Komponenten für die drahtlose Kommunikation /Teil Solbach 1

Komponenten für die drahtlose Kommunikation /Teil Solbach 1. Übungsaufgabe Vergleichen Sie die Übertragungsdämpfung D einer Koaxial‐Leitung mit der einer dielektrischen Leitung und mit einer Funkübertragung, Darstellung von D in dB über d/m. ‐
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Frequenz = 3 GHz Koaxial‐Leitung Semi Rigid 0.25“ mit 35 dB/100m Diel. Leitung mit ß/ß0 = 1.2, tand=10‐4 und Wellentypwandler je 1 dB Verlust Antennen isotrop 2. Übungsaufgabe Berechne die Reichweite eines Funk‐Kommunikationssystems und diskutiere die Konsequenzen bei Verdopplung der Reichweite und bei Erhöhung der Arbeitsfrequenz. 3. Übungsaufgabe Wie groß muss die Empfangsfläche AW einer Antenne für Sat‐TV sein? ‐
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PS = 100 W GS =40 dBi Δf = 5 MHz F = 1 THimmel = 50 K S/N = 40 dB Entfernung d = 36000 km 4. Übungsaufgabe Wie groß sind die Pegelunterschiede an einer Mobilfunk‐Basisstation durch gleiche Mobilteile in 20 m und 2000 m Freiraum‐Entfernung? ‐
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f = 900 MHz isotrope Antennen 5. Übungsaufgabe Zwei Aperturantennen mit je 150 mm Durchmesser sind im Abstand von 10 m aufeinander ausgerichtet und senden / empfangen bei 2,4 GHz. a. Stehen die beiden Antennen im Fernfeld der jeweils anderen Antenne? b. Wie präzise müssen die Antennen aufeinander ausgerichtet werden, damit höchstens 50% der maximal empfangbaren Signal‐Leistung verloren geht? c. Wie groß ist die Übertragungsdämpfung bei optimaler Ausrichtung? d. Wieviel Leistung muss an der Sendeantenne eingespeist werden um an der Empfangsantenne 1 W heraus zu bekommen? 6. Übungsaufgabe Berechnen Sie die Streumatrix einer Streifenleitung der Länge 10 mm bei 3 GHz. Gegeben ist εreff=4 und Leitungsdämpfung 10 dB/m. 7. Übungsaufgabe Ein symmetrisches Dämpfungsglied besteht aus drei Widerständen in Pi‐Konfiguration. Wie groß muß der Widerstand R2 gewählt werden, wenn R1 etwa gleich Zc gewählt wird und die Dämpfung D=60 dB erreichen soll? 8. Übungsaufgabe Die Streumatrix S eines Transistors sei gegeben. Geben Sie unter Annahme der rückwirkungsfreien Näherung s12=0 einfache Anpassungsschaltungen für Ein‐ und Ausgangsseite des Transistors an und bestimmen Sie den Zweitorgewinn bei Anpassung. S = °
0,5
2
0,5
0,5
°
9. Übungsaufgabe Zwei Verstärker können mit Hilfe von sogen. Branch Line – Kopplern zusammengeschaltet werden, siehe Buch „Hochfrequenztechnik“, Band 1, Kapitel 6.3. a. Leiten Sie die Funktion des Kopplers mit Hilfe der Leitungsgleichungen ab und entwickeln Sie daraus die Streumatrix des 4‐Tores. b. Beschreiben Sie die Funktion der Zusammenschaltung von zwei Verstärkern an den Ausgängen des Branch Line – Kopplers mit Hilfe der Signalflüsse c. Wie wirken sich unterschiedliche Verstärkungsfaktoren der beiden Verstärker aus? 10. Übungsaufgabe (nicht in SS 2011) Der Transistor NE5520279 wird benutzt um einen Leistungsverstärker für GSM Mobiltelefone zu entwerfen. Das Datenblatt kann bei California Eastern Laboratories (CEL) im WWW gefunden werden. a. Betrachten Sie die S‐Parameter des Transistors bei 100 MHz und schätzen Sie damit die Eingangs‐ und Ausgangsimpedanz bzw. Admittanz ab sowie die Steilheit (Transconductance) des Transistors. b. Betrachten Sie den Transistor bei 700 MHz und zeichnen Sie den Stabilitätskreis am Eingang in ein Smith Chart; welche Generator‐Reflexionsfaktoren ergeben potentielle Instabilität? c. Bei 2,4GHz ist der Transistor absolut stabil und kann konjugiert komplex angepasst werden. Nehmen Sie die rückwirkungsfreie Näherung an und bestimmen Sie die Generator‐ und Last‐
