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Auf
dem Gebiet der drahtlosen Kommunikation ist eine kontinuierliche
Verbesserung der Empfindlichkeit der Geräte gefragt. Die Empfindlichkeit
eines Geräts
wird in der Regel mit der Hilfe von Rauschparametern beschrieben.
Zum Beispiel werden gewöhnlich
Rauschzahlparameter (NF-Parameter; engl.: noise figure parameter)
und Rauschzahlkreise (NF-Kreise; engl.: noise figure circles) zur
optimalen Anpassung eines rauscharmen Verstärkers (LNA) verwendet.
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Es
wird deshalb ein wirtschaftliches Verfahren zur Bestimmung der gewünschten
Parameter benötigt.
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Vor
diesem Hintergrund wird ein Verfahren nach Anspruch 1 bereitgestellt.
Weitere Ausführungsformen
und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden
Beschreibung. Die Ansprüche
stellen einen ersten, nicht bindenden Versuch dar, die Erfindung
allgemein zu beschreiben.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Beschreibung wird ein Verfahren zur Bestimmung
gewählter Parameter
einer Rauschcharakterisierungsgleichung bereitgestellt, die eine
Rauschleistungsfähigkeit
eines Geräts
als Funktion einer für
das Gerät
relevanten steuerbaren Variablen beschreibt. Das Verfahren umfasst die
folgenden Schritte: Auswählen
einer Anzahl verschiedener Werte der für das Gerät relevanten steuerbaren Variablen,
wobei die Anzahl verschiedener Werte größer oder gleich der Anzahl
der zu bestimmenden Parameter ist; Messen der Rauschleistungsfähigkeit
des Geräts
für die
verschiedenen Werte; Benutzen der Rauschcharakterisierungsgleichung
zum Einrichten einer Anzahl unabhängiger Relationen, die die
Parameter mit den Messergebnissen in Beziehung setzen, wobei die
Anzahl unabhängiger
Relationen gleich der Anzahl der zu bestimmenden Parameter ist;
und Bestimmen der Parameter aus den Relationen.
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Ausführungsformen
werden in den Zeichnungen abgebildet und in der folgenden Beschreibung
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 einen
Messaufbau gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 einen
Aufbau zur Auswahl eines gewünschten
Eingangsimpedanzwerts;
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3 einen
Messaufbau gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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4 einen
Aufbau zur Auswahl eines gewünschten
Ausgangsimpedanzwerts.
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In
den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszahlen dieselben oder ähnliche
Teile oder Schritte.
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Ein
Aspekt der vorliegenden Beschreibung ist die Bereitstellung eines
Verfahrens zum Bestimmen der relevanten Rauschparameter aus einer
vergleichsweise kleinen Anzahl von Messpunkten. Insbesondere wird ein
Verfahren zur Bestimmung gewählter
Parameter einer Rauschcharakterisierungsgleichung bereitgestellt, die
eine Rauschleistungsfähigkeit
eines Geräts
als Funktion einer für
das Gerät
relevanten steuerbaren Variablen beschreibt. Vorzugsweise wird die
Rauschcharakterisierungsgleichung über die sogenannte Rauschzahl (NF)
ausgedrückt.
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In
der Telekommunikation ist die Rauschzahl (NF) ein Maß für die durch
Komponenten in der Signalkette verursachte Verschlechterung des
Signal-Rausch-Abstands (SNR). Die Rauschzahl ist das Verhältnis der
Ausgangsrauschleistung eines Geräts
zu dem Teil davon, der auf thermisches Rauschen in dem Eingangsabschluss
bei Standardrauschtemperatur T (gewöhnlich 290 K) zurückzuführen ist.
Die Rauschzahl ist somit das Verhältnis des tatsächlichen
Ausgangsrauschens zu dem, was verbleiben würde, wenn das Gerät selbst kein
Rauschen einführen
würde.
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Ferner
sind die vorzugsweise in der Rauschcharakterisierungsgleichung enthaltenen
Parameter die minimale Rauschzahl (NFmin; engl.: minimum noise figure),
der entsprechende Reflexionskoeffizient bzw. die Impedanz (Realteil
und Imaginärteil)
und der Rauschwiderstand.
