Vektornetzwerkanalysator bis 43,5 GHz HF-Bauteile schneller charakterisieren

Frequenzverläufe bestimmen bedeutet mehrere Messdurchgänge am Netzwerkanalysator. Mittlerweile gibt es Modelle, die eine parallele Messung erlauben.

Konzipiert wurde der ZNA von R&S (Bild 1) für die Charakterisierung von Komponenten und Modulen für den Einsatz im Aerospace & Defense (A&D)-Sektor. Damit ist er ein Gerät aus dem High-End-Segment und wurde entwickelt, um die hohen Anforderungen an Performanz, Stabilität, Reproduzierbarkeit und Vielseitigkeit von Vektornetzwerkanalysatoren zu erfüllen, die in diesem Bereich gefordert werden. Integriert sind bis zu vier interne, phasenkohärente Quellen, eine echte Mehrkanalarchitektur mit acht parallelen Messempfängern sowie zwei interne LO (Lokaloszillatoren). Aktuell stehen zwei Modelle mit Frequenzbereichen bis 26,5 GHz und 43,5 GHz zur Verfügung, jeweils mit zwei oder vier Messtoren.

Der R&S ZNA bietet die erforderliche Flexibilität für die Bewältigung heutiger und zukünftiger Testanforderungen bei der Charakterisierung aktiver und passiver Messobjekte. Mit einem äußerst niedrigen Messkurvenrauschen von <0,001 dB bei 1 kHz ZF-Bandbreite eignet er sich für hochgenaue, reproduzierbare Messungen an aktiven und passiven Komponenten und Modulen.

Neu ist ein messobjektbasiertes Bedienkonzept. Über das Touch-Display wird ein Konfigurations-Wizard zur Einrichtung von Messungen bereitgestellt. Dafür sind die nötigen Konfigurationen und Parameterabfragen für typische Messungen bereits im Vektornetzwerkanalysator hinterlegt. Der Wizard leitet Schritt für Schritt durch die Konfiguration und verkürzt den nötigen Zeitaufwand. Ebenfalls neu ist die Bedienung vollständig über eine Touch-Oberfläche.

Schneller zur Kennlinie von Mischern und Verstärkern

Die vollständige Charakterisierung eines Mischers erfordert normalerweise viel Zeit für die Konfiguration von Messkurven und Kanälen mit unterschiedlichen Parametern zur Messung des Mischverlusts nach Betrag und Phase, sowie zur Messung von Isolation und Anpassung. Das messobjektbasierte Bedienkonzept (Bild 2) vereinfacht diese Arbeit deutlich. Nach Auswahl des Messobjekttyps und Definition einiger grundlegender Parameter wie Frequenzbereich und Leistungspegel kann der Anwender die Messparameter und Messgrößen direkt wählen – die Konfiguration des Messaufbaus übernimmt der Netzwerkanalysator. Damit lassen sich Messungen schnell und ohne spezielle Kenntnis der optimalen Analysatoreinstellungen konfigurieren.

Dank der phasenkohärenten Quellen lassen sich Phasen- und Gruppenlaufzeitmessungen ohne Referenzmischer durchführen. Der zweite interne Lokaloszillator ermöglicht die gleichzeitige Messung des HF- und ZF-Signals. Dies verdoppelt die Messgeschwindigkeit gegenüber dem konventionellen Ansatz und erhöht die Messgenauigkeit.

Der elektronische Pegelsweepbereich von bis zu 100 dB erleichtert Kompressionspunktmessungen an Verstärkern erheblich und eliminiert den Einfluss von Schaltvorgängen, die bei mechanischen Eichleitungen auftreten. Die Spektrumanalysefunktion ermöglicht die Erfassung von Nebenaussendungen, und die internen Pulsmodulatoren erlauben Point-in-Pulse-Messungen und liefern im Vergleich zu herkömmlichen Methoden bis zu 50-mal schnellere Pulsprofilmessungen – beides häufige Anwendungen im A&D- und Wireless-Bereich.

Frequenzumsetzer ohne LO-Zugriff

Frequenzumsetzer ohne LO-Zugriff, die zum Beispiel in der Satellitenindustrie zum Einsatz kommen, sind aufgrund ihrer Frequenzverwerfung (Frequenzdrift) schwer zu messen. Mit dem Zweitonverfahren von Rohde & Schwarz kann der R&S ZNA Gruppenlaufzeit und relative Phase selbst an Umsetzern mit Frequenzdrift messen. Das Hardware-Konzept des Geräts ermöglicht die gleichzeitige Messung beider Töne. Mögliche Drifteffekte des Messobjekts treten jeweils bei beiden Tönen auf und heben sich im Messergebnis auf. Der R&S ZNA besitzt außerdem auch eine LO-Tracking-Funktion, um Drifteffekte des LOs im Messobjekt aufzuspüren und zu kompensieren. Der zweite interne LO im Netzwerkanalysator verdoppelt auch hier die Messgeschwindigkeit.

