Zeitbereichsmessungen Warum High-Speed-Datenanwendungen einen Breitband-Vektornetzwerkanalysators erfordern

Abb. 1: Das Anritsu ME7838A Breitband-VNA-System deckt einen Frequenzbereich von 70 kHz bis 125 GHz ab
Abb. 1: Das Anritsu ME7838A Breitband-VNA-System deckt einen Frequenzbereich von 70 kHz bis 125 GHz ab

Vektornetzwerkanalysatoren (VNAs) sind sehr leistungsfähige und flexible Messgeräte. Ihre Hauptfunktion besteht darin, die S-Parameter zu messen und das Ergebnis im Frequenzbereich darzustellen. Dies liefert dem Konstrukteur wertvolle Daten während der Entwicklungsphase, und hilft dem Fertigungsingenieur bei der Qualitätskontrolle seines Produktes.

Vektornetzwerkanalysatoren(VNAs) sind sehr leistungsfähige und flexible Messgeräte. Ihre Hauptfunktion besteht darin, die S-Parameter zu messen und das Ergebnis im Frequenzbereich darzustellen. Dies liefert dem Konstrukteur wertvolle Daten während der Entwicklungsphase, und hilft dem Fertigungsingenieur bei der Qualitätskontrolle seines Produktes.

Zusätzlich zur Darstellung der Performance im Frequenzbereich verfügen VNAs über eine Zeitbereichs-Option, welche die Analysefunktion des VNA erweitert, indem die Daten im Zeit- (oder Entfernungsbereich) angezeigt werden. Dies erreicht man durch mathematische Umwandlung der gemessenen Frequenzbereichsdaten eines VNA in den Zeitbereich. Diese Zeitbereichsdaten werden in einem ähnlichen Format wie beim klassischen Zeitbereichsreflektometer (TDR) angezeigt. Diese Darstellungsform unterstützen die Fehlerstellenanalyse auf Kabeln und die allgemeine Analyse von räumlich verteilten Diskontinuitäten auf Leitungen und in Netzwerken.

Beispiele von Anwendungen, bei denen eine Zeitbereichsanalyse hilfreich sein kann, sind:

  • Ermitteln von Stellen mit Fehlanpassung oder Impedanzänderungen an Übergängen, Testfassungen oder Platinen.
  • Auffinden und Bewerten von Fehlerstellen in einer Kabelbaugruppe
  • Ermitteln der Eigenschaften einer Fehlanpassung (induktiv oder kapazitiv)
  • Bestimmung der Impedanzwerte in einer kaskadierten Folge von Übertragungsleitungen
  • Gating bei Materialmessungen im freien Raum

Heutzutage, wo die Hersteller von Telekommunikationstechnik Geräte entwickeln, die Datenübertragungsraten von 100 Gbit/s und höher ermöglichen, ist der Bedarf nach exakter und präziser Messung der Signalintegrität mehr denn je gewachsen. Die in diesem Beitrag beschriebenen Messanwendungen sind wichtige Werkzeuge, die den Konstrukteur dabei unterstützen, einen zuverlässigen Betrieb der neuesten Kommunikationsgeräte im Hochgeschwindigkeitssektor zu erreichen.

Warum Vektornetzwerkanalysatoren die Zeitbereichsreflektometer abgelöst haben

Während Zeitbereichsmessungen in der Vergangenheit hauptsächlich mit Zeitbereichsreflektometern (TDRs) oder Samplingoszilloskopen durchgeführt wurden, ist heute ein Vektornetzwerkanalysator (VNA) das Messinstrument der Wahl. Die Möglichkeit der vektoriellen Fehlerkorrektur, zusammen mit einem viel größeren Dynamikbereich von bis zu 100 dB (selbst bei 110 GHz),ermöglichen eine Messgenauigkeit, die von den traditionellen TDRs nicht erreicht werden kann.

Auch für den Entwickler von differentiellen Baugruppen stellt ein VNA mit Zeitbereichs-Option ein nützliches Werkzeug dar, weil es Gating und die Rücktransformation in den Frequenzbereich ermöglicht. Wird diese mit leistungsfähigen Embedding- und De-Embedding-Features kombiniert, hilft diese Zeitbereichsfunktion bei der Verringerung der Entwicklungszeit.

