Netzwerkanalysatoren charakterisieren Hochfrequenzgeräte. Obwohl Netzwerkanalysatoren zu Beginn nur S-Parameter gemessen haben, sind sie inzwischen hochgradig integrierte und fortschrittliche Geräte, die den von ihnen getesteten Geräten immer einen Schritt voraus sind.

Wir erläutern die Grundlagen der Netzwerkanalyse mit einem Netzwerkanalysator und einige der erweiterten Messungen, die Sie mit einem Netzwerkanalysator durchführen können.

Was ist ein Netzwerkanalysator?

Netzwerkanalysatoren charakterisieren Hochfrequenzgeräte. Obwohl Netzwerkanalysatoren zu Beginn nur S-Parameter gemessen haben, sind sie inzwischen hochgradig integrierte und fortschrittliche Geräte, die den von ihnen getesteten Geräten immer einen Schritt voraus sind.

HF-Schaltungen erfordern besondere Testmethoden. Die direkte Messung von Spannung und Strom ist bei hohen Frequenzen schwierig. Daher müssen Komponenten durch ihre Reaktionen auf HF-Signale charakterisiert werden. Netzwerkanalysatoren führen diese Charakterisierungen durch, indem sie bekannte Signale an ein Gerät senden und das Verhältnis zwischen den Ein- und Ausgangssignalen messen.

Ältere Netzwerkanalysatoren messen nur den Betrag. Diese Skalar-Netzwerkanalysatoren messen Rückflussdämpfung, Verstärkung, Stehwellenverhältnis und führen andere auf dem Betrag basierende Messungen durch.

Heute sind die meisten Netzwerkanalysatoren Vektor-Netzwerkanalysatoren, die sowohl den Betrag als auch die Phase messen. Vektor-Netzwerkanalysatoren sind äußerst vielseitige Geräte, die S-Parameter charakterisieren, komplexe Impedanzen anpassen, Zeitbereichsmessungen durchführen und vieles mehr.

Ein Beispiel für einen High-End-Netzwerkanalysator ist der Vektor-Netzwerkanalysator PNA-X.

Dieses Hochpegel-Blockdiagramm einer Messung zeigt ein Signal, das durch den Prüfling (DUT) vom Eingang zum Ausgang geleitet wird. Messungen, die über den Eingang eines Geräts zum Ausgang geleitet werden, werden als Vorwärtsmessungen bezeichnet.

Die Empfänger des Netzwerkanalysators messen die einfallenden, reflektierten und gesendeten Signale, um die Vorwärts-S-Parameter zu berechnen.

Allgemeines Blockdiagramm des Netzwerkanalysators

Wichtige Spezifikationen des Vektor-Netzwerkanalysators

Vektor-Netzwerkanalysatoren sind sowohl Signalgeneratoren als auch -Empfänger und verfügen daher über eine Vielzahl von wichtigen Spezifikationen. In diesem Abschnitt erfahren Sie mehr über die entscheidenden Spezifikationen von Netzwerkanalysatoren.

Obere Frequenzgrenze

Die obere Frequenzgrenze eines VNAs ist die höchste Frequenz, die gemessen werden kann. Die Empfänger eines Netzwerkanalysators enthalten Analog-Digital-Wandler (ADC), die eingehende Signale in ein digitales Format umwandeln. Diese Signale können dann analysiert und angezeigt werden. Der ADC kann hochfrequente Signale nicht umwandeln. Daher müssen einfallende Signale auf die Betriebsfrequenz des ADC abwärtskonvertiert werden. Diese Betriebsfrequenz wird als Zwischenfrequenz (Intermediate Frequency, IF) bezeichnet.

Dynamikbereich

Der Dynamikbereich ist der Leistungsbereich, über den die Reaktion einer Komponente gemessen wird.

Die Abbildung zeigt zwei verschiedene Definitionen des Dynamikbereichs. Der Systemdynamikbereich ist der Wert, der für die Gerätespezifikationen verwendet wird.

