Netzwerkanalyse

Optimale Netzwerkanalyse im mm-Wellen-Bereich

Hier ein Überblick über eine mm-Wellen-Reflektometertechnik, die für die Vektornetzwerk-Analysatoren von Anritsu entwickelt wurde und die den Arbeitsfrequenzbereich bis hin in den hohen mm-Wellen-Bereich erweitert. Die damit ausgerüsteten Konverter bieten zudem bislang nicht erreichbare HF-Eigenschaften bei minimaler Baugröße und eröffnen damit zahlreiche neue Präzisions-VNA-Anwendungen.

Hochfrequenz- Vektornetzwerk-Analysatoren (VNA) verwenden seit geraumer Zeit Oberschwingungsabtaster („Harmonic Sampler“) oder Mischer („Fundamental Mixer“), um die zu messenden Frequenzen auf eine Zwischenfrequenz (ZF) herabzusetzen, bevor sie digitalisiert und weiter verarbeitet bzw. dargestellt werden. Damit spielen Harmonic-Sampler-Baugruppen eine kritische Rolle im Gesamtkontext, da sie die Grenzen setzen für essentielle Leistungsparameter wie Mischerverluste, Empfängerkompression, Isolation bzw. Übersprechen zwischen den Messkanälen und Störaussendungen an den Anschlüssen eines im Test befindlichen Geräts (Device under Test, DUT).

Harmonic Sampler und Mischer haben jeweils ihre eigenen einzigartigen Vor- und Nachteile: Mischer werden im unteren Hochfrequenzbereich bevorzugt, da das Generieren des zur Mischung benötigten Lokaloszillator-Signals (LO) und die Unterdrückung von unerwünschten Mischprodukten einfach und günstig zu realisieren sind.

Bei Mikrowellen- und mm-Wellen-Frequenzen, wo Parameter wie Kompressionseigenschaften und die Kosten von Hauptinteresse sind, werden seit längerem Harmonic Sampler eingesetzt. Bei Breitbandanwendungen, in denen das zu messende Frequenzband Hochfrequenz-, Mikrowellen- und mm-Wellen-Signale umfasst, können Hamonic Sampler und Fundamental Mixer gemeinsam benutzt werden, um die Leistungseigenschaften eines VNA über den gesamten Frequenzbereich zu optimieren. Diese Architektur ist Kernelement der VectorStar-VNA-Familie [1] von Anritsu.

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Bild 1. VNA-Reflektometer-Architektur, basierend auf dem Prinzip der Harmonic Sampler. Für die Abtastung wurden in der Vergangenheit häufig Step-Recovery-Dioden (SRD, Speicher- schaltdioden) genutzt.

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Bild 1. VNA-Reflektometer-Architektur, basierend auf dem Prinzip der Harmonic Sampler. Für die Abtastung wurden in der Vergangenheit häufig Step-Recovery-Dioden (SRD, Speicher- schaltdioden) genutzt.

Das Prinzip der äquivalenten Zeitabtastung

Bei Reflektometern oder Messkanalempfängern, die auf dem Prinzip der äquivalenten Zeitabtastung oder Oberschwingungsabtastung (Harmonic Sampler) beruhen (Bild 1), ergibt sich ein zeitlich gestrecktes Originalsignal am Zwischenfrequenzausgang (ZF). Dieser Design-Ansatz führt, verglichen mit dem Prinzip des „Fundamental Mixers“, zu einer vereinfachten VNA-Architektur mit reduzierten Kosten.

Die „Ersparnisse“ ergeben sich dabei direkt aus dem Funktionsprinzip der äquivalenten Zeitabtastung. Der Frequenzbereich des Lokaloszillators (LO, Mischeroszillator) kann, in Relation zum Gesamtmessbereich, auf etwa eine Oktave begrenzt werden; die sich ergebenden Harmonischen (Oberschwingungen) werden dabei für die Konversion auf eine ZF-Ebene genutzt. Der genutzte Lokaloszillator arbeitet damit, verglichen mit einem normalen Mischer, auf einer niedrigeren Frequenz. Die hierbei auftretenden Mischverluste begrenzten in der Vergangenheit häufig die Nutzbarkeit des Harmonic Samplers.