Die Zeitbereichsfunktion wird durch eine Chirp-Z-Transformation der Frequenzbereichsdaten für jeden beliebigen S-Parameter ermittelt. Da die Transformation die Daten im Frequenzbereich einfach als Eingabedaten behandelt, kann jeder Parameter (auch Mixed-Mode S-Parameter und differenzielle S-Parameter) transformiert werden. Die Chirp-Z-Transformation ähnelt der bekannten Fast-Fourier-Transformation sehr, mit dem Unterschied, dass der Ausgabebereich variabel gestaltet werden kann. Dadurch kann der Anwender einen beliebigen Zeitbereich festlegen und die Anzahl der Datenpunkte konstant halten.

Die Bedeutung der räumlichen Auflösung

Beim Durchführen der Zeitbereichsmessungen sind örtliche Auflösung und maximaler Längenbereich die wichtigsten Parameter für den Anwender. Die Leistungsfähigkeit eines Messgerätes in Bezug auf diese Parameter wird durch den Frequenzbereich und die Anzahl der Datenpunkte definiert, die das Gerät unterstützt.

Tatsächlich ist die Ortsauflösung direkt proportional zur Bandbreite der Daten im Frequenzbereich. So hat der neue Breitband-Vektornetzwerkanalysator ME7838A von Anritsu (siehe Abb. 1) eine Bandbreite von 125 GHz, woraus sich eine räumliche Auflösung bis hinunter zu einigen wenigen Millimetern ergibt. Dies bedeutet, dass der Vektornetzwerkanalysator Daten liefern kann, die für eine Analyse von Übergängen in sehr kleinen Komponenten, wie z. B. in Steckverbindern und Kontakten (siehe Abb. 2) von Nutzen sind.

Die Anforderung, Fehlerstellen mit sehr hoher Ortsauflösung bestimmen zu können, steigt proportional mit dem wachsenden Bedarf an Übertragungsbandbreite. So werden z.B. Koaxialverbindern hinsichtlich ihrer Maße immer kleiner um noch höhere Frequenzbereiche zu erschließen. Heute sind im kommerziellen Bereich bereits 1 mm-Verbinder erhältlich, und die Entwicklung kleinerer Verbinder, wie z. B. solcher Verbindertypen mit 0,8 mm Geometrie ist im Gange.

Während das Endprodukt hauptsächlich durch Parameter, wie  Rückflussdämpfung und Einfügungsdämpfung spezifiziert ist, benötigt der Konstrukteur bei der Entwicklungsarbeit einen ausführlichen Einblick in das Bauteil. Der Gehäuseadapter wird über eine Stütze verfügen, die als Halterung für den Innenleiter dient, Luftleitungen, Impedanzanpassungen und verschiedene andere Bauteile, die alle ihren Beitrag zur Produktperformance leisten. Mit Hilfe von Zeitbereichsmessungen kann der Effekt, den jedes einzelne dieser Bauteile hat, dargelegt und die Konstruktion einer Feinabstimmung unterzogen werden.

Eine typische VNA-Messung eines solchen Koaxübergangs ist in Abbildung 5 dargestellt. Die obere Kurve ist eine S11-Messung (Reflexionsmessung), die den kompletten Frequenzbereich darstellt. Die untere Kurve ist eine Zeitbereichsmessung am gleichen Verbinder. Die einzelnen Höchstwerte drücken Impedanzänderungen aus, die an verschiedenen Stellen im Inneren des Verbinders auftreten.

Gating-Messungen mit einem Vektornetzwerkanalysator

Eine weitere spannende Anwendung der Zeitbereichsmessung findet sich in der Materialmessung. Bis in den THz-Bereich müssen unterschiedliche Materialien auf ihre elektromagnetischen Eigenschaften getestet werden. Im militärischen Bereich können dies zum Beispiel Stoffe mit speziellen Reflexionseigenschaften sein, aber auch Trägermaterialien für Schaltungen im höheren Gbit Übertragungsbereich müssen entsprechend charakterisiert sein. Zudem besteht in der Industrie ein steigender Bedarf nach präziser Charakterisierung fester, halbfester Materialien sowie flüssiger Stoffe. Während einige Materialien Messaufbauten mit herkömmlichen Probeaufnahmen, wie z. B. Übertragungsleitungen in Koax- oder Hohlleiterausführung oder Sonden erlauben, muss bei manchen Materialen anders vorgegangen werden.

