sealed in a highly reliable

ceramic housing, the new CXOU oscillator

is available in frequencies from 32.768

to 100,000 kHz. The CXOU offers ultralow

current consumption from 1.75 to 3.9

µA depending on frequency output with

start-up voltages from 0.9 to 5 V. Standard

calibration tolerances are ±20, ±50

and ±100ppm with tighter bands available

to special order if required. Typical startup

time is 200 ms with rise/fall times of

30 ns while ageing is ±2ppm for first year.

Standard CMOS output load is 10 pF with

other loads available to special order. The

new crystal oscillators are also capable of

withstanding peak shock up to 5,000 g

(0.3 ms ½ sine).

Housed in a non-magnetic, helium-impermeable

ceramic package and lid measuring

just 1.2 x 2 x 0.76 mm, the CXOU range of

oscillators is ideal for use in many medical

implantable applications including pacemakers,

defibrillators and neuro devices

as well as external medical products. With

full military testing per MIL-PRF-55310

available to order, the oscillators are also

suitable for many defence and aerospace

applications. Additional features and specifications

include tristate enable/disable

options and operating temperature ranges

for commercial (0 to 70 °C), industrial (-40

to +85 °C) and military (-55 to +125 °C)

applications. Process temperature rating is

260 °C for 2 min maximum. Statek CXOU

oscillators are available in tray packs or

12 mm carrier tape 178 or 330 mm reels

(EIA481).

■ Euroquartz, Ltd.

www.euroquartz.co.uk

Ein Oszillator – vier

Frequenzen

Mercury Electronic Taiwan stellt

mit seiner Hochleistungs-Quarzoszillatoren-Serie

QuickXO

HC_JF eine Möglichkeit zur Verfügung,

mit nur einem Oszillator

zwischen vier verschiedenen

Frequenzen zu wechseln.

Die schnell verfügbaren und

kostengünstigen QuickXO-

Oszillatoren sind in einem

SMD-Keramikgehäuse mit der

Bauform 7 x 5 mm verbaut und

können mit einer Versorgungsspannung

von 1,8, 2,5 oder 3,3

CelsiStrip ®

Thermoetikette registriert

Maximalwerte durch

Dauerschwärzung.

Bereich von +40 ... +260°C

GRATIS Musterset von celsi@spirig.com

Kostenloser Versand ab Bestellwert

EUR 200 (verzollt, exkl. MwSt)

www.celsi.com

www.spirig.com

V geliefert werden. Erhältlich

sind die Oszillatoren im Frequenzbereich

von 15 bis 2100

MHz mit einer breiten Auswahl

an gängigen Signalausgängen

einschließlich LVCMOS (bis

zu 250 MHz), LVPECL, LVDS

und CML. Auch HCSL-Differentialausgänge

sind bis zu 700

MHz verfügbar.

Innerhalb des Frequenzbereichs

können vier Ausgangsfrequenzen

voreingestellt werden,

zwischen denen mittels

zweier logischer Steuerflächen

umgeschaltet werden kann. Die

Frequenzauswahlzeit beträgt

maximal 2,5 ms. Dadurch eignet

sich die HC_JF-Serie optimal

für Multiprozessorplatinen, bei

denen mehrere Frequenzen für

verschiedene Prozessoren erforderlich

sind. Statt vier verschiedener

Oszillatoren, die aufeinander

abgestimmt werden müssen,

können die vier Frequenzen alle

von einer Takteinheit synchronisiert

werden.

Des Weiteren bieten die

QuickXO-Oszillatoren Frequenzstabilitäten

von ±25, ±50

oder ±100ppm, sowohl über

den kommerziellen Temperaturbereich

von -10 bis +70 °C

als auch über den industriellen

Temperaturbereich von -40 bis

+85 °C sowie einen geringen

Phasenjitter von maximal 150

fs, wodurch sie sich besonders

für Hochfrequenzanwendungen

eignen. Für technische Beratung,

Angebots- oder Musteranfragen

sprechen Interessenten den

offiziellen Distributor, die WDI

AG, an.

PCIM, Halle 7, Stand 321

■ WDI AG

info@wdi.ag

www.wdi.ag

Multiband-GNSS-

Timing-Modul für

5G-Mobilfunknetze

Zuverlässiges Timing und hohe

Synchronität in kommenden

5G-Mobilfunknetzen garantiert

das neue GNSS-basierte Timing-

Modul ZED-F9T von u-blox.

Das nur 17 x 22 mm große Multiband-Timing-Modul

ist in der

Lage, Ionosphärenfehler aller

GNSS-Satellitenkonstellationen

ohne Zuhilfenahme eines externen

GNSS-Korrekturdienstes

zu kompensieren, wodurch der

Timing-Fehler bei guten Empfangsbedingungen

weniger als 5

ns beträgt. Integrierte differentielle

Timing-Modi, die Korrekturdaten

mit anderen benachbarten

GNSS-Timing-Empfängern

über ein Kommunikationsnetzwerk

austauschen, tragen zu

einer zusätzlichen Steigerung

der Genauigkeit bei.

Zu den Ausstattungsmerkmalen

des ZED-F9T zählen

neben Sicherheitsfunktionen

wie Secure Boot auch sichere

Schnittstellen und ein Time-

Receiver Autonomous Integrity

Monitoring (T-RAIM). Ein On-

Board-Diplexer mit zwei nachgeschalteten

SAW-Filtern garantiert

darüber hinaus eine hohe

Signalselektivität und Störsignalunterdrückung.

Untergebracht ist das GNSS-

Ti m i n g - M o d u l i n e i n e m

54-poligen Land-Grid-Array-

Gehäuse, wobei ein gemeinsamer

HF-Eingang für alle

GNSS-Bänder den Antennenanschluss

vereinfacht. Weitere

Informationen zum ZED-F9T

können unter u-blox@spezial.

com angefordert werden.

■ SE Spezial-Electronic GmbH

www.spezial.com

24 hf-praxis 4/2019


Quarze und Oszillatoren

Größenreduzierter

Disciplined-OCXO

IQDs neues Disciplined-OCXO-

Modul IQCM-160 kommt

in einem 30 x 25 x 14,6 mm

kleinen, hermetisch dichten

Through-Hole-Metallgehäuse,

das nur ungefähr die Hälfte der

Fläche des aktuellen Models

benötigt. Ist der IQCM-160 mit

einem 1PPS-Signal (Pulse per

Second) einer externen GPS-,

Glonass-, Beidou-, Galileooder

alternativen Quelle gekoppelt,

erreicht er einen Holdover

von 1,5 µs über einen Zeitraum

von 8 h.

Das Design beinhaltet einen

internen adaptiven Algorithmus,

welcher es dem Modul

ermöglicht, die Parameter des

GPS-Signals nach einem Zeitraum

von zwei Tagen der Synchronisation

zu „lernen“, sodass

die Holdover-Funktion im Falle

eines Signalausfalls gestartet

werden kann. Ein eingebauter

interner Alarm meldet einen Fehler

in der Synchronisation und

die folgende Wiederherstellung

des Signals. Zusätzlich beinhaltet

das Modul einen speziellen

Anschluss zum detaillierten

Abfragen der Bauteilperformance.

Die Frequenzgenauigkeit

beträgt ±0,005ppb, wenn die Frequenz

mit einem externen 1PP-

Signal synchronisiert ist, und

kann so mit der Leistung vieler

Atomuhrreferenzen mithalten.

Der Standardarbeitstemperaturbereich

des Moduls liegt bei -40

bis +85 °C. Bei einer benötigten

Versorgungsspannung von 3,3 V

liefert es ein Standard-HCMOS-

Ausgangssignal. Der Stromverbrauch

liegt bei lediglich

maximal 750 mA während des

Aufwärmens und 350 mA nach

Erreichen des eingeschwungenen

Zustands.

Der IQCM-160 bietet einen

1PPS- und einen 10-MHz-Ausgang

sowie eine UART-Schnittstelle

für Software-Verwaltung

mit einer festen Baudrate von

115.200 unter Verwendung eines

Stoppbits und keiner Parität.

Der IQCM-160 ist für eine Vielzahl

von Anwendungen gedacht,

darunter landgestützte Telekommunikationssysteme

sowie

Seenavigationssysteme. Er ist

Teil einer Reihe von hochspezialisierten

Modulen und ofengesteuerten

Quarzoszillatoren

(OCXOs), die bei IQD als Bulkware

entweder direkt oder über

deren große Auswahl an Distributoren

weltweit erhältlich sind.

Weitere Informationen stehen

auf der IQD-Webseite unter

www.iqdfrequencyproducts.de

bereit. Für weitere Hilfe und

Unterstützung kann zudem das

Applications Support Team kontaktiert

werden.

■ IQD Frequency Products,

Ltd.

www.iqdfrequencyproducts.

de

SMD-OCXO in sehr

kleinem hermetisch

dichtem Gehäuse

Die KVG Quartz Crystal Technology

GmbH präsentiert einen

neuen hermetisch dichten SMD-

OCXO mit voller Stratum-3-Performance

und sogar noch besser.

So wird zum Beispiel eine

Gesamtstabilität von ±0,16ppm

über alles für 24 h unter Worstcase-Bedingungen

garantiert.

Unter Verwendung von sehr

kleinen, aber hochpräzisen SC-

Schnitt-Quarzen haben die Ingenieure

bei KVG neue hochstabile

OCXOs entwickelt, die das

mögliche Anwendungsspektrum

erheblich erweitern. Die neue

OCXO-Serie O-9000-HS ist im

nur 14 x 9 x 8,5 mm messenden

SMD-Gehäuse untergebracht.

Trotz der geringen Abmessungen

G-kompensierte

OCXOs für 5...130

MHz

erreichen diese OCXOs eine Frequenzstabilität

besser als ±10ppb

im Temperaturbereich von -20

bis +70 °C. Sogar für den industriellen

Temperaturbereich von

-40 to +85 °C werden die Anforderungen

an die Frequenzstabilität

gemäß Telcordia-Standard

GR-1244 und GR-253-Core

Stratum 3 bzw. ANSI Clock

T1.101 bzw. des Europäischen

Standards ITU-T G.812 Type IV

und G.813 Option 1 eingehalten.

Diese schreiben eine Frequenzstabilität

von besser als ±4,6ppm

über 20 Jahre und eine 24-h-Holdover-Stabilität

besser als 0,32

ppm peak-to-peak vor.

Anmerkung: die meisten TCXOs

– auch wenn sie als Stratum

3-tauglich spezifiziert sind – sind

nicht in der Lage die Worst Case

Bedingungen für Stratum 3 einzuhalten.

Ein echtes Stratum-3-Teil

muss 0,32ppm peak-to-peak Holdover-Stabilität

einhalten. Sogenannte

Stratum-TCXOs werden

normalerweise mit einer Temperaturstabilität

von ±0,28ppm

plus Alterung von ±0,02ppm

sowie Versorgungsspannungsschwankung

von ±0,02ppm, also

insgesamt ±0.32ppm spezifiziert,

Die Poseidon-Serie ethält

G-kompensierte OCXOs von

Bliley Technologies, die auf

Frequenzen zwischen 5 und

130 MHz arbeiten. Sie sind

speziell designed für Resistenz

gegen hohe Vibration,

also z.B. für Umgebungen,

wo eine dynamische Phasenrausch-Performance

von extremer

Bedeutung ist. Die aktive

Kompensation und die passive

Isolation führen zu einer 100-

mal besseren Leistungsfähigkeit

gegenüber Standardoszillatoren.

Diese OCXOs haben ein Phasenrauschen

von -130 dBc/Hz

bei 10 HzAbstand und eine

Beschleunigungsempfindlichkeit

(Acceleration Sensitivity)

von 0,02 ppb/G für alle drei

Achsen. Die Oszillatoren sind

lieferbar in einem modularen,

robusten Gehäuse und weisen

eine exzellente Temperaturstabilität

auf. Die Produkte

vom Typ LGBA2 (Poseidon

Series) liefern am Ausgang ein

13-dBm-Sinussignal, arbeiten

an 11,4...15,75 V und benötigen

eine Abstimmspannung

von 0 bis 5 V. Zum Phasenrauschen:

-170 und -95 dBc/

Hz, 1 kHz -160 und -152 dBc/

Hz, 10 kHz -170 und -165

dBc/Hz, 100 kHz -170 und

-165 dBc/Hz.

■ Bliley Technologies

www.bliley.com

sind also doppelt so schlecht wie

diese OCXOs.)

Darüber hinaus bietet dieser

OCXO eine bemerkenswert

geringe Leistungsaufnahme

von nur 500 mW im Dauerbetrieb.

Die Oszillatoren werden

mit 3,3 V betrieben und haben

einen HCMOS-Ausgang. Standardfrequenzen

sind typischerweise

10, 12,8, 19,2, 20, 25 und

38,88 MHz. Kundenspezifische

Frequenzen sind nach Rücksprache

mit KVG erhältlich. Muster

sind erhältlich auf Anfrage.

Typische Anwendungen sind

Netzwerk und Synchronisationseinheiten

und allgemein Systeme

für die professionelle Telekommunikation.

Weitere mögliche

Anwendungen sind Frequenzquellen

für GSM oder WIMAX-

Basisstationen. Sogenannte Picocell-

und Femtocell-Basisstationen

verlangen sehr kleine und

auch preiswerte OCXOs mit

guter Holdover-Stabilität über

mehrere Tage.

■ KVG Quartz Crystal

Technology GmbH

info@kvg-gmbh.de

www.kvg-gmbh.de

hf-praxis 4/2019 25


Titelstory

Die quarzlose Alternative

MEMS-basierte Taktgeber

Seit Jahrzehnten

sorgen quarzbasierte

Oszillatoren als

Taktgeber für stabile

Frequenzen und für

viele Anwendungen

gelten sie immer noch

als das Optimum.

Autor:

Hendrik Nielsen

Inside Sales Specialist FCP,

WDI AG

hnielsen@wdi.ag

Vor etwas mehr als zehn Jahren

kam mit den mikroelektromechanischen

Systemen (MEMS)

eine Alternative auf den Markt,

bei der anstelle des Quarzes ein

MEMS-Resonator eingesetzt

wird. Seitdem gewinnt die neue

Technologie der MEMS-basierten

Oszillatoren immer mehr an

Bedeutung.

Doch was steckt im Gehäuse der

quarzlose Alternative und welche

Vorteile kann diese Technologie

bieten?

Technische

Grundlagen

Die MEMS-Resonator-Produkte

von Microchip gingen

aus Forschungen an der University

of Michigan hervor.

Die Arbeiten gehörten zu den

ersten, in denen die vorhandene

MEMS-Resonator-Technologie

für echte Funk- und Zeitgeber-

Anwendungen nutzbar gemacht

wurde. Das Microchip-Resonator-Design

wird als FFS-Resonator

(Free-Free Beam Short

Support) bezeichnet, der eine

Iteration des an der University

of Michigan entwickelten „Free-

Free-Beam“-Resonators ist. Das

in Bild 1 gezeigte FFS-Design

verwendet kurze Ankerstützen

zur Stabilisierung des Designs

und besteht aus einem breiten

Resonatorbalken, um die Belastbarkeit

zu verbessern – ein entscheidendes

Merkmal für das

Oszillator-Design. Der Balken

ist nur an den vier Ankerpunkten

befestigt, sodass der Resonator

frei beweglich bleibt. Im

Vergleich zu Quarzen ist der

FFS-Resonator – mit nur 50 x

30 µm für ein 18-MHz-Bauelement

– extrem kompakt.

Um eine akkurate Frequenzausgabe

zu gewährleisten, ist der

MEMS-Resonator – wie sein

Quarz-Pendant – auf eine sehr

präzise mechanische Schwingung

angewiesen. Der FFS-

Resonator ist dem klassischen

Beispiel eines frei gelagerten,

schwingenden Balkens sehr

ähnlich und tatsächlich ähnelt

er einem Xylophon-Klangstab.

Wie beim Xylophon „klingt“

der Resonator nur mit einer

ganz bestimmten Frequenz,

die anhand der Materialeigenschaften

und der Abmaße

(Länge, Breite und Dicke) ausgewählt

werden kann, s. Bild 2.

Die Verwendung des MEMS-

Resonators in einem Oszillator

erfordert eine Umwandlung

von elektrischer in mechanische

Energie. Ein Oszillator

mit Schwingquarz nutzt hierfür

das Grundprinzip des piezoelektrischen

Effektes: Wird ein

elektrischer Impuls über die aufgedampften

Elektroden an das

Quarzplättchen (Siliziumdioxid,

SiO 2 ) gelegt, verformt sich die

Kristallgitterstruktur. Dies wiederum

hat eine Ladungsverschiebung

zur Folge, die ihrerseits ein

elektrisches Signal (Spannung)

bewirkt. Verstärkt durch einen

26 hf-praxis 4/2019


Titelstory

Bild 1: FFS-Resonator unter dem Rasterelektronenmikroskop

Bild 2: Übertriebene Darstellung der Schwingung des FFS-Resonators

während des Betriebs

Inverter (Rückkopplung), fängt

der Quarz unter bestimmten

Bedingungen an, auf seiner

Resonanzfrequenz zu schwingen.

Die Frequenz wird dabei

maßgeblich durch Größe, Dicke

und Form des Quarzkristallblättchens,

auch Blank genannt,

sowie den Materialkonstanten

bestimmt.

Der Resonator eines MEMSbasierten

Oszillators besteht aus

Polysilizium, das im Gegensatz

zu Quarz nicht piezoelektrisch

ist. Der Resonator basiert auf

einer mechanischen Struktur, die

im speziellen Halbleiterprozess

auf einem Silizium-Wafer hergestellt

wird. Die Seitenwände der

MEMS-Resonatorstruktur bilden

eine Kapazität gegenüber den

äußeren feststehenden Elektroden.

Durch ein elektrisches Feld

wird die Resonatorstruktur zum

Schwingen angeregt.

MEMS-Oszillatoren arbeiten

immer mit einer indirekten Frequenzerzeugung.

Dazu verfügt

das Oszillator-ASIC über eine

programmierbare PLL, die Ausgangsfrequenzen

beispielsweise

im Bereich von 1 bis 150 MHz

bei einer Schrittweite von typischerweise

100 Hz generiert.

Die MEMS-basierten Oszillatoren

bestehen aus dem winzigen

MEMS-Resonatorchip, der auf

ein CMOS-ASIC gesetzt wird

und drahtgebondet ist. Nach

dem Kunststoffspritzgießen,

Markieren und Prüfen wird das

Endprodukt in ein Kunststoff-

VDFN-Package eingesetzt.

Das Gehäuse des Oszillators

spielt auch bei der MEMSbasierten

Variante eine entscheidende

Rolle. Um Isolierung und

Schutz zu gewährleisten, hat

man bei Quarzresonatoren in der

Vergangenheit auf hermetisch

dichte Metall- und/oder Keramikgehäuse

gesetzt. Bei MEMS-

Resonatoren, die zur Erzielung

hoher Qualitätsfaktoren ein

Vakuumgehäuse auf Waferebene

benötigen, kann der Verschlussund

Versieglungsprozess direkt

in den Fertigungsprozess integriert

werden. Dies senkt nicht

nur die Kosten, sondern erhöht

zugleich die Zuverlässigkeit.

Das entstandene Wafer-Level-

Package kann in einer Vielzahl

von IC-Gehäusen, von Keramik

über die gesamte Palette von

Spritzgussgehäusen bis hin zu

Chip-Scale-Packages, verwendet

werden.

Bild 3 zeigt den Aufbau eines

traditionellen Quarzoszillators,

während Bild 4 den Aufbau eines

MEMS-basierten Oszillators

darstellt. Bild 5 ist die schematische

Darstellung eines MEMS-

Oszillators.

Praktischer Aufbau

Bild 6 bringt das Blockschaltbild

des Microchip DSC2xxx,

ein typischer Aufbau. Der

MEMS-Oszillator besteht aus

dem MEMS-Resonator auf der

linken Seite, der mit der CMOS-

ASIC auf der rechten Seite verbunden

ist. Der Resonatorchip ist

mit den drei ASIC-Schnittstellen

res1, res_agnd und res2 verbunden.

Durch die Kombination von

Resonator und Referenzoszillatorblock

(REF OSC) entsteht

ein Oszillator, dessen Frequenz,

ähnlich wie bei einem Quarzoszillator,

vom Resonator gesteuert

wird. Die Resonanzfrequenz

des in diesem Produkt verwendeten

Resonators und des Referenzoszillatorausgangs

beträgt

etwa 18 MHz.

