Aerospace/Defense/5G
GaN-on-SiC-Leistungsverstärker für höchste Ansprüche
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Anwendungsbeispiel Radar-Kommunikation
Radarsysteme arbeiten im L-Band von 1 bis 2 GHz für Anwendungen wie Freund-Feind-Erkennung, Entfernungsmessung sowie Verfolgung und Überwachung. Das S-Band (2 bis 4 GHz) wird für Mode-S-Anwendungen mit selektiver Reaktion und für Wetterradarsysteme verwendet. Im X-Band (8 bis 12 GHz) arbeiten Wetter- und Flugzeugradar, während das C-Band (4 bis 8 GHz) für 5G und andere Kommunikationsanwendungen unter 7 GHz zur Anwendung kommt. 5G mmWave bietet die höchsten Bandbreiten und Datenraten; derartige Systeme arbeiten im Bereich von 24 GHz sowie in höheren Frequenzbändern. Die Satellitenkommunikation für LEOs und geosynchrone Kommunikation erfolgt im K-Band, das sich von 12 bis 40 GHz erstreckt.
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RF-Beamforming
Unter RF-Beamforming versteht man die Hochfrequenz-Kommunikation über einen geformten bzw. in eine Richtung ausgerichteten Hochfrequenz-Strahl. Es gibt verschiedene Arten von Architekturen, die das Phased Array Beamforming nutzen und in diesen RF-Anwendungen zum Einsatz kommen. Im Einzelnen handelt sich dabei um folgende Varianten:
- Analog Beamforming (analoge Strahlformung)
- Digital Beamforming (digitale Strahlformung)
- Hybrid Beamforming (hybride Strahlformung; eine Mischung aus analoger und digitaler Strahlformung)
Analog Beamforming - für jedes Phased Array ist der ideale Abstand zwischen den Elementen die Hälfte der Wellenlänge (Lambda Halbe). Das Blockschaltbild zeigt das Analog Beamforming: Es gibt dabei vier Phased-Array-Elemente, die jeweils im Abstand einer halben Wellenlänge (Lambda Halbe) voneinander getrennt angeordnet sind. Bei einem 30-GHz-Signal beträgt der Abstand zwischen den einzelnen Phased-Array-Elementen jeweils 5 mm. Bei der analogen Strahlformung übernimmt der Phasenschieber die Strahlformung, indem er die Phase ändert, um eine konstruktive Interferenz für den Empfang und die Übertragung des Signals zu erreichen, indem er die Energie des Strahls in eine bestimmte Richtung fokussiert. Dies geschieht alles bei Hochfrequenz und ist daher sehr empfindlich gegenüber Interconnect-Verlusten. Anschließend geht das Signal vom Phasenschieber zum Power Combiner/Splitter, gefolgt von einem Aufwärts-/Abwärts-Wandler und einem AD/DA-Wandler ins Basisband. In diesem Fall gibt es für eine Anzahl von n Phased-Array-Elementen nur ein digitales Frontend. Wie im Blockschaltbild zu sehen ist, ist für vier Phased Array-Elemente nur ein einziges digitales Frontend erforderlich, das aus einem AD/DA-Wandler besteht. Der Vorteil dieser Architektur ist die geringstmögliche Anzahl von Bauelementen sowie die niedrigste, mögliche Verlustleistung. Da die Phasenverschiebung jedoch in den HF-Bändern erfolgt, ist diese Art der Beamforming-Architektur besonders anfällig für Interconnect-Verluste, während gleichzeitig die Phasenverschiebung besonders komplex ist.
Digital Beamforming - bei der digitalen Strahlformung erfolgt eine herkömmliche Aufwärts-Abwärts-Wandlung in die Frequenz des Basisbands, und anschließend eine digitale Phasenverschiebung. Diese Architektur bietet eine höhere Genauigkeit, weil die digitale Strahlformung bereits im Basisband erfolgt. Allerdings gibt es für jedes Phased-Array-Element einen AD/DA-Wandler, was zu einer großen Anzahl von Komponenten und einer hohen Verlustleistung führt. In diesem Fall gibt es für eine Anzahl von n Phased-Array-Elementen eine Anzahl von n digitalen Frontends. Wie aus dem Blockschaltbild ersichtlich ist, existieren für vier Phased-Array-Elemente insgesamt vier digitale Front-Ends, die jeweils aus AD/DA-Wandlern bestehen.
Hybrid Beamforming - die hybride Strahlformung stellt eine Kombination aus Analog Beamforming und Digital Beamforming dar. Damit ist das Hybrid Beamforming optimal für größere Phased Arrays, um so den Wirkungsgrad der analogen Strahlformung mit einer geringeren Anzahl von Elementen, der Verlustleistung und der Präzision der digitalen Strahlformung zu erreichen. Wie im Blockschaltbild zu sehen ist, gibt es für vier Phased-Array-Elemente zwei digitale Frontends, die jeweils aus AD/DA-Wandlern bestehen. Im Vergleich zum analogen Beamforming gab es nur einen einzigen AD/DA-Wandler im digitalen Frontend, während es beim Digital Beamforming vier digitale Frontend-AD/DA-Wandler gab.
- GaN-on-SiC-Leistungsverstärker für höchste Ansprüche
- Anwendungsbeispiel Radar-Kommunikation
- HF-Signalkette
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