Das verbreitetste Messverfahren dafür ist die Materialmessung im freien Raum. Dadurch können beispielsweise Dünnschichtmaterialien oder solche mit einer rauen Oberfläche leichter gehandhabt werden und man umgeht die Problematik von komplizierten Probeaufnahmen. Der Nachteil ist, dass die üblichen Verfahren zur Messung und Kalibrierung nicht zur Anwendung kommen können.

Zeitbereichsmessungen beseitigen diese Probleme: Ein VNA ermöglicht die Nutzung von Zeittoren (Gates) zum Ausblenden bestimmter Datenbereiche (wie z. B. im Messaufbau verwendete Antennen). Die Nachbearbeitung ermöglicht eine Berechnung der Materialeigenschaften, wie z. B. der Dielektrizitätskonstante, der Leitfähigkeit und des Dielektrizitätsverlustes.

Messungen im freien Raum werden häufig durch Mehrwegereflexionen beeinträchtigt, da es oftmals unmöglich ist, einen vollkommen abgeschirmten Bereich um das Messobjekt herum zu schaffen (siehe Abb. 7). Dadurch entstehen zusätzliche Übertragungspfade, die das Signal des direkten Übertragungsweges mit einem Störsignal überlagern.

Gating ist ein Prozess der es erlaubt, gewisse Zeitbereiche genauer zu untersuchen oder aber vom Gesamtergebnis auszublenden. In Abbildung 8 wurde z.B. eine Breite des Gates von 10 mm angewendet, um die durch Mehrwegeübertragungen hervorgerufene Welligkeit zu reduzieren.

Das Resultat des Gatings kann man  im Zeitbereich belassen,  meist erfolgt jedoch eine Rücktransformation, um das Ergebnis im Frequenzbereich zu erhalten. Je nach Messobjekt und Messaufbau können sowohl Tiefpass- als auch Bandpass-Gates verwendet werden.

Dies ist von besonderer Wichtigkeit, da einige Messaufbauten zur Durchführung von Messungen im freien Raum schmalbandig ausgelegt sind. In diesen Anwendungen kommen oft Hohlleiterantennen zum Einsatz: Sie sind von Natur aus Bauelemente mit eingeschränkter Frequenzbandbreite und erfordern die Verwendung eines Bandpass-Gates.

Signalintegritätsmessungen

Heutzutage, wo die aktuellen Übertragungsraten im Datenverkehr von Internet-Datenzentren bis zu 1 Tb/s erreicht haben, werden die Verbindungen zwischen einzelnen Baugruppen zu Engpässen in der Übertragung. Bei der Produktentwicklung müssen Hersteller von Steckverbindern, die anstreben, eine gute Signalintegrität bei hohen Datenübertragungsraten zu gewährleisten, während die Kosten minimiert werden, eine gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Messung erreichen. Dies erfordert ingenieurwissenschaftliche Kompetenz im Bereich der Mikrowellensysteme. Insbesondere müssen Entwickler Anstiegszeit und Laufzeitverzögerung an Breitband-Bauelementen messen, beispielsweise an Koaxialkabeln, Schaltern, Backplanes und Verstärkern.

Die Verwendung von Samplingoszilloskopen in Verbindung mit Pulsgeneratoren mit kurzer Anstiegszeit war eine verbreitete Methode zum Messen von Anstiegszeit und Laufzeitverzögerung. Inzwischen liegen jedoch die möglichen VNA-Bandbreiten über denen von Oszilloskopen: Damit stellt der Vektornetzwerkanalysator (VNA) eine Alternative zum Messen der Anstiegszeit und der Laufzeitverzögerung von Highspeed-Bauelementen dar.

In der Praxis erfordern Konstruktionen, die Datenübertragungsraten jenseits von 20 Gb/s unterstützen, Testlösungen bei Frequenzen im Bereich von DC bis 70 GHz bzw. sogar 110 GHz in einem durchgehenden Sweep. Die bisher übliche Methode, einzelne schmale Frequenzbänder zu einem großen Band zusammen zu fassen, birgt zu viel Fehlermöglichkeiten; deshalb sind Single-Sweep Lösungen stets zu bevorzugen.

In Highspeed-Verbindern werden Übertragungsprobleme oftmals durch Durchkontaktierungen, Mehrfachlayer oder Steckkontakte verursacht. Genaue Zeitbereichsdaten, die ein Breitband-Vektornetzwerkanalysator liefert, ermöglichen es dem Entwickler die genau Lokalisierung einer Fehlerstelle. So erfüllt z. B. der Anritsu ME7838A, der über eine maximale Frequenzbandbreite von 125 GHz und bis zu 100000 Datenpunkte verfügt, diese Anforderungen.