Der Referenzoszillator treibt

einen Phasenregelkreis (PLL)

an, der die Frequenz an den

Bild 3: Aufbau eines traditionellen Quarzoszillators

gewünschten Oszillator oder

Taktausgang überträgt. Die

Auflösung der Ausgangsfrequenz

ist sehr fein, in der Regel

100 Hz oder weniger. Der PLL

steuert zwei programmierbare

Teilerketten (÷M1, ÷M2) und

zwei programmierbare Puffer

(DRIVERS). CMOS, LVDS,

LVPECL und HCSL sind hier

abfragbar. Ein einmal beschreibbarer,

programmierbarer nichtflüchtiger

Speicher (OTP) auf

dem Chip und ein Kreuzschienenschalter

sind entscheidend

für die Flexibilität des Produkts.

Hier werden PLL- und Teilerwerte

(für die Einstellung der

Ausgabefrequenz) gespeichert

hf-praxis 4/2019 27


Titelstory

Bild 4: Aufbau eines MEMS-basierten Oszillators.

Bild 5: Schematische Darstellung eines MEMS-Oszillators

sowie weitere Einstellungen wie

Temperaturkalibrierung, Wahl

des Ausgabeprotokolls, Steuerung

der Anstiegs- und Abfallzeit,

Aktivierung des Pin-Pullup/-down

und vieles mehr.

Der Temperatursensor (TEMP

SENSOR) erzeugt eine digitale

Darstellung der Chip-Temperatur,

die an die PLL weitergegeben

wird, um die natürlichen

Spannen in der absoluten Frequenz

des Resonators sowie dessen

Temperaturkoeffizienten zu

korrigieren.

Das System wird in der Fertigung

kalibriert und das Ergebnis

ist eine Ausgangsfrequenz, die

auf etwa 100 Hz programmierbar

und über erweiterte Temperaturbereiche

mit bis ±10ppm extrem

stabil ist (s. Bild 7).

Vorteile einer

MEMS-Lösung

MEMS-Oszillatoren sind für die

meisten Standardanwendungen

problemlos geeignet. Jedoch ist

zu beachten, dass sie ein vergleichsweise

hohes Phasenrauschen

und einen höheren Jitter

aufweisen können.

Wird die Frequenz eines Oszillators

mithilfe einer PLL erzeugt,

hat das Ausgangssignal meist

höhere Werte für Jitter bzw.

Bild 6: Blockschaltbild des Microchip DSC2xxx

28 hf-praxis 4/2019


Titelstory

Faktor Quarzoszillator MEMS-Oszillator Funktionsmerkmale

Frequenzstabilität

über den

Temperaturbereich

Phasenrauschen als bei direkter,

ausschließlich quarzbasierter

Frequenzerzeugung. Das gilt

natürlich auch für die MEMS-

Oszillatoren, deren Oszillator-

ASIC stets PLL-basiert arbeitet.

Mittlerweile kommen aber

hochentwickelte ASIC/PLL-

Bausteine zum Einsatz, deren

Jitter-Spezifikation einen Vergleich

mit anderen PLL-Oszillatoren

und selbst mit quarzbasierten

Oszillatoren nicht mehr

scheuen muss.

mittel optimal MEMS bietet ±10 ppm über einen

weiten Temperaturbereich und

eine überlegene Alterung.

Größe gut optimal MEMS bietet eine extrem

kleine Grundfläche (1,6 x

1,2 mm) – branchenführend in der

Größenreduktion

Zuverlässigkeit mittel optimal MEMS-Wafer in hermetischer

Versiegelung, getrennte Gehäuse

für Quarz und ASIC

Close-in-Jitter/

Phasenrauschen

gut mittel quarzbasierter Oszillator ist

überlegen mit reduziertem

Close-in-Phasenrauschen, bei

hohem Frequenz-Offset MEMSund

quarzbasierter Oszillator

vergleichbar

Funktionen schlecht optimal wählbare Frequenzen an einem

Ausgang, jederzeit OTPprogrammierbar

bei jeder

Frequenz

Start-up mittel optimal MEMS erreicht schnelle

Anlaufzeiten (


HF-Technik

Einfach und erschwinglich

RMS-Leistungsmesser für 100 MHz bis 40 GHz

Aufmacher-Darstellung deutlich.

Hier wurde mit der verfügbaren

Demo-Schaltung zum

LTC5596 (DC2158A), einem

I²C-LC-Display und dem Linduino-Board,

auf dem ein kurzes

Demo-Programm läuft, ein breitbandiger

HF-Leistungsmesser

implementiert (s. Kasten und

Stückliste).

Mit dem Baustein

LTC5596 lässt sich

ein breitbandiger

Leistungsmesser im

Handheld-Format oder

für den direkten Einbau

in eine Schaltung

realisieren.

Analog Devices, Inc.

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RMS-HF-Leistungsmesser werden

in großem Umfang eingesetzt,

um die Leistung von

Signalen mit variierenden Crest-

Faktoren (Scheitelfaktoren) präzise

zu messen. Diese teuren,

anschlussfertigen Geräte bieten

ein hohes Maß an Genauigkeit,

erfordern aber auch umfangreiche

Charakterisierungs- und

Kalibriermaßnahmen. Die hohe

Präzision muss überdies mit

großen Abmessungen und einem

hohen Preis erkauft werden.

Deutlich kostengünstiger und

platzsparender geht es dagegen

mit dem LTC5596, einem für

Frequenzen von 100 MHz bis

40 GHz geeigneten IC mit RMS-

Charakteristik und einem Messbereich

von 35 dB oder mehr.

Mit diesem Baustein lässt sich

ein breitbandiger Leistungsmesser

im Handheld-Format oder

sogar für den direkten Einbau

in eine Schaltung realisieren.

Einfacher Aufbau,

einfaches Kalibrieren

Die gut definierte dB-lineare

Übertragungsfunktion des

LTC5596 und sein sehr flacher

Frequenzgang machen das Kalibrieren

einfach. Eine herkömmliche

Zweipunkt-Kalibrierung

in der Mitte des Frequenzbereichs

reicht aus, um von 150

MHz bis 30 GHz auf eine Messgenauigkeit

von ±1 dB zu kommen.

Die nur 100 mW betragende

Leistungsaufnahme des

LTC5596 und sein integrierter

Aufbau machen den Baustein

für In-Circuit- und Handheld-

Leistungsmesser geeignet.

Wie einfach eine komplette

Lösung ist, wird an der batteriebetriebenen

Schaltung in der

Beschreibung

LTC5596-Demo-Board

Arduino-Board

I²C-LCD

9-V-Batterie Block

Kabel

Die bescheidene Stückliste

Bild 1 gibt Auskunft darüber, wie

die Anwendung zu verschalten

ist. Das Linduino-Board besitzt

mehrere ADC-Eingänge in der

analogen IN-Bank. Im vorliegenden

Fall wird A0 genutzt,

um den Ausgang des Detektors

LTC5596 abzutasten. Die

Tatsache, dass das Display ein

I²C-Interface besitzt, vereinfacht

den Anschluss an das Linduino-

Board. Die gesamte Schaltung,

einschließlich des LTC5596-

Boards und des Steckverbinders,

wird vom Auxiliary Port

des Linduino-Boards mit Strom

versorgt.

Firmware

Die Hauptaufgabe der komplett

auf dem Linduino-Board

laufenden Firmware ist es, die

gemessene analoge Eingangsspannung

(in Volt) in einen HF-

Leistungswert (in dB) umzuwandeln

und das Resultat auf dem

LCD darzustellen. Hierfür wird

eine Zweipunkt-Kalibrierung

empfohlen, um die Steigung

der linearen Übertragungsfunktion

(V OUT vs. HF-Leistung) des

LTC5596 und ihren Schnittpunkt

mit der X-Achse zu ermitteln.

Typ

DC2158A

Linduino DC2026C oder

kompatibel

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30 hf-praxis 4/2019


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HF-Technik

Bild 2: V OUT /Eingangsleistungs-Kennlinie des LTC5596. Die beiden

Kalibrierpunkte sollten entsprechend dem Betriebsbereich der Applikation

gewählt werden

zu einem einfachen Vorgang.

Zur Sicherstellung der Genauigkeit

reicht eine Kalibrierung

an zwei (auf Wunsch auch an

mehr) Punkten aus.

In Bild 2 ist die Zweipunkt-Kalibrierung

einer typischen Kennlinie

des LTC5596 bei 5,8 GHz

zu sehen.

Mit den beiden Punkten lassen

sich die Steigung und der

Schnittpunkt mit der X-Achse

ermitteln. In diesem Beispiel gilt:

Bild 1: Darstellung der Leitungsverbindungen

Das Resultat ist der folgende

lineare Ausdruck:

y = (x – b)m

Darin ist x die Eingangsleistung

in dBm, y ist V OUT , also die Ausgangsspannung

des LTC5596

(diese ist direkt proportional zum

ADC-Code), m ist die Steigung

und x ist der Schnittpunkt mit

der X-Achse, an dem V OUT zu

null wird. Die Firmware berechnet

x auf Basis des gemessenen

y-Werts, während die Werte von

b und m aus der Kalibrierung

bezogen werden (Erläuterung

s.u.). Durch Mittelwertbildung

aus mehreren Messungen lassen

sich die Auswirkungen des

Rauschens minimieren.

Der eingebaute ADC des Linduino-Boards

bietet eine Auflösung

von 10 Bit, sodass ein

LSB ungefähr 4,9 mV entspricht.

Die typische Steigung

des LTC5596 beträgt 28,5 mV/

dB, was zu einer Messauflösung

von etwa 0,2 dB führt. Der im

Anhang gezeigte exemplarische

Firmwarecode wird für 5,8 GHz

verwendet, um die Eingangsleistung

in dBm anzuzeigen.

Kalibrierung

Obwohl der LTC5596 eine dBlineare

Übertragungsfunktion

besitzt, ist es aufgrund von

Exemplarstreuungen unvermeidlich,

dass die Steigung und der

Schnittpunkt der Übertragungsfunktion

in einem gewissen

Bereich variieren. Die Linearität

der Übertragungsfunktion

macht das Kalibrieren allerdings

Bild 3: Fehler des LTC5596 als Funktion der Eingangsleistung nach erfolgter

Kalibrierung. Der lineare Dynamikbereich liegt etwa zwischen -40 und +3

dBm

32 hf-praxis 4/2019


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HF-Technik

Beispielcode für das Linduino-Board zum Umwandeln des ADC-

Ausgangscodes in einen dBm-Wert und zum Ansteuern des Displays

#include

#include

LiquidCrystal_I2C lcd(0x3F,20,4); // set the LCD address to 0x3F for a 20 chars and 4 line display

int analogPin = 0; //set up analog IN channel 0 double val = 0;

double slope = 0.0285; // slope in Volts per dB double xint = -39; //log intercept in dBm @5.8GHz double power = 0.0;

double totalval=0.0; void setup()

{

lcd.init(); // initialize the lcd lcd.backlight(); lcd.setCursor(0,0);

lcd.print(“LTC5596 RMS DETECTOR”);

lcd.setCursor(8,3); lcd.print(“dBm”);

}

void loop()

{

for(int i=0;i


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HF-Technik

Das NB-IoT-Signal im LTE-Spektrum

spielt der NB-IoT-Inband-Modus

eine große Rolle.

Grundlagen des NB-

IoT-Inband-Signals

NB-IoT-Signale können in verschiedenen

Implementationsarten

vorkommen; die verbreitetste

Art entspricht der frühsten

Stufe dieser Technologie und ist

der sogenannte Inband Mode.

Dabei belegt das Signal 180

kHz oder grundsätzlich einen

sogenannten Physical Resource

Block (PRB), also einen passenden

Abschnitt innerhalb des

LTE-Breitband-Trägerspektrums

wie im Aufmacherbild dargestellt.

Dies hebt die existierende

4G-Funk-Zugriffs-Infrastruktur

gewissermaßen auf ein neues

Niveau und erlaubt den Betreibern

mobiler Services die Ausweitung

ihrer Aktivitäten auf

neue IoT-Services durch ein

simples Upgrade ihrer e-Node

B (eNB) Software.

Da der NB-IoT-Träger ein eigenständiges

Netzwerksignal, das

einen einzigen PRB nutzt, darstellt,

kann der zugewiesene PRB

für andere Services (mit)genutzt

werden, wenn kein IoT-Verkehr

abläuft. Sowohl LTE als auch

NB-IoT sind in Infrastruktur

und Spectrum voll integriert. Der

Planungsblock (Scheduler) in

Die Betreiber zellularer

Funknetze müssen sich

auf die Anforderungen

des heranwachsenden

IoT-Markts einstellen.

In diesem wird

das Narrow-Band

Internet of Things

(NB-IoT) schnell eine

herausragende Rolle

einnehmen. Es ist daher

unvermeidlich, das

NB-IoT-Signal näher

kennen zu lernen.

Die Narrow-Band-IoT-Technik

wurde so entwickelt, dass damit

ein einfaches Upgrade möglich

ist für die neuen und existierenden

Funkzellen (sowohl

Macro-Basisstationen als auch

Small Cells), die aktuell mit 4G

in Form von LTE arbeiten. NB-

IoT nutzt die selben Frequenzbänder,

für welche die Anwender

drahtloser Netzwerke exklusive

Nutzerrechte haben, was es ermöglicht,

die typische Verfügbarkeit

und die typische Quality

of Service wie bei durchschnittlichen

Kunden zellularer Netzwerke

zu ermöglichen.

Für diese IoT-Anwendungen mit

geringem bis moderatem Datendurchsatz

ermöglicht NB-IoT

eine bessere Abdeckung und eine

bessere spektrale Effizienz in

herausfordernden Umgebungen,

besonders im Vergleich zu anderen

verfügbaren Low-Power/

Wide-Area-Network-Lösungen

(LPWAN).

Trotz dieser Vorteile müssen

Anbieter dieser Drahtlostechnik

absichern, dass LTE-Breitband-

Netzwerke und neue NB-IoT-

Services harmonisch nebeneinander

arbeiten können, ohne

jeweils die erforderliche Quality

of Service zu beeinträchtigen.

Daher müssen die neuen NB-

IoT Networks im Feld entsprechend

getestet werden. Hierbei

Teilübersetzung aus:

White Paper NB-IoT:

A Practical Guide for Field

Testing, Viavi 2018

von FS

Tabelle 1: Frequenzbänder gemäß 3GPP-Standards, um die vorgesehenen NB-IoT-Services mit dem existierenden LTE-

Spektrum zu kombinieren (Quelle: 3GPP 36.802, 36.104, 36.211)

36 hf-praxis 4/2019


HF-Technik

Bild 1: Downlink-Spektrum LTE & NB-IoT

Bild 2: Uplink-Spektrum LTE & NB-IoT

der Basisstation multiplext den

NB-IoT- und den LTE-Traffic

auf das selbe Spektrum, wodurch

sich die gesamten Kosten des

Betriebs für den Mobilfunkanbieter

minimieren und sich das

Datenverkehrsaufkommen den

Gegebenheiten anpasst.

LTE- und NB-IoT-Signal kann

man als einfachen Träger

betrachten, der die vorgegebene

LTE-Kanalbreite belegt, wobei

die Leistung dieses Trägers sich

auf LTE- und NB-IoT-Signal

aufteilt. Tabelle 1 listet die verschiedenen

Frequenzbänder

auf, die von den 3GPP-Standards

vorgesehen sind, um die

geplanten NB-IoT-Services mit

dem existierenden LTE-Spektrum

zu kombinieren. Weiterhin

wichtig für die NB-IoT-Inband-

Arbeitsweise ist die Feststellung,

dass der NB-IoT-Standard eine

begrenzte Anzahl von gewissen

PRBs festgelegt hat, deren Nutzung

für die NB-IoT-Transmission

erlaubt ist, siehe Tabelle 2.

Die erforderliche Leistungsabhebung

für das NB-IoT-Signal

ergibt sich aus dem Verhältnis

von seiner Leistung, die lediglich

einen PRB des LTE-Trägers oder

180 kHz belegt, und der mittleren

Leistung über alle Breitbandträger

(LTE und NB-IoT). Die

minimale Leistungsanhebung für

das NB-IoT-Signal ist 6 dB; hier

findet sich eine der ersten Messungen

im Bereich der Implementierung

der neuen Netzwerke.

Gemäß 3GPP Release 13 kann

lediglich ein PRB um 6 dB für

den Inband-Modus angehoben

werden.

Diverse Signalformen

Der 3GPP-Standard spezifiziert

folgende Signalformen:

NB-IoT-Signalstruktur:

• UL and DL bandwidth of 180

kHz (equivalent to one PRB)

• Frequency error is specified to

be ±0,1ppm

• Modulation BPSK or QPSK

(highest)

Uplink Channels/Signals:

• Narrowband Physical Uplink

Shared Channel (NPUSCH)

• Narrowband Physical Random-

Access Channel (NPRACH)

Downlink Channel/Signals:

• N a r r o w b a n d P h y s i c a l

Downlink Shared Channel

(NPDSCH), requires EVM


HF-Technik

LTE System Bandwith 3MHz 5MHz 10 MHz 15 MHz 20 MHz

LTE PRB indices

for NB-IoT

synchronization

2, 12 2, 7, 17, 22 4, 9, 14, 19, 30, 35,

40, 45

2, 7, 12, 17, 22, 27,

32, 42, 47, 52, 57,

62, 67, 72

Tabelle 2: Im NB-IoT-Standard ist eine begrenzte Anzahl von erlaubten PRBs festgelegt

den vorgegebenen LTE-Breitbandträger

bewertet. Dabei

geht man von seiner Form im

Zeitbereich über alles (overall

RF shape) zu einer mehr detaillierten

Demodulationsanalyse

über und schließt dabei die

Zuweisung der Resource Blocks

und andere Kennzeichen ein.

Wenn man nämlich danach das

NB-IoT-Signal in dieser Umgebung

bewerten will, so ist es

wichtig, den Einfluss dieses

neuen Signals auf den existierenden

LTE-Träger zu verstehen

und zu beachten. Dieser

hat ja normalerweise bei den

Aussendungen der Basisstation

Priorität (eNodeB in der LTE-

Terminologie). Ob man das neue

NB-IoT-Signal als potentiellen

Störer oder Feind des LTE-Trägers

betrachten kann oder nicht,

entscheiden verschiedene Szenarien,

in erster Linie, ob die

Betriebsweise Inband, Guardband

oder Standalone vorliegt.

Beim NB-IoT-Inband-Modus

ist der Uplink-Weg der empfindlichste

Weg in Bezug auf

Interferenzen. Von daher kann

also die Netzwerk-Performance

am leichtesten (negativ) beeinflusst

werden.

Das Spektrum

Bild 1 und 2 ermöglichen einen

Blick auf das Spektrum des

Signals eines NB-IoT-Senders.

Die klassische Spektralanalyse

informiert recht gut über das

Benehmen dieses Signals in

der HF-Umgebung, die durch

den LTE-Träger geprägt ist. Die

Downlink-Darstellung zeigt das

LTE-Signal mit Maximal- und

Minimal-Hold-Mittelwerten.

Dies ist eine sehr geeignete

Form der Visualisierung der

maximalen und minimalen

Werte eines realen LTE-Signals

über die Zeit.

Diese einfache Bewertung der

Präsenz des NB-IoT-Signals

erlaubt es, die Leistung im

Downlink und das Signal/

Rausch-Verhältnis festzustellen.

Bei Guardband- oder Standalone-Betrieb

ist es wichtig,

zwischen dem NB-IoT-Signal

und jedem anderen potentiellen

GSM-Träger in der Umgebung

zu unterscheiden. Hierbei

sollte man wissen, dass beide

Signaltypen ziemlich identische

Bandbreiten beanspruchen,

jedoch nicht die selbe Form

aufweisen. ◄

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Praxis

Praxiseinstieg in

die vektorielle

Netzwerkanalyse

Joachim Müller,

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bis auf Handheldgröße zu verkleinern. Doch

dem nicht genug: Durch ausgefeilte Software

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Welt der Netzwerkanalyse durch Selbstbauprojekte,

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38 hf-praxis 4/2019


5G und IoT

5G: Wundermittel oder Utopie für IoT-Konnektivität?

nur in den Versorgungsblasen

bestehen. Geräte außerhalb dieser

Blase benötigen eine andere

Konnektivitätsoption. Die häufigste

ist die 5G-Vorgängergeneration

4G/LTE. Im Falle einer

Roaming-Daten-Vereinbarung

können IoT-Geräte weiterhin

außerhalb der Grenzen eines

5G-, SigFox- oder LoRa-Netzwerks

betrieben werden. Viele

Netzbetreiber können internationale

Roaming-Datenkontakte

anbieten, die es einem IoT-Gerät

ermöglichen, in mehreren Ländern

eingesetzt zu werden. Dies

jedoch zu erheblichen Kosten!