  • Der Systemdynamikbereich zeigt die Leistungsfähigkeit des Instruments ohne Verstärker und unter Berücksichtigung der Verstärkung des Messobjekts an. Die maximale Ausgangsleistung des Instruments ist der maximale Leistungspegel, Pref.
  • Der Dynamikbereich des Empfängers entspricht dem Dynamikbereich des Messgeräts mit Leistungsverstärkung. Anstatt die Ausgangsleistung als maximalen Leistungspegel zu verwenden, basiert diese Spezifikation auf der maximalen Leistung, die die Empfänger des Instruments messen können, Pmax.
Definierter Dynamikbereich

Die Abbildung links unten stellt eine Kurve einer Bandpassfilter-S21-Messung dar, die den Dynamikumfang des Instruments zeigt. Die obere Grenze ist flach, die untere Grenze verrauscht. Schauen wir uns nun näher an, was die Form dieser Grenzen bestimmt.

Die obere Grenze des Leistungspegels der Quelle und der Kompressionspunkt des Empfängers bestimmen den maximalen Leistungspegel des Dynamikbereichs.

Die Mischer und Verstärker, aus denen sich der Empfänger zusammensetzt, können eine derartige Leistung nur bis zur Sättigung oder bis zum Erreichen ihrer maximalen Leistung bewältigen. Wenn sich ein Gerät im Sättigungsbereich befindet, liegt zwischen dem Eingang und dem Ausgang keine lineare Beziehung mehr vor.

Die Sättigung eines Verstärkers ist in der Abbildung unten rechts zu sehen. Ab einem Watt Eingangsleistung weicht der tatsächliche Ausgang (rot) vom idealen Ausgang (grün) ab. Dieses Phänomen wird als Kompression bezeichnet. Oberhalb des Kompressionspunkts kann der Empfänger den Ausgang eines Geräts nicht mehr erfassen. Diese Grenze der Eingangsleistung bildet die obere Grenze des Dynamikbereichs.

Dynamikbereich in der Messkurve
Verstärkungskompressionskurve mit der idealen linearen Transferfunktion eines Verstärkers in grün und der tatsächlichen Transferfunktion in rot.

Ausgangsleistung

Die Ausgangsleistung gibt an, wie viel Leistung der Signalgenerator und das Testset des VNAs in das Messobjekt senden können. Sie wird in dBm ausgedrückt und bezieht sich auf eine Impedanz von 50 Ohm, um dem Wellenwiderstand der meisten HF-Übertragungsleitungen zu entsprechen.

Eine hohe Ausgangsleistung ist nützlich, um den Signal-Rausch-Abstand einer Messung zu verbessern oder die Kompressionsgrenze eines Messobjekts zu bestimmen.

Viele aktive Geräte, wie beispielsweise Verstärker, erfordern anspruchsvolle lineare und nichtlineare Hochleistungsmessungen, die die Leistungsgrenzen von Netzwerkanalysatoren überschreiten.

Eigenrauschen

Eigenrauschen ist Rauschen, das Antworten des Messobjekts aufgrund von zufälligem Rauschen im System überlagert wird. Es kann dazu führen, dass das Signal ungleichmäßig oder sogar gestört aussieht.

Das Eigenrauschen wird durch Erhöhung der Prüfleistung, Verringerung der Bandbreite des Empfängers oder durch Mittelung gemindert.

Kalibrierung des Vektor-Netzwerkanalysators

HF-Messungen sind extrem empfindlich. Messkabel, Stecker und Vorrichtungen beeinflussen die Messung. Sie wollen das Messobjekt charakterisieren, nicht das Messobjekt und die Kabel, die es mit dem Netzwerkanalysator verbinden.

Standardmäßig betrachten Netzwerkanalysatoren alles über die Testports hinaus als Messobjekt. Das bedeutet, dass sich die Referenzebene des Netzwerkanalysators an den Testports befindet. Alles, was über die Referenzebene hinausgeht, wird in die Messung einbezogen.