In den meisten Fällen erfolgt die Zeitbereichs-Transformation mit Daten, die auf S11-Messungen (Reflexionsmessungen) basieren; die Transformation kann jedoch auch auf jeden anderen S-Parameter angewendet werden. Ein typisches Beispiel ist die Messung der Anstiegszeit an Highspeed-Baugruppen. Dabei wird die Sprungantwort der S21 Messung ausgewertet. Der Vektornetzwerkanalysator selbst hat dabei eine eigene  Anstiegszeit  von nur 9 ps (in einem 110 GHz-System). Sämtliche Prozessoptionen (Tiefpass-, Bandpass- und Gatingfunktion) sind für die S21-Messungen der Sprungantwort anwendbar.

Außerdem ermöglichen die im Vektornetzwerkanalysator verfügbaren Fehlerkorrekturmethoden eine weitaus genauere Messung der Anstiegszeit, während beim Oszilloskop durch Adapter und Kabel zusätzliche Fehlerquellen entstehen können.

Allgemein ist der Tiefpassmodus die bevorzugte Prozessoption für Signalintegritätsmessungen. Der Tiefpassmodus nimmt das Vorhandensein von Daten nahe am DC-Wert an: Dies erlaubt der Mathematik die Berechnung von Sprungantworten und die Erzeugung einer realen Transformation.

Da der DC-Term ab dem Nullpunkt integriert wird, ist der hier verwendete Wert von extremer Bedeutung. In den meisten Fällen extrapoliert das VNA-System den DC-Term von den vorhandenen Frequenzdaten. Die falsche Berechnung des DC-Terms führt zu ungenauen und instabilen Impedanzmessungen. (Die Vektoranalysatoren von Anritsu verwenden zur Erhöhung der Genauigkeit eine Brücken-/Kopplerbauweise und sorgen damit für eine bessere Übereinstimmung mit Daten des 3-D-Simulators für das elektromagnetische Feld. 

Dies kann durch  die Messung der Anstiegszeit eines 40 Gb/s-Treiberverstärkers unter Anwendung eines 110 GHz-Vektornetzwerkanalysators veranschaulicht werden. Zunächst ist eine Messung der Anstiegszeit des VNA- Übertragungsverhaltens notwendig. In diesem Fall wird eine 12-Term-Kalibrierung durchgeführt. Mit der vorhandenen Durchgangsverbindung erfolgt die Messung der S21 Sprungantwort (siehe Abb. 9). Die Anstiegszeit, d.h. die Zeitspanne zwischen dem 10 %igen und dem 90 %igen Amplitudenwert, wird mit ca. 9 ps gemessen.

Der 40 Gb/s-Treiberverstärker wird danach gemessen. In diesem Fall zeigt die S21-Sprungantwort im Zeitbereich die zusammengesetzte Messung der Anstiegszeit des Vektoranalysators und der Anstiegszeit des Verstärkers. Die 180°-Phasenverschiebung des Verstärkers wird als invertierter Sprung im Zeitbereich dargestellt. Die kombinierte Anstiegszeit beträgt 12 ps (siehe Abb. 10).

Die Anstiegszeit des Verstärkers kann nun unter Nutzung der RSS-Methode  berechnet werden:

TR (DUT) = TR (gesamt) – TR (VNA)

oder

TR (Verstärker) = √[122 – 92] = 8 ps

Auf die gleiche Weise kann die durch den Verstärker hervorgerufene Laufzeitverzögerung gemessen werden, und zwar vom 50 %-Punkt der Sprungantwort.

Verzögerung TD = 30 ps

Fazit

Die Zeitbereichsmessung stellt für den Entwickler ein leistungsfähiges Werkzeug dar, welches einen detaillierten Blick auf den Signaldurchfluss durch ein Bauelement erlaubt. Signalintegritätsmessungen sind heute mehr denn je ein wesentlicher Bestandteil in der umfassenden Bauteilcharakterisierung von Highspeed-Baugruppen. Nur ein Vektornetzwerkanalysator ist in der Lage, die notwendigen Messungen gleichzeitig im Frequenzbereich und im Zeitbereich durchzuführen.

 

Christian Sattler ist Business Development Manager bei Anritsu Deutschland