Applikationen

LoRa-Funkmodul

LoRa-Funkmodul

LoRa-FunkmodulLoRa-Funkmodul

RF-Frontend hat ein neues Universal-Funkmodul auf der Basis der LoRa®-Funktechnik entwickelt, mit dem Sie die Eignung dieser Technologie für Ihre Anwendung untersuchen können.

Das Funkmodul verfügt über einen eigenen Mikrocontroller, der sowohl das Funkprotokoll implementiert als auch umfangreiche Schnittstellen bereitstellt, sowie einen Zweiband LoRa® Transceiver. Es kann sowohl autark als auch in einer bestehenden Schaltung als Aufsteckmodul betrieben werden.

Das Modul wird wahlweise über eine eigene Batterie, mit einer externen Spannungsquelle oder über die integrierte USB-Buchse mit Spannung versorgt.

Durch die Zweibandauslegung ist es möglich, im Störungsfall das Band zu wechseln. Dies erhöht die Störsicherheit eines solchen Funksystems deutlich.

Mögliche Anwendungen sind:

  • Haus- und Gebäudeautomatisierung
  • Automatisiertes Auslesen von Verbrauchszählern
  • Drahtlose Alarmsysteme
  • Industrielle Datenerfassung und Steuerung
  • Weitflächige, technische Anlagen wie Bewässerungssysteme, Solaranlagen oder Windparks

Für den Antennenanschluss sind zwei SMA-Buchsen vorgesehen; standardmäßig wird das Modul mit zwei Stabantennen ausgeliefert. Kundenspezifische Antennenlösungen bieten wir gerne auf Anfrage an.

Die Datenübertragung erfolgt in einem speziellen, optimierten Funkprotokoll.

Das System kann flexibel um kundenspezifische Funktionen ergänzt werden.

ARM Cortex-M Programmierung

ARM Cortex-M Programmierung, STM32

18 Kanal AD Wandler mit ARM Cortex M4
18 Kanal AD Wandler mit ARM Cortex M4

Basierend auf dem ARM® Cortex® Mikrocontroller (STM32 Cortex M4) bieten wir eine flexible Lösung für verschiedenste Sensoraplikationen. Signalkonditionierung, Auslesen, Filtern und Aufbereitung der Messwerte erfolgen auf einem Board. Die Software kann den entsprechenden Messanforderungen angepasst werden.


Das System stellt 18 Eingänge bereit. Hierbei besteht die Möglichkeit 3 Eingänge simultan und phasengleich abzutasten. Dies wird durch die Verwendung von 3 ADCs ermöglicht, die jeweils 2,4 MSPS bei 12 Bit Auflösung liefern. Entstandene Daten werden direkt per DMA in den Hauptspeicher transferiert, um weiter verarbeitet zu werden.

Die DSP Funktionalität befindet sich ebenfalls auf der Cortex® MCU und beinhaltet Funktionen wie FFT, FIR und IIR-Filter, sowie weitere mathematische Funktionen. Es stehen UART, SPI und eine Ethernet Schnittstelle zur Verfügung mit der externe Bausteine konfiguriert, sowie die verarbeiteten Daten ausgegeben werden können.

LTE-Bandpassfilter für den Laborbetrieb

LTE-Bandpassfilter für den Laborbetrieb

Insbesondere in ländlichen Gegenden oder unter schwierigen Empfangsbedingungen ist für eine stabile Mobilfunkverbindung eine Regenerierung der schwachen Mobilfunksignale erforderlich. Dazu werden oft Zwei-Weg-Verstärker (Up- und Downlink), auch Repeater, Kompensator oder Booster genannt, als Relaisstationen eingesetzt.

In FCC Part 20.21 ist eine Reihe von Anforderungen für diese Geräte festgelegt, die Interferenzen zu anderen Drahtlos-Netzwerken minimieren sollen. Einige dieser Messungen erfordern eine Frequenzbegrenzung mittels Bandpass-Filter und/oder Bandsperr-Filter um das spezifizierte Meßsignal in Anwesenheit eines (starken) Stör- oder Nutzsignals messen zu können.

Typischerweise werden hierfür einstellbare Filter, basierend auf gekoppelten, abstimmbaren Hohlraumresonatoren, verwendet. Diese Filter sind unhandlich, teuer und erfordern einen nicht vernachlässigbaren zeitlichen Aufwand sowie entsprechendes Messequipment für den Abgleich auf den gewünschten Frequenzbereich und die erforderliche Filtercharakteristik.