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Bild 2. Veranschaulichung der äquivalenten Zeit- abtastung im Zeitbereich: oben eine sinusförmige HF-Wellenform am Eingang des idealen Serienschalters, in der Mitte die Leitfähigkeit des Schalters, unten das heruntergemischte Zwischenfrequenzsignal.

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Bild 2. Veranschaulichung der äquivalenten Zeit- abtastung im Zeitbereich: oben eine sinusförmige HF-Wellenform am Eingang des idealen Serienschalters, in der Mitte die Leitfähigkeit des Schalters, unten das heruntergemischte Zwischenfrequenzsignal.

Die äquivalente Zeitabtastung wird in der Literatur häufig auch als Unterabtastung, Oberschwingungsabtastung oder Super-Nyquist-Abtastung bezeichnet.

Eine Veranschaulichung des Funktionsprinzips wird in Bild 2 für eine Darstellung im Zeitbereich gezeigt. Hier treten Abtastwerte einer sinusförmigen HF-Welle mit der Periode T HF am Ausgang eines idealen Schalters auf, der mit einer Frequenz von T_LO angesteuert wird.

Aus Bild 2 ist zu entnehmen, dass die abgetastete Zwischenfrequenz-Wellenform U_ZF(t) das arithmetische Produkt der sinusförmigen HF-Wellenform U_HF(t) und der Leitfähigkeit des idealen Schalters g(t) ist. Das heißt,

wobei g(t) in folgender Formel (2) als eine trigonometrische Fourier-Reihe (wie in [2] erläutert) ausgedrückt werden kann

Aus Bild 2 ist (im unteren Teil) zu erkennen, dass die Tiefpassfilterung der Zwischenfrequenz zu einer zeitgestreckten Kopie der Original-HF-Wellenform führt.

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Bild 3. Amplitudenantwort des idealen Serienschalters als Funktion der Ansteuerungsapertur Tg. Eine Verringerung der Abtastpulsbreite führt zu einer erhöhten Bandbreite unter Inkaufnahme erhöhter Mischerverluste.

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Bild 3. Amplitudenantwort des idealen Serienschalters als Funktion der Ansteuerungsapertur Tg. Eine Verringerung der Abtastpulsbreite führt zu einer erhöhten Bandbreite unter Inkaufnahme erhöhter Mischerverluste.

Bild 3 zeigt, dass die Ansteuerzeit T_g einen wesentlichen Einfluss auf die Mischverluste des idealen Schalters hat. Das heißt, eine Verringerung der Ansteuerzeit des Schalters wird von einem Anwachsen der HF-Bandbreite auf Kosten der verringerten Umwandlungseffektivität begleitet (höhere Mischverluste).

Praktische Ausführungen des Abtasters für VNAs haben sich traditionell auf Schottky-Dioden als Schalter und auf Step-Recovery-Dioden (SRD) für die Impulserzeugung gestützt. Step-Recovery-Dioden (auch Speichervaraktoren genannt) sind ähnlich einer PIN-Diode aufgebaut. Wird bei einer Step-Recovery-Diode das Potential geändert, so werden die gespeicherten Injektionsladungen während der negativen Halbwelle abrupt abgebaut: Es entstehen Rückstromimpulse.

Diese sehr steilen, kurzen Rückstromimpulse haben ein Spektrum mit Linien im Abstand der anregenden Frequenz. W. M. Grove [3] hat im Jahre 1966 erstmalig das Prinzip des Harmonic Samplers erfolgreich in einer Reihe von Instrumenten realisiert, dazu gehörten Mikrowellen-VNAs, Abtast-oszilloskope und Frequenzzähler. In seinem Design wird ein Spannungsimpuls benutzt, um die Schottky-Dioden über ein kurzes Zeitintervall T_g anzusteuern. Während dieses Intervalls werden die Schottky-Dioden leitfähig und laden die Abtastkondensatoren C_s auf. Die auf den Kondensatoren befindliche Ladung führt zu einer Ausgangsspannung, die der Polarität und Amplitude des HF-Eingangssignals entspricht.

1. Teil: Optimale Netzwerkanalyse im mm-Wellen-Bereich
2. Teil: Übersprechen und Isolation zwischen den VNA-Testkanälen
3. Teil: Reflektometer-Erweiterungen für mm-Wellen
4. Teil: Literatur & Autoren