Laserbasierte Vektor-Netzwerkanalyse Konkurrenz für traditionelle VNAs?

Forscher der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) haben einen Vektor-Netzwerkanalysator (VNA) entwickelt, der auf rein optoelektronischer Messtechnik basiert: Femtosekundenlaser ermöglichen präzise, kostengünstige Hochfrequenzmessungen und könnten künftig etablierte elektrische Geräte ersetzen.

Vektor-Netzwerkanalysatoren (VNAs) zählen zu den räzisesten kommerziell erhältlichen Hochfrequenz-Messinstrumenten. Mittlerweile sind sie bis zu Frequenzen von 1 Terahertz einsetzbar, und es existieren komplexe Verfahren für Fehlerkorrekturen. Allerdings sind VNA sehr teuer und benötigen mehrere Frequenzerweiterungen, wenn sie in einem großen Frequenzbereich eingesetzt werden sollen.

Das Messprinzip der VNAs beruht darauf, die Leistung von Signalen einer bestimmten Frequenz zu detektieren. Durch Frequenzvariation dieser Signale können frequenzaufgelöste Messungen realisiert werden. Die Messergebnisse werden mittels so genannter Streuparameter angegeben. Um ein Hochfrequenzgerät mit den Streuparametermessungen genau zu charakterisieren, ist es erforderlich, hin- und rücklaufende Signale voneinander zu trennen. Diese Trennung wird typischerweise mit Richtkopplern realisiert.

Die PTB-Lösung

An der PTB wurde nun gezeigt, dass frequenzaufgelöste Streuparametermessungen auch mit laserbasierter Messtechnik möglich sind. Dabei kommt ein Femtosekundenlaser zum Einsatz, der ca. 100 Femtosekunden lange Pulse im Nahinfrarotbereich erzeugt. Der Laserstrahl wird in zwei Teilstrahlen aufgespaltet, einen Anrege- und einen Abfragestrahl. Der Anregestrahl erzeugt in einem photoleitenden Schalter ca. zwei Pikosekunden lange Spannungspulse, die auf einer planaren Wellenleitung entlang propagieren. Der Abfragestrahl wird dazu verwendet, um das elektrische Feld der Spannungsimpulse zu messen. Dafür wird der Pockels-Effekt des Substrates ausgenutzt, auf dem die planaren Wellenleitung gefertigt wurde. Durch zeitliche Verzögerung des Abfragestrahls mit einer Verzögerungsstrecke kann die Form des Spannungsimpulses genau vermessen werden.

Die Hauptinnovation der PTB-Forscher liegt in der Trennung von hin- und rücklaufenden Spannungssignalen auf der planaren Wellenleitung durch laserbasierte Messtechnik, die damit den Richtkoppler in VNA ersetzt. Diese Trennung, für die die Spannungsimpulse an verschiedenen Positionen auf der Wellenleitung detektiert werden müssen, funktioniert auch bei zeitlich überlappenden Signalen.

Mit dieser optoelektronischen Zeitbereichsmesstechnik konnten Streuparametermessungen auf planaren Wellenleitern bis 500 GHz mit einer 500-MHz-Schrittweite demonstriert werden. Die Technik kann aber auch zur Charakterisierung von koaxialen Elementen eingesetzt werden und ermöglicht die Realisierung eines sehr präzisen Spannungsimpulsstandards.