Diese Abbildungen veranschaulichen die Referenzebene vor und nach der Kalibrierung. Vor der Kalibrierung wird alles, was über die Anschlüsse des Netzwerkanalysators hinausgeht, einschließlich Kabel und Stecker, in die Messung einbezogen.

Nach der Kalibrierung hat sich die Referenzebene verschoben, so dass der Netzwerkanalysator die Kabel und Stecker korrigiert und nur das Messobjekt misst. Auf einem sehr hohen Niveau ist die Kalibrierung für Kabel und Stecker analog zum Nullsetzen einer Waage für das Eigengewicht.

Referenzebene vor der Kalibrierung
Referenzebene nach der Kalibrierung

Die beiden gängigsten Kalibriermethoden sind TRL (Thru, Reflect, Line) und SOLT (Short, Open, Load, Thru). Diese Methoden sind Kombinationen aus Impedanz- und Übertragungsmessungen, die zur Charakterisierung der zu kalibrierenden Kabel und Vorrichtungen verwendet werden.

Diese Kalibriertechniken beinhalten die Verbindung von Standards mit bekannten Eigenschaften mit dem Messaufbau anstelle des Messobjekts. Der Netzwerkanalysator kann Korrekturen für Kabel und Steckverbinder vornehmen, indem er die Messwerte mit den Werten der Standards vergleicht.

Traditionell wird die Kalibrierung mit mechanischen Standards durchgeführt. Die Anwender würden jede Verbindung einzeln herstellen und das Gerät eine Messung durchführen lassen. Eine vollständige Zwei-Port-Kalibrierung erfordert sieben mechanische Verbindungen. Dieses Verfahren ist zeitaufwendig und Benutzerfehler sind möglich.

Elektronische Kalibriermodule können die verschiedenen Arten von Lasten mit nur einem Anschluss elektronisch abbilden. Die elektronische Kalibrierung ist schnell, wiederholbar und begrenzt den Verschleiß der Steckverbinder.

Mechanisches Kalibrier-Kit
eCal-Modul

Vektor-Netzwerkanalysatoren und Zubehör

Für genaue Messungen benötigen Sie den richtigen Vektor-Netzwerkanalysator sowie Kabel und Stecker, um Ihr Gerät an das Messobjekt anzuschließen.

Vektor-Netzwerkanalysatoren

Vektor-Netzwerkanalysatoren können einfache S-Parameter-Tools oder auch hochintegrierte Messgeräte sein, die ein ganzes Rack von Geräten ersetzen können. Ob im Außendienst, im Messlabor oder in der Fertigungslinie – es gibt einen Netzwerkanalysator, der die richtige Mischung aus Geschwindigkeit, Leistung und Flexibilität bietet.

Keysight bietet die größte Auswahl an Netzwerkanalysatormodellen und -formfaktoren – vom tragbaren FieldFox bis zum hochintegrierten PNA.

Steckverbinder

Die Verbindungen zwischen Ihrem Gerät und Ihrem Messobjekt sind entscheidend für zuverlässige Messungen. Da HF-Messungen äußerst empfindlich sind, sollten Sie die Spezifikationen Ihrer Steckverbinder berücksichtigen. Steckverbinder zeichnen sich durch drei maßgebliche Spezifikationen aus: Impedanz, Frequenzbereich und Güte.

Die Impedanz und der Frequenzbereich können durch die Leiterabmessungen des Steckverbinders angenähert werden. Die Impedanz ist eine Funktion des Verhältnisses von Innen- und Außenleiterdurchmesser (d und D in der Abbildung). Die Impedanz Ihrer Kabel und Stecker muss zur Minimierung der Reflexion an Ihr Messobjekt angepasst werden.

Der Frequenzbereich bezieht sich auf den Innendurchmesser des Außenleiters (D). Die maximale Frequenz eines Koaxialkabels kann mit der folgenden Formel angenähert werden:

maximale Frequenz (GHz) = 120/D (mm)

Das bedeutet beispielsweise, dass ein 3,5 mm starker Leiter eine maximale Frequenz von etwa 120 / 3,5 = 34 GHz hat. Sie müssen sicherstellen, dass Ihre Hardware die zu prüfende Frequenz bewältigen kann. Bei Millimeterfrequenzen über 30 GHz sind Stecker und Kabel mit kleineren Leitern erforderlich.