Für den Test z.B. der Schwingneigung eines Verstärkers oder Boosters (§20.21(e)(8)(ii)(A) Anti-Oscillation) wird typischerweise ein Aufbau wie in Abb.1 verwendet.

Filter Application
Abb. 1: Messaufbau zur Erfassung der Schwingneigung von Testobjekten

 

Für die CETECOM Essen wurde ein Satz hochwertiger Messfilter als günstige, robuste und einfach verwendbare Alternative im Labor für die Entwicklungsphase der Geräte entwickelt (Abb. 2). Die Frequenzen umfassen die in Tab. 1 aufgeführten Frequenzbereiche.

Set of filters
Abb. 2: Satz Messfilter im Aluminiumgehäuse

 

Band Uplink Downlink
2 1850 MHz – 1910 MHz 1930 MHz – 1990 MHz
4 1710 MHz - 1755 MHz 2110 MHz - 2155 MHz
5 824 MHz - 849 MHz 869 MHz - 894 MHz
12 699 MHz - 716 MHz 729 MHz - 746 MHz
13 777 MHz - 787 MHz 746 MHz - 756 MHz

Tab. 1: Frequenztabelle für LTE-Bandpassfilter

 

Die Filtercharakteristik und die maximale Eingangsleistung variiert in Abhängigkeit der verwendeten Bausteine. Für die bei den Tests zur Schwingneigung benötigten Eingangsleistungen werden SAW-Duplexer von Murata eingesetzt, die für eine Eingangsleistung von +29 dBm spezifiziert sind. Der nicht genutzte Anschluss des Duplexers ist dabei mit 50 Ohm abgeschlossen.
Für den problemlosen Einsatz im Labor sind diese Filter in ein stabiles Aluminiumgehäuse eingebaut. SMA-Konnektoren an zwei gegenüberliegenden Gehäuseseiten erlauben den einfachen Wechsel des Filters und somit die schnelle Adaption auf den jeweils benötigten Frequenzbereich. Eine abriebresistente, gefräste Bezeichnung des Filters auf dem Gehäusedeckel erlaubt auch nach jahrelangem Gebrauch eine eindeutige Identifikation des Filters.
Bei Bedarf können auch Filter und Duplexer für andere Frequenzbereiche kurzfristig realisiert werden.
Die Filter können einzeln oder im kompletten Satz bei der CETECOM oder über uns bezogen werden.

PCB-Prototypen

Leiterplatten Prototypen

Leiterplatte mit Lötstopplack
Leiterplatte mit Lötstopplack

Im hauseigenen PCB-Prototypenlabor können innerhalb weniger Stunden Multilayer PCBs mit galvanischen Durchkontaktierungen erstellt werden. Die Oberflächen sind für eine gute Langzeitstabilität standardmäßig vergoldet. Die Goldoberfläche kann für Wire-Bonding verwendet werden.

Bei der Wahl des Leiterplattenmaterials sind wir weitestgehend frei. Die Materialien werden von uns mit einer lichtempfindlichen Schicht versehen und dann prozessiert. Es sind auch Mischaufbauten mit verschiedenen Substraten möglich, z.B. Rogers kombiniert mit FR4.

Leiterplatte mit Lötstopplack und SMD Bestückung
Leiterplatte mit Lötstopplack und SMD Bestückung

Prototypen werden oft aus dem später in der Serie verwendeten Substrat gebaut; dies vermeidet das ansonsten unvermeidliche Nachtunen der Hochfrequenzschaltung bei Verwendung eines anderen Leiterplattenmaterials.

Falls gewünscht können die Boards auch mit einem handelsüblichen Lötstopplack versehen werden.

Die Layoutdaten werden entweder mit unseren eigenen Layout Tools erstellt (Altium Designer, Eagle), oder es können auch Gerber bzw. DXF- Daten vom Kunden verarbeitet werden.

Die erzielbaren Aufbaugenauigkeiten sind mit denen von Volumenherstellern vergleichbar.