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Im
Folgenden wird beschrieben, wie eine Rauschcharakterisierungsgleichung
benutzt werden kann, um eine Anzahl unabhängiger Relationen einzurichten,
die die gewünschten
Parameter mit den Messergebnissen in Beziehung setzten. Vorzugsweise
ist die Rauschcharakterisierungsgleichung der folgenden Gleichung äquivalent:
dabei bedeutet der Parameter
NF
min die minimale Rauschzahl, der Parameter
R
n den Rauschwiderstand, der Parameter Γ
OPT den
optimalen Reflexionskoeffizienten und der Parameter Z
0 eine
Standardimpedanz. Gleichung 1) beschreibt die Rauschzahl eines Geräts als Funktion
des Reflexionskoeffizienten Γ
S. Der Reflexionskoeffizient ist eine komplexe
Zahl mit einem Realteil Γ
S real und einem Imaginärteil Γ
S imag.
Dasselbe gilt für
den Parameter Γ
OPT, der einen Realteil Γ
OPT real und
einen Imaginärteil Γ
OPT
imag aufweist. Dadurch kann ein Reflexionskoeffizient in eine
entsprechende Impedanz transformiert werden und umgekehrt.
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Aus
den in Gleichung 1) erscheinenden Parametern werden die minimale
Rauschzahl, der Rauschwiderstand und der optimale Reflexionskoeffizient
so ausgewählt,
dass ihre jeweiligen Werte bestimmt werden können.
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Zu
diesem Zweck ist es zweckmäßig, Gleichung
1 so zu modifizieren, dass sie die folgende Form annimmt:
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Bei
Verwendung der zusätzlichen
Variablen x
1, x
2,
x
3 und x
4:
nimmt Gleichung 2) die folgende
Form an:
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Gleichung
4) kann auch folgendermaßen
beschrieben werden:
NFx =
x1 + Ax·x2 + Bx·x3 + Cx·x4 4b.)mit
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Um
in der Lage zu sein, die Werte von x1, x2, x3 und x4 und ferner ΓOPT real, ΓOPT
imag, Rn und NFmin zu berechnen, werden mindestens vier verschiedene
Werte des Reflexionskoeffizienten ΓS ausgewählt und
die entsprechenden Werte der NF gemessen.
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Einsetzen
der gemessenen NF-Werte und der entsprechenden Werte von ΓS (ΓOPT
real und ΓOPT imag) in Formel 4 oder 4b ergibt ein
System von vier unabhängigen
Relationen, die die Berechnung der vier verschiedenen Werte ΓOPT
real, ΓOPT imag, Rn und NFmin durch Verwendung der
zusätzlichen
Variablen x1, x2,
x3 und x4 ermöglicht.
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Einsetzen
in 4b ergibt
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NF1 =
x1 + A1·x2 + B1·x3 + C1·x4 5a.)
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NF2 =
x1 + A2·x2 + B2·x3 + C2·x4 5b.)
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NF3 =
x1 + A3·x2 + B3·x3 + C3·x4 5c.)
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NF4 =
x1 + A4·x2 + B4·x3 + C4·x4 5d.)
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Somit
setzen die Relationen 5a bis 5d die gewünschten Parameter Γ
OPT
real, Γ
OPT imag, Rn und NFmin mit den Messergebnissen
(NF
1 bei Γ
1), (NF2 bei Γ
2),
(NF
3 bei Γ
3) und (NF
4 bei Γ
4)
in Beziehung. Auflösen
dieser Relationen nach x
1, x
2,
x
3 und x
4 ergibt
die folgenden Gleichungen:
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Nach
der Berechnung von x
1, x
2,
x
3 und x
4 können schließlich Γ
OPT
real, Γ
OPT imag, Rn und NFmin folgendermaßen berechnet
werden:
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Wie
oben skizziert, sind in dem vorliegenden Beispiel nur vier NF-Messungen
notwendig, um die gewünschten
NF-Parameter aus Gleichung 1 zu bestimmen. Da der Parameter ΓOPT durch
Berechnung unter Verwendung exakter Formeln aus vier Messungen mit
verschiedenen Reflexionskoeffizienten gefunden wird, statt Approximation
durch Suchen von ΓOPT (wobei die Genauigkeit von der Schrittgröße und deshalb
von der Menge an Messungen abhängt),
ist die Genauigkeit des Werts des Parameters ΓOPT hoch.
Ferner können
ausreichende Verstärkungsfaktoren
zeigende Messpunkte gewählt
werden, um den Einfluss des Messgeräts ausreichend klein zu halten.
