Netzwerkanalyse
Optimale Netzwerkanalyse im mm-Wellen-Bereich
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Übersprechen und Isolation zwischen den VNA-Testkanälen
Während die Nutzung von SRDs die Erweiterung der HF-Messbandbreite der VNAs bis zu 65 GHz möglich machte [4], verhinderten gleichzeitig die begrenzte SRD-Abfallzeit und Instabilitäten beim Lokaloszillator-Design eine Erweiterung des Prinzips in Richtung mm-Wellen-Anwendungen. Zudem wird der Dynamikbereich bei Transmissionsmessungen (S21) stark durch die ungenügende Isolation zwischen den einzelnen sampler-basierten Messkanälen begrenzt. Das Übersprechen konnte mangels Verfügbarkeit von breitbandigen Isolatoren nur ungenügend unterdrückt werden.
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Das Phänomen des Übersprechens ist am besten zu verstehen, wenn man sich das SRD-gesteuerte Abtastreflektometer (2-Port-VNA) in Bild 4 betrachtet. Hierbei ist zu sehen, dass reflektierte Wellenanteile vom Messobjekt (DUT, ganz rechts) über den Sampler 2 (rechts oben), den Signalsplitter und die SRD-Pulsgenerierung (Bildmitte) in den Sampler 3 (unten rechts) überkoppeln.
Das hierdurch entstehende Übersprechen zwischen den Kanälen begrenzt wesentlich die Messgenauigkeit, da keine breitbandigen Isolatoren eingesetzt werden können - so auch das Übersprechen (d) bei Vorwärtsübertragungsmessungen an stark reflektierenden Prüflingen abseits des Durchlassbereiches von Sampler 2 auf Sampler 3 bzw. bei Rückwärtsübertragungsmessungen von Sampler 3 auf Sampler 2.
Diese Beobachtungen in Verbindung mit der Tatsache, dass das frequenzabhängige Übersprechen nicht durch Kalibrierung beseitigt werden kann, führt zu einer Einschränkung des nutzbaren Dynamikbereiches SRD-basierter VNA-Empfängerkonzepte. Die vollständige, genaue und wiederholbare Charakterisierung von stark reflektierenden DUTs wie Hochpassfiltern oder Baugruppen mit geringer Einfügedämpfung (Hohlleitern) wird damit schwierig bis unmöglich.
Die bereits erwähnten Einschränkungen der Abtast-VNAs auf SRD-Basis können durch Anwendung von Samplern auf der Basis von nichtlinearen Übertragungsleitungen (NLTL, Non Linear Transmission Lines) überwunden werden (Bild 5). NLTLs in MMIC-Technologie bestehen aus einer auf einer koplanaren Platine aufgebauten Leitung mit integrierten, in Sperrrichtung angeordneten Schottky-Dioden.
Schottky-Dioden ändern nichtlinear und spannungsabhängig ihre Kapazität, was sich in einer Variation der Ausbreitungsgeschwindigkeit der sich ausbreitenden Welle auswirkt. Die NLTLs bilden ein Ausbreitungsmedium, dessen Phasengeschwindigkeit und damit Zeitverzögerung von der augenblicklichen Spannung abhängt [6 bis 9].
Bei einer stufenförmigen Wellenform, die sich entlang einer NLTL ausbreitet, wandert das Tal der Welle mit einer höheren Phasengeschwindigkeit als die Spitze. Das führt zu einer Kompression der abfallenden Flanke des Eingangssignals und damit zu einer Bildung einer steilen Wellenfront, die der einer Stoßwelle nahe kommt. Mit Hilfe dieser NLTL-Konzepte können Pulsgeneratoren realisiert werden, die durch Pulskompression in der Lage sind, schmale Pulse mit großer Amplitude im ps-Bereich zu erzeugen [5].
Wegen ihrer attraktiven Eigenschaften sind Sampler auf NLTL-Basis für die Anwendung in der VectorStar-VNA-Familie entwickelt worden. Zu diesen Eigenschaften gehören die HF- und LO-Frequenzskalierbarkeit und eine hohe Isolation zwischen den Kanälen, die Übersprechen verhindert. Dieses Übersprechen ist dabei der Schlüsselfaktor für einen hohen Dynamikbereich. Die in Bild 6 gezeigten Verstärkerbaugruppen vermeiden dabei durch ihre Rückwärtsübertragungsfunktion (S12) ein Übersprechen zwischen den verschiedenen Sampler-Baugruppen.
Im Sperrbereich eines DUT, z.B. bei der Vorwärtsübertragungsmessung eines Hochpassfilters, wird eine beträchtliche Menge der Energie des einfallenden Signals reflektiert und vom Testkanal A empfangen. Wegen der HF-LO-Kopplung in Sampler 2 breitet sich ein Teil der empfangenen Signalenergie gedämpft entlang der NLTL von Sampler 2 in Richtung Leistungsteiler (Power Divider) aus und trifft auf den Rückwärtspfad der Verstärker, wodurch die Welle erneut gedämpft wird.
Die hiermit erreichte Isolation zwischen den Testkanälen A und B kann weiter vergrößert werden, indem man weitere Verstärker und Isolatoren hinzufügt. Wegen der Symmetrie der Prüfkanäle befinden sich im Prüfkanal B identische Baugruppen.
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- Reflektometer-Erweiterungen für mm-Wellen
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