RF-Heating, Treiberverstärker

Treiberverstärker für RF-Heating Anwendungen, 10 Watt bei 915MHZ

PA 915MHz, 10W
Treiberverstärker 915MHz, 10W

CW fähiger Treiberverstärker für 915MHz, Ausgangsleistung 10W

HF-Stecker-Platinenübergänge

HF-Stecker-Platinenübergänge

CST-Simulation Coaxial-Stripline Übergang
CST-Simulation Coaxial-Stripline Übergang

Übergänge von Coaxialverbindern wie z.B. SMA, SMB, MCX oder N-Steckern zu einer Microstrip- oder Stripline müssen mit geringen Anpassungsverlusten entworfen werden.

Oftmals ist es notwendig, durch eine Feldsimulation des Übergangs den Aufbau bzw. das Layout zu optimieren. Dies geschieht typischerweise durch eine CST-Simulation.

Da der Übergang auch mechanisch beansprucht wird, muss die mechanische Verbindung des Steckers bzw. der Buchse entsprechend robust ausgeführt werden.

Gewöhnlich werden zunächst Testplatinen erstellt, auf diesen erfolgt die Verifikation und Optimierung im Zeit- und Frequenzbereich (TDR-Messtechnik, S-Parameter Messtechnik). Messungen bis 40 GHz bzw. 25ps Zeitauflösung können im Hause durchgeführt werden.

SMA-Stripline Übergang
SMA-Stripline Übergang

Das nebenstehende Bild zeigt die Ausführung eines SMA-Stripline Übergangs. Für eine gute, mechanische Stabilität ist der Stecker rundum mit dem PCB verlötet.

Gemessene Anpassung des SMA-Stripline Übergangs
Gemessene Anpassung des SMA-Stripline Übergangs

Die Messwerte zeigen eine Anpassung besser 20dB bis über 12GHz, besser 25dB wird bis 10GHz sicher erreicht, und dies mit einem preiswertem Standardstecker!

Gemessene Impedanz des SMA-Stripline-Übergangs
Gemessene Impedanz des SMA-Stripline-Übergangs

Die Abweichung in der Impedanz von der Zielimpedanz 50 Ohm ist kleiner 2 Ohm. Damit ist der Steckerübergang auch für anspruchsvollere Messanwendungen geeignet. Grundsätzlich kann in ähnlicher Art und Weise auch ein guter SMA-Microstrip Übergang erreicht werden.

Automotive Ethernet (BroadR-Reach)

Automotive Ethernet (BroadR-Reach)

Datenübertragung mittels BroadR-Reach-Automobil-Ethernet-Standardim Automobil hat andere Anforderungen im Vergleich zu Standard 100BASE-TX Ethernet. Dazu wurden die Standards 100BaseT1 und 1000BaseT1 geschaffen. Obwohl dies Standards zur digitalen Datenübertragung sind, erfordert die Umsetzung in Komponenten detaillierte Kenntnisse der Hochfrequenztechnik. Wichtige Parameter des Standards sind typische Hochfrequenzeigenschaften wie Anpassung und Überkopplung. Da die Übertragung zur Verminderung der Störempfindlichkeit differentiell erfolgt, ist weiterhin die Modenkonversion von Komponenten ein wichtiger und auch kritischer Parameter.

Die Eigenschaften werden teilweise auch durch TDR Messungen spezifiziert.

Evaluation Boards für Automotive Ethernet Konnektoren
Evaluation Boards für Automotive Ethernet Konnektoren

RF-Frontend hat viel Erfahrung in der Entwicklung von Komponenten für die Automotive Ethernet Standards. Differentielle Messungen können im Zeit- und Frequenzbereich durchgeführt werden. Komponenten können dabei mit Anstiegszeiten von 25ps vermessen werden.

Gemessene Modenkonversion eines Evaluation Boards für Automotive Ethernet Konnektoren
Gemessene Modenkonversion eines Evaluation Boards für Automotive
Ethernet Konnektoren

Die nebenstehende Abbildung zeigt die gemessene Reflexion des Gleichtaktsignals bei Anregung mit einem Gegentaktsignal (Modenkonversion). Um die gemessenen, sehr niedrigen Werte der Modenkonversion, zu erzielen ist eine sehr symmetrische Auslegung der Signalführung wichtig. Auch an die Messtechnik werden dabei besondere Anforderungen gestellt; schon die Phasenveränderung einfacher Messkabel führt dazu, dass die Messwerte außerhalb der Spezifikation liegen können.

