PLL-Oszillatoren
Exakte Phasensteuerung für 5G-Applikationen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Phase messen – mit Vektorsignal- und Netzwerkanalysator
Vektorsignal- und Netzwerkanalysatoren können auch zur Charakterisierung des Phasenverhaltens verwendet werden, obwohl ihr Einsatz auf den Vergleich der Phase zur anfänglichen Phasenlage begrenzt ist. Analysatoren, wie der Phasenrausch- und VCO-Messplatz FSWP von Rohde & Schwarz zum Beispiel, können in den FM-Demodula-tionsmodus gebracht und der Phasenausgang selektiert werden.
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Dies kann sehr nützlich sein, um die Phasen-Resynchronisierungsfunktion des ADF4356 zu überprüfen. Bild 5 zeigt den Phasenverlauf des ADF4356 bei einer Variation um 180 ° bei einer Ausgangsfrequenz von 5.025 MHz.
Phaseneinstellung
Die Phaseneinstellungsfunktion verhindert ein Rücksetzen des Σ/Δ-Modulators und fügt einfach ein Phasenwort zwischen 0 ° und 360 ° zur existierenden Phase hinzu. Dies ist nützlich in Anwendungen, bei denen ein Rücksetzen der Phase nicht gewünscht ist. Mit der Phaseneinstellungsfunktion kann das Phasenwort dynamisch eingestellt werden, um bekannte Abweichungen der Phase infolge von Einflüssen wie z.B. der Temperatur zu kompensieren.
Die Phaseneinstellungsfunktion addiert einen Phasenwert – programmiert im Register 3 des ADF4356 – zum existierenden Signal bei jeder Aktualisierung des Registers 0 im ADF4356. Bei dieser Funktion gibt es keinen Rücksetzimpuls wie bei der Phasen-Resynchronisation.
Die Messergebnisse in Bild 6 mit einem Phasenrausch- und VCO-Messplatz (FSWP) zeigen den zeitlichen Phasenverlauf des Ausgangssignals des ADF4356 wenn ein Phasenwert von 90 ° (Farbe 1) und 270 ° (Farbe 2) hinzuaddiert wird. In beiden Fällen wurde vor der Phasenänderung die Ausgangsfrequenz des ADF4356 auf 5.025 MHz eingestellt.
Temperaturverhalten
Da sich die physikalischen Parameter von Spulen mit der Temperatur ändern, ändern sich auch die elektrischen Eigenschaften, was sich als Phasenänderung zeigt. Um diese Phasenänderung abzuschwächen, können Entwickler beim ADF4356 den erforderlichen Phasenoffset einprogrammieren und die gleiche Phase beizubehalten.
Zwei ADF4356-PLL-Oszillatoren, die für eine Ausgangsfrequenz von 4 GHz programmiert sind, die gleiche Phase aufweisen und sich in der gleichen Wärmekammer befinden, zeigen einen annähernd identischen Phasenverlauf (Bild 7). Das beweist, dass Anwender die Phase abhängig von der Temperatur einstellen können.
Anwendung: Antennenarrays für 5G
Das Ändern der Antennencharakteristik (Beamforming) ist eine Technik, die in Netzen der fünften Mobilfunkgeneration (5G) verwendet werden soll. In 5G-Netzen kommen Antennenarrays mit unterschiedlichen Phasen und Amplituden an jedem Antennenelement zum Einsatz, um die von der Antenne abgestrahlte Energie auf den Nutzer auszurichten. Für diese Anwendung ist die Phasenwiederholbarkeit entscheidend.
Für Beamforming muss die Phase des Oszillators wiederholbar sein. Falls die Phase nicht eindeutig ist, ist eine zusätzliche Kalibrierung durch die Beamforming-Schaltung erforderlich.
Bild 8 zeigt die Charakteristik zweier Antennenelemente (Bild 8a) mit halber Wellenlänge in einem Abstand von einer viertel Wellenlänge, die beide mit einem Sendesignal in Phase angeregt werden. Das Abstrahlungsdiagramm der Antenne ist fast omnidirektional und es ist kein Beamforming zu beobachten.
Das in Bild 8b eingetragene Abstrahlungsdiagramm zeigt, wie sich die Antennencharakteristik ändert wenn die beiden Antennenelemente durch Signale mit 90 ° Phasenversatz angesteuert werden. Das Abstrahlungsdiagramm (Bild 8b) zeigt einen Fokus in eine Richtung.
Wird die Zahl der Antennenelemente erhöht, dann lässt sich die Hauptstrahlrichtung der Antenne mit höherer Genauigkeit in Richtung Endanwender steuern, was zu einer höheren spektralen Effizienz führt. Die Phasen-Resynchronsiationsfunktion eliminiert die Unsicherheiten im Phasenverhalten des lokalen Oszillators. Darüber hinaus verleiht die Fähigkeit, die Phase einzustellen, dem Entwickler ein zusätzliches Instrument, um andere Phasenverzögerungen in der Schaltung zu minimieren, die sich mit der Schaltung zum Steuern der Antennencharakteristik oder der Basisbandschaltung nur schwer korrigieren lassen.
Der Autor
Ian Collins
hat sein Studium am University College Cork in den Bereichen Elektrotechnik und Elektronik abgeschlossen und arbeitet seit 2000 im Bereich HF und Mikrowellen von Analog Devices. Er ist derzeit Applikationsleiter der Abteilung für Mikrowellengeneratoren, die sich hauptsächlich auf PLL- und VCO-Schaltkreise konzentriert.
Ian.Collins@analog.com
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