HF-Messtechnik Vektor-Netzwerkanalyse mit mehr als vier Toren

Netzwerkanalyse und Lösungsmöglichkeiten bei Netzwerkanalysatoren mit mehr als vier Toren.
Netzwerkanalyse und Lösungsmöglichkeiten bei Netzwerkanalysatoren mit mehr als vier Toren.

Mit einem vektoriellen Netzwerkanalysator (VNA) lassen sich schnell Transmissions- und Reflexionsparameter vermessen. Wenn das Messobjekt allerdings mehr als vier Tore hat – wie Datenkabel, Antennen-Arrays oder komplexe Multistandard-Front-End-Module von Mobiltelefonen – dann ist der Messaufwand mit einem konventionellen Netzwerkanalysator erheblich.

Ein klassischer VNA besitzt zwei oder vier Tore. Mit diesen Analysatoren sind Messungen an mehr als vier Toren aufwendig, da der Anwender entscheiden muss, welche Torgruppen des Prüflings (DUT – Device Under Test) gleichzeitig vermessen werden sollen. Alle nicht verwendeten Tore des DUT müssen mit 50 Ω abgeschlossen sein, um zu vermeiden, dass Reflexionen das Messergebnis beeinflussen. Zudem muss der Anwender das Messobjekt mehrmals an- und abschrauben, um alle Tore des Messobjekts zu vermessen. Das erhöht nicht nur den Messaufwand, sondern verlängert auch die Messzeit erheblich. Schneller und einfacher ginge es, wenn der Testingenieur die Anzahl der VNA-Messtore auf die Anzahl der Tore des Messobjekts erweitern könnte. Dafür gibt es zwei Möglichkeiten: die Erweiterung eines bestehenden VNA mit einer externen Schaltmatrix oder die Verwendung eines VNA mit mehr als vier Toren.

Die Erweiterung mit einer Schaltmatrix

Bei einem bereits vorhandenen Netzwerkanalysator lässt sich die Toranzahl eines Netzwerkanalysators mit externen Schaltern erhöhen. Darüber hinaus müssen die Schaltvorgänge mit den Messabläufen des VNA synchronisiert werden. Dies erfordert ein komplexes Steuerprogramm. Auch die Kalibrierung eines Aufbaus mit externen Schaltern ist deutlich anspruchsvoller als bei Messungen mit einem 2- oder 4-Tor-Netzwerkanalysator. Wer alle S-Parameter eines Messobjekts messen will, benötigt ein externes Schaltermodul, welches „full crossbar“ ist. Das bedeutet, der VNA muss jedes einzelne Tor anregen und an allen anderen Toren messen können.

Es gibt sinnvolle und bezahlbare Alternativen. Rohde & Schwarz zum Beispiel bietet externe Schaltmatrizen für ihre VNAs an, bei denen die benötigte Ansteuerfunktion bereits in der Firmware integriert ist. Somit können sie „plug & play“ ohne große Anpassungen eingesetzt werden. Die externe Schaltmatrix R&S ZN-Z84 beispielsweise ist für den R&S ZNB von Rohde & Schwarz konzipiert. In der Basisversion erweitert sie zwei Messtore des VNA auf sechs Messtore. Gemäß der Anforderung des Anwenders lässt sie sich um Gruppen von je sechs auf bis zu 24 Messtore erweitern.

Entscheidend ist hierbei, dass die Mehrtorlösung die HF-Eigenschaften des VNA nicht zu stark beeinträchtigt. Dazu müssen die Messtore gut angepasst sein. Vor allem aber dürfen die verwendeten Schalter nur eine geringe Einfügedämpfung aufweisen. Denn diese beeinflusst den verfügbaren Ausgangspegel, die Empfindlichkeit und damit das Messkurvenrauschen. Eine geringe Einfügedämpfung wirkt sich positiv auf die Zeit- und Temperaturstabilität und damit auf die Länge der Kalibrierintervalle aus. Bei der R&S ZN-Z84 beispielsweise beträgt die Einfügedämpfung zwischen 3 dB und 5 dB bei 2 GHz, abhängig von der Topologie der Matrix.

Ein Vorteil von externen Schaltmatrizen ist deren große Flexibilität. Aus diesem Grund sind zum Beispiel die R&S-ZN-Z84-Schaltmatrizen modular aufgebaut. Es gibt sie in Varianten mit 6, 12, 18 oder 24 Messtoren. Sie sind jeweils kompatibel mit den genannten 2- oder 4-Tor-VNAs, wobei bei einem 4-Tor-Modell maximal zwei Schaltmatrizen anschließbar sind. Somit lässt sich der 4-Tor-VNA R&S ZNB mit zwei Matrizen auf bis zu 48 Tore erweitern, und es können alle 48×48 S-Parameter vermessen werden. Bei Verwendung eines 4-Tor-VNA mit nur einer Schaltmatrix mit zwei Eingangstoren stehen dem Anwender neben den Toren der Matrix zusätzlich die zwei ungenutzten VNA-Messtore zur Verfügung (Bild 1).

An diesen beiden Toren sind Ausgangspegel, Kompressionspunkt und Dynamik höher als bei den Messtoren an der Schaltmatrix. Diese Eigenschaften sind beim Vermessen von aktiven Bauteilen oder Filtern entscheidend. Des Weiteren kann eine Schaltmatrix auch über einen PC angesteuert werden und somit ohne VNA als Schaltmodul verwendet werden.