Hochsperrende Filter vermessen

Hochsperrende Filter in A&D-Anwendungen oder in Basisstationen stellen hohe Anforderungen an die Messdynamik der Testgeräte. Ein hoher Dynamikbereich ist nicht nur für die Messung sehr kleiner Signalpegel unabdingbar, er ist auch erforderlich, um eine größere ZF-Bandbreite für einen geforderten Dynamikbereich nutzen zu können. Dies beschleunigt Messungen und vereinfacht den Filterabgleich.

In der Reverse-Coupler-Konfiguration erreicht der R&S ZNA einen maximalen Dynamikbereich von typisch bis zu 170 dB (Bild 3). Um eine Sättigung der Messempfänger des Analysators im Durchlassbereich des Filters zu vermeiden, wird ein segmentierter Sweep mit unterschiedlichen Messparametern für den Sperrbereich und den Durchlassbereich durchgeführt.

Frequenzbereichserweiterung bis in den Terahertz-Bereich

Zahlreiche Anwendungen in der Mobilfunkkommunikation wie 5G, sowie On-Wafer-Komponententests, bildgebende Verfahren oder Grundlagenforschung verwenden Frequenzen im Millimeterwellen- und Terahertz-Bereich, z.B. 77/79 GHz oder 120 GHz für Messungen im Automotive-Sektor. Für den R&S ZNA steht eine Reihe von Frequenzkonvertern zur Erweiterung des Frequenzbereichs zur Verfügung. Sie liefern einen hohen Ausgangspegel und haben einen großen Dynamikbereich – beides wesentliche Voraussetzungen für On-Wafer-Messungen oder die Charakterisierung von Antennen. Nutzt man die direkten ZF-Eingänge am R&S ZNA für diese Messungen, dann wird der Eingangsmischer des Analysators umgangen und dadurch der Dynamikbereich nochmals um ca. 7 dB erhöht. Bis zu vier Konverter können an den R&S ZNA angeschlossen werden, um differenzielle, Mehrtor- und frequenzumsetzende Messobjekte zu charakterisieren.

Neue Messmethode für Satellitentechnik

Bei Satellitenübertragungssystemen führen Ausgangsmultiplexer verschiedene gefilterte Kanäle zu einem gemeinsamen Signal zusammen, das der Antenne zugeführt wird. Die Multiplexer bestehen aus Kanalfiltern, die an eine gemeinsame Hohlleitersammelschiene angeschlossen sind. Sie filtern getrennt jedes interessierende Kanalband und können Leistungen von typisch bis zu 300 W innerhalb der Ku- und Ka-(Downlink)-Bänder verarbeiten. Die Eigenschaften und Leistungsfähigkeit eines Kanals werden maßgeblich durch die integrierte Temperaturkompensation sowie der Temperatur im Umfeld der Kompensationseinheit bestimmt.

Bisher war es nicht möglich, Ausgangsmultiplexer zur Ermittlung ihres tatsächlichen Frequenzgangs mit hoher Leistung zu testen. Sie werden von einem Leistungsverstärker in Form einer Wanderfeldröhre gespeist, die für eine schnelle Frequenzumschaltung ungeeignet ist. So wurden sie bisher mit einem Vektornetzwerkanalysator bei niedrigen Pegeln getestet, und der Ausgangsmultiplexer wird auf eine berechnete effektive Temperatur erwärmt, um die resultierende Verlustleistung innerhalb der Komponente zu simulieren. Doch die Berechnung dieser Temperatur ist schwierig. Unter realen Bedingungen verteilt sich die Wärme nicht gleichmäßig innerhalb der Komponenten. Besonders problematisch sind Stellen, an denen eine höhere Verlustleistung auftritt. Dort ist das elektrische Verhalten nicht leicht zu reproduzieren.

Mittlerweile sind Messungen unter realen Bedingungen möglich. Um dabei realistische Erwärmungseffekte zu erzielen, wird der Ausgangsmultiplexer über eine Wanderfeldröhre mit einem CW-Stimulussignal mit hoher Leistung und der gewünschten Frequenz gespeist. Die Signale für die S-Parameter-Messungen werden über die Hohlleiterkoppler eingekoppelt, die einen hohen Koppelfaktor zwischen 50 dB und 60 dB besitzen. Dies schützt die Messtore des Analysators gegen Beschädigung durch hohe Leistungen. Diese Methode ist erst jetzt durchführbar, weil dafür ein Vektornetzwerkanalysator mit sehr hohem Dynamikbereich notwendig ist, wie ihn aktuell der R&S ZNA bereitstellt.

Der Autor

Andreas Henkel
studierte das Fach Elektrotechnik (Nachrichtentechnik) an der Universität Siegen und ist seit 1995 bei Rohde & Schwarz. Er arbeitete unter anderem im technischen Support, später im Produktmanagement für Spektrumanalysatoren, optische Messgeräte und Netzwerkanalysatoren. Im Jahr 2005 wechselte Henkel in das Produktmanagement für Netzwerkanalysatoren.