Die 4G/LTE-Abdeckung ist vielerorts

bestenfalls lückenhaft.

Viele Länder haben noch nicht

aufgerüstet und einige haben dies

noch gar nicht vor. Kombiniert

man diesen Mangel mit potentiell

hohen Datenkosten, wird

schnell klar, dass ein 5G/4Gbasiertes

IoT-Netzwerk nicht

für alle geeignet ist.

Wenn man nicht auf die TCP/

IP-Schicht des Mobilfunknetzes

zurückgreifen will, lassen sich

Nachrichten über das sprachbasierte

GSM-Netz (2G) senden

und empfangen. Der große Vorteil

hier ist die Abdeckung. 2G

ist in über 190 Ländern weltweit

verfügbar, in den meisten Fällen

parallel zur 3G- und 4G-Kommunikation.

Das Problem bei der Verwendung

dieser im Wesentlichen

alten Technologie ist nach Meinung

von Thingstream, dass sie

nicht auf Dauer verfügbar sein

wird. In Ländern, in denen die

Vollversorgung durch 4G/5G

angeboten wird, soll 2G abge-

Mit dem Aufbau des 5G-Netzes

und dem wachsenden Internet

der Dinge wird rund um den

Globus zunehmend alles vernetzt.

Dank 5G wird in nicht

allzu ferner Zukunft eine Hochgeschwindigkeitsverbindung

für

alle verfügbar sein – außer dort,

wo es keine Netzabdeckung gibt.

5G verspricht Mobilfunk mit

Geschwindigkeiten, die kabelgebundener

Breitbandkonnektivität

entsprechen und diese in

vielen Fällen sogar übertreffen.

Neben den offensichtlichen Vorteilen

für mobile Nutzer werden

die schnelle Konnektivität und

erhöhte Verfügbarkeit auch dem

IoT zugutekommen, sodass mehr

Geräte mehr Daten senden und

empfangen können.

Während dies wie eine vielversprechende

Vision klingt, liefert

5G möglicherweise nicht alle

Antworten, was das IoT betrifft.

So fragt Thingstream: Wie sieht

es z.B. mit der Vernetzung zwischen

Städten und über Grenzen

hinweg aus? Was ist für eine

wirklich allgegenwärtige globale

IoT-Abdeckung erforderlich und

wie lassen sich die Lücken zwischen

den Versorgungs-Hotspots

schließen?

Der Bedarf an 5G wird hauptsächlich

durch den Trend zu

Smart Citys getrieben. In einer

wirklich intelligenten Stadt sind

alle Dinge miteinander verbunden.

Das bedeutet, dass Autos

einen intelligenten Dialog mit

Verkehrssystemen führen, Haushaltsgeräte

mit Versorgungsunternehmen

kommunizieren,

Müllwagen direkt mit Mülltonnen

kommunizieren werden

und so weiter. Dies erfordert

jede Menge Bandbreite – und

mit einer theoretischen Download-Geschwindigkeit

von

10.000 Mbit/s und einer extrem

niedrigen Latenzzeit bietet 5G

alles, was eine Smart City an

Konnektivität braucht.

Doch für diejenigen, die außerhalb

dieser urbanen „Versorgungsblasen“,

über Grenzen

hinweg oder in Gebieten tätig

sind, in denen noch nicht einmal

3G richtig implementiert ist,

sieht die Sache anders aus. Für

einen Großteil der Welt wird 5G

für mehrere Jahre außer Reichweite

sein.

In Bezug auf die Konnektivität

und angesichts des Tempos des

Wandels in der Branche könnte

die Fokussierung auf 5G überaus

kurzsichtig sein. Denn wenn eine

IoT-Lösung nur auf eine einzige

Konnektivitätsmethode angewiesen

ist, funktioniert sie nur

an den entsprechenden Orten.

Kurzfristig wird die 5G-Konnektivität

in die gleiche Kategorie

wie LoRa und SigFox fallen, d.h.

GaN-on-Silicon-Support für den 5G-Netzausbau

Macom Technology Solutions Holdings,

Inc. und STMicroelectronics gaben die

Erweiterung der Produktionskapazität

für 150-mm-GaN-on-Silicon-Wafer in

den ST-Fabs sowie abhängig vom Bedarf

auch für 200-mm-Wafer bekannt. Die

Aufstockung ist auf den weltweiten Ausbau

der 5G-Telekommunikationsnetze

ausgerichtet. Es wird erwartet, dass der

weltweite Rollout von 5G-Netzwerken

und die Umstellung auf Massive-MIMO-

Antennenkonfigurationen die Nachfrage

nach HF-Leistungsbausteinen gravierend

ankurbeln werden. Macom schätzt im Einzelnen,

dass der Bedarf an Leistungsverstärkern

um den Faktor 32 bis 64 steigen

wird. Dies sollte das Volumen der Investitionen

in 5G-Infrastrukturen in fünf Jahren

mehr als verdreifachen und damit zu einer

geschätzten Senkung des Preises pro Verstärker

um den Faktor 10 bis 20 führen.

■ Macom Technology Solutions

Holdings, Inc.

www.macom.com

hf-praxis 4/2019 43


5G und IoT

Was bedeutet es, 5G-fähig zu sein?

Immer häufiger werden Produkte

als 5G-ready oder

5G-fähig bezeichnet. Die

Mobilnetzbetreiber werden in

den nächsten Jahren zweifellos

eine 5G-Infrastruktur einführen,

die in Bezug auf Kapazität

und Durchsatz in hohem

Maße skalierbar ist. Aber wie

sieht es mit der Sicherheit aus?

Mobilfunknetze werden nur

dann vollständig 5G-fähig sein,

wenn die notwendigen Sicherheitsfunktionen

planmäßig in

diese Netze integriert werden.

Tom Wheeler, ehemaliger Vorsitzender

der Federal Communications

Commission, verwies

kürzlich darauf, dass es bei der

Führungsrolle im Bereich der

5G-Technologie nicht nur um

den Aufbau eines Netzwerks

geht, sondern auch darum, ob

dieses Netzwerk sicher genug

für die versprochenen Innovationen

ist. Tatsache ist, so

Wheeler, dass die drahtlosen

Netzwerke nicht so sicher sind,

wie sie es sein könnten, weil sie

nicht dafür konzipiert wurden,

den Arten von Cyberangriffen

standzuhalten, die heute üblich

sind. Dies sei nicht die Schuld

der Unternehmen, die die Netzwerke

aufgebaut haben, sondern

zeigt, dass Cyberangriffe

kein Thema von vordergründiger

Bedeutung waren, als

vor Jahren die Standards für

die aktuelle 4G-Technologie

festgelegt wurden.

Mit 5G ändert sich alles –

kritische Anwendungen wie die

Fernwartung, -überwachung

und -steuerung von Stromnetzen

ebenso wie selbstfahrende

Autos werden alle auf

5G-Technologien basieren.

Die Netzwerke werden stärker

verteilt sein, und viele kritische

Anwendungen sollen künftig

am Rand von 5G-Netzwerken

und über Edge-Clouds

gehostet werden. Chancen

für Bedrohungsakteure ergeben

sich, wenn sie ungehindert

agieren können. Sie werden

sich die Automatisierung

zunutze machen, um mehrstufige

Angriffe zu starten und die

am schlechtesten geschützten

Bereiche der 5G-Netze zu finden.

Damit Mobilfunknetze

wirklich 5G-fähig sind, ist

daher ein neuer Sicherheitsansatz

erforderlich.

Auch wenn Standards und

Netzwerkarchitekturen für

5G noch in der Entwicklung

sind, ist es für Mobilfunkbetreiber

nicht nur eine Option,

sondern unerlässlich, die richtigen

Sicherheitsfunktionen

zu integrieren. Um die Netze

5G-fähig zu machen, müssen

Mobilfunkbetreiber eine

robuste und umfassende Endto-End-Sicherheitsstrategie

umsetzen. Dies bedeutet:

• vollständige Transparenz,

Inspektion und Kontrolle,

die auf allen Ebenen des

Netzwerks angewendet werden,

also auf Anwendungs-,

Signalisierungs- und Datenebene

• Bedrohungsanalysen in der

Cloud, basierend auf maschinellem

Lernen, die über die

verschiedenen Standorte und

Umgebungen des Mobilfunknetzes

hinweg genutzt

werden

• cloud-fähige Plattform, die

eine konsistente Sicherheitsüberwachung

über alle

Netzwerkstandorte hinweg

gewährleistet

Mit diesen notwendigen

Sicherheitsfunktionen werden

Mobilfunknetze wirklich

5G-fähig – mittels einer datengesteuerten

Bedrohungsabwehr,

die kontextuelle Sicherheitsergebnisse

liefert.

Mobilfunkbetreiber werden

in der Lage sein, Prozesse zu

automatisieren, um infizierte

Geräte proaktiv zu identifizieren

und Angriffe durch

IoT-Geräte zu verhindern,

fortschrittliche mehrstufige

Angriffe zu erfassen, die darauf

abzielen, verschiedene Signalisierungs-

und Steuerungsebenen

in den 5G-Netzen zu

nutzen und fortschrittliche

Bedrohungen automatisch

zu identifizieren, diese mit

bestimmten Geräten/Benutzern

zu korrelieren und infizierte

Geräte aus ihren Netzwerken

zu isolieren/entfernen. Dadurch

werden sich die Betreiber auch

als Secure Business Enablers

differenzieren können.

■ Palo Alto Networks

www.paloaltonetworks.com

schaltet werden, zumindest

eventuell. Bei IoT- Implementierungen,

die nur auf 2G basieren,

wird dies in Zukunft zu Problemen

führen. Wie weit wir in

die Zukunft schauen müssen,

hängt vom jeweiligen Gebiet ab.

So hat beispielsweise Südkorea

2G bereits abgeschaltet, aber

es gibt immer noch Länder der

Dritten Welt, die noch keinen

Zeitpunkt für eine vollständige

3G-Einführung genannt haben,

geschweige denn für eine vollständige

Implementierung von

4G oder gar 5G.

Alle IoT-Geräte benötigen

Strom. Wenn sich das Gerät nicht

in einem Gebiet mit Konnektivitätsabdeckung

befindet, muss es

häufig ohne Netzteil, möglichst

stromsparend, betrieben werden.

Doch größere Batteriekapazitäten

sind nicht die Lösung. Die

Kosten für das Laden von hunderten

oder gar tausenden von

Geräten summieren sich schnell

und die Akkus selbst können

auch erhebliche Kosten verursachen.

Daher ist es wichtig, dass

die IoT-Geräte so wenig Strom

wie möglich verbrauchen.

■ Thingstream

https://thingstream.io

Initiative „5G

Bavaria“ gestartet

Das Fraunhofer-Institut für Integrierte

Schaltungen IIS startet

eine 5G-Initiative in Bayern. Die

Initiative „5G Bavaria“ begleitet

den Übergang von der Forschung

am neuen Mobilfunkstandard 5G

in die Anwendung und umfasst

ein Testzentrum am Fraunhofer

IIS in Erlangen und verschiedene

Testumgebungen in Bayern.

Unternehmen haben hier die

Möglichkeit zur Evaluierung von

neuen Mobilfunk-Funktionalitäten

in einem 5G-Gesamtsystemkontext

mittels Simulation

und Emulation im Labor sowie

in realer Mobilfunkumgebung.

Der Übergang von der Standardisierung

in die Anwendung ist

komplex, zumal zwischen der

Festlegung neuer 5G-Funktionen

in einer bestimmten Release und

der Marktverfügbarkeit durchaus

drei bis vier Jahre liegen können.

In dieser Zeit ist das Erproben

und Entwickeln zukunftsbeständiger

Kommunikationsanwendungen

ohne passende Testeinrichtungen

nur schwer möglich.

Im Testzentrum erfolgt die Simulation

neuer Übertragungstechnologien.

Der nächste Schritt ist

die Emulation, also das Testen

der Funktechnologien in Echtzeit.

Ergänzend bereitet man

den Aufbau und Betrieb eines

Industrie-4.0-Testbeds in Nürnberg

sowie eines Automotive-

Testbeds in Rosenheim vor. In

Würzburg wird eine Pilotstudie

für ein 5G- Satellitentestbed

erstellt. Die Testbeds sollen

dazu dienen, konkrete Anwendungsfälle

der Anwender mit

5G-Technologie zu erproben,

um die Möglichkeiten und Grenzen

von 5G auszutesten. Die

5G-Testumgebungen werden

dabei reale Infrastruktur wie

Autobahnen und Industriehallen

mit einbeziehen.

■ Fraunhofer-Institut für

Integrierte Schaltungen IIS

www.iis.fraunhofer.de

44 hf-praxis 4/2019


Messtechnik

IoT-Device-Lösung in realitätsnahem Anwendungsszenario

Ihr Partner für

EMV und HF

Messtechnik-Systeme-Komponenten

hf-praxis 4/2019

CommSolid wird ein Referenzdesign vorstellen,

das ihre NB-IoT und Bluetooth

SoCs integriert. Für HF- und Funktionstests

der beiden Übertragungstechniken

nutzt der Hersteller den R&S CMW290

IoT Radio Communication Tester. Rohde

& Schwarz demonstriert parallel, welche

realitätsnahen Messungen damit an der IoT

Device-Lösung möglich sind. Dabei zeigt

Rohde & Schwarz die IoT-Device-Lösung

von CommSolid (Goodix) in einem realitätsnahen

Anwendungsszenario: Leihfahrräder

übertragen im urbanen Umfeld ihre

Standort- und Nutzungsdaten per NB-IoT

und fragen den Fahrradzustand per Bluetooth

LE in der Fahrrad-Ausleihstation

ab. Beide Übertragungstechniken sind für

geringen Stromverbrauch, lange Batterielaufzeiten

und eine gesicherte Kommunikation

ausgelegt.

Die Radio Communication Tester der R&S

CMW Plattform sind die einzigen, mit denen

parallele Tests an zellularen und non-zellularen

Übertragungen möglich sind. Rohde &

Schwarz zeigt verschiedene Applikationstests

für NB-IoT und Bluetooth auf Basis

des R&S CMW290 IoT Testers. Dieser

unterstützt nicht nur alle gängigen Mobilfunkstandards,

sondern auch alle Bluetooth

HF-Tests inklusive Bluetooth LE 5.0. Die

Tester der R&S CMW Plattform sind darüber

hinaus die einzigen, mit denen ein Entwickler

für Bluetooth LE unter realistischen

Bedingungen per Over-the-Air-Messung

HF-Signalisierungs-Tests durchführen kann.

Dies ermöglicht dem Anwender, Umschaltvorgänge

zwischen NB-IoT und Bluetooth

im Detail zu analysieren. So kann Comm-

Solid (Goodix) die integrierten Funkeinheiten

der IoT Device-Lösung aufeinander

abstimmen, optimieren und eventuelle

Störquellen identifizieren und ausschalten.

Das Ausleihszenario für Fahrräder ist nur

eine von unzähligen möglichen Anwendungsbeispielen

für die CommSolid

(Goodix) Device-Lösung. Diese bietet im

NB-IoT-Bereich die aktuellsten 3GPP Features

einschließlich umfassender Release-

14-Konformität. Zusätzlich wird der aktuelle

BLE-5.0-Standard unterstützt. Die Device-

Lösung basiert auf einer für beide Standards

kompromisslosen Sicherheitsarchitektur, ist

hoch integriert und arbeitet bei niedrigstem

Stromverbrauch.

■ Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG

www.rohde-schwarz.com

Professionelle

Messergebnisse

Die leistungsstarke Oszilloskop-Serie

MSO5000 ist ein echtes Multitalent und

somit für häufig wechselnde Messaufgaben

bestens geeignet. Die Geräte überzeugen

durch die intuitive Bedienung über den

großen Touchscreen und eine hohe Leistungsfähigkeit,

die sonst nur hochpreisigen

Geräten vorbehalten ist. Jedes Oszilloskop

beinhaltet die Funktionen folgender Geräte:

Spektrum-Analysator, 16-Kanal-Logikanalysator,

2-Kanal-Arbiträr-Signalgenerator,

Voltmeter, Frequenzzähler, Protokollanalysator.

Zudem verfügen die Geräte über

eine Bandbreite von 70 bis 350 MHz, einer

Sampling Rate von 8 GSa/s (realtime) und

einer Speichertiefe bis 200 MPts (Option).

■ Telemeter Electronic GmbH

info@telemeter.de

www.telemeter.info

45

AVIONIK-PRÜFTECHNIK

& FUNKMESSPLÄTZE

Satelliten-Konstellations-Simulatoren

Testsysteme für Füllstandsmesser

Transponder & Interrogator Tester

Funkmessplätze (BOS, TETRA)

Testsysteme für Höhenmesser

Nav/Comm Tester

POSITIONING - TIMING -

NAVIGATION

Zeit- & Frequenzstandards

GPS/GNSS Simulatoren

Störsignal-Simulatoren

Enterprise NTP Server

Distributionssysteme

PTB Masterclocks

HF- & MIKROWELLEN-

MESSTECHNIK

Puls- & Signalgeneratoren

Zeit- & Frequenzzähler

Netzwerkanalysatoren

Spektrumanalysatoren

Leistungsmessköpfe

HF-Schaltfelder

HF- & MIKROWELLEN-

KOMPONENTEN

Hohlleiterkomponenten bis 325 GHz

HF-Komponenten bis 100 GHz

SATCOM-Komponenten

RF-over-Fiber

Subsystem

Verstärker

Tel. 089-895 565 0 * Fax 089-895 565 10

Email: info@emco-elektronik.de

Internet: www.emco-elektronik.de


Messtechnik

Erweiterungen für Signalanalysatoren

Links die VSA Built-in Application, rechts die EMI Built-in Application

Die Rigol Technologies EU

GmbH zeigte neue Messapplikationen

für ihre Echtzeit-Spektrumanalysatoren:

die Vector-

Signal-Analyse-Software und

die EMI-Analyse-Software.

Die Echtzeit-Spektrumanalysatoren

der Serien RSA3000 und

RSA5000 basieren auf der von

Rigol neu entwickelten Technologie

Ultra Real und zeichnen

sich durch ihre kompakte

Bauweise, die Bedienung über

Touchscreen und ihre Modularität

für vielfältige Einsatzmöglichkeiten

aus.

Für die Gerätefamilie RSA5000

stellt Rigol die Vector-Signal-

Analyse-Software VSA vor, die

dem Anwender ein umfassendes

Werkzeug für die Demodulation

und Vektorsignalanalyse zur Verfügung

stellt, um Problemursachen

in Zeit-, Frequenz- und

Modulationsdomänen zu fin-

den. Die Messanzeigen lassen

sich frei einstellen, um mehrere

Ansichten eines Signals gleichzeitig

anzuzeigen und durch flexible

Positionierung und Größe

mehr Transparenz zu erhalten.

Die vielfältigen Funktionen

umfassen die I/Q-HF-Hüllkurvenanalyse

und die flexible

digitale Modulationsanalyse.

Der FMT-Trigger basiert auf

Ultra Real für die Erfassung und

Modulationsanalyse. Es ermöglicht

die Messung und Analyse

von drahtlosen Kommunikations-

und Verbindungsstandards

sowie BER-Tests für bekannte

Signalsequenzen. Die Modulationsformate

sind FSK2, FSK4,

FSK8, MSK, BPSK, QPSK,

OQPSK, DQPSK, 8PSK, x/4-

DQPSK, x/8-D8PSK, D8PSK,

QAM16, QAM32, QAM64,

ASK2 und ASK4. Die Analyseergebnisse

können als Signalamplitude

im Zeitbereich, Spektrum,

Augendiagramm, Konstellations-

und Vektordiagramm,

Fehlervektorgröße, Quadraturfehler,

Amplitudenfehler und

Phasenfehler angezeigt werden.

