Gepulste Hochleistungsverstärker messen
Nur messen, was wichtig ist
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Messung im Profilmodus eines VNA
Durch Berechnung des Verhältnisses der Signale b2:a1 kann der VNA jegliche auftretende Drift in Amplitude und Phase des Impulses messen, die dem GaN-Verstärker zuzuschreiben ist. Üblicherweise nutzen die meisten VNAs für diese Messung eine Betriebsart, die unter der Bezeichnung „Profilmodus“ bekannt ist: Dieser Modus gestattet es dem Anwender, sich Signale im Amplituden- und Phasenbereich (Zeitbereich) anzeigen zu lassen.
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Leider ist die zeitliche Steuerung der Messfenster im Profilmodus nicht besonders gut an das Messen der aufeinanderfolgenden Impulse angepasst. Wie Bild 4 zeigt, wird die Analyse an einer gesamten Impulsfolge durchgeführt. Eine typische Impulsfolge mit einer Länge von 6 ms kann 20 Impulse enthalten, wobei jeder Impuls eine Dauer von 50 µs hat. Ein Messfenster von 1 µs wird zur Anzeige der Impulsform verwendet. Wünscht der Anwender eine adäquate Charakterisierung des gesamten Signals, so bedeutet dies, dass die Messung viele Messpunkte enthalten muss – typischerweise 1000 Messpunkte oder mehr. Außerdem ist, um das Rauschen eliminieren zu können, die angezeigte Messung ein Durchschnittswert aus 40 oder mehr Messabtastungen. Diese große Anzahl an Messabtastungen führt zu längeren Messzeiten, die schnell mehrere Sekunden betragen können.
Die Messzeit hängt dabei von der Anzahl der Messpunkte, der Anzahl der Messabtastungen und der Breite des Analysefensters ab. Im Profilmodus kann der Prüfingenieur anschließend die Darstellung der gesamten Impulsfolge abrufen: Die angezeigten Messungen zeigen die erkannte HF-Energie, sowohl im Impulsverlauf als auch während der Intervalle zwischen den Impulsen. In der Praxis bedeutet dies, dass das Bild verrauscht ist, wodurch es extrem schwierig ist, kleinere Änderungen in der Signalamplitude und Signalphase auszumachen (Bild 5). Um überhaupt nützliche Informationen daraus ableiten zu können, muss der Anwender Marker an jedem Impuls anbringen und anschließend die Daten für jeden Impuls in einer Marker-Tabelle ablesen (Tabelle 1).
Die Marker-Ergebnisse ermöglichen es dem Anwender, Veränderungen in einem Ausmaß von 0,0075 dB und 0,06° zu erkennen. Das Ablesen und Anbringen von Markern ist jedoch eine schwierige Aufgabe. Ebenso ist es schwierig, den Trend der Instabilität der Impulsfolge direkt an der Messkurve abzulesen, insbesondere deshalb, weil die Veränderungen in Werten ausgedrückt sehr geringfügig sind. Es besteht die Möglichkeit, die Messkurve heranzuzoomen. Dann ist jedoch die Kurve durch das um die Impulse herum vorhandene Rauschen verzerrt. Um die Messergebnisse an einen PC auszugeben, wird die Marker-Tabelle benötigt. Dies ist aufwändig, weil der Anwender so viele Marker anbringen muss, wie zu messende Werte vorhanden sind.
Messen im P2P-Modus
Ein neues, im VNA VectorStar von Anritsu verfügbares Messverfahren macht das Messen der Drift zwischen einem Impuls und dem nächsten erheblich einfacher und schneller. Dieses Messverfahren wird Pulse-to-Pulse- (P2P-)Modus genannt. Zusätzlich zur Erleichterung und Beschleunigung bei der Umsetzung der Messung liegen die Vorteile des P2P-Modus in der höheren Messgenauigkeit, einer schnelleren Abtastung und in der Möglichkeit der Ausgabe der Messergebnisse an eine PC-Software.
