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Netzwerkanalyse
Beherrschen Sie die Grundlagen der Netzwerkanalyse und finden Sie das nötige Fachwissen für fortgeschrittene Anwendungen
Netzwerkanalysatoren charakterisieren Hochfrequenzgeräte (RF). Obwohl sie anfangs nur S-Parameter gemessen haben, sind Netzwerkanalysatoren heute hoch integriert und fortschrittlich, um den Geräten, die sie testen, voraus zu sein.
Wir werden die Grundlagen der Netzwerkanalyse, die Verwendung eines Netzwerkanalysators und einige der fortgeschrittenen Messungen, die Sie mit einem Netzwerkanalysator durchführen können, besprechen.
Was ist ein Netzwerkanalysator?
Netzwerkanalysatoren charakterisieren Hochfrequenzgeräte (RF). Obwohl sie anfangs nur S-Parameter gemessen haben, sind Netzwerkanalysatoren heute hoch integriert und fortschrittlich, um den Geräten, die sie testen, voraus zu sein.
HF-Schaltungen erfordern besondere Prüfmethoden. Spannung und Strom lassen sich bei hohen Frequenzen nur schwer direkt messen, daher müssen die Komponenten durch ihre Reaktion auf HF-Signale charakterisiert werden. Netzwerkanalysatoren nehmen diese Charakterisierung vor, indem sie bekannte Signale in ein Gerät senden und das Verhältnis zwischen den Eingangs- und Ausgangssignalen messen.
Frühe Netzwerkanalysatoren messen nur den Betrag. Diese skalaren Netzwerkanalysatoren messen die Rückflussdämpfung, die Verstärkung, das Stehwellenverhältnis und andere betragsbasierte Messungen.
Die meisten Netzwerkanalysatoren sind heute vektorielle Netzwerkanalysatoren, die sowohl den Betrag als auch die Phase messen. Vektornetzwerkanalysatoren sind äußerst vielseitige Instrumente, die S-Parameter charakterisieren, komplexe Impedanzen anpassen, Messungen im Zeitbereich durchführen und vieles mehr.
Dieses Blockdiagramm einer Messung auf hoher Ebene zeigt ein Signal, das durch das zu prüfende Gerät (DUT) vom Eingang zum Ausgang geschickt wird. Messungen, die durch den Eingang eines Geräts zum Ausgang führen, werden als Vorwärtsmessungen bezeichnet.
Die Empfänger des Netzwerkanalysators messen die einfallenden, reflektierten und übertragenen Signale, um die Vorwärts-S-Parameter zu berechnen.
Wichtigste Spezifikationen des Vektornetzwerkanalysators
Vektorielle Netzwerkanalysatoren sind sowohl Signalgeneratoren als auch -empfänger und haben daher eine große Anzahl von notwendigen Spezifikationen. In diesem Abschnitt werden Sie einige der wichtigsten Spezifikationen von Netzwerkanalysatoren kennenlernen.
Maximale Frequenz
Die maximale Frequenz eines VNA ist die höchste Frequenz, die er messen kann. Die Empfänger von Netzwerkanalysatoren enthalten Analog-Digital-Wandler (ADC), die eingehende Signale in ein digitales Format umwandeln. Diese Signale können dann analysiert und angezeigt werden. Der ADC kann keine Signale mit Funkfrequenzen umwandeln, daher müssen die eingehenden Signale auf die Betriebsfrequenz des ADC heruntergewandelt werden. Diese Betriebsfrequenz wird als Zwischenfrequenz (IF) bezeichnet.
Dynamischer Bereich
Der Dynamikbereich ist der Leistungsbereich, in dem die Reaktion eines Bauteils gemessen wird.
Die Abbildung zeigt zwei verschiedene Arten der Definition des Dynamikbereichs. Der Systemdynamikbereich ist der Wert, der für Gerätespezifikationen verwendet wird.
- Der Systemdynamikbereich gibt die Leistungsfähigkeit des Instruments ohne Booster-Verstärker und unter Berücksichtigung der DUT-Verstärkung an. Die maximale Ausgangsleistung des Instruments ist der maximale Leistungspegel, Pref.
- Der Empfängerdynamikbereich ist der Dynamikbereich des Instruments 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.
Die linke Abbildung unten zeigt den Verlauf einer Messung des Bandpassfilters S21. Angezeigt Der Dynamikbereich des Instruments. Die obere Grenze ist flach, die untere Grenze verrauscht. Betrachten wir, was die Form dieser Grenzen bestimmt.
Die Obergrenze des Leistungspegels der Quelle und der Kompressionspunkt des Empfängers bestimmen den maximalen Leistungspegel des Dynamikbereichs.
Die Mischer und Verstärker, aus denen der Empfänger besteht, können nur eine bestimmte Leistung verarbeiten, bevor sie in die Sättigung gehen bzw. ihre maximale Ausgangsleistung erreichen. Wenn sich ein Gerät im Sättigungsbereich befindet, besteht keine lineare Beziehung mehr zwischen dem Eingang und dem Ausgang.
Die Sättigung eines Verstärkers ist in der Abbildung unten rechts zu sehen. Ab einer Eingangsleistung von einem Watt weicht die tatsächliche Leistung (rot) von der idealen Leistung (grün) ab. Dieses Phänomen wird als Kompression bezeichnet. Der Empfänger kann keine Geräteleistung oberhalb des Kompressionspunkts des Empfängers erfassen. Diese Grenze der Eingangsleistung bildet die obere Grenze des Dynamikbereichs.
Ausgangsleistung
Die Ausgangsleistung gibt an, wie viel Leistung der Signalgenerator und das Prüfgerät des VNA an den Prüfling senden können. Sie wird in dBm ausgedrückt und bezieht sich auf eine 50-Ohm-Impedanz, die der charakteristischen Impedanz der meisten HF-Übertragungsleitungen entspricht.
Eine hohe Ausgangsleistung ist nützlich, um das Signal-Rausch-Verhältnis einer Messung zu verbessern oder um die Kompressionsgrenze eines Prüflings zu bestimmen.
Viele aktive Geräte, wie z. B. Verstärker, erfordern anspruchsvolle lineare und nichtlineare Messungen hoher Leistung, die die Leistungsgrenzen von Netzwerkanalysatoren überschreiten.
Geräuschspur
Spurenrauschen ist ein Rauschen, das den Antworten des Prüflings aufgrund von Zufallsrauschen im System überlagert wird. Es kann dazu führen, dass das Signal nicht glatt oder sogar zittrig aussieht.
Das Spurenrauschen wird durch Erhöhung der Prüfleistung, Verringerung der Bandbreite des Empfängers oder durch Mittelwertbildung gemindert.
Kalibrierung von Vektornetzwerkanalysatoren
HF-Messungen sind extrem empfindlich. Prüfkabel, Steckverbinder und Halterungen beeinflussen die Messung. Sie wollen den Prüfling charakterisieren, nicht den Prüfling und die Kabel, die ihn mit dem Netzwerkanalysator verbinden.
Standardmäßig betrachten Netzwerkanalysatoren den Prüfling als alles, was sich jenseits der Prüfanschlüsse befindet. Diese Berücksichtigung bedeutet, dass sich die Referenzebene des Netzwerkanalysators an den Messanschlüssen befindet. Alles, was jenseits der Referenzebene liegt, wird in die Messung einbezogen.
Diese Abbildungen zeigen die Referenzebene vor und nach der Kalibrierung. Vor der Kalibrierung wird alles, was über die Anschlüsse des Netzwerkanalysators hinausgeht, einschließlich Kabel und Anschlüsse, in die Messung einbezogen.
Nach der Kalibrierung hat sich die Referenzebene verschoben, so dass der Netzwerkanalysator die Kabel und Steckverbinder korrigiert und nur noch den Prüfling misst. Auf einer sehr hohen Ebene ist die Kalibrierung von Kabeln und Steckverbindern vergleichbar mit der Nullstellung einer Waage für das Taragewicht.
Die beiden gebräuchlichsten Kalibrierungsmethoden sind Thru, Reflect, Line (TRL) und Short, Open, Load, Thru (SOLT). Bei diesen Methoden handelt es sich um verschiedene Kombinationen von Impedanz- und Transmissionsmessungen, die zur Charakterisierung der Kabel und Vorrichtungen für die Kalibrierung verwendet werden.
Bei diesen Kalibrierverfahren werden Standards mit bekannten Eigenschaften anstelle des Prüflings an den Messaufbau angeschlossen. 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 Bediener stellen jede Verbindung einzeln her und lassen das Gerät eine Messung durchführen. Für eine vollständige Kalibrierung mit zwei Anschlüssen sind sieben mechanische Verbindungen erforderlich. Dieser Prozess ist zeitaufwändig und birgt die Gefahr von Bedienungsfehlern.
Elektronische Kalibrierungsmodule können die verschiedenen Lasttypen mit nur einem Anschluss elektronisch nachbilden. Die elektronische Kalibrierung ist schnell, wiederholbar und begrenzt den Verschleiß der Anschlüsse.
Vektornetzwerkanalysatoren und Zubehör
Um genaue Messungen durchführen zu können, benötigen Sie den richtigen Vektor-Netzwerkanalysator sowie Kabel und Stecker, um Ihr Gerät mit dem Messobjekt zu verbinden.
Vektorielle Netzwerk-Analysatoren
Vektornetzwerkanalysatoren reichen von einfachen S-Parameter-Tools bis hin zu hochintegrierten Geräten, die ein ganzes Rack ersetzen können. Ob im Feld, im Messlabor oder in der Produktionslinie - es gibt einen Netzwerkanalysator, der die richtige Mischung aus Geschwindigkeit, Leistung und Flexibilität bietet.
Keysight bietet die breiteste Palette an Netzwerkanalysatormodellen und Formfaktoren - vom tragbaren FieldFox bis hin zum hochintegrierten PNA.
Steckverbinder
Die Verbindungen zwischen Ihrem Messgerät und Ihrem Prüfling sind entscheidend für zuverlässige Messungen. Da HF-Messungen so empfindlich sind, sollten Sie unbedingt auf die Spezifikationen Ihrer Steckverbinder achten. Steckverbinder werden durch drei Hauptspezifikationen charakterisiert: charakteristische Impedanz, Frequenzbereich und Qualität.
Die charakteristische Impedanz und der Frequenzbereich können durch die Leiterabmessungen des Steckverbinders angenähert werden. Die charakteristische Impedanz ist eine Funktion des Verhältnisses zwischen dem inneren und dem äußeren Leiterdurchmesser (d bzw. D in der Abbildung). Es ist wichtig, den Wellenwiderstand Ihrer Kabel und Steckverbinder auf Ihr Messobjekt abzustimmen, um die Reflexion zu minimieren.
Der Frequenzbereich hängt mit dem Innendurchmesser des Außenleiters (D) zusammen. Die maximale Frequenz eines Koaxialkabels kann mit der folgenden Formel angenähert werden:
Höchstfrequenz (GHz) = 120/D (mm)
Das bedeutet zum Beispiel, dass ein 3,5-mm-Leiter eine Höchstfrequenz von etwa 120 / 3,5 = 34 GHz hat. Sie müssen sich vergewissern, dass Ihre Hardware die zu prüfende Frequenz verarbeiten kann. Millimeterfrequenzen über 30 GHz erfordern Steckverbinder und Kabel mit kleineren Leitern.
Wenn Sie nach Steckverbindern suchen, müssen Sie wissen, welche Qualitätsstufe für Sie geeignet ist. Qualität ist ein Maß für den Grad der Exzellenz, mit dem die Steckverbinder hergestellt werden. Es gibt drei Qualitätsstufen: Produktions-, Geräte- und Messtechnik.
- Produktionsqualität: Diese Steckverbinder werden auch als "General Purpose Grade" bezeichnet und sind für wirtschaftliche Anwendungen gedacht, bei denen begrenzte Verbindungen und eine geringe Wiederholgenauigkeit akzeptabel sind.
- Instrument Grade: Steckverbinder in Instrumentenqualität sind für Präzisionsprüf- und Messgeräte vorgesehen, bei denen Wiederholbarkeit und lange Lebensdauer im Vordergrund stehen.
- Metrologie-Qualität: Die Metrologiequalität eignet sich am besten für Kalibrierungsanwendungen, bei denen es auf höchste Leistung und Wiederholbarkeit ankommt. Diese Präzisionsstecker bieten den höchsten Grad an Sicherheit bei der Steckerimpedanz.
Vektor Netzwerk Analysator Zubehör
Von Frequenzerweiterungen bis hin zu Prüfgerätesteuerungen kann das Zubehör für Netzwerkanalysatoren ein Gerät in eine Komplettlösung verwandeln.
Hardware-Zubehör kann Ihnen helfen:
- Charakterisieren Sie dielektrische Materialien
- Prüfung von On-Wafer-Bauteilen
- Messung von Hochleistungsverstärkern und -mischern
und vieles mehr.
Messungen mit einem vektoriellen Netzwerkanalysator durchführen
VNAs sind so vielseitig, dass ein Überblick über jede Art von Messung eine eigene Website erfordern würde, aber sehen wir uns einmal an, wie die hier besprochenen Grundlagen für jede Messung gelten.
Schritt 1: Richten Sie Ihre Messung ein
VNAs führen alle Arten von Messungen durch, aber in der Regel müssen Sie eine Art von Sweep einrichten. Die wichtigsten Parameter eines Sweeps sind Start- und Endfrequenz, Leistung und ZF-Bandbreite.
Start- und Stoppfrequenz
- Diese Werte bestimmen die Grenzen des Frequenzdurchlaufs
- Wählen Sie Werte, die das Verhalten Ihres Geräts vollständig erfassen
- Stellen Sie die Mittenfrequenz und den Frequenzbereich des Sweeps ein, wenn Sie wissen, wo die Messung zentriert werden soll.
Strom
- Dieser Wert bestimmt den Leistungspegel des Prüfsignals, das an den Prüfling gesendet wird.
- Verwenden Sie die maximale Quellenleistung für passive Geräte, z. B. Filter
- Begrenzen Sie die Leistung, um Kompression im Prüfling oder im VNA für aktive Geräte zu vermeiden.
- Verbessern Sie Ihr Signal-Rausch-Verhältnis mit einem höheren Leistungspegel
IF-Bandbreite
- Wählen Sie eine Bandbreite, die Ihnen die benötigte Auflösung bei einer akzeptablen Geschwindigkeit bietet.
- Verwendung einer kleineren IF-Bandbreite für eine bessere Messauflösung; der Kompromiss ist eine geringere Messgeschwindigkeit
Schritt 2: Kalibrieren
Die Kalibrierung ist für genaue Messungen unerlässlich, aber zunächst müssen Sie Ihren Messaufbau testen.
Schritte:
- Schließen Sie Ihr Gerät an und nehmen Sie eine unkalibrierte Messung vor.
- Passen Sie den Frequenzbereich und die ZF-Bandbreite an, um sicherzustellen, dass Sie alles erfassen, was Sie sehen müssen.
- Vergewissern Sie sich, dass der Kalibrierungssatz den gleichen Steckertyp und das gleiche Geschlecht wie Ihr Prüfling hat.
- Schließen Sie das Kalibrierungs-Kit an Ihr Gerät an, um die Kalibrierung durchzuführen.
- Nach der Kalibrierung können Sie Ihr Gerät wieder anschließen.
- Führen Sie eine Neukalibrierung durch, wenn Sie die Einstellungen für den Frequenzbereich oder die ZF-Bandbreite ändern.
Tipp: Verwenden Sie Drehmomentschlüssel zum Herstellen der Verbindungen, um einen festen Kontakt zwischen den Leitern herzustellen, ohne sie zu beschädigen. Drehen Sie nur die Muttern an den Steckern; vermeiden Sie es, die Leiter gegeneinander zu verdrehen.
Schritt 3: Ergebnisse interpretieren
VNAs verfügen über zahlreiche Softwaretools, die Sie bei der Analyse Ihrer Messungen unterstützen, von 3-dB-Bandbreitenmarkern bis hin zur Zeitbereichsanalyse. Wählen Sie die richtige Software und Funktionen für Ihre Messung, um die Analyse zu erleichtern.
Hochintegrierte Netzwerkanalysatoren wie der PNA verfügen über Dutzende von Softwareanwendungen für anspruchsvolle Messungen, z. B. für die Charakterisierung nichtlinearer und aktiver Bauelemente.
Vektornetzwerk-Analysator-Anwendungen
Vektorielle Netzwerkanalysatoren sind unglaublich vielseitige Instrumente. Im Folgenden finden Sie eine Auswahl von Anwendungen.
Spektralanalyse
Die Integration der Spektrumanalyse in Ihren Netzwerkanalysator kann die Prüfzeiten erheblich verkürzen, da die Suche nach Störspitzen beschleunigt wird, der Wechsel zwischen verschiedenen Geräten entfällt und die Vorteile der SCCM-Funktionen (Single Connection, Multiple Measurement) genutzt werden können.
Gepulste Messungen
Netzwerkanalysatoren arbeiten standardmäßig mit einem Dauerstrichsignal (CW). Obwohl dies für viele Anwendungen nützlich ist, gibt es bestimmte Szenarien, in denen ein gepulstes HF-Signal vorzuziehen ist, wie z. B.:
- Prüfung von Antennen für den gepulsten Betrieb
- On-Wafer-Messungen, bei denen die Wärme eines CW-Signals ein Problem darstellt
- Zeitbereichsreflektometrie (TDR)
Advanced Netzwerkanalysatoren wie der PNA unterstützen gepulste HF-Messungen für diese und weitere Anwendungen.
Aktiver Gerätetest
Moderne HF-Systeme sind voll von aktiven Geräten wie Verstärkern, Mischern und Frequenzumrichtern. Um diese Geräte zu testen, waren früher ganze Racks mit Geräten erforderlich. Heute sind Netzwerkanalysatoren so ausgereift, dass die Charakterisierung aktiver Geräte ohne zusätzliche Hardware möglich ist.
Die Verwendung eines Netzwerkanalysators anstelle eines herkömmlichen HF-Testsystems verkürzt die Testzeit erheblich, da alle Messungen in einem einzigen Gerät zusammengefasst werden. Verwenden Sie zum Testen einen integrierten Netzwerkanalysator wie den PNA:
- S-Parameter
- Nichtlineare Parameter (X-Parameter)
- Verstärkungskompression
- Intermodulationsverzerrung (IMD)
- Sporen
- Rauschzahl
und vieles mehr.
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