Als weitere Software-Applikation

für die RSA5000-Familie

zeigt Rigol die EMI-Analyse-

Software, die ein umfassendes

Werkzeug für die nach CISPR

16-1-1 vorgegeben Auswertungen

beinhaltet, ohne die

Verwendung einer zusätzlichen

PC-Software. Die Anwendung

im Mastergerät sorgt für stabile

und konsistente Ergebnisse. Sie

verfügt über integrierte CISPRkompatible

Bandbreiten, Detektoren

und Bandvoreinstellungen.

Die Software ermöglicht das

automatisierte Testen von Grenzlinien

mit vom Benutzer ausgewählten

Margen und bietet

eine Amplitudenkorrektur für

Antennen, LISNs, Kabel und

Vorverstärker.

Beide Software-Applikationen

sind in den aktuellen Geräten

bereits installiert und sind auch

als Upgrade für bestehende

Geräte der jeweiligen Gerätefamilie

verfügbar.

■ Rigol Technologies, Inc.

info-europe@rigol.com

www.rigol.com

Neue Hochleistungsoszilloskope

Rigol Technologies präsentierte mit der

Einführung der neuen Digitaloszilloskop-Familie

MSO8000 eine signifikante

Ergänzung seines UltraVision-II-Oszilloskop-Portfolios.

Der Kern der Ultra Vision-

II-Architektur ist der Phoenix-Chip-Set

mit zwei eigenentwickelten ASICs, die

das analoge Front-end bilden und die

Signal-Processing-Performance liefern.

Diese Chips sind umgeben von weiterer

Hochleistungs-Hardware wie einem Xilinx

Zync-7000-SoC, Dual-Core ARM-9-Prozessoren,

dem Linux +Qt-Betriebssystem,

einem High-Speed-DDR-Systemspeicher

und einem QDRII-Display-Speicher.

Mit Bandbreiten von 600 MHz und 1 GHz

(optionale Erweiterung auf 2 GHz) und

einer maximalen Abtastrate von 10 GS/s

ist die MSO8000-Serie ideal geeignet für

die schnelle Erfassung und Analyse von

Signalen. Zu den typischen Anwendungen

gehören automatisierte Tests in Fabriken,

Protokollanalysen für serielle Busse in der

Fahrzeugelektronik, Messen elektronischer

Schaltungen, Schaltleistungsmessungen

und -analysen im Leistungsbereich und

viele mehr. Die MSO8000-Serie ist in

Forschung und Entwicklung, Universitäten,

Produktion und Qualitätskontrolle

in der Automobil-, Kommunikations- und

Luftfahrtindustrie sowie in der Leistungselektronik

optimal einsetzbar.

Alle Geräte verfügen über einen kapazitiven

10,1-Zoll-Farb-Touchscreen mit

256 Intensitätsstufen und Farbtönen für

eine präzise und klare Signaldarstellung.

Für die Erfassung und Verarbeitung großer

Datenmengen steht für alle Kanäle

eine Speichertiefe von bis zu 500 MPts

zur Verfügung. Die Signalerfassungsrate

von bis zu 600.000 Wfms/s ermöglicht

die Echtzeitaufzeichnung und Wiedergabe

von Signalen mit bis zu 450.000 Frames.

Ein digitales Oszilloskop, ein Logikanalysator,

ein Spektrumanalysator, ein arbiträrer

Signalgenerator, ein Digitalvoltmeter,

ein Frequenzzähler und Totalizer sowie

ein Protokollanalysator vervollständigen

die gesamten Messfunktionen (7-in-1-

Gerät). Verschiedene Schnittstellen wie

USB-Host, USB-Device, HDMI, LAN,

USB-GPIB und AUX OUT sind verfügbar.

■ Rigol Technologies, Inc.

info-europe@rigol.com

www.rigol.com

46 hf-praxis 4/2019


Einfache Verwaltung von Messgeräten

Messtechnik

Rohde & Schwarz präsentierte

die neue R&S Campus Dashboard

Software, die für die einfache

Verwaltung und Fernsteuerung

von Messtechnikgeräten

in großen Studienlabors

von einem zentralen Computer

aus entwickelt wurde. Laborleiter,

Tutoren, Studenten und

Professoren profitieren von der

hervorragenden Bedienbarkeit,

einfacheren Arbeitsabläufen und

Automatisierungsmöglichkeiten.

Unterrichten großer

Studentengruppen

Das R&S Campus Dashboard

von Rohde & Schwarz vereinfacht

das Unterrichten großer

Studentengruppen in Universitätslabors,

in denen Studenten

an mehreren Tischen arbeiten.

Die PC-Software bietet eine

Vielzahl von Funktionen, die

den Unterricht beschleunigen,

sowie Zugriff auf Geräteoperationen,

Einstellungen und Daten

wie Screenshots. Lehrer können

damit identische Bedingungen

für alle Studenten-Messgeräte

festlegen, Einstellungen auf

einem Gerät speichern und an

alle Studenten verteilen oder

die Ergebnisse aller Studenten

gleichzeitig abrufen.

Unterstützt

verschiedene

Messgeräte

Das R&S Campus Dashboard

unterstützt verschiedene

Messgeräte von Rohde

& Schwarz, darunter Oszilloskope

wie das R&S RTB2000,

Spektrumanalysatoren wie den

R&S FPC1000, Netzwerkanalysatoren

und Netzteile wie das

R&S NGE100B. Diese Geräte

bieten hervorragende Qualität für

kleine Budgets und eignen sich

damit ideal für den Bildungsmarkt.

Die Software wird von

einem zentralen PC aus bedient

und verbindet sich automatisch

mit unterstützten Geräten im

lokalen Netzwerk. Benutzer

können die einzelnen Geräte auf

virtuellen Tischen anordnen und

so die jeweilige Laborstruktur

widerspiegeln. Das R&S Campus

Dashboard verwaltet zudem parallele

Firmware-Updates auf

mehreren Geräten und reduziert

so den regelmäßigen Wartungsaufwand

für ein ganzes Studentenlabor

auf wenige Klicks.

■ Rohde & Schwarz

GmbH & Co. KG

www.rohde-schwarz.com

MESSBAR MEHR GUTE LAUNE:

MIT UNSEREN NETZWERKANALYSATOREN.

ANGEBOTE MIT

VIEL HERTZ.

Breit gefächerter Anwendungsbereich mit High-Performance

Spezifi kationen in kompaktem USB-Design: Die neuen 2-Port

VNAs der Streamline-Serie P5000 von 9 kHz bis zu 20 GHz.

Ob in der Elektronik, Nachrichtentechnik oder HF-Technik:

Mit unserer großen Auswahl an Netzwerkanalysatoren,

mit einer Bandbreite von 5 Hz bis 120 GHz*, fi nden Sie

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*bis zu 1,05 THz mit optionalen Frequenz-Extendern

Druckfehler, evtl. technische Änderungen und Irrtum vor behalten.

Messe in Nürnberg

07. - 09. Mai 2019

Halle: 6 | Stand: 6-111

Ihr Spezialist für

Mess- und Prüfgeräte


Messtechnik

Schnell, universell sowie breitbandig bis 40 GHz

Anwender, denen

es auf ein niedriges

Phasenrauschen,

hohe Empfindlichkeit

und eine große

Analysebandbreite

ankommt, profitieren

vom R&S FSV

40N, der US-Navy-

Version des R&S

FSV 40, insbesondere

bei Messungen bis

40 GHz. Er wird

als Neugerät von

Rosenkranz Elektronik

vergleichsweise günstig

angeboten.

Rosenkranz Elektronik

www.rosenkranz-elektronik.de

Nicht nur die 5G-Kommunikation

mit den weltweiten Frequenzen

von 3,3 bis 28,35 GHz

erfordert breitbandige Signalund

Spektrumanalysatoren mit

höchster Messgeschwindigkeit

und hoher Empfindlichkeit.

Das Anwendungsfeld für solche

anspruchsvolle Analysatoren

ist viel breiter, angefangen von

WLAN IEEE 802.11ac über die

Radartechnik bis hin zu anderen

Frequenzhoppingsystemen und

militärischen Funkgeräten.

Ein Anbieter von hochwertigen

Signal- und Spek trumanalysatoren

der Mittelklasse

ist R&S mit der FSV-Serie. Der

R&S FSV ist in fünf Modellen

Wesentliche Daten auf einen Blick

• Frequenzbereiche 4/7/13,6/30/40 GHz

• bis zu 160 MHz Signalanalyse-Bandbreite

• 0,4 dB Pegelungenauigkeit bei Messungen bis 7 GHz

• Messapplikationen für GSM/EDGE (einschließlich EDGE

Evolution), WCDMA/HSPA+, LTE, WiMAX, WLAN,

CDMA2000, 1xEV-DO, Vektorsignalanalyse

• einfaches Onsite-Upgrading mit Optionen

• -110 dBc (1 Hz) Phasenrauschen bei 10 kHz Offset

• 15 dBm Third Order Intercept (TOI)

• Displayed Average Noise Level (DANL) in 1 Hz Bandbreite

-155 dBm bei 1 GHz

• großer I/Q Memory zur Aufzeichnung langer Signalfolgen

• abnehmbarer Harddrive für Applikationen im Sicherheitsbereich

R&S FSV 40N (links), in der US-Navy Version des R&S FSV 40, rechts die zivile Version des FSV 40

erhältlich, welche den Frequenzbereich

von 10 Hz bis 4, 7, 13,6,

30 und 40 GHz abdecken. Hier

betrachten wir den FSV-40N,

die Version für die US-Navy, die

von Rosenkranz Elektronik vertrieben

und für die Analyse und

Demodulation von Signalen bis

in den Millimeterwellenbereich

eingesetzt wird. Anwender profitieren

von diesem Gerät insbesondere

bei solchen Messungen

bis 40 GHz, bei denen es auf ein

niedriges Phasenrauschen, hohe

Empfindlichkeit und eine hohe

Analysebandbreite ankommt.

Für Entwickler bietet der FSV-

40N, in seinen Daten dem

FSV-40 identisch, eine in seiner

Klasse unerreichte Signalanalysebandbreite

von 160

MHz. Einziger Unterschied ist,

dass der Frequenzbereich beim

FSV-40N bei 9 kHz beginnt

und nicht bei 10 Hz wie in der

zivilen Ausführung FSV-40.

Mit dem volldigitalen Backend

bieten alle FSV-Modelle eine

hohe Mess- und Wiederholgenauigkeit.

Außerdem sind

sie bis zu fünfmal schneller

als vergleichbare Signal- und

Spektrumanalysatoren.

Neben dem Phasenrauschen

von typ. -117 dBc bei 1 GHz

mit 10 kHz Offset bietet der

FSV-40N einen Interceptpunkt

dritter Ordnung von >13 dBm,

16 dBm (typ.) für Frequenzen

unterhalb von 3,6 GHz, was für

einen erhöhten Dynamikbereich

sorgt. So liefert er bei hohen

Eingangspegels im Vergleich zu

anderen Analysatoren eine bessere

Spektralmessperformance,

z.B. bei Messungen des Nachbarkanalleistungsverhältnisses

oder der Frequenzausgabemaske.

Die Empfindlichkeit des

Vorverstärkers ist typ. -149 dBm

für Frequenzen unter 3,6 GHz.

Seine Messroutinen, die auf

Geschwindigkeit und hohen

Datendurchsatz optimiert sind,

sind ein entscheidender Vorteil

in Produktionsanwendungen.

Für den Einsatz in komplexen

Messaufbauten ist er außerdem

fernsteuerbar. Mit seinem Touchscreen

für einfache Bedienung,

kompakten Abmessungen, geringem

Gewicht und der direkte

Unterstützung von Leistungsmessköpfen

ist der FSV-40N

auch die beste Wahl für Installations-

und Servicearbeiten.

Es gibt eine breite Palette von

Analysepaketen für analoge

Modulationsverfahren sowie

drahtlose und breitbandige Kommunikationsstandards,

damit ist

er zukunftssicher für künftige

Standards.

Fazit

Der FSV-40N von R&S ist ein

besonders schneller und vielseitiger

Signal- und Spektrumanalysator

für leistungsorientierte

Anwender in der Entwicklung,

Produktion, Installation und

Wartung von HF-Systemen. ◄

48 hf-praxis 4/2019


Messtechnik

OTDR für schnelle Tests

von PON und FTTA

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Das neue Yokogawa AQ1210 OTDR

ähnelt dem bestehenden AQ1200, intern

wurde es aber komplett überarbeitet, um

die Funktionen und die benutzerfreundliche

Bedienung des bei den Kunden

sehr geschätzten AQ7280 OTDR bieten

zu können. Das AQ1210 verwendet

ein auf Linux basierendes, optimiertes

Betriebssystem, welches in Verbindung

mit dem 5,7 Zoll großen kapazitiven

Multitouch-Display und dem integrierten

Smart Mapper, dem Bediener

eine schnelle Charakterisierung von

Fasern in Bereichen von 200 m bis 256

km ermöglicht und einfach zu lesende

PDF-Berichte mit Symbolen erstellen

lässt, die Ereignisse deutlich hervorheben

können.

Mit einer Größe von nur 210 x 148 x

69 mm und einem Gewicht von etwa 1

kg kann das AQ1210 über Touchscreen

oder Tasten bedient werden. Es ist kompakt

und daher leicht zu handhaben,

während es die letzte Meile der Glasfaser

beim Kunden testet. Und es ist

robust genug, um in anspruchsvolleren

und aggressiveren Umgebungen eingesetzt

zu werden.

Durch die Verwendung eines Linuxbasierten

Multithread-Betriebssystems

kann das AQ1210 gleichzeitig verschiedene

Messfunktionen ausführen,

wodurch Zeit gespart wird. Hierzu

gehören OTDR, Optical Power Meter

(OPM), Visible Fault Locator (VFL)

und die automatische Pass/Fail-Analyse

der Oberfläche der optischen Faser

unter Verwendung einer Faserprüfsonde.

Der interne Akku mit mehr als

10 h wird über einen USB-Port vom

Typ C mit einem USB-Ladegerät aufgeladen.

Das AQ1210 verfügt außerdem

über zwei USB-A-Anschlüsse und

unterstützt darüber hinaus die drahtlose

Konnektivität, sodass die Testergebnisse

einfach geteilt werden können.

■ Yokogawa Deutschland GmbH

http://tmi.yokogawa.com/de

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hf-praxis 4/2019 49


Messtechnik

Eine Einführung:

Hohlleiter und Zeitbereichsmessungen auf

Typen mit nichtdispersiven Eigenschaften

für ein hohlleiterbasiertes Medium gewährleistet,

dass Fehlerkoeffizienten und Versatzwerte

(Offsets) während der Kalibrierung

richtig berechnet und nachfolgende Messungen

ordnungsgemäß durchgeführt und

exakt auf dem Bildschirm dargestellt werden.

In der Elektromagnetik und

in der Nachrichtentechnik

sind Hohlleiter zuweilen das

bevorzugte Verfahren zur

Energieübertragung mit

elektromagnetischen Wellen.

Autor:

Johan Wallblad

Anritsu Europe

Die Hauptursachen dafür sind, dass sie hohe

Leistungspegel übertragen und – etwa im

Vergleich mit Koaxialkabeln – kaum dämpfen.

In bestimmten Anwendungsbereichen

können sie zudem praktischer sein, einfach

deshalb, weil sie in der Regel starr sind.

Jedoch erfordert die Durchführung von

Messungen auf Hohlleitern mithilfe eines

Vektornetzwerkanalysators (VNAs) eine

Fehlerkorrektur bei der Benutzerkalibrierung

am Hohlleiterflansch,

wobei der

VNA die spezifische

Information erhält,

dass Hohlleiterkomponenten

verwendet

werden. Dies deswegen,

weil Hohlleiter

Eigenschaften

besitzen, die sich von

denen der Koaxialkabel

unterscheiden

und die eine besondere

mathematische

Verarbeitung der

gemessenen Signale

erfordern. Ein ordnungsgemäßes

Konfigurieren

des VNAs

Bild 1: Idealer Rechteckhohlleiter

Dispersion von Signalen

Eine wichtige Eigenschaft von Hohlleitern

ist die Dispersion von Signalen. Dies

findet man bei einem Koaxialkabel nicht.

Jedoch weisen nicht alle Hohlleiter diese

Eigenschaft auf, wodurch es zu Situationen

kommt, wo Erstkalibrierungen unter Verwendung

von Hohlleiterkomponenten durchgeführt

werden müssen, jedoch die nachfolgenden

Messungen auf einem Hohlleiter

durchgeführt werden, der keine dispersiven

Eigenschaften aufweist. Hier ergibt sich die

Notwendigkeit, dem VNA die Information

zu geben, dass das gemessene Medium real

nicht dispersiv ist. Diese Funktion wird von

den VNAs der Shockline-Gerätefamilie des

Herstellers Anritsu unterstützt.

Hohlleiter und Dispersion

Ein Hohlleiter ist ein lineares Gebilde; der

Begriff umfasst dielektrische Hohlleiter,

wie zum Beispiel Lichtwellenleiter und

Übertragungsleitungen, wie etwa Mikrostreifenleitungen,

koplanare Wellenleiter

oder Koaxialkabel. Üblicherweise sind es

jedoch Hohlgebilde aus Metall, bei denen

man sich vorstellt, dass die Welle in einem

Zickzack-Muster geführt nach unten wandert,

beschränkt vom Inneren der Begren-

50 hf-praxis 4/2019


Messtechnik

Bild 2: Zeitbereichs-(Entfernungsbereichs-)messung der Hohlleiter-Through WR90 mit einer

Gesamtlänge von 233,35 mm (mit Short), ohne Einbindung der Dispersion. Die Speicher-Trace zeigt die

Ergebnisse bei Einbindung der Dispersion

zungswände. Bild 1 skizziert den idealen

Rechteckhohlleiter.

Zum Verständnis der Wellenausbreitungseigenschaften

ist es von Nutzen, die Eigenschaften

des rechteckigen Hohlleiters sowie

die gesamten inneren Reflexionen an den

Wänden zu betrachten. Die mathematische

Beziehung, die für die Wellenausbreitung in

Hohlleitern gilt, kann von Maxwells Gleichungen

abgeleitet werden, die das gegenseitige

Verhalten von elektrischen und magnetischen

Feldern beschreiben.

Elektromagnetische Wellen breiten sich in

Lichtgeschwindigkeit (c) aus. Mithilfe von

Maxwells Gleichungen lässt sich aufzeigen,

dass die Geschwindigkeit der elektromagnetische

Welle in einem Hohlleiter (in

Z-Richtung), die als Gruppengeschwindigkeit

(v_g), bezeichnet wird, unterhalb der

Lichtgeschwindigkeit liegt. Entsprechend

lässt sich nachweisen, dass eine beliebige

Phase der Welle, z.B. der Wellenkamm, sich

mit einer höheren als der Lichtgeschwindigkeit

ausbreiten wird. Dies wird Phasengeschwindigkeit

(v_ph) genannt. Es mag etwas

bizarr erscheinen, dass wir möglicherweise

etwas entdeckt haben könnten, das sich

schneller ausbreitet als Licht. Doch sind

wir durch die Untersuchung geometrischer

Punkte im Raum, in dem die Phase konstant

ist – z.B. durch die Untersuchung der Wellenkämme

– zu diesem Schluss gekommen.

Dies ist eine sehr wichtige Eigenschaft der

elektromagnetischen Ausbreitung in einem

Hohlleiter, im Gegensatz zum freien Raum

oder Koaxialkabel, wo Phasen- und Gruppengeschwindigkeit

gleich sind.

Um die Dinge zu vereinfachen, können

wir einen Parallelplatten-Hohlleiter untersuchen.

(Stellen Sie sich einfach die senkrechten

Wände des Rechteckhohlleiters in

Bild 1 vor.) Ausgehend davon, dass die Platten

perfekte Leiter sind und das E-Feld in

der Y-Richtung linear polarisiert ist, kann

nachgewiesen werden, dass wir am Ende

eine sich in der Z-Richtung ausbreitende

Welle und eine in X-Richtung „stehende

Welle“ haben werden, ein irreführender

Begriff, denn es handelt sich lediglich um

die Überlagerung von ebenen Wellen, die

von den Platten abprallen. Die stehende

Wellenform wird nur in speziellen Arten

einer wesentlichen Anzahl an halben Wellenlängen

vorhanden sein.

