Messungen mit einem Vektor-Netzwerkanalysator
Ein Vektor-Netzwerkanalysator ist in der HF-Messtechnik eine wichtige Hilfe, doch er muss auch optimal kalibriert werden, um gute Messergebnisse zu erhalten. Hier ein neuartiges Kalibrierverfahren, das präziser als bisherige Verfahren arbeitet und Zeit sparen hilft.
Ein Vektor-Netzwerkanalysator ist in der HF-Messtechnik eine wichtige Hilfe, doch er muss auch optimal kalibriert werden, um gute Messergebnisse zu erhalten. Hier ein neuartiges Kalibrierverfahren, das präziser als bisherige Verfahren arbeitet und Zeit sparen hilft.
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Das Aufgabenspektrum eines Vektor-Netzwerkanalysators (VNA) reicht von der Modellierung aktiver Bauelemente auf Wafer-Ebene bis zum Test von Satellitenverbindungen. Letztlich ist ein solcher Analysator also ein unverzichtbares Werkzeug für HF- und Mikrowellen-Techniker. Dank der guten Eigenschaften bezüglich Dynamikbereich und Frequenzstabilität sowie der Fähigkeit, sowohl Phasen- als auch Betragsdaten zur Verfügung zu stellen, liefert ein VNA sehr genaue Messergebnisse. Doch deren Genauigkeit hängt von einer sorgfältig durchgeführten Kalibrierung ab.
Gute Kalibrierung ist die Grundlage für Mess-Präzision
Ein VNA-Kalibriervorgang besteht aus der Messung von Impedanzstandards und der Anwendung der VNA-eigenen Korrekturalgorithmen. Da ein solcher Kalibrierungsprozess sehr zeitaufwendig und anspruchsvoll sein kann, muss sich ein Techniker häufig zwischen Genauigkeit und Zweckmäßigkeit entscheiden. Um beispielsweise eine hohe Genauigkeit zu erzielen, muss man sehr viel Zeit und Sorgfalt auf die mechanisch-elektrische Verbindung der verschiedenen Impedanzstandards mit dem Analysator verwenden, denn beispielsweise tragen die richtige Innenleitertiefe und das Anzugsdrehmoment sowie saubere Steckverbindungen wesentlich zum Erfolg des Kalibriervorganges bei.
Grundsätzlich dienen die VNA-Spezifikationen als Hinweis auf das erzielbare Genauigkeitsniveau bei Anwendung bestimmter Kalibrierungssätze und -methoden. Als häufigstes Kalibrierverfahren wird das TOSM-Verfahren (Thru-Open-Short-Match) mit einer Gleitlast verwendet. Gleitlasten ermöglichen die höchste Richtschärfe, mit der die Gesamtgenauigkeit der Reflexionsmessungen bestimmt wird. Sie sind jedoch empfindlich, insbesondere wenn man Steckverbinder bei höheren Frequenzen nutzt. Somit wird die Genauigkeit häufig zu Gunsten der einfacher verwendbaren festen Abschlusswiderstände geopfert, was zu einer schlechteren Richtschärfe führt.
In diesem Zusammenhang vereinfachen automatische Kalibratoren das Verfahren, da sie die Impedanzstandards bereits im Kalibrierungsmodul enthalten. Auf diese Weise werden die Impedanzpunkte während der Kalibrierung automatisch umgeschaltet. Das Ergebnis ist ein vollständig kalibrierter VNA, für den nur eine einzige Verbindung an jedem Tor benötigt wird. Der Nachteil solcher elektronischer Kalibratoren ist jedoch, dass die erzielbare Genauigkeit in der Regel geringer ist als beim TOSM-Verfahren. Doch ein neues automatisches Kalibrierverfahren schafft, wie hier beschrieben, Abhilfe: Es liefert sogar eine bessere Genauigkeit als eine TOSM-Kalibrierung mit Gleitlasten.
Ein Kalibrierungsprozess im Detail
Eine der wichtigsten Eigenschaften eines VNA ist die Messung der Breitbandeigenschaften des Messobjekts (MO). Auf diese Weise kann z.B. ein Koppler, der für einen schmalen Frequenzbereich ausgelegt ist, so optimiert werden, dass er eine Richtschärfe von bis zu 50 dB gewährleistet. Falls der Koppler jedoch mehrere Oktaven abdecken soll, befindet sich die unkorrigierte Richtschärfe im Bereich von nur 10 dB. Durch Kalibrierung wird die unkorrigierte Grundgenauigkeit auf nahezu Schmalbandbedingungen verbessert.
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