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Im Rahmen der sich ausbreitenden Digitalisierung ist die Forderung nach mehr Bandbreite in
aller Munde. Das Schlagwort ist allerdings ein umgangssprachlicher Begriff, welcher nicht
korrekt verwendet wird. Gemeint ist dabei vielmehr die Übertragungsrate. Bandbreite
beschreibt im eigentlichen Sinn den Frequenzumfang, für den ein System ausgelegt wurde. Die
Übertragungsrate ist mittlerweile zu einem Standortfaktor für Unternehmen geworden und kann
als ein Merkmal der Infrastruktur angesehen werden. Für manche Unternehmen ist eine hohe
Übertragungsrate unerlässlich um wettbewerbsfähig zu bleiben. Aus technischer Sicht gibt es
verschiedene Ansätze zur Steigerung der Übertragungsrate. Zunächst wird versucht, ohne
Veränderungen der Hardware eine kostengünstige Verbesserung zu erzielen. Beispielsweise
lässt sich eine Steigerung auf dem Weg der Modulation realisieren, indem mehrere
Trägerfrequenzen verwandt werden. Letztlich ist eine Optimierung der Hardware trotzdem
notwendig. Ursächlich für niedrige Übertragungsraten sind momentan noch die Netze. Die
Empfangseinheiten sind längst für höhere Geschwindigkeiten konzipiert. Sie enthalten neben
der Antenne einen Hochfrequenzverstärker, der die schwachen Antennensignale zur
anschließenden Demodulation und weiteren Verarbeitung verstärkt. Hohe Frequenzen
produzieren in den Leistungsverstärkern große Verlustleistungen aufgrund der Häufigkeit von
Umladevorgängen. Daraus resultieren schlechte Wirkungsgrade. Doch nicht nur an die
Übertragungsrate, sondern auch an den Wirkungsgrad werden hohe Anforderungen gestellt.
Dahinter steht der Bedarf an Mobilität. Von Smartphones und Tablets wird die Fähigkeit
erwartet, mit hoher Geschwindigkeit umfangreiche Datenmengen zu laden. Gleichzeitig wird
eine maximale Akkulaufzeit gefordert.
Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die optimale Betriebsweise von Hochfrequenzverstärkern.
Die Verstärker selbst wurden von den Herstellern optimiert. Darüber hinaus wirkt sich die
Auswahl der Betriebsparameter sehr stark auf den Wirkungsgrad und die Verzerrung und damit
auf die Signalqualität aus.
Aufgabe dieser Arbeit ist es, diverse Messungen mit Hochfrequenzverstärkern durchzuführen
um daraus die optimale Einstellung der Betriebsgrößen zu ermitteln. Die Messungen erfolgen
zunächst mit vier vorgefertigten Verstärkern. Darüber hinaus wird ein Verstärker auf der Basis
eines Verstärker-ICs auf einer Leiterplatte selbst hergestellt, mit welchem anschließend die
selben Messungen erfolgen.
Die Messungen erfolgen mit drei unterschiedlichen Typen von Eingangssignalen:
-CW-Signalen entsprechend Sinus-Signalen.
-Zweitonmessungen. Zwei Sinus-Signale unterschiedlicher Frequenz am Eingang.
-Digitale Telekommunikationsstandards.
Alle nachfolgend genannten Messungen werden im Laufe der Dokumentation erklärt.
Im CW-Fall werden Load-Pull- und Power-Sweep-Messungen durchgeführt. Es folgen
Spektralmessungen zur Bewertung der harmonischen Oberwellen bei Einton-Ansteuerung. Im
Zweiton-Fall werden Spektralmessungen im Bereich der Grundfrequenzen und anschließend
im Bereich der harmonischen Oberwellen durchgeführt. Auf diese Weise sollen
Intermodulationsprodukte bewertet werden. Ebenfalls im Zweiton-Fall erfolgen Load-Pull-
Messungen. Die Betrachtung des Spektrums erfolgt unter Variation der Last. Die Auswirkung
der Last auf den Störabstand wird dabei untersucht. Im Fall der digitalen Ansteuerung werden
unter verschiedenen Betriebsgrößen Messungen der Nachbarkanalleistung durchgeführt.