Reflexionsfaktoren für Anpassung und bestimmen Sie den Gesamtgewinn des Verstärkers als Produkt aus Eingangs‐ und Ausgangs‐Anpassungsgewinn sowie Transmissionsfaktor‐Quadrat (S12**2). d. Entwerfen Sie für 2,4 GHz eine Anpass‐Schaltung für die Eingangsseite des Transistors, wenn der Generator einen Innenwiderstand von 50 Ohm aufweist. 11. Übungsaufgabe Mit einer Zweiton‐Messung wurde die Linearität eines Verstärkers untersucht. Die Übertragungscharakteristik der ersten Harmonischen und die Intermodulationscharakteristik sind im Bild dargestellt. Die Verstärker‐Bandbreite beträgt 1 MHz, die Rauschzahl ist 10 dB. (a) Bestimme die Verstärkung G, den 1 dB‐Kompressionspunkt und den Intercept‐Punkt dritter Ordnung bezogen auf den Eingang. (b) Bestimme den Spurious Free Dynamic Range (c) Um viel dB muss ein Zweiton‐Signal (2 x 0,1 mW) gedämpft werden, damit der Intermodulationsabstand auf 60 dB ansteigt? 12. Übungsaufgabe Ein Mobilteil #2 empfängt das Signal einer Basis‐Station #1 in 3000m Entfernung auf der Downlink‐
Frequenz f1. In geringem Abstand d32=d42=10 m in einem Nachbar‐Raum senden gleichzeitig zwei weitere Mobilteile #3 und #4 auf den Uplink‐Frequenzen f3 und f4. Die Basis‐Station sendet mit 20 W während die Mobilteile mit 2 W senden. Die Downlink‐Strecke zwischen Basis‐Station und Mobilteil #2 erfährt eine Zusatzdämpfung von 10 dB wegen Mehrwege‐Ausbreitung während für die Strecke zwischen den Mobilteilen #3 und #4 auf der einen Seite und dem Mobilteil #2 nur eine Zusatzdämpfung der Raumwand mit 3 dB angenommen werden muss . Alle Antennen sollen als isotrope Strahler angenommen werden. Die Downlink‐Frequenz ist f1 = 1 GHz, die Uplink‐Frequenzen sind f3 = 1,01 GHz und f4 = 1,02 GHz. a) Berechnen Sie die Übertragungsdämpfung zwischen Basis‐Station und Mobilteil Nr.2 und die Übertragungsdämpfung zwischen den Mobilteilen #3 und #4 zu Mobilteil #2 (Näherung: λ =30 cm für alle gleich). b) Berechnen Sie die Empfangsleistungen P2 in am Eingang von Mobilteil #2 bei den drei Frequenzen in dBm. c) Berechnen Sie das Output Signal‐zu‐Rausch‐Leistungsverhältnis S/N am Ausgang des Mobilteils bzgl. des Signals der Basis‐Station. d) Tragen Sie die Empfangsleistungspegel der drei Empfangssignale in das Diagramm aus Aufgabe 11 ein und bestimmen Sie die Pegel P2 out des Signals der Basis‐Station sowie der Intermodulationsprodukte dritter Ordnung am Ausgang von Mobilteil #2. e) Welche Produkte erster und dritter Ordnung treten insgesamt am Ausgang des Empfängers auf (Frequenzen)? Welche Signale stören die Kommunikation von Mobilteil #2 mit der Basis‐Station und wie groß ist das Verhältnis von Nutzsignal‐Leistung (von der Basis‐Station) und der Stör‐
Leistung (d.h., was ist das Signal to Interferer Ratio)? Wie könnte die Empfangsqualität verbessert werden? 13. Übungsaufgabe Eine Mischer‐Schaltung benutzt einen FET als gesteuerten Schalter der mit der Pumpfrequenz fp am Gate durchgeschaltet wird. Das Ersatzschaltbild des Transistors im offenen Zustand entspricht einem Leerlauf und im geschalteten Zustand dem (Kanal‐) Leitwert von 1/25Ω. (a) Bestimme die Konversionsmatrix der Schaltung (b) Bestimme den Konversionsverlust der Schaltung 14. Übungsaufgabe Eine Breitband‐Mischerschaltung (ohne Filter) besteht aus einem idealen Schalter, der das Signal im Takt der Pumpspannung auf einen Lastwiderstand schaltet. Die Eintakt‐Anordnung benutzt einen Ein‐
Aus‐Schalter, die Gegentakt‐Anordnung zwei Umschalter: (a) Bestimmen Sie die Spannung am Lastwiderstand UL(t) als Funktion der Generatorspannung Uq für beide Schaltungen. (b) Geben Sie den Einfügungsgewinn an für die Frequenzumsetzung in die Zwischenfrequenz an. (c) Wie groß muss RL gewählt werden für Anpassung des Generators? (d) Wie könnte ein Gegentakt‐Mischer realisiert werden? 15. Übungsaufgabe Ein FET wird als Colpitts‐Oszillator betrieben. Das Ersatzschaltbild des FET werde idealisiert durch Vernachlässigung der Ein‐ und Ausgangsadmittanzen.
(a) Bestimmen Sie die Eingangsimpedanz der Schaltung Zin an den Klemmen A‐B. (b) Ergänzen Sie die Schaltung zum Colpitts‐Oszillator und bestimmen Sie die Größen der frequenzbestimmenden Elemente für eine Schwingfrequenz von 100 MHz. 16. Übungsaufgabe Führen Sie Abschätzungen durch für die Abmessungen von Antennen zum Betrieb bei 1 GHz und 10 GHz: Dipol, Monopol, Loop, Patch, PIFA.