Von Maxwells Gleichungen lässt sich für

den vereinfachten Fall eines Parallelplatten-

Hohlleiters folgende Gleichung ableiten:

Gleichung 1

Dies wird als Dispersionsrelation bezeichnet.

Nehmen wir nun an, wir beginnen, die Frequenz

zu verringern. Da alle anderen Komponenten

der Gleichung Konstanten sind, ist

k_z die einzige Komponente, die entsprechend

verändert werden kann, d.h. die Wellenvektor-Komponente

in der Z-Richtung.

Für die sogenannte Grundmode-Betriebsart

(m = 1 Halbwellenlänge) wird durch den

Hohlleiter keinerlei Strahlung verlaufen

(k_z = 0), wenn wir die Frequenz bis zu dem

Punkt verringern, an dem die Grundmode-

Wellenlänge 2 m oder höher beträgt, oder

den Abstand zwischen den leitenden Platten

auf die Hälfte einer Wellenlänge oder weniger

verringern. Die Frequenz, bei der keine

elektromagnetische Welle den Hohlleiter

durchläuft, wird Grenzfrequenz genannt.

Dies ist ein weiteres wichtiges Merkmal

von Hohlleitern.

Bis zum jetzigen Zeitpunkt haben wir ein

vereinfachtes Beispiel untersucht, nämlich

zwei parallel zueinander stehende Platten.

Die Begriffe für einen Rechteckhohllleiter

sind allerdings gleich. Die unten angeführten

Gleichungen lassen sich weiter ableiten und

zeigen, dass im Falle von Rechteckhohlleitern

die Grenzfrequenz von den Abmessungen

(a, b) des Hohlleiters, dem im Inneren

des Hohlleiters befindlichen Werkstoff

und vom Mode (m, n) abhängen. Die Gleichungen

zeigen ferner, dass Gruppen- und

Phasengeschwindigkeit von der Grenz- und

Signalfrequenz abhängig sind. Dies ist z.B.

bei Koaxialkabeln nicht der Fall, und diese

Bild 3: Zeitbereichs-(Entfernungsbereichs-)messung der Hohlleiter-Through WR90 (mit Short), mit

Einbindung der Dispersion

hf-praxis 4/2019 51


Messtechnik

Gleichung 2

Merkmale müssen beim Kalibrieren und

Messen von Hohlleitern mit einem VNA

eingebunden werden (Gleichung 2).

Zeitbereichsmessungen

mithilfe eines VNAs

VNAs sind sehr leistungsstarke, exakte und

flexible Messgeräte. Ihre Grundfunktion

besteht darin, Streuparameter (S-Parameter)

eines HF- oder Mikrowellenendgeräts

zu messen und die Ergebnisse im Frequenzbereich

darzustellen. Zuweilen geben Frequenzbereichsdaten

jedoch wenig Einblick

in die Eigenschaften des gemessenen Geräts.

Alle VNAs von Anritsu verfügen über eine

Zeitbereichs-Option, die beispielsweise

simulierte Zeitbereichsreflektometrie-Messungen

(TDR-Messungen) ermöglicht, bei

denen die im Frequenzbereich gemessenen

Daten in den Zeit- oder Entfernungsbereich

übertragen werden.

Überlegungen zum Messen

und Kalibrieren

(SSST) oder entsprechend Line-Reflect-

Line/Through-Reflect-Line (LRL/TRL).

Immer dann, wenn Sie einen VNA zum

Durchführen von Messungen an einem hohlleiterbasierten

Gerät kalibrieren möchten,

muss die Art des Mediums, d.h. der Hohlleiter,

Bestandteil der Kalibrierungsdefinition

sein. Dadurch werden die inhärenten

Dispersionseffekte, basierend auf Grenzfrequenz,

Dielektrikkonstante und Abmessungen,

die der Benutzer eingeben muss,

eingebunden. Da die Phase gemessen wird

und der Propagator (einschließlich der Phasengeschwindigkeit)

zur Berechnung der

Leitungslänge und der Werte für den Versatz

(einschließlich der Versatzwerte für

die Bezugsebene) verwendet wird, sind alle

Längenangaben falsch, wenn Dispersionseffekte

nicht berücksichtigt werden.

Die Dispersion wird auch immer Einfluss auf

die Messungen im Zeit- oder Entfernungsbereich

haben. Ein entlang eines Holleiters

gesendeter Impuls wird breiter und verschiebt

sich oder verwischt, und das zunehmend,

je länger er unterwegs ist. Dies ist

eine bei der Datenübertragung anzutreffende

bekannte Erscheinung, wenn Lichtwellenleiter

zur Anwendung kommen, aber auch

bei der Übertragung von Hochfrequenzen

mit Hohlleitern aus Metall.

Beim Durchführen von Zeit- und Entfernungsbereichsmessungen

eines Hohlleiters

unter Verwendung eines VNAs bedeutet die

Verbreiterung des Signals, dass die Maximalamplitude

niedriger ist, aber auch, dass

der Maximalwert weniger abgegrenzt ist

oder verwischt. Das heißt, dass ein Feststellen

der Entfernung zu einem Reflexions-

Spitzenwert weniger exakt möglich ist. Der

Spitzenwert wird ebenso verschoben, was

direkt dazu führt, dass die Entfernung zum

Spitzenwert fehlerhaft abgelesen wird. Ein

Kompensieren der Dispersionseffekte führt

dazu, dass die Reflexion des Signals deutlicher

zutage tritt.

Bild 2 zeigt einen einfachen Versuchsaufbau

und beispielhafte Messergebnisse, wobei

ein 223,6-mm-X-Band-Hohlleiter-Through

(69,6 + 154 mm) und ein 9,75-mm-Offset-

Short zum Einsatz kamen. Sowohl Kalibrierung

als auch Messung wurden zwischen 8,2

und 12,4 GHz durchgeführt. Die orangene

aktive Messkurve (Trace) zeigt das Ergebnis

bei Nichteinbindung der Dispersion, während

die braune Speicher-Trace die Ergeb-

Das weitverbreitetste Verfahren ist das Short-

Open-Load-Through-Verfahren (SOLT) für

koaxiale Medien. Wegen der Schwierigkeiten,

eine stabile Open-Normale zu schaffen,

die über eine hohe Reflexion verfügt,

wird SOLT für hohlleiterbasierte Medien

nicht empfohlen. Stattdessen verwendet man

normalerweise einen Kalibrieralgorithmus,

der sich auf verschiedene Versatzlängen

zwischen Shorts bzw. auf das grundsätzliche

Verhalten von Übertragungsleitungen

stützt, wie beispielsweise Triple Offset Short

Bild 4: Zeitbereichs-(Entfernungsbereichs-)messung an einem 60 cm langen Koaxialkabel mit freiem

Leitungsende, mit Einbindung der Dispersion

52 hf-praxis 4/2019


Messtechnik

Bild 4 zeigt beispielhaft eine Zeitbereichs-

(Entfernungsbereichs-)messung an einem

60 cm langen Koaxialkabel mit freiem Leitungsende

nach durchgeführter Hohlleiterkalibrierung

(LRL). Sie würden erwarten,

dass der Wert der gemessenen Entfernung

etwas über 60 cm beträgt, einschließlich

des Koaxial-zu-Hohlleiter-Adapters (Einfluss

des Adapters nicht kompensiert). Die

Reflexion des Kabels mit freiem Leitungsende

tritt jedoch in einer Entfernung von

weniger als 60 cm auf. Sie können außerdem

ein ähnliches Verwischen des Signals

beobachten wie in Bild 2. Da angenommen

wird, dass es sich beim gemessenen Medium

um ein hohlleiterbasiertes Medium handelt,

wird die Einbindung der Dispersion vorgenommen,

was zu einem Verwischen des

zurückgeworfenen Signals sowie zu einem

falschen Ablesewert für die Entfernung führt.

Lösung

Bild 5: Die Funktion „Leitungsart“ des Shockline VNA von Anritsu

nisse bei Einbindung der Dispersion zeigt.

Die Verbreiterung des reflektierten Signals

ist deutlich erkennbar, und man kann auch

sehen, dass die gemessene Leistung -0,8 dB

beträgt, während von einer Short ein Wert

nahe 0 dB erwartet wird (unter Annahme

verlustfreier Hohlleiter). Die gesamte physische

Länge der Hohlleiter-Through ist mit

233,35 mm eine bekannte Größe, die gemessene

Länge beträgt jedoch 302,31 mm. Bild

3 zeigt die gleiche Messung mit Einbindung

der Dispersion. Bei dieser Messung erhält

man als Ergebnis eine Länge von 231,53

mm und eine Leistung von -0.16 dB.

Immer dann, wenn Sie einen Hohlleiter

mit Normale messen möchten und diesen

ordnungsgemäß kalibriert haben, wird die

Einbindung der Dispersion automatisch

durchgeführt und angenommen, dass das

gemessene Medium und das Kalibrierungskit

die gleichen Merkmale haben und dass

die von Ihnen durchgeführten Zeitbereichsmessungen

korrekt sind.

Es gibt jedoch Möglichkeiten, Hohlleiter

so zu konzipieren, dass Dispersionseffekte

minimiert sind und diese Hohlleiter dadurch

als nichtdispersives Medium – ähnlich eines

unbegrenzten freien Raumes oder eines

Koaxialkabels – agiert. Dies ist manchmal

wünschenswert, beispielsweise in Anwendungen

zum Messen von Flüssigkeitsständen

in Behältern mittels Radartechnik, wo

der Verwendung eines Hohlleiters den Vorzug

gegeben wird, aber ein nichtdispersives

Medium die Einführung des Radarsensors

erleichtert. In einem solchen Fall führt die

Annahme, dass das Medium durch Kalibrierung

mit dem gemessenen Gerät, d.h. dem

Hohlleiter, egalisiert wird, zu fehlerhaften

Messergebnissen.

Die Shockline VNAs umfassen eine Funktion,

mit der der Benutzer das zu messende

Medium (oder die Leitungsart) konfigurieren

kann. Bild 5 betrifft die Funktion „Leitungsart“

des Shockline VNA von Anritsu. Die

Nutzung dieser Funktion, bei der die Leitungsart

auf nichtdispersiv eingestellt wird,

und eine Wiederholung der Messung lt. Bild

4 bringt das in Bild 6 dargestellte Ergebnis.

Die aktive (orangefarbene) Messkurve zeigt

die Messergebnisse der nichtdispersiven Leitungsart.

Sie können leicht feststellen, dass

das Verwischen des Signals, welches durch

die Einbindung der Dispersion verursacht

wurde, beseitigt ist. Weiterhin deckt sich der

Messwert für die Entfernung mit den Erwartungen

des Beobachters, d.h. die Länge von

Kabel und Hohlleiter bis zum Koaxialadapter

beträgt etwas mehr als 60 cm.

Fazit

Die Funktion „Leitungsart“ der Shockline-

VNAs von Anritsu, die für gewöhnlich nur

in Highend-VNAs vorzufinden ist, bietet

Benutzern eine Menge an Flexibilität bei

der Konfiguration von Messungen komplexer

Strukturen, wie beispielsweise Hohlleitern

mit nichtdispersiven Eigenschaften. ◄

Bild 6: Zeitbereichs-(Entfernungsbereichs-)messung an einem 60 cm langen Koaxialkabel mit freiem

Leitungsende, ohne Einbindung der Dispersion durch Auswahl einer nicht-dispersiven Leitungsart

hf-praxis 4/2019 53


Elektromechanik

Hohlleiter-Koax-Adapter zur

verlustarmen Übertragung

bis 110 GHz

Produkt-Portfolio, technische Daten und

Abmessungen im Detail dargestellt.

■ Rosenberger Hochfrequenztechnik

GmbH & Co. KG

info@rosenberger.com

www.rosenberger.com

SE Spezial-Electronic

vertreibt Ex-D-Sub-Portfolio

von Erni

Erni hatte sein D-Sub-Steckverbinder-Portfolio

im Rahmen einer strategischen Neuausrichtung

Mitte letzten Jahres abgekündigt.

Die Übernahme und Fortführung der

Produktion durch Provertha gewährleistet

nun eine weitere langfristige Verfügbarkeit

dieser Produkte für laufende und künftige

Kunden-Designs.

Rosenberger hat ein umfangreiches Produktspektrum

an Hohlleiter-Koax-Adaptern

entwickelt, die zur verlustarmen Übertragung

zwischen Hohlleiter und Koax-Steckverbinder

eingesetzt werden. Die Produktpalette

– gerade und rechtwinklige Bauformen

auf Rund- oder Rechteck-Flansch – umfasst

Hohlleiter-Koax-Adapter der Serien SMA,

RPC-2.92, RPC-1.85, RPC-1.35 und RPC-

1.00 und deckt Frequenzbereiche von 7.05

bis 110 GHz (11 Frequenzbänder von WR

112 bis WR 10) ab. In einem neuen Flyer

Waveguide-to-Coaxial Adaptors (engl.) sind

Als Vertriebspartner des Steckverbinderherstellers

Provertha führt SE Spezial-Electronic

ab sofort auch das komplette frühere

D-Sub/TMC-Steckverbinder-Portfolio von

Erni mit neun bis 50 Polen und verschiedenen

Ausführungen im Programm.

Alle betroffenen Steckverbinder behalten

ihre bisherigen Artikelnummern. Ausführliche

Informationen zum kompletten D-Sub-

Steckverbinder-Portfolio von Provertha

können unter emech@spezial.com angefordert

werden.

■ SE Spezial-Electronic GmbH

www.spezial.com

Fachbücher für die

Praxis

Smith-Diagramm

Einführung und Praxisleitfaden

Joachim Müller, 21 x 28 cm, 117 Seiten, zahlreiche,

teilweise farbige Abbildungen, beam-Verlag 2009,

ISBN 978-3-88976-155-2, Art.-Nr.: 118082, 29,80 €

Das Smith-Diagramm ist bis heute das wichtigste

Instrument zur bildlichen Darstellung der Anpassung

und zum Verständnis der Vorgänge in HF-Systemen.

In der einschlägigen Fachliteratur findet man zwar

viele Stellen zum Smith-Diagramm, sie erfordern

aber meist erhebliche mathematische Kenntnisse:

Eine grundlegende Einführung sucht man vergeblich.

Diese Lücke schließt dieses Buch als praxisnahe

Einführung in den Aufbau und die Handhabung

des Diagramms. Mathematikkenntnisse die zu einer

elektrotechnischen Ausbildung gehören, reichen

dabei aus.

Aus dem Inhalt:

Der Weg zum Smith-Diagramm - Komplexe

Zahlen - Reflexion bei Einzelimpulsen und

kontinuierlichen Sinussignalen - Reflexionsfaktor

- Rückflussdämpfung, VSWR, Kreisdiagramme;

Reflexionsdiagramm - Schmidt-Buschbeck-

Diagramm - CarterDiagramm - Praxis mit

dem Smith-Diagramm; Kompensation von

Blindanteilen, Ortslinie über Frequenz - Leitung als

Transformator, elektrisch kurze bzw. lange Leitung,

S-Parameter und Smith-Diagramm - Leitwert-Smith-

Diagramm - Darstellung von Leitwerten im Smith-

Diagramm, Parallelschaltung von Bauelementen

- Grundelemente unter der Lupe - Ortslinien von

Induktivitäten und Kapazitäten, das Bauelement

Leitung – Stubs - Anpassung mit dem L-Glied -

Hilfsmittel für die Arbeit mit dem Smith-Diagramm

- Software - Messtechnik

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54

hf-praxis 4/2019


NI AWR Design Environment

RF/Microwave EDA Software Suite

AWR

ni.com/awr


AWR

NI AWR Design

Environment

Accelerating RF/

Microwave Designs

From Concept to

Product

The NI AWR Design Environment platform tackles

the design challenges of today’s highly-integrated

RF/microwave devices being driven by nextgeneration

communications and radar systems

such as 5G, IoT, and smart vehicles.

As component performance requirements become

more stringent due to market demands, designers

must deliver novel designs with unique topologies

and architectures based on greater exploration of

the design space.

To meet these challenges, NI AWR software

focuses on RF/microwave design with an emphasis

on expediting all stages of design, from initial starts

using powerful network synthesis to circuit/system

and EM simulation technology for performance

optimization. Coupled with design automation,

NI AWR software provides an unmatched user

experience from which to accelerate RF/microwave

designs from concept to product.

V14 Release Highlights

Design Environment, Layout, and Automation





Create data dashboard displays with dynamic document/measurements

New PCB import wizard for streamlined layout edit/capture

Enhanced intelligent net (iNet ) routing

Improved layout manager

System Simulation and Models/Libraries





Enhanced MIMO/phased-array model support (add-on module)

New spatial channel models

System bus support

Low-density parity check (LDPC) encoder/decoder

Circuit Simulation and Models/Libraries





New network synthesis capability for impedance matching (add-on module)

New tuner interface for large-scale parametric design

Loop-gain stability analysis

Enhanced generic measurement data interchange format (GMDIF) model

EM Simulation and Modeling





Port points for component/EM integration

3D internal-wave ports for complex structure modeling

3D frequency-dependent materials

Support for conformal structures such as embedded IoT antennas

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MMIC and Modules

NI AWR software tools enhance MMIC and integrated multi-technology module

development with design flow automation, EM analysis for heterogeneous

structures, and dense high-frequency interconnects. Advanced shape

preprocessing, hierarchical simulation, and improved EM mapping of stackup

layers ensure accurate and timely results.

Amplifiers

NI AWR Design Environment load-pull capabilities support synchronized source/

load pull, expediting the design of input/output-matching networks. With

the introduction of a genetic algorithm-based network synthesis wizard for

interactive impedance matching of challenging PA types such as broadband/

multiband and large-periphery power amplifiers, designers can quickly gain

insights for developing robust designs faster.

RF PCBs

NI AWR software products streamline design flows between RF-circuit design

and system-board layout tools from leading vendors through a novel PCB

Import wizard supporting IPC-2581 (A and B) and ODB++ (V7 and V8) file

formats. Design verification flows benefit from shape modifiers to de-feature

PCB layout for faster, more robust EM simulation, and automation to manage

and simplify PCB analysis.

Filters

Accelerate filter design with the iFilter NI AWR software filter synthesis wizard,

which offers automatic, semiautomatic, or manual extraction and transformation

of transmission zeros such as DC, INF, and finite, as well as transformations

from over 80 filter types. NI AWR Design Environment software also includes

reference projects to further accelerate design starts.

Application Highlights

Antennas and Phased Arrays

MIMO and beam-steering phased-array antennas are enabling technologies

for achieving the OTA spatial efficiency called for by 5G and emerging radar

applications. NI AWR software offers phased-array models and WINNER

II and 5G spatial channel models that enable designers to develop and

optimize array configurations, as well as to rapidly validate end-to-end system

performance.

5G Communications

NI AWR software supports 5G communications with a library of the latest

5G specifications for 5G New Radio (NR) as well as previous 5G candidate

waveforms such as FBMC, GFDM, and more. Pre-configured test benches

include signal generation and demodulation to allow for full-system simulation and

measurements such as BER, ACPR, and EVM.


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Resource Library

White Papers



System Simulation Primer for RF-Link Budget Analysis

5G Primer for MIMO/Phased-Array Antennas

AWR.TV Playlists

Solutions



Module/MMIC Design

PA Design

Webinars


Complete X-Band 2x2 Phased-Array Antenna Design/Simulation



Filter Design

Antenna Design


Phased-Array Antenna Simulation for 5G


PCB Design


Application Notes

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Using AntSyn to Design an Ultra-Wideband Antenna


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Design of a 10-GHz Low-Noise Amplifier


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Aalto University Students Design a 1.5-GHz Doppler Radar



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HF-PRX-INSERT-V18-0-2019.3.11


Bauelemente

Integrierte Mikrowellen-Auf- und -Abwärtswandler

Analog Devices stellte die

hochintegrierten Mikrowellen-

Aufwärts-/Abwärtswandler

ADMV1013 und ADMV1014

vor. Die ICs arbeiten über einen

Frequenzbereich von 24 bis

44 GHz, was die Entwicklung

vereinfacht und die Kosten zur

Realisierung von nur einer Plattform

für alle Millimeterwellenbänder

der fünften Mobilfunkgeneration

(5G) einschließlich

28 und 39 GHz senkt. Darüber

hinaus bietet der Chipsatz eine

Momentanbandbreite von 1 GHz

und unterstützt somit alle Breitbanddienste

und Ultrabreitband-

Transceiver-Anwendungen. Die

Wandler enthalten IQ-Mischer

mit auf dem Chip integrierten

programmierbarem Quadratur-

Phasenschieber, konfigurierbar

für direkte Wandlung (Direct

Conversion) in das oder aus dem

Basisband (DC bis 6 GHz) oder

auf eine Zwischenfrequenz (800

MHz bis 6 GHz).