Messen im P2P-Modus Bild 6 - 8
Das Prinzip des P2P-Modus besteht darin, Messungen nur an einem ausgewählten Abschnitt des Impulses vorzunehmen und anschließend nur die den Anwender interessierenden Daten anzeigen zu lassen. Der Anwender konfiguriert die Zeitabläufe, indem er ein Fenster auswählt, in dem der VNA den Puls misst (Bild 6). Auf dem Bildschirm sind die daraus resultierenden Messergebnisse eindeutig und frei von Störungen durch andere Signale zu sehen. Es handelt sich um eine gleichmäßige Messkurve, in der entweder die Amplitude oder die Phase dargestellt wird. Die Funktion eines VNA bei Betrieb im P2P-Modus zeigt Bild 7.
Der Zeitablauf für die Datenerfassungsvorgänge des VNA wird durch ein externes Triggersignal, das mit dem Signalgenerator synchronisiert ist, gesteuert. Die zeitliche Steuerung des Fensters – dessen Versatz und Breite – lässt sich im VNA-Menü einstellen. Ein Messfenster wird durch einen Punkt auf dem Bildschirm verkörpert, wie in Bild 6 dargestellt. In jedem Zeitfenster wird der gleiche Abschnitt eines jeden Impulses gemessen. Im VNA-Menü wählt der Anwender die Anzahl der anzuzeigenden Punkte sowie die Anzahl der Impulse je Impulsfolge aus. Durch das Verbinden der Punkte erstellt der VNA eine Messkurve.
Da die Anzahl der angezeigten Punkte auf dem Bildschirm gleich der Anzahl der zu messenden Impulse ist, lässt sich eine Messkurve mit beispielsweise nur 20 Punkten pro Impulsfolge anstelle der im Profilmodus erforderlichen 1000 Punkte erzeugen. Dadurch wird die Abtastgeschwindigkeit erheblich gesteigert.
Zusätzlich ist die Größe des Messfensters im Profilmodus vom Betrieb des Messgerätes abhängig – es lässt sich nicht problemlos vom Anwender konfigurieren. Da es klein genug sein muss, um die Anzeige des Signals zu ermöglichen und die Abtastgeschwindigkeit so hoch wie möglich zu halten, ist in der Praxis eine Breite von ca. 1 µs normalerweise das zulässige Maximum. Im P2P-Modus kann das Messfenster verbreitert werden. Dadurch ist die Berechnung einer größeren Anzahl von Punkten möglich, wodurch die Messqualität verbessert wird.
Wie im oben beschriebenen Profilmodus kann eine Mittelwertbildung der Messwertabtastung erfolgen, um den Einfluss des Rauschens auf die angezeigten Werte zu reduzieren. Es können zahlreiche Parameter angezeigt werden: Amplitude, Phase, lineare Messkurve und Impedanz.
Die Ergebnisse von tatsächlich durchgeführten Messungen im P2P-Modus sind in Bild 8 und in Tabelle 2 dargestellt. Diese Messungen wurden auf einem Durchgangs- und nicht auf einem GaN-Verstärker durchgeführt, was die sehr geringe Instabilität erklärt. Dennoch zeigen diese Ergebnisse, wie exakt der VNA die Pulse-to-Pulse-Instabilität messen kann – bis hinunter zu Abweichungen der mdB-Skalierung der Amplitude und der 0,01°-Skalierung der Phase.
Verglichen mit der in Bild 5 dargestellten Profilmodus-Messung lässt sich die im P2P-Modus erzeugte Messkurve einfacher lesen. Das Anbringen von Markern ist gleichermaßen problemlos. Durch die hohe Abtastrate kann der VNA schnell im Laufe der Zeit stattfindende Abweichungen bei Baugruppen-Kennzahlen nachverfolgen.
Der Autor
| Jean-Pierre Guillemet |
|---|
| ist Field Applications Engineer bei Anritsu in Frankreich. |
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