Ausfälle vermeiden Optimal und fehlerfrei mit dem VNA messen

HF-Komponenten aller Art zu messen mit hochfrequenztechnischer Leistung.
Die HF-Komponenten aller Art zu messen mit hochfrequenztechnischer Leistung.

Ein moderner Vektornetzwerkanalysator (VNA) ist eine Meisterleistung hochfrequenztechnischer Ingenieurarbeit, die das exakte Messen und Analysieren von Signalen an HF-Komponenten aller Art über einen breiten Frequenzbereich hinweg ermöglicht – in einigen Fällen bis hinauf zu 110 GHz. Um präzise Messergebnisse damit zu erzielen, sind jedoch einige Punkte zu beachten.

VNAs sind in der Lage, den Entwicklungsingenieur bei der Analyse und Charakterisierung von extrem anspruchsvollen und leistungsfähigen HF-Komponenten aller Art zu unterstützen, indem sie eine hohe Genauigkeit und Auflösung bieten. Entwicklungsabteilungen, die in einen VNA (Bild 1 zeigt eine vereinfachte Blockschaltung) investiert haben, möchten naturgemäß, dass ihr modernes Messgerät stets mit maximaler Leistung und Präzision arbeitet.

In diesem Zusammenhang ist es vielleicht überraschend, dass die Maßnahmen, die nötig sind, um eine zuverlässige und präzise Funktionsweise eines VNA sicherzustellen, relativ unkompliziert realisierbar sind und – verglichen mit dem Einkaufpreis des Messgerätes – geringe Kosten verursachen. Dieser Beitrag zeigt, wie man durch Einhaltung bewährter Routinen bei der Kalibrierung und Wartung einen hohen Grad an Zuverlässigkeit, Präzision und Messgenauigkeit gewährleistet. Das Ganze wird eher mit Sorgfalt als mit hohem Finanzaufwand erreicht.

Häufigste Ursachen für Ausfälle

Da die Anforderungen an HF-Komponenten aller Art in letzter Zeit immer weiter gestiegen sind, haben die Auswirkungen selbst von geringfügigen Unlinearitäten oder Verzerrungen im Genauigkeitsbereich der Messungen eines VNA zugenommen. So bergen Kalibrierungs- und Anschlussverfahren, die in den vergangenen Jahren noch akzeptabel gewesen sein könnten, heutzutage das Risiko in sich, die von einem kostspielig angeschafften VNA ausgegebenen Messergebnisse eher zu verfälschen.

Führt man an einem VNA regelmäßig Kalibrierungen und Wartungen durch, so hat dies in der Hauptsache zwei Vorteile:

  • Die VNAs funktionieren zuverlässiger. Es ist eine geringere Ausfallhäufigkeit zu verzeichnen.
  • Die Messgenauigkeit ist höher

Für regelmäßige Anwender von VNAs mag dies selbstverständlich erscheinen. Dennoch führen erfahrene Anwender oftmals Probleme bei VNA-Messungen oder selbst einen kompletten Ausfall des VNA auf einen fundamentalen Konstruktionsfehler im Messgerät zurück, obwohl die Ursache in Wirklichkeit beim Anwender zu suchen ist, der die Herstellerrichtlinien zur regelmäßigen Wartung nicht eingehalten hat.

Warum ein VNA ausfallen kann

In der Praxis kommt ein Ausfall eines VNA selten vor. Wenn ein VNA dennoch komplett ausfällt, liegt dies oft an einem Ausfall der Stromversorgung des Messgeräts. Solch ein Totalausfall tritt meist aus einem der beiden folgenden Gründe auf, wobei beide Gründe vermeidbar wären:

  • Verschmutze Luftfilter führen zu Überhitzung. Ein durch Schmutz und Staub verstopfter Luftfilter führt dazu, dass der Lüfter nicht ausreichend Luft zur Kühlung der Leistungsbaugruppen ansaugen kann. Wird bei diesen Baugruppen die maximale Betriebstemperatur überschritten, neigen sie dazu, auszufallen.
  • Eine regelmäßige Reinigung der Luftfilter beugt solchen Ausfällen vor.

Eine schlechtes Arbeitsumfeld führt zum gleichen Ergebnis: Kommt der VNA in einer schmutzigen, staubigen Umgebung oder in einem Umfeld mit hohen Umgebungstemperaturen zum Einsatz, droht ebenfalls eine Überhitzung von Leistungsbaugruppen.

Eine weitere häufig berichtete Ursache von VNA-Störungen ist der Phasenregelfehler. Die nachfolgend genannten Anzeichen sprechen dafür, dass ein Phasenregelfehler am VNA vorliegt:

  • Der VNA führt den Sweep nicht ordnungsgemäß aus.
  • Es erfolgt keine Ausgabe des HF-­Signals.
  • Es fehlt ein ZF-Signal.
  • Der vollständig reversierende 2-Port-VNA führt Sweeps nur in eine Richtung aus.
  • Empfängerseitig besteht ein Problem mit dem Sampler

Wiederum sind Phasenstabilitätsprobleme kein Beleg für einen fundamentalen Fehler im VNA. In den meisten Fällen entstehen sie durch die Verwendung von ungeeigneten oder minderwertigen bzw. defekten Kabelbaugruppen oder Verbindern (Bild 2). So kann infolge von Einsparungen bei der Spezifikation dieser relativ niedrigpreisigen Elemente eines Systems die viel höhere Investition in den VNA als solchen wertlos machen.

Hochwertige Kabel sind sensible Bauteile, die eine sorgsame Handhabung und Aufbewahrung erfordern. Wenn sie nicht in Gebrauch sind, sollten sie von den Ports des VNA getrennt werden, damit sie nicht versehentlich beschädigt werden oder verschleißen. Ebenso wichtig ist, dass Anwender eines VNA sich gut mit den verschiedenen Kabeln und Verbindern auskennen, die sie im Zusammenhang mit dem VNA verwenden. Insbesondere Koaxialkabel und Koaxialverbinder können aus folgenden Gründen fehlerhaft sein oder schlechte Leistungswerte aufweisen:

  • Adapter sind bei Kopplung mit universellen Verbindern zu fest angezogen.
  • Gewinde sind beschädigt.
  • Mittelleiterhülsen sind gequetscht (Bild 2).

Anwender, die sich gut mit Verbindern auskennen, wissen, wie eine Beschädigung der Verbinder beim Zusammenstecken und Trennen vermieden werden kann. Allgemeine Kenntnisse über die Pflege von Verbindern helfen zudem dabei, die Lebensdauer von Adaptern, Standardsteckverbindern, Verbindern und Kabeln zu verlängern.

In Bezug auf den VNA können Anwender viel für eine hohe Zuver-lässigkeit und eine lange Lebensdauer tun, indem sie folgende Punkte beachten:

  • Sie kennen die HF-Spezifikation des Messgerätes und vermeiden es, das Gerät einer übermäßigen HF-Leistung auszusetzen.
  • Sie halten die normalen ESD-Schutzvorkehrungen ein.
  • Sie lagern und verwenden den VNA in einem sauberen Arbeitsumfeld mit geringer Staub- und Partikelbelastung und halten sowohl Temperatur als auch Luftfeuchte stabil.