Bei der Suche nach Steckverbindern müssen Sie wissen, welches Güte-Niveau für Sie geeignet ist. Die Güte ist ein Maß für den Grad der Exzellenz, mit dem die Steckverbinder hergestellt werden. Es gibt drei Güteklassen: Produktion, Instrument und Metrologie.

  • Produktionsgüte: Diese Steckverbinder, auch bekannt als Universalgüte, sind für Wirtschafts-Anwendungen vorgesehen, bei denen begrenzte Anschlüsse und geringe Wiederholgenauigkeit akzeptabel sind.
  • Instrumentengüte: Diese Steckverbinder sind für Präzisions-Test- und -Messgeräte vorgesehen, bei denen Wiederholgenauigkeit und lange Lebensdauer im Vordergrund stehen.
  • Metrologiegüte: Die Metrologiegüte eignet sich am besten für Kalibrieranwendungen, bei denen höchste Leistung und Wiederholgenauigkeit gefordert sind. Diese Präzisionssteckverbinder bieten ein Höchstmaß an Sicherheit für die Steckverbinderimpedanz.
Bestimmung des Frequenzbereichs

Zubehör für Vektor-Netzwerkanalysatoren

Von Frequenzerweiterungen bis hin zu Testgerätesteuerungen: das Zubehör für Netzwerkanalysatoren kann ein Gerät in eine Komplettlösung verwandeln.

Hardware-Zubehör hilft Ihnen beim:

  • Charakterisieren von dielektrischen Materialien
  • Testen mit Wafer-Vorrichtungen
  • Messen von Hochleistungsverstärkern und -Mischern

und vieles mehr.

Mit einem Vektor-Netzwerkanalysator messen

VNAs sind so vielseitig, dass eine Schritt-für-Schritt-Anleitung für jede Messungsart eine eigene Website erfordern würde. Betrachten wir jedoch die Grundlagen, die für jede Messung gelten.

Schritt 1: Einrichten der Messung

VNAs führen alle Arten von Messungen durch, aber normalerweise müssen Sie eine Art Sweep einrichten. Die wichtigsten Parameter des Sweeps sind Start- und Endfrequenz, Leistung und IF-Bandbreite.

Start- und Endfrequenz

  • Diese Werte bestimmen die Grenzen des Frequenzsweeps.
  • Wählen Sie Werte, die das Verhalten Ihres Geräts vollständig erfassen.
  • Stellen Sie die Mittenfrequenz und den Bereich des Sweeps ein, wenn Sie wissen, wo Ihre Messung zentriert werden soll.

Leistung

  • Dieser Wert bestimmt den Leistungspegel des an das Messobjekt gesendeten Prüfsignals.
  • Verwenden Sie die maximale Ausgangsleistung für passive Geräte, z. B. Filter.
  • Begrenzen Sie die Leistung, um eine Kompression im Messobjekt oder im VNA für aktive Vorrichtungen zu vermeiden.
  • Verbessern Sie den Signal-Rausch-Abstand mit einem höheren Leistungspegel.

IF-Bandbreite

  • Wählen Sie eine Bandbreite, die Ihnen die gewünschte Auflösung bei akzeptabler Geschwindigkeit bietet.
  • Verwenden Sie eine kleinere IF-Bandbreite für eine bessere Messauflösung. Das verursacht jedoch eine langsamere Messgeschwindigkeit.

Schritt 2: Kalibrieren

Die Kalibrierung ist unerlässlich, um genaue Messungen durchzuführen. Sie müssen jedoch zuerst Ihre Messeinrichtung testen.