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Als
ein numerisches Beispiel wurde eine Messung unter Verwendung von
vier Reflexionskoeffizienten oder Impedanzwerten durchgeführt:
- a. Γ1 =
0,2 + j0 => NF1 = 2,1
- b. Γ2 = 0,2 + j0,5 => NF2 = 2,2
- c. Γ3 = –0,1 – j0,3 => NF3 =
3,2
- d. Γ4 = 0,5 + j0,6 => NF4 = 2,4
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Es
ergeben sich die folgenden Rauschparameter:
- e. NFmin = 1,803 = 2,559 dB
- f. Rn = 54,9563 Ω
- g. ΓOPT= 0,492099 + j0,2517460
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Zusätzlich zu
Rauschparametern können
auch Rauschzahlkreise verwendet werden, um das Rauschverhalten eines
Geräts
zu beschreiben. Die Rauschzahlkreise sind nicht konzentrische Kreise
im Smith-Diagramm, die durch dieselbe NF aller Punke auf dem jeweiligen
Kreis und dem Reflexionskoeffizienten der optimalen NF an beliebiger
Stelle in der Mitte dieser Kreise gekennzeichnet sind. Neben dem
Reflexionskoeffizienten der optimalen NF können also zum Beispiel Kreise,
die eine um 0,5 dB, 1 dB, 1,5 dB ... größere NF als die optimale NF
zeigen, in dem Smith-Diagramm eingefügt und angezeigt werden.
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Die
NF-Kreise werden berechnet, indem man sowohl den x-Wert als auch
den y-Wert von ΓS von Punkten des Kreises aus Formel 1 ableitet.
Für diesen
Zweck muss einmal der x-Wert von ΓOPT als x-Wert von ΓS (und
natürlich ΓOPT und
Fmin) in diese Formel eingesetzt werden, um die entsprechenden y-Werte
von ΓS zu erhalten und einmal der y-Wert von ΓOPT als
y-Wert von ΓS (und natürlich ΓOPT und
Fmin) in diese Formel eingesetzt werden, um die x-Werte von ΓS zu
erhalten.
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Für die Rauschcharakterisierungsgleichung
1) kann gezeigt werden, dass die vier Messpunkte (Reflexionskoeffizienten)
nicht auf ein- und derselben Linie oder auf ein- und demselben Kreis
in dem Smith-Diagramm liegen müssen.
Es wäre
keine Lösung
des Gleichungssystems 5a bis 5d möglich, wenn dies der Fall wäre. Deshalb
ist es hilfreich, wenn geprüft
wird, ob die gewählten
Impedanzwerte eine ausreichende Anzahl unabhängiger Relationen ergeben,
die die Parameter mit den Messergebnissen in Beziehung setzten.
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Um
Messungen zu vermeiden, die dann möglicherweise nicht für die Bestimmung
der gewünschten Parameter
benutzbar sind, ist es auch hilfreich, eine Anzahl verschiedener
Impedanzwerte des Geräts
auszuwählen,
wobei die Anzahl verschiedener Impedanzwerte kleiner als die Anzahl
der zu bestimmenden Parameter ist. Auf der Basis der gewählten Impedanzwerte
werden die Werte für
die übrigen
Impedanzpunkte, die nicht auszuwählen
sind, bestimmt.
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In
dem oben beschriebenen Beispiel wurden drei Impedanzwerte ausgewählt und
die verbotenen Koordinaten des vierten Messpunkts bestimmt. Die
Linie oder der Kreis, die bzw. der den verbotenen Reflexionskoeffizienten
für die
vierte Messung repräsentiert,
kann zum Beispiel in einem entsprechenden Smith-Diagramm angegeben
werden. Zusätzlich
kann der verbotene imaginäre
Wert dieses Punkts als Warnung angegeben werden, nachdem der reelle
Wert dieses Punkts ausgewählt
worden ist.
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Eine
Möglichkeit
zur Messung der Rauschzahl NF bei einer bestimmten Eingangsimpedanz
wird mit Bezug auf 1 beschrieben. In 1 ist
das Gerät,
dessen Rauschleistungsfähigkeit
zu bestimmen ist, bei der Bezugszahl 30 dargestellt. Eine
Rauschquelle 10 wird verwendet, um dem Eingang des zu prüfenden Geräts (DUT;
engl.: device under test) 30 über eine Abstimmstichleitung 24 (engl.:
stub tuner) ein Rauschsignal zuzuführen. Die Abstimmstichleitung 24 dient
zum Einstellen der am Eingang des zu prüfenden Geräts 30 gesehenen Impedanz.