Der Ausdruck Load-Pull-Messung hat verschiedene Bedeutungen. Zum einen werden mit
Load-Pull-Messungen umgangssprachlich sämtliche Messungen bezeichnet, die zur
Charakterisierung von Hochfrequenzverstärkern dienen. Zum anderen steht Load-Pull-
Messung für ein Messverfahren, bei welchem die Lastimpedanz variiert wird. Die letztgenannte
Load-Pull-Messung stellt die zentrale Messung in dieser Arbeit dar. Um ihre Bedeutung
verständlich zu machen ist eine Auseinandersetzung mit den Grundlagen der
Hochfrequenztechnik von Nöten. Im Folgenden werden all jene Aspekte der
Hochfrequenztechnik behandelt, die zum Verständnis der Messungen dieser Arbeit notwendig
sind.
Die meisten Internetzugriffe erfolgen heute über das Smartphone. Während vor dem Jahr
2010 überwiegend der PC dafür verwendet wurde, nutzten 2016 81% aller Internet-User
ein Mobiltelefon für den Online-Zugang [1]. Die digitale Modulation von HF-Signalen ist
dabei immer von Bedeutung, unabhängig ob WLAN oder ein Mobilfunkstandard, wie
LTE angewandt wird. Die Weiterentwicklung drahtloser Kommunikationstechnik für das
Internet erscheint als interessante Alternative zur leitungsbasierten Anbindung an das
Breitbandnetz. Der Ausbau mit Glasfaserkabeln ist kostenintensiv, zeitaufwendig und
bei der Versorgung abgelegener Orte für den Provider unrentabel. Aus technischer Sicht
können drahtlose Anbindungen sogar zu einer Verringerung zeitlicher Verzögerungen
führen. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen ist in Luft höher
als in Kupfer oder Glas [2]. Das Mobilfunknetz ist allerdings nicht zur flächendeckenden
Internetversorgung von PCs vorgesehen. Alle Online-Zugriffe durch Mobilfunk in einem
bestimmten Gebiet erfolgen über die selbe Funkzelle einer Basisstation. Bei gleichzeitiger
Benutzung durch viele Teilnehmer, reduziert sich die Datenrate merklich. Einige Mobilfunkbetreiber
verbieten rechtlich die ausschließliche Nutzung des Mobilfunk-Internets für
PCs [3]. Die Zugangskosten für den Verbraucher sind deutlich teurer als bei DSL. Zudem
existieren kaum Tarife für unbegrenzten Zugang. Genauso wie beim Leitungsnetz sind lokale
Schwankungen der Internetgeschwindigkeit vorhanden. Während beim Kabelzugang
die Geschwindigkeit vorherbestimmt werden kann, ist sie beim Mobilfunk individuell
auszutesten. Notebooks und Desktop-PCs besitzen in der Regel keine Empfangseinrichtung
für Mobilfunk. LTE-Router übersetzten das Protokoll in den WLAN-Standard.
Diese Umwandlung erfolgt durch separate Geräte oder als integrierte Funktion in einem
Smartphone (Hotspot). Einige dieser Router bieten auch einen Kabelzugang zum PC,
um die Verluste der WLAN-Verbindung zu vermeiden. Sie werden häufig in Form von
USB-Sticks angeboten. Die private Nutzung des Mobilfunk-Internets für PCs ist also
mit Einschränkungen verbunden. Für Unternehmen ist dies meist nicht hinnehmbar.
Die geschilderten Hindernisse bedeuten allerdings nicht, dass das Internet grundsätzlich
leitungsgebunden vermittelt wird und in drahtlose Online-Technologien zukünftig keine
Investitionen fließen. Die Richtfunkanbindung von Basisstationen erfolgt, wenn sich
das Verlegen von Leitungen nicht lohnt (Abbildung 1). Die Umwandlung im Großen ähnelt
dem Prinzip der privaten Hotspots. Eine Richtfunkantenne empfängt die gebündelte
elektromagnetische Energie. Nach der Umwandlung senden mehrere Sektorantennen mit
Rundstrahlcharakteristik die Wellen in das Umfeld des Masts. Außerdem ist die weitere
Übertragung nach einer Richtfunkstrecke durch ein Kabel möglich. Dementsprechend
kann das Internet über Richtfunkabschnitte zum Verbraucher gelangen, auch wenn es
schließlich beim Router über ein Kabel ankommt.