Ebenfalls integriert sind spannungsveränderliche

Dämpfungsglieder,

Verstärker im Sendepfad

und ein Empfangs-LNA, LO-

Puffer mit Frequenzmultiplizierer

(x4) und programmierbare

Tracking-Filter. Die meisten

programmierbaren Funktionen

sind über eine serielle Schnittstelle

(SPI) steuerbar. Dadurch

bieten die ICs auch die einzigartige

Fähigkeit, bei jedem Aufund

Abwärtswandler die jeweilige

Ungleichheit der Quadraturphase

zu korrigieren. Somit

lassen sich die normalerweise

nur schwer unterdrückbaren

Seitenbandemissionen von 32

dBc (typ.) auf 10 dB oder mehr

verbessern. Daraus resultieren

unübertroffene Leistungsdaten

für den Mikrowellenfunk. Die

Kombination von Leistungsmerkmalen

bietet eine hohe

Flexibilität und einfache Handhabung,

während sich die Zahl

der extern erforderlichen Bauteile

minimiert und die Entwicklung

von Systemen mit kleinem

Formfaktor, zum Beispiel Small

Cells, ermöglicht wird.

Die hochintegrierten Mikrowellen-Auf-

und -Abwärtswandler

ADMV1013 und ADMV1014

eignen sich optimal für die

Mikrowellenfunk-Plattformen

in den aufkommenden 28-

und 39-GHz-Frequenzbändern

von 5G. Die mögliche

1-GHz-Momentanbandbreite

der Mischer in Verbindung mit

deren Intercept-Punkt dritter

Ordnung (OIP3) von über 20

dBm des Aufwärtswandlers,

welche anspruchsvolle Modulationsverfahren

wie 1024QAM

unterstützen, sind für Multigigabit-Wireless-Daten

notwendig.

Auch in anderen Anwendungen

bietet der Chipsatz Vorteile.

Dazu gehören Breitband-Kommunikationsverbindungen

von

Satelliten- und Erdfunkstellen,

Bordfunkgeräte sowie HF-Testgeräte

und Radarsysteme. Die

hervorragende Linearität und

Spiegelfrequenzunterdrückung

der beiden ICs sind besonders

interessant für Mikrowellen-

Transceiver.

Der ADMV1013 wird in einem

6 x 6 mm großen LGA mit 40 Pins

angeboten. Den ADMV1014 gibt

es im 32-poligen LGA mit den

Abmessungen 5 x 5 mm. Muster

und Produktionsmengen sind

verfügbar.

ADMV1013: Integrierter

Mikrowellen-Einzelseitenband-Aufwärtswandler

• Ausgangsfrequenzbereich

24 bis 44 GHz

• IQ-Basisbandbandbreite

DC bis 6 GHz

• LO-Eingangsfrequenzbereich

(bei 0 dBm Drive) 5,4 bis

10,25 GHz

Piezo-Summer

kundenspezifisch

konfektioniert

Sonitron (Werksvertretung:

Infratron), der belgische Produzent

von Piezo-Summern

und Piezo-Lautsprechern, bietet

seine qualitativ höchstwertigen

Baureihen „Standard-

Serie“ und „SMAC“ nun auch

mit werkseitiger Konfektionierung

an.

Bisher wurden diese Teile

entweder mit Lötpins oder

„Fast-on“-Terminals geliefert.

Hierdurch bestand die

Notwendigkeit, die Kabelverbindung

vollständig auf

Kundenseite herzustellen, was

einen zusätzlichen Aufwand

von Zeit und Geld bedeutete.

Durch die neue Lösung wird

die vom Kunden spezifizierte

Kabelverbindung bereits im

• Seitenbandunterdrückung

32 dBc typ.

• hoher Ausgangs-IP3

23 dBm bei 28 GHz

• Wandlungsverstärkung 18 dB

• variabler Spannungsverstärkungsbereich

35 dB

• Trägerunterdrückung

(Carrier Leakage) -20 dBm

bei 28 GHz typ.

ADMV1014: Integrierter

Mikrowellen-Abwärtswandler

mit Spiegelfrequenzunterdrückung

• Eingangsfrequenzbereich

24 bis 44 GHz

• IQ-Basisbandbandbreite

DC bis 6 GHz

• LO-Eingangsfrequenzbereich

(bei 0 dBm Drive)

5,4 bis 10,25 GHz

• Spiegelfrequenzunterdrückung

30 dBc typ.

• Eingangs-IP3 0 dBm

• Rauschzahl einer Kaskade

5,5 dB

• Wandlungsverstärkung 17 dB

• variabler Spannungsverstärkungsbereich

19 dB

■ Analog Devices

www.analog.com

Werk angebracht, und zwar

vor der hermetischen Versiegelung

des Gehäuses. Hierdurch

entfällt nicht nur der

zusätzliche Aufwand, auch

die Robustheit, die Zuverlässigkeit,

und die Umweltdichtigkeit

werden verbessert.

■ Infratron GmbH

www.infratron.de

hf-praxis 4/2019 59


Bauelemente

Handlicher Spezialschlüssel

für die Steckermontage

Für die präzise Montage von Steckern und

Steckverbindern wurde von Mini-Circuits

das praktische Werkzeug TRQ-516-08 entwickelt.

Damit dies gut gelingt, wurde es

selbst auch sehr präzise, also mit geringen

Toleranzen, ausgeführt. Dieses handliche

Tool für den Laborgebrauch eignet sich für

die SMA-Verbinder 3,5, 2,92, 2,4 und 1,85

mm. Sowohl ein Überdrehen als auch ein zu

loses Anziehen werden durch die spezielle

Technik wirksam vermieden. Dieses Tool

ist sehr leicht (83 g) und äußerst einfach zu

handhaben, die Konstruktion ist robust und

besteht aus rostfreiem Stahl.

Monolithischer Verstärker mit

ultrahohem Dynamikbereich

Mini-Circuits hat mit dem PHA-13HLN+

einen RoHS-konformen fortschrittlichen

Breitbandverstärker in E-PHEMT-Technologie

herausgebracht. Der PHA-13HLN+

ist ein 50-Ohm-Verstärker für 1 bis 1 GHz.

Dieses Produkt bietet einen extrem hohen

Dynamikbereich über ein breites Frequenzspektrum

in Kombination mit geringem

Rauschen. Die wichtigsten Kennzeichen

sind IP3 43 dBm typisch, mittlere Leistung

28,7 dBm typisch und Rauschmaß 1,1 bei

500 MHz dB typisch. Der PHA-13HLN+

weist zudem einen guten Wert für die Rückflussdämpfung

an Ein- und Ausgang auf. Er

ist mit einem SOT-89-Gehäuse ausgestattet,

hat eine sehr gute thermische Performance

und eignet sich optimal für den Einsatz in

Treiberverstärkern für komplexe Wellenformen

in Up-Konverter-Pfaden, Treiber in

linearisierten Sendesystemen oder zweitrangigen

Verstärkern (secondary amplifiers) in

Ultra-High-Dynamic-Range-Empfängern.

Weitere typische Applikationen: Basisstationen,

CATV und Zellularfunk.

Weitere technische Daten

• Einsatztemperatur -40 bis +95 °C

• Lagertemperatur -65 bis +150 °C

• IP3 38,4 dBm typ. bei 1 MHz, 43 dBm

typ. bei 500 MHz

• IP3 etwa 15 dB über P1dB-Punkt

• P1dB 28,7 dBm bei 500 MHz

• Verlustleistung max. 3,3 W

• Versorgungsspannung max. 10 V

• Verstärkung bei 500 MHz typ. 25 dB

Kleiner MMIC-Gain-Slope-

Equalizer für DC bis 20 GHz

Der EQY-3-24+ von Mini-Circuits ist ein

absorptiver MMIC-Gain-Equalizer mit einer

negativen 3,1-dB-Slope im Frequenzbereich

von DC bis 20 GHz. Solche Eequalizer mit

fester Slope sind hilfreich in Breitbandverstärkern,

Empfängern und Sendern, in

Applikationen der drahtlosen Kommunikation

bis hin zu Breitband- und Optikanwendungen

bei Satelliten, Wehrtechnik und

anderen. Dieses Modell ist in der Lage, bis

zu 34 dBm HF-Eingangsleistung zu verarbeiten

und weist 20 dB typische Rückflussdämpfung

im gesamten Einsatzfrequenzbereich

auf. Hergestellt in einer hochgenauen

GaAs-IPD-Technology, weist dieser Equalizer

herausragend engtolerierte Daten auf

und ist bestens geeeignet für die Massenproduktion.

Er besitzt ein 2 x 2 mm messendes

8-Lead-QFN-Gehäuse. Die Vertreter

der EQY-Serie von MMIC-Gain-Slope-

Equalizern sind mit einer breiten Palette von

Slope-Werten lieferbar.

Weitere technische Daten

• Einsatztemperatur -40 bis +95 °C

• Lagertemperatur -65 bis +150 °C

• Eingangsleistung max. 34 dBm

• Verlustleistung max. 3,3 W

• Versorgungsspannung max. 10 V

• Verstärkung bei 500 MHz typ. 25 dB

Surface-Mount-Richtkoppler

verträgt 150 W

Der neue Richtkoppler BDCH-25-33+ von

Mini Circuits ist stripline-basiert für Oberflächenmontage

und arbeitet bidirektional.

Die Durchgangsleistung kann bis zu 150 W

im vorgesehenen Einsatzfrequenzbereich

von 800 bis 3000 MHz betragen. Dieses

Modell weist 25 dB nominelles Koppelmaß

im vollen Einsatzfrequenzbereich auf,

wobei die Coupling-Flatness mit ±0,6 dB

angegeben wird. Weitere Eigenschaften: 28

dB Richtschärfe und 31 dB Rückflussdämpfung

an allen Ports sowie eine Vollband-

Einfügedämpfung von typisch nur 0,2 dB.

Der Koppler besteht aus offenem gedrucktem

Laminat mit den Abmessungen 1 × 0,5

× 0,051 Inch mit umlaufenden Anschlüssen.

Weitere technische Daten

• Einsatztemperatur -55 bis +105 °C

• Lagertemperatur -55 bis +125 °C

• DC max. 2 A

• Einfügedämpfung max. 0,3 dB

• Wärmewiderstand typ. 0,3 W/K

■ Mini-Circuits

sales@minicircuits.com

www.minicircuits.com

FR4- und HF-Materialien

sensitiv laserstrukturieren

Doppelseitige FR4-Leiterplatte strukturiert mit

dem LPKF ProtoLaser ST

Schnelle Bearbeitung, breite Materialpalette,

sichere Prozessergebnisse im Labor

und letztendlich kurze Time-to-Market – das

wünschen sich (nicht nur) Leiterplattenentwickler.

Der LPKF ProtoLaser ST realisiert

diese Wünsche, beispielsweise für komplexe

Digital- und Analogschaltungen, HF- und

Mikrowellenleiterplatten. Er erzielt exakte

Geometrien auf fast jedem Material. Damit

ist das Lasersystem ideal für die Struktu-

60 hf-praxis 4/2019


Bauelemente

Hoher Durchsatz mit niedrigen Leistungsprofil

Treiberfamilie für Single-

Lambda-100G- und 400G-

Anwendungen

Macom Technology

Solutions,

Inc. gab die Verfügbarkeit

einer

neuen Treiberfamilie

für Single-Lambda-100G- und

400G-Anwendungen bekannt. Diese EMLund

Silizium-Photonik-Treiber der zweiten

Generation bieten eine hohe Leistung

im kostengünstigen SMT-Gehäuse, das für

100G DR1/FR1 und 400G DR4/FR4 erforderlich

ist. Die MAOM-Familie umfasst:

• 005321: einkanaliger EML-Treiber 3

x 4 mm

• 005324: einkanaliger Silizium-Photonik-Treiber

3 x 4 mm

• 005421: vierkanaliger EML-Treiber 7

x 7,2 mm

• 005424: vierkanaliger Silizium-Photonik-Treiber

5 x 6 mm

Um die steigende Nachfrage nach höherer

Datenkapazität zu befriedigen, benötigen

Telekom-Hersteller leistungsstarke

100G-pro-Lambda-Konnektivitätslösungen

zu einem günstigen Preis. Die

neuen Lineartreiber mit hoher Ausgangsspannung

und niedrigem Stromverbrauch

sind darauf ausgelegt, den Wechsel in der

Branche zu Single-Lambda-basierten

100G- und 400G-Modulen zu ermöglichen.

Die hohe Verstärkung, die große

Bandbreite und der niedrige THD-Wert

soegen für eine erstklassige PAM-4-Leistung,

während die hohe Ausgangsspannungsfestigkeit

höchst ergiebige Lösungen

mit einer Vielzahl von optischen Modulen

ermöglicht. Ob es sich nun um eine

EML- oder SiPh-basierte Modullösung

handelt – die Macom-Treiberfamilie der

zweiten Generation mit verbesserter Leistung

bei geringeren Kosten ist die optimale

Lösung.

Die EML-Treiber MAOM-005321 und

MAOM-005421 haben differentielle Eingänge

und einen linearen Single-ended-

Ausgang von bis zu 1,8 Vpp mit integrierten

Bias-Ts für Treiber und EML. Die

MAOM-005324 und MAOM-005424 sind

Silizium-Photonik-MZ-Treiber und verfügen

über differentielle Eingänge und einen

Differenzausgang für bis zu 3,6 Vpp mit

direkter Kopplung an den Modulator für

minimale Verluste und optimale Leistung.

Die neuen EML-Treiber sind pinkompatibel

zu den Geräten der ersten Generation

MAOM-005311 und MAOM-005411 und

können mit den ein- und vierkanaligen

linearen TIAs MATA-005817 und MATA-

003819 für eine komplette Empfangs- und

Übertragungslösung kombiniert werden.

400G-PAM-4-Chipsatz für

die optische Konnektivität

Macom Technology Solutions, Inc.

gab die Verfügbarkeit seiner vierkanaligen

(4x100G) 56/106-Gbit-PAM-4-Linear-Transimpedance-Amplifier

(TIAs)

bekannt, die für den Einsatz in optischen

400G-Modulen für Cloud-Data-Center-

Anwendungen optimiert sind. Die neuen

MATA-03820 und MATA-03819 sind in

den Gehäusevarianten Flip Chip und Wire

Bonding erhältlich und ermöglichen einen

schnellen, flexiblen Einsatz in Single-

Lambda-400G-FR4 und DR4-formatigen

QSFP-DD- und OSFP-Modulen.

Mit einer rauscharmen

Leistung

von weniger als

1,5 µA RMS und

einer Bandbreite von bis zu 35 GHz unterstützen

die TIA-Familien optische Datenverbindungen

mit hohem Durchsatz in

einem sehr niedrigen Leis tungsprofil und

sind optimal für den Einsatz in hochdichten

optischen Rechenzentrumsverbindungen.

Zu den Funktionen gehören RSSI für die

Fotoausrichtung und Leistungsüberwachung

sowie I 2 C-Management-Schnittstelle

zur Steuerung von Bandbreite, Ausgangsamplitude,

Spitzenwert, Signalverlust,

Verstärkung und anderen Parametern.

Die rauscharme Leistung der Macom TIA

in Verbindung mit der flexiblen Programmierbarkeit

ermöglicht branchenweit führende

Bitfehlerraten bei der Implementierung

mit einem DSP für 400G-Module. Die

TIAs MATA-03820 und MATA-03819 stehen

in Produktionsmengen zur Verfügung.

■ Macom Technology Solutions, Inc.

www.macom.com

rierung von ein- oder doppelseitigen Leiterplatten,

Antennen, Filtern sowie vielen

Anwendungen, bei denen es auf präzise

und steile Flanken ankommt.

Ohne den Einsatz von Ätztechnik – und

damit ohne besondere Schulung, Sicherheitssysteme

oder Beachtung von Umweltauflagen

- lassen sich mit dem LPKF Proto-

Laser ST innerhalb weniger Minuten auch

sensible Oberflächen präzise bearbeiten.

Die Hochleistungsmaschine zur besonders

materialschonenden Bearbeitung erreicht

hohe Geschwindigkeiten, die beispielsweise

durch Fräsprozesse nicht zu erzielen

sind. Möglich ist dies durch die Verwendung

einer speziellen Laserquelle und durch

den digitalen, Scanner-basierten Prozess.

Für die einfache Bedienung sorgt die integrierte

Software, die Datenaufbereitung und

Systemsteuerung in einem ist. Gewünschte

Layout-Änderungen und damit einhergehende

Iterationsschritte lassen sich flexibel

und schnell umsetzen.

Gemeinsam mit dem integrierten Kamerasystem

ermöglicht die Software die akkurate

Positionierung zur Bearbeitung der vorab

gebohrten und ausgeschnittenen Leiterplatten

– für exakte Ergebnisse.

Der LPKF ProtoLaser ST ermöglicht effizientes

Prototyping oder On-Demand-Fertigung

kundenspezifischer Kleinserien. Als

kompaktes Tabletop-System mit der Laserklasse

1 ist er in praktisch jedem Labor einsetzbar.

Notwendig sind für den Betrieb

lediglich eine Steckdose und Druckluft.

■ LPKF

Laser & Electronics AG

www.lpkf.de

hf-praxis 4/2019 61


5G Primer for MIMO/Phased Array Antennas

Teil 4: 5G and MIMO Design With Circuit/Antenna Co-Simulation

EM simulation software is commonly

used to simulate antennas

with multiple feeds, including

phased arrays, stacked radiators

with different polarizations,

and single apertures with multiple

feed points. These types

of antennas are popular for

communication systems where

MIMO and polarization diversity

antenna configurations are

being rolled out.

The beam of multiple-feed

antennas is controlled by changing

the phase and amplitude of

the signals going into the various

feeds. An accurate simulation of

such a system must account for

the interaction that occurs between

the antenna elements and

the driving feed network. The

problem for simulation software

is that the antenna and the

driving feed network influence

each other. The antenna’s pattern

is changed by setting the input

power and relative phasing at its

various ports. At the same time,

the input impedances at the ports

change with the antenna pattern.

Since input impedance affects

the performance of the nonlinear

driving circuit, the changing

antenna pattern affects the overall

system performance.

Until now, engineers have been

forced to simulate the coupled

circuit/antenna effects manually

using an iterative process.

For example, first the antenna

is driven with idealized sources

with known phasing at the

input ports. The impedance of

the ports is then used as the load

impedance for the driving circuit.

The process is then iterated until

Figure 1: A 4x4 patch array (left), where each patch is fed by a pin coming up from the bottom ground plane. The right

picture shows the mesh of one element, and the driving pin to the ground plane

NI AWR Design Environment

Ni.com.awr

Figure 2: Corporate feed network for the patch array. Each element is driven by a MMIC amplifier and controlled by a

phase shifter and attenuator

62 hf-praxis 4/2019


RF & Wireless

can build up due to the loading

at the antenna ports.

Another often neglected but

important point is that the PA

driving the antenna requires a

nonlinear circuit simulation. It

is therefore important that the

antenna’s S-parameters include a

DC simulation point and values

at the various harmonics used in

the harmonic balance simulation.

Otherwise it is possible to

have unpredicted degradations

in system performance due to

poor matching at the harmonic

frequencies or inaccurately specified

DC biasing.

Figure 3: The left picture shows one Wilkinson divider and the transmit module, which contains the phase shifter,

attenuator, and a MMIC amplifier.

convergence is reached. This

procedure is awkward and time

consuming. Fortunately, there

is a faster, more accurate way

to attain the final result.

The in-situ measurement feature

in Microwave Office software

enables communication

between the circuit and antenna,

thus automatically accounting

for the coupling between the

circuit and the antenna in an

easy-to-use framework. The designer

identifies the antenna data

source, the circuit schematic driving

the antenna, and the measurement

under consideration;

for example, the power radiated

over scan angle. This concept is

illustrated in this section using

two phased-array examples in

which the antennas are simulated

in AXIEM 3D planar and

Analyst 3D FEM EM simulators.

by the circuit simulator, which

also includes the feed network

and amplifiers. As the phase shifters

are tuned over their values,

the antenna’s beam is steered.