Arbeitsschritte:

  1. Schließen Sie Ihr Gerät an und führen Sie eine unkalibrierte Messung durch.
  2. Passen Sie Ihren Frequenzbereich und Ihre IF-Bandbreite an, um zu bestätigen, dass Sie alle erforderlichen Werte erfassen können.
  3. Vergewissern Sie sich, dass der Kalibriersatz den gleichen Steckertyp und die gleiche Steckerart wie Ihr Messobjekt hat.
  4. Schließen Sie den Kalibriersatz an Ihre Einrichtung an, um die Kalibrierung durchzuführen.
  5. Nach der Kalibrierung ist alles bereit für den Wiederanschluss Ihres Geräts.
  6. Führen Sie eine Neukalibrierung durch, wenn Sie den Frequenzbereich oder die IF-Bandbreiteneinstellungen ändern.

Tipp: Verwenden Sie Drehmomentschlüssel, um die Verbindungen so herzustellen, dass ein fester Kontakt zwischen den Leitern hergestellt wird, ohne sie zu beschädigen. Drehen Sie nur die Muttern auf die Stecker, um ein Verdrehen der Leiter gegeneinander zu vermeiden.

Schritt 3: Interpretieren der Ergebnisse

VNAs verfügen über viele Software-Tools, die Ihnen bei der Analyse Ihrer Messungen helfen, von 3-dB-Bandbreitenmarkern bis hin zur Zeitbereichsanalyse. Wählen Sie zur Erleichterung Ihrer Analyse die richtige Software und die richtigen Funktionen für Ihre Messung.

Hochintegrierte Netzwerkanalysatoren wie der PNA verfügen über Dutzende von Softwareanwendungen, um anspruchsvolle Messungen durchzuführen - wie nichtlineare Messungen und Charakterisierung aktiver Bausteine.

Anwendungen mit Vektor-Netzwerkanalysatoren

Vektor-Netzwerkanalysatoren sind unglaublich vielseitige Instrumente. Im Folgenden finden Sie eine Auswahl einiger ihrer Anwendungen.

Spektrumanalyse

Die Einbindung der Spektrumanalyse in Ihren Netzwerkanalysator kann Testzeiten erheblich verkürzen, indem die Störsignalsuche beschleunigt, der Wechsel zwischen den Geräten überflüssig gemacht und die Vorteile der Einzelanschluss-Mehrfachmessung (SCCM-Funktion) genutzt werden.

SCCM-Fenster mit einer Mischung aus Spektrumanalyse und Netzwerk-Analysemessungen

Gepulste Messungen

Netzwerkanalysatoren verwenden im Standardbetrieb ein kontinuierliches Wellensignal (CW-Signal). Dies ist zwar für viele Anwendungen nützlich, es gibt jedoch bestimmte Szenarien, in denen ein gepulstes HF-Signal vorzuziehen ist, wie zum Beispiel:

  • Prüfung von Antennen für den gepulsten Betrieb
  • On-Wafer-Messungen, bei denen die Wärme eines CW-Signals ein Problem darstellt.
  • Zeitbereichsreflektometrie (TDR)

Fortschrittliche Netzwerkanalysatoren wie der PNA unterstützen gepulste HF-Messungen für diese Anwendungen und mehr.

Einrichtung des On-Wafer-Tests

Test von aktiven Bausteinen

Moderne HF-Systeme bestehen aus zahlreichen aktiven Bausteinen wie Verstärkern, Mischern und Frequenzumrichtern. Für die Prüfung dieser Art von Bausteinen waren bisher ganze Geräte-Racks erforderlich. Heute sind Netzwerkanalysatoren so ausgereift, dass sie eine aktive Gerätecharakterisierung ohne zusätzliche Hardware durchführen können.

Die Verwendung eines Netzwerkanalysators anstelle eines herkömmlichen HF-Testsystems reduziert die Testzeit erheblich, indem alle Messungen in einem Gerät zusammengefasst werden. Verwenden Sie einen integrierten Netzwerkanalysator wie den PNA für die folgenden Tests:

  • S-Parameter
  • Nichtlineare Parameter (X-Parameter)
  • Verstärkungskompression
  • Intermodulationsverzerrung (IMD)
  • Nebenwellenverzerrungen
  • Rauschzahlmessungen

und vieles mehr.

Anwendungen der Verstärkungskompression

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