Folglich dient die Abstimmstichleitung 24 zur Auswahl verschiedener
Eingangsimpedanzwerte des zu prüfenden
Geräts 30.
Am Ausgang des zu prüfenden
Geräts 30 wird
ein Rauschzahlmessgerät 40 verwendet,
um die Rauschzahl des Geräts 30 für die verschiedenen
Eingangsimpedanzwerte zu messen.
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Um
die Eingangsimpedanz des an dem Ausgang 2 der Abstimmstichleitung 24 vorliegenden
Geräts 30 auf
einen gewünschten
Wert einzustellen, wird ein Netzwerkanalysator (NA) 50 verwendet,
wie in 2 zu sehen ist. Der Eingangsport 1 der
Abstimmstichleitung 24 kann entweder durch einen 50 Ω-Abschluss
abgeschlossen oder mit einem entsprechenden Port des Netzwerkanalysators 50 verbunden
werden. Die Abstimmstichleitung 24 enthält eine oder mehrere kurzgeschlossene
Leitungen (Stichleitungen) variabler Länge, die mit der primären Übertragungsleitung
verbunden sind, die von dem Eingangsport 1 zu dem Ausgangsport 2 reicht. Deshalb
ist jede Stichleitung über
einem bestimmten Bereich beweglich, um einen gewünschten Impedanzwert einzustellen.
Nachdem der Netzwerkanalysator 50 einen gewünschten
Impedanzwert misst, werden die entsprechenden Stichleitungspositionen
fixiert und die Abstimmstichleitung 24 wieder mit dem Eingang
des zu prüfenden
Geräts 30 verbunden.
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Um
die Genauigkeit der Messung zu vergrößern, wird bevorzugt, dass
die Ausgangsimpedanz des geprüften
Geräts
auf 50 Ω transformiert
wird. Wie aus 3 zu sehen ist, wird somit der
Ausgang des zu prüfenden
Geräts 30 mit
dem Eingangsport 1 einer zweiten Abstimmstichleitung 25 verbunden.
Die Transformation der DUT-Ausgangsimpedanz auf 50 Ω hilft dabei,
eine höhere
Genauigkeit zu erreichen, da die Kalibration des Rauschzahlmessgeräts 40 in
der Regel auf die 50 Ω-Impedanz
der Rauschquelle 10 bezogen wird.
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Die
Stichleitungen der Abstimmstichleitung 25 können durch
direktes Messen an dem Ausgang 2 der zweiten Abstimmstichleitung 25 unter
Verwendung des Netzwerkanalysators 50 eingestellt werden,
bis 50 Ω erreicht
sind (4). Danach wird der Ausgang 2 der zweiten
Abstimmstichleitung 25 mit dem Messeingang des Rauschzahlmessgeräts 40 verbunden,
um die NF des geprüften
Geräts
bei dieser bestimmten Eingangsimpedanz zu messen.
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Das
auf die beschriebene Weise erzielte Messergebnis repräsentiert
die Systemrauschzahl, die zusätzlich
zu dem geprüften
Gerät 30 auch
die erste und zweite Abstimmstichleitung 24 und 25 und
zusätzliche Kabel
umfasst, die bei der Kalibration des Rauschzahlmessgeräts 40 nicht
benutzt wurden. Somit muss dieser Wert durch Verwendung der Friis-Formel
mit der bekannten Rauschzahl jeder zusätzlichen Komponente, nämlich der
ersten und zweiten Abstimmstichleitung 24 und 25 und
zusätzlicher
Kabel, korrigiert werden.
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Auf
der Basis der gemessenen Werte können
die Rauschparameter des geprüften
Geräts
bestimmt werden. Die Rauschparameter können dann verwendet werden,
um bestimmte Eigenschaften des geprüften Geräts selbst zu ändern oder
um entsprechende Anpassungsnetzwerke zu entwerfen, die zum Beispiel
am Eingang des geprüften
Geräts
verwendet werden, so dass die Gesamtempfindlichkeitsanforderungen
erfüllt werden
können.
nimmt Gleichung 2) die folgende Form an:
