Was ist ein Vektor-Netzwerkanalysator und wie funktioniert er?

Der Vektor-Netzwerkanalysator (VNA) ist ein wichtiges Testinstrument, das zahlreiche moderne Wireless-Technologien erst möglich gemacht hat. VNAs werden heute in einem breiten Spektrum von RF- und Hochfrequenzanwendungen eingesetzt. Bei Designanwendungen werden Simulationen eingesetzt, um die Markteinführung zu beschleunigen. Dazu werden die Iterationen von physischen Prototypen reduziert. VNAs werden zur Validierung dieser Entwurfssimulationen eingesetzt. In der Fertigung werden RF-Komponenten oder -Geräte auf der Grundlage bestimmter Spezifikationen montiert und getestet. VNAs werden eingesetzt, um die Leistung dieser RF-Komponenten und -Geräte schnell und genau zu validieren.

In diesem Dokument wird erläutert, warum Vektor-Netzwerkanalysatoren verwendet werden und was sie gegenüber anderen HF-Testgeräten auszeichnet. Wir erklären, was S-Parameter sind, die grundlegenden VNA-Messungen, und wie man sie am besten bei der Bewertung Ihres Testobjekts oder DUT einsetzt. Dafür besprechen wir verschiedene VNA-Kalibrierungstechniken besprechen und zeigen, wie VNA-Anwenderkalibrierungen dazu beitragen, die bestmögliche Genauigkeit zu erreichen. Abschließend werden wir typische VNA-Messungen wie Swept-Frequenzmessungen, Zeitbereichsmessungen und Swept-Leistungsmessungen besprechen und erläutern, wie sie verwendet werden und warum sie wichtig sind.

Vektor-Netzwerkanalysator Überblick

Heutzutage wird der Begriff „Netzwerkanalysator“ verwendet, um Werkzeuge für eine Vielzahl von „Netzwerken“ zu beschreiben (Abbildung 1). So haben die meisten Menschen heute ein Handy oder Mobiltelefon, das über ein „Netzwerk“ mit 3G oder 4G läuft. Außerdem verfügen die meisten unserer Wohnungen, Büros und Geschäftsräume über Wi-Fi oder WLAN „Netzwerke“. Ebenso sind viele Computer und Server in „Netzwerken“ eingerichtet, die alle mit der Cloud verbunden sind. Für jedes dieser „Netzwerke“ gibt es ein bestimmtes Netzwerkanalysator-Tool, mit dem sich die Leistung überprüfen, Abdeckungszonen abbilden und Problembereiche ermitteln lassen.

Der Netzwerkanalysator, der in diesem Beitrag behandelt wird, ist jedoch für eine andere Art von Netzwerken bestimmt und wurde lange vor der Existenz dieser Netzwerke definiert. Der erste VNA wurde etwa 1950 erfunden und als Instrument zur Messung der Netzparameter elektrischer Netze definiert (Abbildung 2). Tatsächlich kann man sagen, dass der VNA im Laufe der Jahre dazu beigetragen hat, alle oben genannten Netzwerke zu ermöglichen. Von Mobilfunknetzen über Wi-Fi-Netzwerke bis zu Computernetzwerken und der Cloud. Alle heute gängigen technologischen Netzwerke wurden durch den Einsatz des vor über 60 Jahren erfundenen VNA ermöglicht.

WER BRAUCHT EINEN VNA

Alle drahtlosen Lösungen haben Sender und Empfänger, die jeweils viele RF- und Mikrowellenkomponenten enthalten. Dies betrifft nicht nur Smartphones und Wi-Fi-Netze, sondern auch verbundene Autos und IoT-Geräte (Internet der Dinge). Außerdem arbeiten Computernetzwerke heute mit so hohen Frequenzen, dass Signale mit RF- und Mikrowellenfrequenzen übertragen werden. Abbildung 3 zeigt eine Reihe von Anwendungsbeispielen, die heute mit Hilfe von VNAs existieren.

VNAs werden zum Testen von Komponentenspezifikationen und zur Überprüfung von Entwurfssimulationen eingesetzt, um sicherzustellen, dass Systeme und ihre Komponenten richtig zusammenarbeiten. Ingenieure in der Forschung und Entwicklung sowie Prüfingenieure in der Fertigung setzen VNAs in verschiedenen Phasen der Produktentwicklung ein. Entwickler der Komponenten müssen die Leistung ihrer Bauteile wie Verstärker, Filter, Antennen, Kabel, Mischpulte usw. überprüfen. Der Systementwickler muss seine Komponentenspezifikationen überprüfen, um sicherzustellen, dass die Systemleistung, auf die er sich verlässt, seinen Subsystem- und Systemspezifikationen entspricht. Fertigungsanlagen verwenden VNAs, um sicherzustellen, dass alle Produkte den Spezifikationen entsprechen, bevor sie an die Kunden ausgeliefert werden. In einigen Fällen werden VNAs sogar im Feldeinsatz verwendet, um eingesetzte RF- und Mikrowellensysteme zu überprüfen und Fehler zu beheben.

Abbildung 4 zeigt als Beispiel ein RF-System-Frontend und wie verschiedene Komponenten sowie Teile des Systems mit einem VNA getestet werden. Bei der Antenne ist es wichtig zu wissen, wie effizient diese bei der Übertragung des Signals in und aus der Luft ist. Wie wir später noch erklären werden, wird dies mithilfe eines VNA bestimmt, um die Rückflussdämpfung oder das VSWR der Antenne zu messen.

Auf der rechten Seite von Abbildung 4 nimmt der Aufwärtsmischer das ZF-Signal und mischt es mit einem Oszillator (VCO), um das RF-Signal zu erzeugen. Wie gut wird das Signal in eine neue Frequenz umgewandelt? Werden dabei unerwünschte Signale erzeugt? Welche Leistungsstufen sind für den Betrieb des Mischers am effizientesten? VNAs werden zur Beantwortung dieser Fragen eingesetzt.

Wie viel Signal geht aus Sicht des Systemdesigns durch die HF-Platine und aus der Antenne heraus? Wie wirksam ist der Duplexer auf der Empfangsseite bei der Isolierung zwischen dem Sende- und dem Empfangssignal? Alle diese Fragen können mit einem VNA beantwortet werden.

GRUNDLEGENDER VNA-BETRIEB

Ein einzigartiges Merkmal eines VNA ist, dass er sowohl eine Quelle enthält, die ein bekanntes Stimulussignal erzeugt, als auch eine Reihe von Empfängern. Diese dienen dazu, Änderungen an diesem Stimulus zu bestimmen, die durch das zu prüfende Gerät oder „DUT“ verursacht werden. Abbildung 5 zeigt die grundlegende Funktionsweise eines VNA. Der Einfachheit halber wird hier die Quelle von Anschluss 1 gezeigt. Die meisten VNAs verfügen heute jedoch über mehrere Schnittstellen und können das Stimulussignal an jedem Anschluss bereitstellen.

Das Stimulussignal wird in das Testobjekt eingespeist und der VNA misst sowohl das Signal, das von der Eingangsseite reflektiert wird, als auch das Signal, das zur Ausgangsseite des Testobjekts durchgelassen wird. Die VNA-Empfänger messen die resultierenden Signale und vergleichen sie mit dem bekannten Stimulussignal. Die Messergebnisse werden dann entweder von einem internen oder externen PC verarbeitet und an ein Display gesendet.

Auf dem Markt gibt es eine Vielzahl verschiedener VNAs, die jeweils eine unterschiedliche Anzahl von Anschlüssen und Übertragungswegen für das Stimulussignal aufweisen. Bei der Verwendung eines 1-Port-VNA wird das Messobjekt an die Eingangsseite von Abbildung 5 angeschlossen und es können nur die reflektierten Signale gemessen werden. Im Falle eines 2-Port-1-Pfad-VNA können sowohl das reflektierte als auch das übertragene Signal (S11 und S21) gemessen werden. Allerdings muss das Testobjekt physisch umgedreht werden, um die umgekehrten Parameter (S22 und S12) zu messen. In Bezug

auf einen 2-Port-2-Pfad-VNA kann das Testobjekt an einen der beiden Ports in beiden Richtungen angeschlossen werden. Das Gerät ist in der Lage, den Signalfluss umzukehren, sodass sowohl die Reflexionen an beiden Ports (S11 und S22) als auch die Vorwärts- und Rückwärtsübertragungen (S21 und S12) gemessen werden können.

Hauptmerkmale

Bei der Ermittlung Ihrer Anforderungen an einen VNA gibt es mehrere wichtige Spezifikationen zu berücksichtigen. Es gibt zwar viele VNA-Spezifikationen, aber es gibt vier übergeordnete Spezifikationen, die Ihnen bei der Auswahl helfen können: Frequenzbereich, Dynamikbereich, Spurenrauschen und Messgeschwindigkeit.

Der Frequenzbereich ist die erste und wichtigste Spezifikation, die zu berücksichtigen ist (Abbildung 6a). Dabei ist es oft sinnvoll, nicht nur den unmittelbaren Bedarf, sondern auch den potenziellen künftigen Bedarf zu berücksichtigen. Darüber hinaus haben zwar alle Testobjekte eine bestimmte Betriebsfrequenz, bei einigen Testobjekten müssen Sie jedoch auch harmonische Frequenzen berücksichtigen. Aktive Komponenten wie Verstärker, Wandler und Mischer müssen unter Umständen bei ihren harmonischen Frequenzen geprüft werden, die das 2- bis 5-fache der Betriebsfrequenz betragen. Filter und Duplexer müssen möglicherweise auch bei Oberwellen ihres Durchlassbereichs geprüft werden. Auch wenn ein höherer Frequenzbereich gewünscht wird, kann der maximale Frequenzbereich ein wichtiger Kostenfaktor für VNAs sein.

Der Dynamikbereich ist der messbare Dämpfungsbereich von Maximum bis Minimum für einen bestimmten Frequenzbereich (Abbildung 6b). Ausgehend von der gewünschten Leistung Ihres Testobjekts müssen Sie sicherstellen, dass die maximale Dämpfung Ihres Testobjekts mindestens drei bis sechs dB unter der Spezifikation des VNA-Dynamikbereichs liegt. Die meisten VNAs bieten heute einen sehr guten Dynamikbereich (~ 120 dB), der für viele Anwendungen ausreichend ist. Einige sehr leistungsstarke Komponenten können teurere VNA-Lösungen erfordern.

Das Spurenrauschen misst, wie viel Zufallsrauschen vom VNA erzeugt wird und in die Messung eingeht. Der Wert wird normalerweise in Milli-dB (0,001 dB) gemessen. Spurenrauschen kann ein Schlüsselfaktor bei der Bestimmung der Genauigkeit bestimmter Komponenten sein (Abbildung 6c). Dies gilt beispielsweise für die zulässige Welligkeit im Durchlassbereich eines Filters. Wenn Sie ein bestimmtes Leistungsniveau benötigen, um die Genauigkeit eines Signals durch einen Filter zu bestimmen, kann der zusätzliche Beitrag des VNA zum Rauschen ein Faktor sein.

Abschließend ist noch die Messgeschwindigkeit als weitere Spezifikation zu berücksichtigen (Abbildung 6d). Die Messgeschwindigkeit ist die Zeit, die für die Durchführung eines einzelnen Sweeps oder einer Messung benötigt wird. Dies kann die kritischste Anforderung für Anwendungen in der industriellen Massenfertigung sein. Wenn Sie ein Bauteil betrachten, das in einem Smartphone verwendet wird, so könnten jedes Jahr Milliarden von Bauteilen hergestellt werden. Die Verkürzung der Prüfzeit bei sehr hohen Stückzahlen ist entscheidend für den Erfolg dieser Komponente. Für viele Anwendungen in F&E sowie in der Kleinserienfertigung ist die Messgeschwindigkeit des VNA jedoch unerheblich.

VNA VS. SPEKTRUMANALYSATOR

Einige Entwicklungsingenieure haben möglicherweise bereits Erfahrung mit einem VNA oder einem Spektrumanalysator. Andere sind vielleicht neu im Bereich der HF-Prüfung und mit beidem nicht vertraut. Der VNA und der Spektrumanalysator sind zwei der am häufigsten verwendeten HF-Prüfgeräte. Doch was ist der Unterschied zwischen einem Netzwerkanalysator und einem Spektrumanalysator? Wann würden Sie eines oder beide Instrumente benötigen? Tabelle 1 enthält einen Vergleich der einzelnen Instrumente.

Zunächst ist es wichtig zu überlegen, welche Art von Signalen Sie messen wollen. Spektrumanalysatoren sind das Instrument der Wahl bei der Messung digital modulierter Signale. Wenn es beispielsweise darum geht, die Leistung von Wi-Fi- und LTE-Signalen zu messen, kann diese Messung nur mit einem Spektrumanalysator durchgeführt werden.

Wie bereits erwähnt, enthält ein VNA sowohl eine oder mehrere Quellen als auch Empfänger. Dies ermöglicht die Verwendung eines bekannten Stimulus zur Anregung des Testobjekts und die Messung der Reaktion mit mehreren Empfängern. VNAs können über mehrere Kanäle und Anschlüsse verfügen, sodass ihre Empfänger die Ein- und Ausgänge von Testobjekten gleichzeitig messen können.

Spektrumanalysatoren werden in der Regel zur Messung unbekannter Signale verwendet, die über eine Antenne oder den Ausgang eines Bauteils über die Luft übertragen werden können. Außerdem handelt es sich in der Regel um Einkanalgeräte, die jeweils nur einen Ausgang eines Testobjekts messen können. Dahingegen werden mit VNAs keine Signale gemessen. Sie messen die inhärenten HF-Eigenschaften von passiven oder aktiven Geräten.

Mit dem bekannten Stimulus und mehreren Empfängern kann der VNA sowohl die Größen- als auch die Phasencharakteristik des Testobjekts genau messen. Diese Vektorinformationen ermöglichen eine vollständige Gerätecharakterisierung. Eine höhere Genauigkeit und ein größerer Dynamikbereich lassen sich auch mit der Vektorfehlerkorrektur erreichen. Diese einzigartige Benutzerkalibrierungsfunktion, auf die später noch eingegangen wird, ermöglicht es VNAs, den Einfluss von Kabeln, Adaptern und Halterungen zu berücksichtigen.

Einige Spektrumanalysatoren verfügen über eingebaute Tracking-Generatoren (SA w/TG) und bieten damit weitgehend die gleichen Möglichkeiten wie ein VNA. Im Grunde genommen funktioniert ein VNA genauso wie ein SA mit TG. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Instrumentenlösungen besteht jedoch in der Fähigkeit des VNA, verhältnisgleiche Messungen mit mehreren Empfängern durchzuführen. Der SA mit TG eignet sich gut für 1-Port-Reflexionsmessungen und kann auch Fehlerkorrekturen durchführen. Allerdings können bei Transmissionsmessungen mit dem SA mit TG zwar Messungen durchgeführt werden, jedoch nicht mit der Genauigkeit des VNA. Wie wir später noch erläutern werden, liegt dies vorwiegend daran, dass eine vollständige 2-Port-Fehlerkorrektur nur mit dem VNA möglich ist. Hinzu kommt, dass die meisten SA mit TG keine Phasendaten anzeigen, die für viele HF-Testanwendungen unerlässlich sind.

S-Parameter verstehen

Da es im Allgemeinen schwierig ist, Strom oder Spannung bei hohen Frequenzen zu messen, werden stattdessen Streuungsparameter oder S-Parameter gemessen. Sie werden verwendet, um die elektrischen Eigenschaften oder die Leistung einer HF-Komponente oder eines Netzwerks von Komponenten zu charakterisieren und sind mit bekannten Messungen wie Verstärkung, Verlust und Reflexionskoeffizient verbunden. Zum Verständnis der Verwendung eines VNA zur Charakterisierung eines Testobjekts ist es wichtig, die Grundlagen der S-Parameter zu kennen. In Abbildung 7 wird ein einfaches Verfahren zur Erklärung der S-Parameter beschrieben.

Wenn wir mit der Außenansicht beginnen, hat ein VNA typischerweise zwei oder mehr Anschlüsse, die einfach mit dem Testobjekt verbunden werden – entweder direkt oder mithilfe von Kabeln und Adaptern. Diese Anschlüsse sind in diesem Fall mit Port 1 und Port 2 bezeichnet.

Als Nächstes schauen wir uns das Innere an. Zur Bewertung des Verhaltens eines Netzes mit mehreren Anschlüssen werden üblicherweise einfallende Wellen als Anregung an jedem Anschluss verwendet und die daraus resultierenden Wellen gemessen. Diese werden entweder von dem Anschluss, an dem die Leistung angelegt wird, reflektiert oder durch das Gerät an die übrigen Anschlüsse übertragen. Im Allgemeinen werden die in ein Netz oder ein Testobjekt eintretenden Wellen als einfallende Wellen und die aus einem Netz oder Testobjekt austretenden Wellen als reflektierte Wellen bezeichnet. Allerdings kann jede Welle aus einer Kombination von Reflexionen und Übertragungen von anderen Ports bestehen.

Die einfallenden Wellen werden mit a_n und die reflektierten Wellen mit b_n bezeichnet, wobei n die Nummer des Anschlusses ist. Sowohl a- als auch b-Wellen sind Phasoren, die sowohl den Betrag als auch die Phase an den angegebenen Klemmen des Netzanschlusses haben.

Hinter jedem der beiden VNA-Anschlüsse befindet sich ein Richtungskoppler (grüne Kästchen in Abbildung 7). Diese Richtkoppler leiten das bekannte Stimulussignal in eine der beiden Seiten des Prüflings (entweder a₁ oder a_2).

Zunächst wird ein Teil des Stimulussignals als Referenzsignal verwendet. S-Parameter sind definiert als Verhältnisse von Signalen, die von verschiedenen Anschlüssen kommen, relativ zu dieser Referenz. Gleichzeitig wird ein Teil des Stimulussignals beim Eintritt in das Testobjekt reflektiert (b₁ ). Der reflektierte Teil des Eingangssignals wird mit einem Empfänger gemessen, der an Port 1 im VNA angeschlossen ist. Der Teil des Eingangssignals, der in das Testobjekt eintritt, erfährt in der Regel Änderungen in der Größe und Phase, während es hindurchgeht. Der Anteil, der von Port 2 ausgeht, wird vom VNA-Empfänger an Port 2 (b₂ ) gemessen.

Da es sich bei dem VNA um ein bidirektionales Gerät handelt, kann der bekannte Stimulus auch an Port 2 abgegeben werden (in diesem Fall a₂ ), wobei das Messverfahren in umgekehrter Richtung identisch ist.

Da wir nun mehr über die Funktionsweise eines VNA wissen, können wir die Innenansicht in die S-Parameter-Theorieansicht übertragen. Durch die Verwendung von a- (einfallenden) und b- (reflektierenden) Wellen kann ein lineares Netzwerk oder ein Testobjekt durch eine Reihe von Gleichungen charakterisiert werden. Diese beschreiben die reflektierten Wellen von jedem Port in Bezug auf die einfallenden Wellen an allen Ports. Die Konstanten, die das Netz unter diesen Bedingungen charakterisieren, werden S-Parameter genannt.

Im Vorwärtsfall, der in Abbildung 7 dargestellt ist, überträgt Port 1 das Signal a₁ und an Anschluss 2 liegt eine angepasste Last an, was zu einer Signalreflexion von Null an der Last führt (a₂ = 0). S11 entspricht dem Reflexionskoeffizienten an Port 1 bzw. dem Verhältnis von b₁ zu a₁. S₂₁ ist der Vorwärtsübertragungskoeffizient durch das Testobjekt und ist das Verhältnis von b₂ zu a₁.

Im umgekehrten Fall sendet Port 2 das Signal a₂ und an Port 1 liegt eine angepasste Last an (a₁ = 0). S₂₂ entspricht dem Reflexionskoeffizienten an Port 2 bzw. dem Verhältnis von b₂ zu a₂. S₁₂ ist der Rückwärts-Transmissionskoeffizient durch das Testobjekt und ist das Verhältnis von b₁ zu a₂.

Beachten Sie, dass in der Nomenklatur der S-Parameter, S_yx, die zweite Zahl (x) für den Ausgangsanschluss steht, während die erste Zahl den Zielanschluss (y) bezeichnet. Theoretically, the S-parameter theory can be applied to networks with an infinite number of connections. Ein VNA mit 4 Anschlüssen hätte beispielsweise 16 S-Parameter: von S₁₁, S₁₂, S₁₃, S₁₄, S₂₁ .... S₄₄. Diese S-Parameter folgen der gleichen Theorie und sind Verhältnismessungen zwischen jedem der angegebenen Anschlüsse.

ARTEN VON MESSFEHLERN

Bevor Sie mit dem VNA Messungen durchführen können, müssen Sie ihn kalibrieren, um Fehler zu reduzieren, die die Messung beeinflussen können. Bevor man mit der Kalibrierung eines VNAs beginnt, ist es sinnvoll, den Messfehler zu verstehen, da nicht alle Fehler auf diese Weise minimiert werden können.

Es gibt drei Hauptarten von Messfehlern (Abbildung 8). Zu den Arten von Messfehlern gehören systematische Fehler, Zufallsfehler und Abweichungen. Systematische Fehler sind Unzulänglichkeiten in den Prüfgeräten oder im Prüfaufbau und sind in der Regel vorhersehbar. Einige Beispiele sind Schwankungen der Ausgangsleistung oder Welligkeiten im Frequenzgang des VNA-Empfängers über seinen Frequenzbereich. Ebenso wichtig ist die Verlustleistung der HF-Kabel, die den Prüfling mit dem VNA verbinden, die mit der Frequenz zunimmt. Da diese Fehler vorhersehbar sind und es sich um Unzulänglichkeiten des Geräts handelt, lassen sie sich durch eine Benutzerkalibrierung leicht ausgleichen.

Die zweite Quelle von Messfehlern ist auf Zufallsfehler zurückzuführen. Hierbei handelt es sich um einen Fehler, der durch zeitlich schwankendes Rauschen der Testgeräte oder des Testaufbaus verursacht wird. Diese Fehlergröße ist wichtig, weil sie auch nach einer Benutzerkalibrierung im Messergebnis verbleibt und den Grad der Genauigkeit bestimmt, der bei Ihrer Messung erreicht werden kann. Das bereits erwähnte Spurenrauschen ist ein Beispiel für einen Zufallsfehler.

Eine dritte Fehlerquelle ist die Abweichung, die sich auf die zeitliche Verschiebung der Messung bezieht. Dabei handelt es sich um Abweichungen, die nach einer Benutzerkalibrierung in den Prüfgeräten und im Prüfaufbau auftreten. Beispiele hierfür sind Temperaturschwankungen, Feuchtigkeitsschwankungen und mechanische Bewegungen der Einrichtung. Manchmal werden temperatur- und feuchtigkeitskontrollierte Räume verwendet, um Abweichungen im Laufe der Zeit zu verringern. Das Ausmaß, in dem der Prüfaufbau im Laufe der Zeit abweicht, bestimmt, wie oft der Prüfaufbau neu kalibriert werden muss.

Kalibrierungstechniken

WAS IST BENUTZERKALIBRIERUNG

Unter den HF- und Mikrowellenprüfgeräten verfügen VNAs über einzigartige Kalibrierverfahren. Während VNAs anderen HF- und Mikrowellenprüfgeräten insofern ähneln, als dass sie werkseitig kalibriert werden und oft eine jährliche Überprüfung erfordern, um sicherzustellen, dass sie noch ordnungsgemäß funktionieren, unterscheiden sich VNAs insofern, als sie eine zusätzliche „Benutzerkalibrierung“ haben, die vom Benutzer vor der Durchführung einer Messung durchgeführt werden kann. Abbildung 9 zeigt die verschiedenen Bezugsebenen für die Werks- und Benutzerkalibrierung.

Die Werkskalibrierungen umfassen die Leistung des VNA an den Testport-Anschlüssen. Die Leistung des Geräts basiert auf einem Eingangssignal, das eine Reihe von Parametern (Frequenz, Leistung usw.) erfüllt. Der VNA ist nicht nur so kalibriert, dass er vom Standpunkt des Empfängers aus genau misst, sondern er verfügt auch über eine Werkskalibrierung, um sicherzustellen, dass der bekannte Stimulus des VNA spezifiziert ist und richtig funktioniert.

Im Grunde genommen wird damit sichergestellt, dass das Ausgangssignal den Spezifikationen entspricht und die Eingangssignale korrekt wiedergegeben werden. Diese Werkskalibrierung ähnelt der Werkskalibrierung, die bei einem Spektrumanalysator mit Mitlaufgenerator durchgeführt wird.

Die Tatsache, dass ein bekannter Stimulus und ein bekannter Empfänger in dasselbe Gerät eingebaut sind, gibt dem VNA die einzigartige Fähigkeit, eine zusätzliche „Benutzerkalibrierung“ durchzuführen. Wie bereits erwähnt, misst der VNA sowohl Betrag als auch Phase, was bedeutet, dass die Benutzerkalibrierung eine Vektorfehlerkorrektur durchführt. Dies macht den VNA zu einem der genauesten verfügbaren HF-Prüfgeräte. Die Benutzerkalibrierung ermöglicht es dem VNA, die Auswirkungen von Kabeln, Adaptern und den meisten Dingen, die beim Anschluss des Prüflings verwendet werden, zu berücksichtigen. Durch die Beseitigung des Einflusses des Zubehörs ermöglicht die Benutzerkalibrierung die genaue Messung der Leistung des Prüflings allein. Dies ermöglicht den Entwicklern ein besseres Verständnis der Leistung des Prüflings, wenn er in ein Subsystem eingebaut wird.

VNA-KALIBRIERUNGSMETHODEN

Da wir nun wissen, wie wichtig die „Benutzerkalibrierung“ zum Ausgleich von Messfehlern ist, können wir nun die verschiedenen verfügbaren Benutzerkalibrierungsmethoden diskutieren. Es gibt viele verschiedene Methoden der VNA-Kalibrierung, und die Komplexität, die Sie benötigen, hängt von der gewünschten Genauigkeit und vielleicht sogar von Ihrem Budget ab (Abbildung 10). In diesem Abschnitt gehen wir auf einige der gängigsten Methoden ein.

Die einfachste Methode ist eine Reaktionskalibrierung. Sie ist schnell und einfach, aber weniger genau als andere Methoden. Wenn Sie beispielsweise nur eine S₁₁- oder Reflexionsmessung benötigen, können Sie entweder eine offene oder eine kurze Leitung verwenden, um die Reaktion des Testaufbaus zu messen. Wenn nur eine S₂₁- oder Übertragungsmessung benötigt wird, können Sie nur einen Durchgangsstandard verwenden. Die Reaktionskalibrierung ist einfach durchzuführen und kann je nach der von Ihnen benötigten Genauigkeit ausreichend sein.

Als Nächstes gibt es die Ein-Pfad-Methode mit zwei Ports, die genauer ist, aber weniger Verbindungen hat als eine vollständige Zwei-Pfad-Kalibrierung mit zwei Ports. Diese Methode eignet sich gut, wenn Sie an einer begrenzten Anzahl von S-Parametern interessiert sind (z. B. S₁₁, S₂₁, a₂ =0). In diesem Fall sendet der VNA nur von Port 1. Der Vorteil ist, dass weniger Verbindungen während der Kalibrierung erforderlich sind.

Die Kalibrierungsmethode mit zwei Ports und zwei Pfaden entspricht im Wesentlichen der Kalibrierung mit zwei Ports und einem Pfad, jedoch mit dem Zusatz der Messung der offenen Kurzschlusslast auf der Seite von Anschluss 2. Diese Methode ermöglicht eine genaue, vollständige Messung der S-Parameter. Der Nachteil ist, dass viele Verbindungen hergestellt werden müssen. Die zusätzlichen Schritte können zu potenziellen Prozessfehlern führen, da Sie die Standards mehrfach messen und ersetzen müssen.

Schließlich gibt es noch die elektronische Kalibrierungsmethode. Schließen Sie einfach den elektronischen Kalibrierstandard an, der VNA führt eine einfache, schnelle und sehr genaue Kalibrierung für S₁₁, S₂₁, S₁₂ und S₂₂ durch – alles mit einem einzigen Satz von Anschlüssen. Diese einzige Verbindung ist wertvoll, da sie die Wahrscheinlichkeit verringert, dass während des Kalibrierungsvorgangs ein falscher Standard eingesetzt wird. In der Regel ist ein elektronischer Kalibrierstandard die teuerste verfügbare Kalibriermethode. Sie bieten jedoch einen enormen Mehrwert, da sie den Kalibrierungsprozess erheblich vereinfachen und gleichzeitig sehr genaue Ergebnisse liefern.

Kalibrierungsstandards

Es gibt verschiedene Arten von VNA-Kalibrierungsstandards, die bei der Benutzerkalibrierung je nach Art der Kalibrierungsmethode verwendet werden. Der gebräuchlichste Kalibrierungsstandard wird als Short, Open, Load, und Thru (SOLT) bezeichnet. Eine VNA-Benutzerkalibrierung wird unter Verwendung dieser bekannten Standards mit einem Kurzschluss, einem offenen Stromkreis, einer Präzisionslast (normalerweise 50 Ohm) und einer Durchgangsverbindung durchgeführt. Am besten ist es, wenn der Kalibrierstandard den gleichen Steckertyp und das gleiche Geschlecht wie der Prüfling hat. Dadurch kann der Prüfling oder das Kalibriernormal die einzige Änderung zwischen Kalibrierung und Messung sein.

Leider ist es nicht möglich, einen perfekten Kalibrierstandard herzustellen. Ein Kurzschluss hat immer eine gewisse Induktivität; ein offener Stromkreis hat immer eine gewisse Grenzkapazität. Der VNA speichert Daten über ein bestimmtes Kalibrierungsset und korrigiert diese Unzulänglichkeiten automatisch. Die Definitionen der Standards für ein bestimmtes Kalibrierungs-Kit sind abhängig vom Frequenzbereich des VNA. Bei einigen Kalibrierkits unterscheiden sich die Daten des männlichen Steckers von denen der weiblichen Stecker, so dass der Benutzer vor der Kalibrierung das Geschlecht des Steckers auf der Benutzeroberfläche des VNA angeben muss.

Die Kalibrierungsstandards können auf verschiedene Weise physisch realisiert werden (Abbildung 12). Zunächst wurden einzelne mechanische Normale eingeführt, die einzeln hergestellt und charakterisiert wurden. Die einzelnen Standards bieten eine hervorragende Genauigkeit und sind flexibel für eine Vielzahl von Testaufbauten.

Heute sind mechanische 4-in-1-Kalibrierkits erhältlich, bei denen die offene Kurzschlusslast und der Durchschlag in einer einzigen mechanischen Vorrichtung integriert sind. Wie bereits erläutert, gibt es auch automatisierte elektronische Kalibrierstandards, die sowohl von einem Computer als auch von einem USB-Gerät gesteuert werden. Diese bieten eine automatische Kalibrierung, die sehr genau und weniger anfällig für menschliche Fehler ist, da die Kalibrierung auf einen einzigen Satz von Anschlüssen reduziert wird.

Typische VNA-Messungen

VNAs führen zwei Arten von Messungen durch – Transmission und Reflexion (Abbildung 13). Bei Transmissionsmessungen wird das Stimulussignal des VNA durch den Prüfling geleitet, der dann von den VNA-Empfängern auf der anderen Seite gemessen wird. Die gebräuchlichsten S-Parameter-Messungen für die Übertragung sind S₂₁ und S₁₂ (Sxy für mehr als 2 Ports). Swept-Power-Messungen sind eine Form der Übertragungsmessung. Weitere Beispiele für Übertragungsmessungen sind Verstärkung, Einfügungsdämpfung/Phase, elektrische Länge/Verzögerung und Gruppenlaufzeit. Im Vergleich dazu wird bei Reflexionsmessungen der Teil des VNA-Stimulussignals gemessen, der auf das Testobjekt trifft, dieses aber nicht durchdringt. Bei der Reflexionsmessung wird stattdessen das Signal gemessen, das aufgrund von Reflexionen zur Quelle zurückläuft. Die gebräuchlichsten Reflexions-S-Parameter-Messungen sind S₁₁ und S₂₂ (S_xx für mehr als 2 Ports).

Swept-FREQUENZMESSUNGEN

Swept-Frequenzmessungen sind besonders nützlich, da sie die interne Quelle über eine benutzerdefinierte Reihe von Frequenzen und Schrittpunkten abtasten. Daraus lässt sich eine Vielzahl von Messungen ableiten, darunter S-Parameter, einzelne einfallende und reflektierte Wellen (z. B. a₁ , b₂), Betrag, Phase und mehr. Abbildung 14 zeigt ein Beispiel für die Messung der Swept-Frequenzübertragung eines passiven Filters. Diese Art der Filtermessung zeigt, was mit dem Signal passiert, wenn es das Bauteil durchläuft. Die S₂₁-Messung zeigt die Leistung der Durchlassbandbreite an, die durch die 6-dB-Antwort definiert ist. Die Leistung im Sperrbereich wird im Vergleich zu einer 60-dB-Reduktionsspezifikation angezeigt. Das gemessene Ergebnis kann dann mit den Entwurfszielen des Filters oder aus der Sicht des Systementwicklers, mit den Spezifikationen des Filterherstellers verglichen werden.

Bei Swept-Frequenzmessungen können auch Reflexionen des Stimulussignals gemessen werden, die auf den Prüfling einfallen, aber reflektiert werden, anstatt durch den Prüfling übertragen zu werden. Diese S₁₁ (oder S_xx)-Messungen ermöglichen es dem Benutzer, die Leistung des Testobjekts zu überprüfen und mit seiner Spezifikation zu vergleichen. Beispiele für Testobjekte sind Antennen, Filter und Duplexer. Abbildung 15 zeigt ein Beispiel für eine Messung der Rückflussdämpfung einer Antenne. Beachten Sie, dass im Durchlassbereich der Antenne der größte Teil des Signals übertragen wird, sodass im Ergebnis der Reflexionsmessung eine sichtbare Null entsteht.

MESSUNGEN IM ZEITBEREICH

Einige VNAs sind in der Lage, mit Hilfe von inversen Fourier-Transformationen Swept-Frequenzmessungen in den Zeitbereich umzuwandeln. Die im Zeitbereich angezeigten Daten ermöglichen es dem VNA, Probleme in Kabeln und Verbindungen zu finden, indem die Stellen von Impedanzfehlanpassungen oder Diskontinuitäten beim Durchgang des Signals durch den Prüfling ermittelt werden.

Bei Zeitbereichsmessungen ist die Fähigkeit, zwei Signale aufzulösen, umgekehrt proportional zum gemessenen Frequenzbereich. Je größer der Frequenzbereich ist, desto besser kann der VNA zwischen eng beieinander liegenden Diskontinuitäten unterscheiden. Die maximale Frequenzspanne wird vom Benutzer festgelegt und kann entweder durch den Frequenzbereich des VNA oder die zulässige Bandbreite des Messobjekts definiert werden.

Die im Frequenzbereich erfassten Daten sind nicht kontinuierlich, sondern bestehen aus einer endlichen Anzahl diskreter Frequenzpunkte. Dies führt dazu, dass die Zeitbereichsdaten nach dem Kehrwert des Frequenzabtastintervalls wiederholt werden. Dieses Phänomen wird als Aliasing bezeichnet. Es ist wichtig, das Frequenzabtastintervall richtig einzustellen, um den erforderlichen Abstand genau zu messen und die Leistung des Testobjekts zu bewerten, bevor Aliasing auftritt.

Abbildung 16 zeigt eine VNA-Messung an einem Kabel mit mehreren Adaptern. Dies könnte ein Basisstationskabel sein, das vom Teilsystem der Basisstation zu seiner Antenne führt. Die Zeitbereichsmessung lokalisiert den physischen Abstand zu den verschiedenen Adaptern oder potenziellen Unterbrechungen im Kabel, was die Lokalisierung von Problembereichen oder Fehlern erleichtert.

SWEPT-LEISTUNGSMESSUNGEN

Anstelle von Frequenzen können VNAs auch den Ausgangspegel des Stimulussignals abtasten. Bei diesen Messungen wird die Frequenz konstant gehalten, während die Ausgangsleistung schrittweise über einen bestimmten Leistungsbereich gesteigert wird. Dies ist eine übliche Messung für Verstärker, bei der mit einem niedrigen Leistungspegel begonnen und die Leistung in Bruchteilen von dB erhöht wird.

Im linearen Bereich eines Verstärkers steigt mit zunehmender Eingangsleistung auch die Ausgangsleistung proportional an. Der Punkt, an dem das Ausgangssignal des Verstärkers um 1 dB von der linearen Erwartung abweicht, wird als 1-dB-Kompressionspunkt bezeichnet (Abbildung 17). Wenn der Verstärker seinen Kompressionspunkt erreicht, ist er nicht mehr in der Lage, seine Ausgangsleistung wie zuvor zu erhöhen. Bei Anwendungen, die eine lineare Leistung eines Verstärkers erfordern, hilft diese Messung bei der Festlegung dieser Spezifikation.

Wenn Sie die Interaktion zwischen mehreren Anschlüssen messen müssen, benötigen Sie möglicherweise einen Multiport-VNA. Eine echte Multiport-Messung würde N2 S-Parameter messen und einen VNA mit N-Ports erfordern, wobei N der Anzahl der DUT-Ports entspricht. Statt nur S₁₁, S₂₁, S₁₂ und S₂₂ würden die S-Parameter z. B. auch S₄₁ oder S₄₃ oder S_{10 11} umfassen. Ein echter Multiport-VNA kann an jedem der Ports ein Stimulussignal liefern. Die Multiport-Fehlerkorrektur beseitigt systematische Fehler bei der Messung, erfordert jedoch einen komplexen Kalibrierungsprozess, bei dem Kalibrierungsstandards an alle möglichen Kombinationen von Anschlüssen angeschlossen werden müssen.

Überblick

Jetzt ist es leicht zu verstehen, warum VNAs dazu beigetragen haben, viele moderne Technologien zu ermöglichen. Indem ein bekanntes Stimulierungssignal an das zu prüfende Gerät (DUT) angelegt wird und mehrere Empfänger die Antwort messen, bildet der VNA eine geschlossene Schleife, die es ihm ermöglicht, die elektrische Größe und Phasenantwort von Komponenten sehr genau zu messen. Und dank seiner einzigartigen Benutzerkalibrierung ist der VNA eines der genauesten HF-Prüfgeräte auf dem Markt. Es ermöglicht eine sorgfältige Isolierung der Leistung des Prüflings, indem es den Einfluss von Kabeln, Adaptern und anderen Testhilfsmitteln reduziert.

VNAs prüfen Komponentenspezifikationen und verifizieren Entwurfssimulationen. Mit dieser genauen Charakterisierung können Systemingenieure einen Schaltkreis oder ein Systemdesign untersuchen und sicher sein, dass es von der Design- bis zur Fertigungsphase wie erwartet funktioniert.