Quadratur-Signale -Einfache, rauschfreie Erzeugung im Hochfrequenzbereich
Kurzfassung
Die vorliegende Innovation nutzt einen Oszillatorkern in einfacher Colpitts-Topologie in Bipolartransistortechnologie. Eine rauscharme und stabile Quadratur-Phasenverschiebung wird durch den resistiv belasteten Kollektor des Transistors, einerseits, und den kapazitiv belastenten Emitter des Transistors, andererseits, erreicht.
Vorteile
- Einfache Topologie
- Geringes Rauschen bei großer Bandbreite
- Gute Integrierbarkeit und robuste Kopplung
- Hohe Ausgangsleistung direkt von der Quadraturquelle
- Phasenbeziehung bleibt über weiten Frequenzbereich stabil
- Keine Ambiguität der Phasenlage
Anwendungsbereiche
- Breitband-Kommunikationssysteme (Funk- und Optische Kommunikation)
- Radaranwendungen
- Hochfrequenz-Anwendungen
- Ka-Band-Anwendungen (Satellitenkomunikation, 5G Technologien)
- Integrierte Schaltungen (Halbleiterchips)
- Messtechnik (Präzisionmessgeräte, HF-Messgeräte)
Hintergrund
Zur Generierung von Quadratur-Signalen existieren in der Kommunikation- und Radartechnik verschiedene Methoden, die jedoch die nachfolgenden Nachteile aufweisen. Zu den geläufigsten zählen:
RC-CR Polyphase Filter: Diese passive Methode erzeugt phasenverschobene Ausgangssignale aus einer gemeinsamen Quelle.
Frequenzteilung: Bei dieser Methode wird die Frequenz eines Signals mit doppelter Frequenz halbiert, um ein Quadratur-Signal zu erzeugen.
Kopplung von Oszillator-Kernen: Das Quadratur-Signal wird entweder durch Extraktion der zweiten Harmonischen (2f) in jedem Kern oder Kopplung zweier Oszillatoren über einen 90° Phasenschieber erzeugt.
Alle diese Ansätze haben im Allgemeinen eine Reihe an Nachteilen, die im Folgenden summarisch aufgelistet werden:
- Hoher Komplexitätsgrad
- Erhöhte Leistungsaufnahme
- Höhere Kosten durch komplexere Schaltungen und zusätzliche Komponenten
- Nur bei Schmalbandfrequenzen einsetzbar
- Schwierigkeiten bei der Integration in moderne Halbleiterprozesse
- Oft unzureichende Phasengenauigkeit und -stabilität über einen weiten Frequenzbereich
Diese Nachteile verdeutlichen den Bedarf an einer neuen, effizienteren Methode zur Erzeugung von Quadratur-Signalen.
Problemstellung
Das Hauptproblem, das bei frequenzveränderlichen Signalen im Hochfrequenzbereich auftritt, ist die zuverlässige und rauschfreie Erzeugung von Quadratur-Signalen. Dies ist notwendig um für moderne Kommunikationssysteme (wie Funk- und optische Kommunikation) und Radarsysteme Modulationsformate zu ermöglichen, bei denen die Phase eines Signals zur Informationskodierung genutzt wird. Die Qualität der Modulation hängt maßgeblich davon ab, wie genau und zeitlich stabil die 90°-Phasenbeziehung der Quelle ist.
Lösung
Eine an der Universität Stuttgart entwickelte Technologie nutzt einen Oszillatorkern in differentieller Colpitts-Topologie in Bipolartransistortechnologie. Durch die Kopplung zweier solcher Oszillatorkerne wird das gewünschte Quadratur-Signal erzeugt. Das Besondere an diesem Ansatz ist die Art und Weise, dass die Phasenverschiebung durch den Kollektor des Transistors einerseits weitgehend resistiv belastet wird, andererseits der Emitter des Transistors kapazitiv belastet wird. Durch diese spezifische Belastung tritt ein phasenverschobenes Spannungssignal über dem Transistor auf. Die Kopplung erfolgt durch passendes Verschalten der Kapazitäten an den Emittern in den jeweilig anderen Kern. Diese passive Methode nutzt demnach das Prinzip des "injection locking". Diese Methode ermöglicht eine robuste und eindeutige Quadratur-Kopplung.
Ein Prototyp wurde als integrierter spannungsgesteuerter Quadratur-Oszillator (QVCO) in Silizium-Germanium-Technologie realisiert, der folgende technische Details aufweist. Die mittlere Frequenz im Ka-Band liegt bei ca. 39,3 GHz und für die Chipfertigung wird die SG13S Technologie von IHP verwendet.
Die korrekte Funktion der Kopplung wurde durch ausgiebige Messungen am Prototyp verifiziert. Diese Messungen bestätigten sowohl die robuste Kopplung als auch das geringe Phasenrauschen.
Zusammenfassend bietet diese Erfindung eine elegante und effiziente Lösung für die Erzeugung von Quadratur-Signalen, die viele der Nachteile bestehender Methoden überwindet und sich besonders für Hochfrequenzanwendungen eignet.
Abbildung 1 Träger-Aufbau des QVCO Prototyp MMICs zur experimentellen Verifikation. (Janis Wörmann, ILH)
Publikationen und Verweise
J. Wörmann, A. Dyskin, S. Chartier and I. Kallfass, "A Passively-Coupled 39.5 GHz Colpitts Quadrature VCO in SiGe HBT Technology," 2021 16th European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC), London, United Kingdom, 2022, pp. 209-212, doi: 10.23919/EuMIC50153.2022.9783669.