At the same time, each amplifier

sees the changing impedance at

the antenna input it is attached

to, which affects the amplifier’s

performance. The PAs are nonlinear,

designed to operate at their

1 dB compression point (P1dB)

for maximum efficiency. They

are therefore sensitive to the

changing load impedances presented

by the array.

The combined circuit and EM

simulations are necessary for

a number of reasons. First, the

EM simulation is necessary

because the antenna elements

interact with each other, which

can significantly degrade the

antenna’s performance. An

extreme example of this is scan

blindness, where the interaction

between the elements causes

no radiation to occur at certain

scan angles. The coupling

between the elements can also

lead to resonances in the feed

network. In order to optimize

the feed network to account for

deficiencies in the antenna, the

entire array combined with the

entire circuit must be optimized.

It is critical to simulate the feed

network itself since resonances

Figure 1 shows the 4x4 patch

antenna array. Each patch is fed

individually by a pin going to

the ground below. The port is

placed at the bottom of the pin.

AXIEM software, which is used

for the planar EM simulations,

has the ability to ground a port

with a metal strap, which is used

as the pin. This type of simulator

is ideal for planar patch arrays

that may require a 3D EM simulator

depending on the structure

details, since the patch is not in

a package and radiation effects

are therefore included automatically.

It should be noted that the

simulation techniques described

in this paper do not depend on

a specific EM simulator, since

third-party simulated or measured

S-parameter data can be

used to represent the antenna

Patch Microstrip Array

Optimized Using

Microwave Office

Software

In this example a 4x4 patch

array that is driven by a corporate

feed network with a phase

shifter and attenuator at each element

is simulated. A MMIC PA

is placed at each element before

its corresponding phase shifter.

The array is only simulated once

in the EM simulator. The resulting

S-parameters are then used

Figure 4: 3D layout view of the designed MMIC amplifier.

hf-praxis 4/2019 63


RF & Wireless

In this example, the feed network

is simulated entirely in the

circuit simulator. A more realistic

example would simulate the

layout of the feed network in an

EM simulator to make sure the

models are accurate and there is

no unintended coupling between

sections of the network.

Figure 5: The Smith chart shows the input impedance to an isolated element and to elements when the entire array is

simulated. Load pull contours for power getting to the load are also shown

response. The corporate feed

network is shown in Figure 2.

The power is input from the right

side. Wilkinson dividers are used

to split the signal and feed the

16 patches. Figure 3 shows the

feed for a typical patch.

The transmit module and Wilkinson

divider are shown in detail

on the right side of Figure 3 and

the inside of the transmit module

on the left side. Each transmit

module has a phase shifter,

attenuator, and MMIC amplifier

chip. The beam is steered by setting

the phase and attenuation

going into the MMIC amplifier

and then sending the resulting

signal to the patch. The phase

and attenuation are controlled

by variables in the software,

which can be tuned and optimized

as desired. In this manner,

the beam can be scanned.

Figure 4 shows the 3D view of

the MMIC amplifier which is a

two-stage, 8-field effect transistor

(FET) amplifier designed to

work at X-band.

Typical circuit

simulation results

are shown in Figure 5. The

system is designed to work

at 10 GHz. The purple curve

shows the input impedance for

an isolated patch from 6 to 14

GHz on a 50 Ohm normalized

Smith chart. The marker shows

the normalized impedance at 10

GHz. The four crosses show the

input impedance of four typical

elements at 10 GHz. Note

that the interaction between the

elements in the array shifts the

input impedance of each element

from that of an isolated

patch. The green contours are

load-pull simulations for the

MMIC amplifier, showing the

power delivered to a load. The

shifting of the impedances of

the antenna feed results in a 0.5

dB degradation of power to the

elements. (Figure 5 power contours

are in 0.5 dB increments.)

Examples of the antenna pattern

are shown in Figure 6. The beam

is steered by controlling the relative

phasing and attenuation to

the various transmit modules. In

practice, the harmonic balance

takes substantial time to run

Figure 6: The beam of the array as it is scanned through typical values of theta and phi

64 hf-praxis 4/2019


RF & Wireless

the amplifier and feed network.

The load impedances of the array

are incorporated into the circuit

simulation. This automates

the process, saving design time

and delivering products to market

faster.

Figure 7: The antenna pattern is optimized to be below the blue bars

with 16 power amplifiers. Therefore,

the beam is steered with

the amplifiers turned off. The designer

then turns on the power

amplifiers for specific points of

interest. Note: the far-right image

in Figure 6 shows a second lobe

created when the main lobe is at

a near grazing angle.

This second example is an 8x8

patch array. Anything that can

be tuned in Microwave Office

software can also be optimized.

For example, in Figure 7, the

antenna pattern is optimized

for a certain scan angle. In the

interests of time, the amplifiers

are not included in the optimization.

At the end the amplifiers

are turned on to see the amount

of degradation. The plot is of the

total power in the beam, scanning

in the theta direction with

phi at 0 degrees. The blue bars

show the optimizer goals for the

measurement. The purple pattern

is the original broadside pattern.

The optimizer changes the phase

and attenuation at the feeds to

the patches. The resulting blue

curve meets the optimization

goal of scanning at 20 degrees

with acceptable side lobe levels.

Summary

Designing antennas with multiple

feed points for communications

or radar systems requires

simulation of the interaction that

occurs between the circuit, typically

a highly nonlinear power

amplifier, the feed network, and

the antenna. The beam is steered

by the circuitry, and as the beam

changes the input impedance

or input characteristics of the

antenna change, which effects

the circuit. The circuit and the

antenna are connected, so both

must be included in the simulation.

The traditional method of simulating

antennas with multiple

feeds is to simulate the coupled

antenna/circuit effects manually

using an iterative process

that is time consuming and

frustrating. Microwave Office

circuit and antenna simulation

are coupled together, enabling

arrays to be easily excited from

Conclusion

To achieve the aggressive goals

of 5G communications, a number

of innovations are being pursued,

including improvements

in OTA efficiency through the

expansion of MIMO and beamsteering

technologies, both of

which will be possible through

the development of more complex

antenna systems. The strain

on design resources for hardware

manufacturers will be compounded

as more complex antennas

must also address the wide range

of deployment requirements

called for by a densified network

of urban-based microcells.

This primer has presented some

recent advances in phased-array

antenna simulation and design

capabilities within NI AWR

Design Environment platform

that will help design teams develop

next-generation MIMO and

beam-steering antennas for 5G.

Try AWR

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how easy and effective

it is to streamline your design

process, improve end product

performance, and accelerate

time to market for MMICs,

RFICs, RF PCBs, microwave

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65


RF & Wireless

Distributed Antenna System (DAS) for IoT, Cellular and

other Wireless Applications

The Internet of Things

(IoT) has continued

to grow at a rapid

rate in recent years.

With the connectivity

of cellular devices,

computers, vehicles,

buildings, sensors, and

more electronics, it’s

more important than

ever that these devices

are able to connect,

communicate and meet

the needs that users

covet.

Typical office setting for a DAS application

Quelle:

Application Note #78

Distributed Antenna System

(DAS) for IoT, Cellular and

other Wireless Applications

The wireless connectivity for

the IoT will use many network

access technologies, including

Global System for Mobile

(GSM), cellular Long Term Evolution

(LTE), 4G and the much

anticipated revolutionary 5G to

name a few. There are plenty

of other wireless protocols and

air interfaces available for supporting

IoT applications (WiFi,

Bluetooth, LoRa, ZigBee, and

Z-Wave, to name a few), but it’s

clear the landscape is changing

and IoT devices will take advantage

of the protocals offering the

greatest data throughput.

Distributed Antenna Systems

(DAS) provide strong and reliable

wireless connectivity in

location where connectivity is

a problem with standard wireless

routers or cellular connectivity,

such as: inside multistory

buildings, outside industrial settings,

and subterranean environments.

DAS in conjunction

with (LTE/4G/5G) based IoT

services will continue to grow

in coming years.

Why DAS?

While some of the IoT applications

will be outdoors (connected

cars and trucks or street

lighting infrastructure, for example),

most IoT applications

will be within buildings. Industrial

control, point of sale, asset

tracking, medical, environmental

monitoring, security, smart

lighting, and other applications

will require strong in-building

wireless connectivity or signals.

Ideally, the wireless network

solution should deliver seamless

blanket coverage throughout

the building so as not to restrict

where IoT sensors can be placed.

However, in reality, this blanket

coverage can be difficult to

achieve with simple wireless

routers. DAS is particularly

helpful in providing the needed

wireless coverage. Access

to wireless IoT communication

not only aids the public, but is

also mandatory for law enforcement,

emergency medical, and

fire services. As realization of

the importance of DAS for IoT

applications became apparent,

so has backing from local and

federal governments through

proposed rulemaking.

Furthermore, DAS should

support multiple frequencies,

because mobile operators use

700 MHz, 1900 MHz, and AWS

frequencies for LTE, among

other frequencies. The solution

should also support complex

modulations such as time division

duplexing (TDD) as well

as frequency division duplexing

(FDD) because mobile operators

will use both technologies

in their networks.

DAS also offers single-zone

wireless coverage in a building:

AR RF/Microwave

Instrumentations

info@arworld.us

www.arworld.us

Figure 1: Block diagram of an Active DAS System

66 hf-praxis 4/2019


RF & Wireless

Figure 2: Block diagram of a Passive DAS System

unlike small cells, it isn’t subject

to inter-cell interference

and handoffs from one coverage

area to another as devices move

through a building. In addition,

DAS infrastructure natively supports

multiple wireless frequencies.

Finally, some DAS support

both TDD and FDD transmission

schemes, whereas today’s small

cells do not.

What to look for when

selecting a DAS?

There are many DAS solutions

on the market. The main components

of any DAS are the

selected amplifiers and antennas.

These amplifiers and antennas

must offer a wide operating

frequency range, and good

linear RF performance to cover

WiFi and all cellular and wireless

services. In addition, these

amplifiers and antennas must

be unobtrusive, easy to install

and maintain, durable, and high

quality.

DAS systems can be separated

into three categories:

Active DAS: When there is a

huge demand from users or IoT

based systems to access cellular

coverage or WiFi, the active

DAS system will help increase

capacity and reduce the load

from the macro network.

When additional capacity is needed,

like in a football stadium or

airport, an active DAS system is

typically used. A state of the art

active system can cover virtually

any size of building and up to

any capacity. Some of the most

ambitious, active DAS systems

have been designed to cope with

the load of over 70,000 Super

bowl attendees or the 2.47 million

sq. ft. of coverage.

Active DAS systems often use

fiber optic cable to distribute

the signal between a centralized

signal source and “remote

nodes” placed around a building.

The signal source is typically

a “head-end” that combines

signals from multiple carriers,

which each need to provide

their own signal source to the

system, typically via their own

fiber backhaul.

The block diagram and elements

of an active DAS system are

shown in Figure 1:

Passive DAS: Passive DAS

systems typically use passive

components like coaxial cable,

splitters, and duplexers to distribute

signal, and unlike active

DAS, they use bi-directional

amplifiers to rebroadcast the

signal from the macro cellular

network using a donor signal

on the building roof.

There are limitations to the

reach of passive DAS solutions.

Because they use coax cable to

distribute signal, signal loss is

higher than with active DAS.

The further away the antennas

are from the amplifier, the higher

the signal loss. The signal

loss generally results in lower

downlink output power.

These restrictions mean that the

maximum coverage area for a

passive DAS system is typically

around 500,000 sq ft. But

the advantages of passive DAS

systems are considerable. In particular,

they are considerably less

costly than active DAS.

The block diagram and elements

of a passive DAS system are

shown in Figure 2.

Hybrid DAS: A hybrid system

works a lot like an active DAS

system. Hybrid DAS uses some

fiber for backbone distribution of

signal, and relies on passive coaxial

cable for much of the remaining

signal distribution. Hybrid

systems can be a good solution

for medium-sized spaces, or

unusual signal problems. Multiple

passive systems can also be

linked by fiber cable to a remote

amplifier unit.

The block diagram and elements

of a Hybrid DAS system are

shown in Figure 3.

The Solution

To meet these demands – to

boost cellular network coverage

and add capacity to reduce load

from the macro network, AR

rf/microwave instrumentation

(ARI) and SunAR RF Motion

have developed a series of

broadband solid-state amplifiers

and antennas to address

DAS requirements. More specifically,

SunAR DAS antennas are

more directional than standard

DAS antennas, allowing them

to excel in applications requiring

directivity, such as airport

terminals, subway tunnels, hotel

hallways, or directed at crowds

at a sports venue.

In addition, ARI amplifiers

and antennas are broadband,

allowing them to cover a larger

number of communication

bands, potentially reducing the

number of deployed DAS antennas

in a system, versus standard

narrowband DAS antennas. The

SunAR DAS antennas’ innovative

design and manufacturing

techniques result in long-lasting

strength, excellent performance,

and provide an aesthetic appearance.

These antennas can be

used in large, small, passive,

active, and hybrid systems.

SunAR offers four antenna

models for DAS solutions.

Model LP425R is a directional

antenna designed for transmitting

and receiving wireless

communications signals. The

broadband characteristics of the

log-periodic structure enable it

to operate over a very wide frequency

range with constant gain.

This DAS antenna outperforms

many antennas in this class and is

designed for more rugged environments.

Figure 4 is an image

of the LP425R.

Figure 4: LP425R 400 MHz – 3 GHz

Model’s LP425PCB, LP 6530

PCB, and LP6560PCB are

low-profile directional antennas

designed for transmitting

and receiving wireless commu-

Figure 3: Block diagram of a Hybrid DAS System

hf-praxis 4/2019 67


RF & Wireless

Table 1: SunAR’s DAS antenna list * optional connectors include 7/16 DIN and 4.3-10

ping increase the coverage

throughout areas hindering RF

signal strength, or over use of

available bandwigth. Figure 7, is

just one example of a DAS solution

in an office building setting.

Table 2: ARI RF amplifiers for DAS application

package with two RF connectors.

This design provides polarization

diversity in a MIMO environment.

This configuration results

in greater throughput than a single

antenna.

Conclusion:

The rapid growth in connected

devices (IoT) promises lucrative

business opportunities. In

places where traditional distribution

services cannot provide

the required signal strength,

DAS can be used. By deploying

a robust and economical DAS

system, governments or businesses

can ensure robust support

for IoT within their facilities and

be positioned to deliver critical

wireless services now and in the

future. The amplifiers and antennas

described in this application

note meet these demanding

requirements, and more.

Figure 5:

LP425PCB

LP6530PCB

LP6560PCB

400 MHz – 3 GHz

650 MHz – 3 GHz

650 MHz – 6 GHz

nications signals. These antennas

are etched onto a low-loss

microwave substrate material

and mounted in a weather resistant

housing that is only 1/2“

inch thick. Like the LP425R, the

broadband characteristics of the

enclosed antenna structures enable

it to operate over a very wide

frequency range with constant

gain. There are four mounting

holes for installation onto any

flat, non-conductive surface,

such as an office wall or ceiling.

Figure 5 shows the LP425PCB,

LP6530PCB, and LP6560PCB.

The MIMO (multiple input, multiple

output) antenna, shown in

Figure 6, is actually a set of two

broadband directional antennas,

cross-polarized, in a single

Figure 6: LP6530PCB-MIMO

650 MHz – 3 GHz

Each antenna is innovative

and uses manufacturing techniques

that result in long-lasting

strength and performance. Specifications

for each DAS model

are shown in Table 1.

ARI offers Class A solid-state,

linear, robust and versatile

broadband RF amplifiers, see

Table 2. These high performing

RF amplifiers allow DAS

systems to cover a large number

of communication bands, hel-

AR’s wide array of amplifiers

and antennas help you select

the right system for your application.

These amplifiers and

antennas are designed using

quality processes and components

that are reliable, consistent

performance from unit to unit,

and allow for easy installations

in a wide variety of situations,

both indoor and out.

Using ARI DAS solutions will

enable you to achieve your goals.

To learn more about ARI DAS

solution, visit our website at

www.arworld.us. ◄

68 hf-praxis 4/2019


RF & Wireless

BER Test Functions for more efficient

Verification of 400GbE Transceivers and DSP

Anritsu Corporation

www.anritsu.com

Anritsu Corporation enhanced

its Signal Quality Analyzer-R

MP1900A BERT with the introduction

of four PAM4 BERT

options adding multichannel

synchronization, multilane FEC

pattern generation for 400GbE,

Inter Symbol Interference (ISI)

stressed signal generation to

simulate transmission path

losses, and application software

for capturing device under test

(DUT) error counts.

The new options allow engineers

to more accurately and efficiently

evaluate the bit error rate

(BER) of 400GbE transceivers

and devices, as well as DSP used

by high-speed interfaces in data

centres to reduce development

time and speed time-to-market.

The new test functions

for the PAM4 pulse pattern generator

(PPG) in the MP1900A

provide engineers with a singleinstrument

solution for current

standards, as well as emerging

technologies. With the options

installed, the PPG supports

required 400GbE transceiver

PHY layer FEC tests, as well as

QSFP-DD, and OSFP, making

it well-suited to verify newly

designed transceivers supporting

multilane technologies for

PAM4 signal transmissions. It

can conduct legacy jitter tolerance

and input sensitivity measurements,

as well as key tests

on the impact of crosstalk due

to use of multiple channels and

error correction.

To assure interconnectivit between

interfaces defined by the

400GbE standards, the PAM4

PPG now has a built-in function

for simulating signals after

transmission through a PC board.

This new capability, which eliminates

the need to prototype

multiple PC boards to test transmission

path losses, as well as

the ISI function allow for more

efficient testing. A built-in function

for communicating with the

DUT IC error-check function

has also been integrated into the

MP1900A. The added capability

simplifies jitter tolerance measurements

during early-stage

development of high-speed

devices.

The hardware options complement

the Error Counts Import

function of the MP1900A application

software that allows the

DUT built-in error-check function

measurement results to

be displayed on the MP1900A

screen. It simplifies IC error

measurements and creates a jitter

tolerance measurement system

for efficient BER tests during IC

development. ◄

Frontend for universal 5G Deployments

Skyworks Solutions, Inc.

introduced Sky5 LiTE - the

industry’s first fully integrated

frontend solution for mass tier

5G cellular applications. With

improved RF performance in

a uniquely compact package,

Skyworks’ newest device simplifies

designs, enabling faster

deployment. The baseband

agnostic platform supports up

to 100 MHz wide bandwidth of

5G new radio (NR) waveforms

with flexible power management

options - delivering highspeed

network experiences

with optimized efficiency and

near zero latency. Targeted for

mass markets, Sky5 LiTE interfaces

with all leading chipset

providers and equips early 5G

adopters with differentiated

architectures for an open ecosystem

– the favored approach

when compared with closed,

sole-sourced RF front-end products.

With the recent introduction

of Sky5 Ultra for premium

applications, Skyworks offers

the most comprehensive 5G

portfolio in the market.

All Sky5 solutions support new

5G NR waveforms and spectrum

in addition to enhanced

carrier aggregation and 4G/5G

dual connectivity, while delivering

exceptional levels of

integration and performance.

For more information visit

www.skyworksinc.com/Products_Sky5

or contact Sky5@

skyworksinc.com.

■ Skyworks Solutions, Inc.

www.skyworksinc.com

hf-praxis 4/2019 69


RF & Wireless

Matching Network for GaN HEMT Power Amplifier

Figure 1: Load-pull contours for the PA.

The challenge was

to design a power

amplifier (PA)

matching network for

the unmatched Cree

gallium nitride (GaN)

high electron mobility

transistor (HEMT)

CGH40025F.

National Instruments

www.ni.com/awr

The design goals for the PA were

to 1) create an amplifier circuit

that provides 25 W output power

from 1.9 to 2.1 GHz for 28 V

operation, 2) reach high poweradded

efficiency (PAE), and 3)

suppress harmonics as much as

possible.

High power and high efficiency

are key requirements for all

power amplifiers, and, in addition,

harmonic suppression was

required in this design in terms

of second and third harmonics,

which increases network efficiency.

The network needed to

be unconditionally stable for all

passive source and load impedances.