Gemessene Anpassung eines Evaluation Boards für Automotive Ethernet Konnektoren.
Gemessene Anpassung eines Evaluation Boards für Automotive
Ethernet Konnektoren.

Nebenstehend die gemessene Anpassung des Gegentaktsignals. Neben dem angepassten Design aller Microstrip oder Stripline Leitungen auf der Platine ist auch eine reflexionsarme Auslegung der Übergänge zu den Konnektoren und den twisted-pair Kabeln notwendig.

TDR Messung (Impedanz über Zeit/Distanz) eines Evaluation Boards für Automotive Ethernet Konnektoren
TDR Messung (Impedanz über Zeit/Distanz) eines Evaluation Boards für
Automotive Ethernet Konnektoren

Die Messung der Anpassung im Zeitbereich geschieht durch eine TDR-Messung. Hier wird ein Gegentakt-Sprung an die Schaltung angelegt, die Reflexion über Zeit gemessen und in eine Impedanz umgerechnet. Diese Art der Messung hat den Vorteil, dass die einzelnen Reflexionen zeitlich und räumlich aufgelöst werden.

Gemessene Überkopplung eines Gegentaktsignals auf eine benachbarte differentielle Leitung (NEXT/FEXT)
Gemessene Überkopplung eines Gegentaktsignals auf eine benachbarte
differentielle Leitung (NEXT/FEXT)

Die Abbildung links zeigt die gemessene Überkopplung eines Gegentaktsignals auf eine benachbarte differentielle Leitung. Diese Art der Überkopplung wird als NEXT (Near-End-Cross-Talk) beziehungsweise FEXT (Far-End-Cross-Talk) bezeichnet. Für diese Messung ist ein Netzwerkanalysator mit 2 differentiellen Toren beziehungsweise ein 4-Tor NWA erforderlich.

Automotive ethernet, power over dataline (PoDL)

Automotive ethernet, power over dataline (PoDL)

3D Darstellung des 100BaseT1 DEVB (PoDL)
3D Darstellung des 100BaseT1 DEVB (PoDL)

Im Bereich der Anbindung von Endgeräten an das Internet über Ethernet wird teilweise die elektrische Versorgung zentral vom Switch über PoE realisiert. Dadurch vermeidet man viele dezentrale Netzteile.

Insbesondere bei der Datenübertragung im Automobil über die verwandten Standards 100BaseT1 und 1000BaseT1 ist eine Übertragung der Versorgungsleistung über die Signalleitungen sinnvoll. Dadurch werden separate Versorgungsleitungen vermieden und letztendlich Gewicht eingespart.

RF-Frontend hat dazu ein Evalautions Board aufgebaut, dass eine Umsetzung von Standard Ethernet 100BaseT zum Automobil Standard 100BaseT1 realisiert und gleichzeitig eine Leistungseinkopplung in den 100BaseT1 Pfad ermöglicht. Abbildung 1 zeigt eine 3D Darstellung des entsprechenden Boards. Die relevanten Parameter des 100BaseT1 Standards werden dabei mit genügender Reserve eingehalten. Abbildung 2 zeigt zwei wichtige Messungen.

Messergebnisse

Die nachfolgende Abbildung zeigt die Modenkonversion und Anpassung des 100BaseT1 PoDL Evaluation Boards:

Modenkonversion und Anpassung des 100BaseT1 PoDL Evaluation Board
Modenkonversion und Anpassung des 100BaseT1 PoDL Evaluation Board

Test des PoDL Boards mit Daten

Zwei dieser Evaluation Baugruppen können in eine Standard Ethernet Leitung eingeschleift werden. um die Datenübertragung zu prüfen. Dabei kann ein Gleichstrom von 500mA übertragen werden; der Gleichtromwiderstand liegt unter 2Ohm. Die nachfolgende Abbildung zeigt einen entsprechenden Test.

Höhere Ströme bis hin zu 2 Ampere sind möglich und wurden im Laboraufbau auch schon gezeigt.

Test des 100BaseT1 PoDL Evaluation Board. Die Datenübertragung des Laptops erfolgt über die beiden DEVBs und ein 100Base-T1 Kabel
Test des 100BaseT1 PoDL Evaluation Board. Die Datenübertragung des
Laptops erfolgt über die beiden DEVBs und ein 100Base-T1 Kabel