To achieve these goals,

load-pull analysis was required

to understand the transistor’s

impedances at the input and

output ports. Load-pull analysis

was also used to construct a

set of contours on a Smith chart,

which determines the maximum

output power and efficiency.

Company

Solution

Meteksan Defence designers

choose the NI AWR Design

Environment platform, specifically

the powerful load-pull

analysis capabilities within

Microwave Office circuit design

software. The software offers a

load-pull script and the needed

simulation components such

as the harmonic balance tuner

(HB Tuner).

Using the load-pull template

in the software, the designers

obtained the load-pull contours

for the transistor. At the

beginning of the design, it was

beneficial to use the harmonic

balance engine to obtain the output

power and PAE information

for the transistor impedance at

the load port. Figure 1 shows the

load-pull contours for PAE and

output power.

Next, the designers explored the

stability factor of the amplifier

circuit. To ensure an unconditionally-stable

circuit, they added a

series-RC circuit using the capacitor

model from the NI AWR

model library.

After that, the load-pull analysis

was run again to optimize

the output power, harmonic

suppression, and PAE (Figure

2). In this step, the second and

third harmonic impedances were

optimized with the HBTUNER,

which provided the necessary

suppression.

The final results were 25 W

of output power with 50 percent

PAE and 35 dB of harmo-

Meteksan Defence, where the design was done, is the one of

the leading defense companies in Turkey. It has prioritized

university-industry cooperation, especially with Bilkent University,

and aims to become a long-term advanced technology

products solution partner of the Turkish Armed Forces.

Meteksan Defence’s mission is to develop the most creative

and innovative solutions for customers in the fields of advanced

design and production technologies, while taking advantage

of academic infrastructure and making the company’s

resources available for Bilkent University.

70 hf-praxis 4/2019


RF & Wireless

Figure 2 a: The K factor with and without the stability circuit.

Figure 3 a: Measurement and simulation results

Figure 2 b: Input power vs. gain, output power, and PAE

Figure 2 c: Harmonic-power levels

Figure 3 b: Measurement and simulation results

nic compression. Measurement

results showed the amplifier

circuit provided good correlation

with NI AWR software

simulation in terms of smallsignal

parameters, and 25 W

was obtained from the output

of the amplifier. Figure 3 shows

the simulation and measurement

results.

Conclusion

Meteksan Defence engineers

successfully designed a PA matching

network for a Cree GaN

HEMT device using the powerful

load-pull analysis and harmonic

balance features within

Microwave Office software. The

designers found the software’s

ease of use, simulation speed,

and availability of models especially

useful.

Special thanks to Mister D. Eser,

Electromagnetic Design Engineer,

Meteksan Defence, for

his contributions to this success

story. ◄

hf-praxis 4/2019 71


RF & Wireless

5G Tester contributes

to verify the advanced

Technologies of 5G

Modem

Anritsu announced MediaTek‘s Helio

M70 5G modem has achieved the maximum

downlink and uplink throughput

using Anritsu’s Radio Communication

Test Station MT8000A, providing a flexible

test platform for ultrafast, largecapacity

5G communications using

wideband signal processing and beamforming.

With its cutting-edge NSA and

SA modes, the all-in-one MT8000A

supports sub-6 GHz and mmWave RF

tests as well as protocol tests for development

of advanced 5G technologies,

such as 4x4 MIMO, to increase data

speeds in the sub 6 GHz band.

MediaTek announces the Helio M70 is

the only 5G modem with both LTE and

5G dual connectivity (EN-DC), supporting

every cellular generation from 2G

to 5G. Designed for 3GPP Release 15

compliance and supporting initial nonstandalone

(NSA) and future standalone

(SA) 5G network architectures, the

Helio M70 can connect to 5G NR and

4G LTE bands worldwide while supporting

High Power User Equipment

(HPUE) and other key carrier features.

MediaTek’s Helio M70 is among the

industry’s first wave of 5G multi-mode

integrated baseband chipsets. With its

multi-mode solution, the Helio M70

simplifies the design of 5G devices

with a comprehensive power management

plan, enabling companies to

design mobile devices with a smaller

form factor, improved energy efficiency

and sleek appearance. The Helio

M70 baseband chipset is available now,

and is expected to ship in the second

half of 2019.

■ Anritsu Corporation

www.anritsu.com

Universal Differential Fanout

Buffer

RFMW, Ltd. announced design and sales

support for a fully integrated signal fanout

buffer from Integrated Device Technology,

Inc. (IDT). The 8T79S308 is designed for

distribution and fanout of high-frequency

clocks or low-frequency synchronization

signals in either baseband or RF sections of

wireless infrastructure radios. The 8T79S308

is optimized to deliver very low phase noise

clocks and precise, low-skew outputs, low

device-to-device skew characteristics and

fast output rise/fall times which help the

system design achieve deterministic clock

phase relationship across devices. Featuring

a low phase noise floor of -160 dBc/

Hz (156.256 MHz clock), flexible input

selection offers 1:8 fanout modes or dual

1:4 buffer fanout modes. The supported

clock frequency range is 0 to 3 GHz and

various core and output supply voltages

are accommodated. Available in a 6 x 6 mm

SMT package.

■ RFMW, Ltd.

info@rfmw.com

www.rfmw.com

Energy Efficient FEM

RFMW, Ltd. announces design and sales

support for a 2.4 GHz front end module

(FEM). The Qorvo QPF4228 integrates a 2.4

GHz power amplifier (PA), regulator, single

pole three throw switch (SP3T), low noise

amplifier (LNA), coupler and power detector

with optional DC voltage or RF signal output.

Designed for 802.11n-ax access points

and wireless routers, the QPF4228 offers 33

dB of Tx gain and 15 dB of Rx gain with

LNA noise figure of 2.2 dB. Energy efficient,

the module boasts 13 dBm power output at

-47 dB DEVM with a power dissipation of


RF & Wireless

a given application requirement. The device

can cover 2300 to 2700 MHz with a single

set of external components with gain: 20.5

dB, OP1dB: 20 dBm, NF: 0.4 dB at 2300

MHz with bias at 5 V and 70 mA. Flexible

biasing can accommodate V dd from 2.7 to

5 V and I ddq from 20 to 100 mA.

■ Guerrilla RF, Inc.

www.guerrilla-rf.com

time of


RF & Wireless

Fully-featured SoC Supporting

Bluetooth 5.1

Bluetooth and Wi-Fi

Connectivity Software

u-blox has announced that it is expanding

its connectivity software offering.

In addition to the established uconnect-

Xpress, previously known as u-blox

connectivity software, the offering

now also includes u-connectScript. The

extended software series differentiates

the company’s offering by further simplifying

wireless Bluetooth and WiFi

device development, enabling embedded

script applications in the module

while reducing complexity and cutting

time to market.

u-connectXpress, the first pillar of the

uconnect series for more than 15 years,

has grown into the most extensive software

tool for integrating WiFi and Bluetooth

connectivity into devices. Comprising

over 130 standard and u-bloxspecific

AT commands, uconnectXpress

lets developers configure device connectivity

without having to write and

test complex code.

uconnectScript, the second pillar of

the uconnect series, is the new offering

aimed at further speeding up embedded

device development. It is based on the

JavaScript programming language,

widely adopted and with a short learning

curve. uconnectScript uses simple

syntax to allow device developers to

quickly embed Bluetooth applications

right onto the module without requiring

extensive experience in embedded

systems programming. Developers write

their applications using u-blox’ integrated

development environment (IDE) or

any other text editor of their choice.

■ u-blox AG

info@u-blox.com

www.u-blox.com

Nordic Semiconductor announces the introduction

of the nRF52811 System-on-Chip

(SoC), a fully-featured connectivity solution

that supports Bluetooth® 5.1 Direction

Finding and a range of popular low

power wireless protocols for applications

such as gateways for smart home and industry

products. The SoC expands Nordic’s

highly popular nRF52 Series platform by

adding a device that combines the low cost

of Nordic’s baseline nRF52810 SoC with

the multiprotocol support of Nordic’s midrange

nRF52832 and advanced nRF52840

SoCs. The nRF52811 is also the first product

in the Nordic low power wireless range to

support Bluetooth 5.1, which adds Direction

Finding to the high throughput, long

range, and enhanced coexistence capabilities

of Bluetooth 5.

The Nordic nRF52811 SoC includes a multiprotocol

2.4 GHz radio (featuring 4 dBm

output power with -97 dBm sensitivity (at

1 Mbps in Bluetooth 5 mode)), 64 MHz,

32-bit Arm Cortex M4 processor, and 192

kB Flash and 24 kB RAM memory. The

nRF52811 SoC also includes a wide range

of analog and digital interfaces.

The nRF52811 SoC is an ideal connectivity

chip for applications that feature a companion

microprocessor. Examples include

home and industry gateways that demand

low power wireless support for Bluetooth 5,

Thread, and Zigbee smart applications such

as those used with smart light networks,

HVAC, and security systems. The SoC is also

a good choice for cost-constrained Bluetooth

beacon applications requiring Bluetooth 5

technology’s extended range or employed

as part of a Direction Finding system.

The nRF52811 SoC’s Bluetooth 5.1 Direction

Finding enables positioning solutions

to not only rely just on received signal

strength indicator (RSSI), but also the actual

direction of a signal. This improves accuracy

significantly and opens up new applications.

There are two types of methods

for determining direction, angle of arrival

(AoA), where the direction of the received

signal is calculated, and angle of departure

(AoD), where the direction of the transmitted

signal is calculated. Direction finding

can operate in either two or three dimensions

depending on the selected design complexity

and antenna array. The nRF52811

SoC is the ideal choice as a transceiver for

both the AoA or AoD scenarios. Bluetooth

5.1 hardware functionality is built-in to the

nRF52811 SoC.

The nRF52811 SoC will be produced in a

6 x 6 mm QFN48 package with 32 GPIOs,

a 5 x 5 mm QFN32 with 17 GPIOs, and a

2.5 x 2.5 mm wafer level CSP32 with 15

GPIOs. All packages are compatible with

those of the nRF52810 SoC enabling reuse

of the same PCB layout.

■ Nordic Semiconductor ASA

www.nordicsemi.com

Low-PIM Coaxial Cables

Fairview Microwave, Inc. has released a new

series of low-PIM coaxial cable assemblies

in standard and custom lengths that are ideal

for distributed antenna systems (DAS) and

are available with same-day delivery. The

over 100+ standard configurations that make

up Fairview Microwave’s new line of low-

PIM coaxial cable assemblies deliver PIM

levels of less than -160 dBc. These highquality

cables provide excellent SWR and

low insertion loss. They are 100% PIM and

RF tested with the PIM results marked on

the cables. These cables are constructed of

flexible, lightweight UL910 plenum-rated

74 hf-praxis 4/2019


RF & Wireless

SPP-250-LLPL RF coaxial cable which can

operate in temperatures from -55 to +125

°C. They are offered with 4.3-10, 7/16 DIN,

4.1/9.5 mini-DIN, Type-N, SMA and QMA,

many with right-angle connector options.

■ Fairview Microwave, Inc.

www.fairviewmicrowave.com

Skew Matched Cable Pairs

GHz. At 3.5 GHz, the amplifier typically

provides 22.8 dB gain, +32 dBm OIP3 at

a 50 mA bias setting, and 0.54 dB noise

figure. The LNA can be biased from a single

positive supply ranging from 3.3 to 5 V.

Bias adjustable for linearity optimization,

the QPL9057 supports Macro BTS, TDD/

FDD systems, Repeaters and DAS. Housed

in a 2 x 2 mm package.

■ RFMW, Ltd.

info@rfmw.com

www.rfmw.com

Pivotal Commware

Selects Macom as Key RF

Component Supplier

Fairview Microwave, Inc. has expanded its

line of skew matched cable pairs to include

40 GHz and 67 GHz versions that are ideal

for the development of high-data-rate digital

systems. The extended line of skew matched

cables consists of seven models, three original

and four new, available in 40 and 67

GHz versions. These delay matched cables

are offered with 2.92 or 1.85 mm connectors

and polarity indicators for matched

cable ends. Performance specs include an

impressive SWR of 1.4 and delay match as

low as 1 ps. These extremely flexible cable

pair models are 100% tested for skew match

and available for same-day shipping.

■ Fairview Microwave, Inc.

www.fairviewmicrowave.com

Ultra Low-Noise Amplifier

offers Flat Gain

RFMW, Ltd. announces design and sales

support for an ultra low-noise amplifier with

flat gain. With an operational bandwidth

of 600 to 4200 MHz, the Qorvo QPL9057

provides a gain flatness of 2.4 dB (peak-topeak)

over a wide bandwidth of 1.5 to 3.8

Pivotal Commware, Inc., inventor of Holographic

Beam Forming technology, and

Macom, a leading supplier of high performance

compound semiconductor products,

announced the integration of Macom’s

mmWave products manufactured with

Macom’s unique GaAs and AlGaAs process

technology, inside Pivotal’s Echo 5G

product line designed for delivering superior

broadband experiences to more subscribers

at less cost.

The window-mounted, self-installable Echo

5G Subscriber product, for example, will

overcome the biggest obstacle to fixed 5G

wireless access at millimeter waves – inbuilding

penetration of Gigabit speed broadband

to homes and businesses. Holographic

Beam Forming allows Echo 5G to penetrate

Low-E glass coatings and multiple panes of

glass using very little power, which drives

its low weight and size profile on the window.

Macom’s mmWave technology leverages

and extends these capabilities.

5G at mmWave frequencies has catalyzed

an explosion in demand for coverage and

throughput of broadband wireless access

with speeds in excess of 1 Gigabit/second. In

order to meet the demand for time to market,

cost and performance, it is imperative that

RF device providers work intimately with

system architects to arrive at the optimum

solution for the end applications.

■ Macom

www.macom.com

SMD Oven-Controlled

Crystal Oscillators

Euroquartz has launched a new range

of surface mount miniature oven-controlled

crystal oscillators (OCXO) offering

the best frequency stability from a

quartz IT cut crystal. The OC51T series

offers frequencies from 10 to 40 MHz

in a 9.7 x 7.5 x 4.1 mm miniature SMD

4-pad package with 3.3 and 5 V supply

voltage options. With voltage control

as standard, OC51T OCXOs deliver

frequency stability of ±20ppb (parts

per billion) maximum making them

ideal for use in applications requiring

exceptionally accurate timing signals

including radio transmitters, cellular

base stations, military communications

equipment and for precision frequency

measurement.

Frequency stability versus temperature

is ±10ppb over -30 to +70 °C and

±20ppb over -40 to +85 °C. Against

voltage change, stability is ±10ppb for

a ±5% input voltage change. Warm up

time of 5 minutes maximum results in

frequency output within ±0.1ppm of

reference frequency while frequency

stability against ageing is ±3ppb maximum

after 30 days, ±600ppb maximum

first year and ±3ppm maximum over

ten years. Voltage control specifications

allow greater than ±5% reference

to nominal frequency at 25 °C and over

operating temperature range. Control

voltage range is +1.65 V, ±1.65 V.

■ Euroquartz, Ltd.

sales@euroquartz.co.uk

www.euroquartz.co.uk

hf-praxis 4/2019 75


MILLIMETER WAVE

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RF & Wireless

Record-Breaking Ringamp ADCs

Imec presents a compact, highly linear 3.2 gigasample-per-second

(GSps) RF-sampling ADC that

uses ring amplification (ringamp). The ADC has a

record low power consumption of 61.3 mW and

supports multiband operation and massive MIMO

implementation – two key features of future 5G

base stations. A second power-efficient ringampbased

ADC – reconfigurable between 6 and 600

Msps – was developed for mobile handsets.

Key performance merits of the 3.2 GSps RFsampling

ADC are its excellent spectral purity in

combination with a record low power consumption

of 61.3 mW – a factor 10 improvement compared

with state-of-the-art-technology. The high

sensitivity and linearity are demonstrated by the

ADC’s Nyquist signal-to-noise-and-distortion

ratio (SNDR) of 61.7 dB and by its spurious free

dynamic range (SFDR) of 73.3 dB. The device is

fabricated in 16 nm CMOS technology and occupies

an active area of only 0.194 mm 2 (360 x 540

µm). With these record-breaking specifications,

two main challenges for future 5G base station

ADCs are addressed.

With current base station radios – typically implemented

with a zero-IF architecture – multiband

operation can only be achieved by implementing

an increasing number of transceivers. This significantly

contributes to the area and power consumption

of the base station. With sampling speeds in

the GHz realm, imec’s new ADC allows the development

of compact radios that combine multiple

bands for cellular infrastructure applications, at

much lower power consumption.

Moreover, the large-scale antenna arrays required

for MIMO operation are implemented by using a

large number of power-hungry discrete transceivers.

Our RF-sampling ADC fabricated in scaled

process technologies, enables massive-MIMO

implementation as a System-on-Chip at much

lower power consumption and significantly reduced

Bill-of-Materials.

At the heart of imec’s RF-sampling ADC is a

ringamp-based pipelined architecture. This new

amplifier topology offers excellent speed and

power efficiency in scaled FinFET technology,

allowing fast and accurate settling of large capacitive

loads over near-maximum voltage swings in

a low supply voltage. It has been combined with

a new event-driven approach to timing control in

the pipelined ADC architectures that allows for

fully dynamic operation of the ADC, where the

active blocks only consume power proportional

to clock speed.

■ Imec, www.imec.be

Sub-mW Radar for Presence

Detection

Imec announced an exceptional radar transceiver

designed as an efficient, low-cost solution for presence

detection in smart building solutions. The

power consumption of the radar is below 1 mW,

which is 100 times lower than other solutions, and

is capable of detecting even micro-movements

from human respiration, up to a distance of 15 m.

This performance makes it a breakthrough solution

for low-cost battery-powered presence-detection

and people counting applications.

Similar as camera, radar can build a picture of

its environment. While cameras are especially

good at 2D images, radar is superior in detecting

movement and distance. Consequently, it is a perfect

fit with human motion and activity detection.

In many circumstances, radar sensors are better

suited than cameras for presence detection, people

tracking or activity classification. That is for

example the case when privacy considerations

are key, such as in office spaces, hotel rooms, or

hospitals. Another advantage is their robustness

to suboptimal light conditions. Different from

camera, radar can robustly detect micro-movements

due to respiration or heartbeat. However,

current commercial radars use too much power,

and often require more expensive semiconductor

technologies. This makes them unsuited for lowcost

and battery-powered operation. Imec’s new

transceiver has been specifically designed with

these requirements in mind.

The new transceiver is compliant with FCC and

ETSI spectral regulations for the UWB frequency

range, limiting the radiation to -41 dBm/MHz.

This energy density is well below the noise floor

of mainstream commercial systems, and therefore,

this radar can safely be used for 24/7 people

presence detection without health concerns.

The power consumption of the transciever IC is

less than 1 mW, at least 100 times less than comparable

state-of-the-art solutions. With that, it is

able to discern movements and vital signs – breathing

and heartbeats – up to 15 m, which is a

record for UWB radars.

■ Imec, www.imec.be

hf-Praxis

ISSN 1614-743X

Fachzeitschrift

für HF- und

Mikrowellentechnik

• Herausgeber und Verlag:

beam-Verlag

Krummbogen 14

35039 Marburg

Tel.: 06421/9614-0

Fax: 06421/9614-23

info@beam-verlag.de

www.beam-verlag.de

• Redaktion:

Dipl.-Ing. Reinhard Birchel

Ing. Frank Sichla (FS)

redaktion@beam-verlag.de

• Anzeigen:

Myrjam Weide

Tel.: +49-6421/9614-16

m.weide@beam-verlag.de

• Erscheinungsweise:

monatlich

• Satz und Reproduktionen:

beam-Verlag

• Druck & Auslieferung:

Brühlsche

Universitätsdruckerei

Der beam-Verlag übernimmt

trotz sorgsamer Prüfung der

Texte durch die Redaktion

keine Haftung für deren

inhaltliche Richtigkeit. Alle

Angaben im Einkaufsführer

beruhen auf Kundenangaben!

Handels- und Gebrauchsnamen,

sowie

Warenbezeichnungen

und dergleichen werden

in der Zeitschrift ohne

Kennzeichnungen verwendet.

Dies berechtigt nicht

zu der Annahme, dass

diese Namen im Sinne

der Warenzeichen- und

Markenschutzgesetzgebung

als frei zu betrachten sind

und von jedermann ohne

Kennzeichnung verwendet

werden dürfen.

78 hf-praxis 4/2019


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HEILBRONN

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