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USB-Netzwerkanalysatoren

Handliche High-Performer

01. Juli 2019, 09:00 Uhr   |  Von Axel Hahn

Handliche High-Performer
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Die Rechenleistungen auf externen Geräten sind mit Frequenzen bis 26,5 GHz verfügbar.

USB-Netzwerkanalysatoren sind klein und trotzdem leistungsfähig. Verfügbar sind mittlerweile Geräte mit Frequenzen bis 26,5 GHz. Für Entwickler von Stromversorgungen gibt es spezialisierte Modelle bis 50 MHz.

Netzwerkanalyse stellt für zahlreiche Elektronikentwickler ein notwendiges Werkzeug für die begleitende Analyse des Hardware-Designs dar. Mit der Methode wird das Frequenzverhalten von passiven oder aktiven Komponenten untersucht, typischerweise Filter oder Verstärker. Es können aber auch ganze Module charakterisiert werden. Sowohl im unteren Frequenzbereich als auch bis zur Höchstfrequenz findet die Netzwerkanalyse Anwendung im Labor.

Die dafür notwendigen Messinstrumente werden immer handlicher und kleiner. Während vor Jahrzehnten die Signalauswertung analog auf Hardware-Basis durchgeführt wurde, hat sich durch den Einzug leistungsstarker Rechner die Verarbeitung digitalisierter Messwerte durch immer kleinere Bauformen realisieren lassen.

Der nächste logische Schritt war, den Rechner vollständig von der Messumgebung zu entkoppeln und die Messdaten via PC und externer Software auszuwerten. Das Messgerät übernimmt hier nur noch die Funktion, Messdaten zu erfassen und über eine geeignete externe Schnittstelle an den Auswerterechner weiterzuleiten. Die Vorteile sind ein kompakter Formfaktor und vergleichsweise kleine Anschaffungskosten bei guter Leistungsfähigkeit.

Erste USB-Messgeräte

Im Oszilloskop-Bereich werden solche Messgeräte seit einigen Jahren von Firmen wie Pico Technology auf den Markt gebracht. Sie werden über eine USB-Schnittstelle angesteuert und lassen sich darüber einfach in Messsysteme einbinden. Das ist auch für größere und komplexe Messaufbauten möglich. Entsprechend gut werden USB-Oszilloskope mittlerweile am Markt akzeptiert.

Netzwerkanalysatoren (Vector Network Analyzer, VNA) mit USB sind bis 26,5 GHz verfügbar, angefangen vom Einstiegsgerät bis zum spezialisierten Typ mit dedizierter Impedanz- und TDR-Messfunktion

PicoVNA106 – im Hintergrund ist ein Teil der möglichen Messwertdarstellung der zugehörigen PicoVNA2-Software gezeigt, wie Smith-Diagramm, Frequenzgang oder Bode-Diagramm
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Bild 1. PicoVNA106 – im Hintergrund ist ein Teil der möglichen Messwertdarstellung der zugehörigen PicoVNA2-Software gezeigt, wie Smith-Diagramm, Frequenzgang oder Bode-Diagramm.

In der Netzwerkanalyse zählt ebenfalls Pico Technology zu einem der Pioniere. Schon im Jahr 2017 kam mit dem PicoVNA106 (Bild 1) ein kompakter USB-Vektor-Netzwerkanalysator auf dem Markt, der einen Frequenzbereich von 300 kHz bis 6 GHz abdeckt und dabei im unteren Preissegment liegt.

Zahlreiche unterschiedliche Anwendungen wie z.B. eine HF-Charakterisierung diverser passiver Komponenten können mit diesem Gerät auch im Zeitbereich (Time Domain) durchgeführt werden. Über die Messung im Zeitbereich können Rückschlüsse auf Fehlstellen bzw. Fehlanpassungen gezogen werden. Beliebt ist der PicoVNA106 mittlerweile auch in der Lehre. Gerade an Universitäten wird die unkomplizierte Bedienbarkeit, Übersichtlichkeit der Software und die einfache Installation des Gerätes sehr geschätzt. Mit einem Dynamikbereich von bis zu 118 dB und einem 0,005 dB Messrauschen bei einer Maximalbandbreite von 140 kHz deckt der PicoVNA106 ein weites Anwendungsfeld ab.

USB-VNAs bis 26,5 GHz

Das breiteste Anwendungsspektrum in puncto Applikationen und Bandbreiten liefert die Vektor-Netzwerkanalysator-Serie Streamline von Keysight. Keysight, die vormalige HP-Messtechnik, hat lanjährige Erfahrung in der Entwicklung von Netzwerkanalysatoren im Messtechnikmarkt. Namensgebend für den »Streamliner« ist das Lüftungskonzept der Gerätegehäuse. Die Hardware besteht aus VNA-Messkarten, die vorher schon als PXI-Variante genutzt wurden.

Zwei Keysight Streamline-P9375A mit jeweils zwei Eingängen sind zu einem 4-Port-Netzwerkanalysator zusammengeschaltet
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Bild 2. Zwei Keysight Streamline-P9375A mit jeweils zwei Eingängen sind zu einem 4-Port-Netzwerkanalysator zusammengeschaltet. Benötigt wird dazu eine Multiport-Lizenz auf einem der beiden Geräte und ein »Cable und Connector Kit« für die Verschaltung.

Teil dieser Serie ist die P937XA-Familie (Bild 2). Es ist gerechtfertigt zu sagen, dass mit dieser Familie der Stand der Technik bei den USB-Netzwerkanalysatoren einen Schritt nach vorne gemacht hat: Unterschiedliche Modelle decken einen Frequenzbereich von 300 kHz bis 4,5 GHz beim Einstiegsmodell bis zu einer maximalen Bandbreite von 300 kHz bis 26,5 GHz ab. Der Dynamikbereich liegt mit 114 dB bei 9 GHz und 110 dB bei 20 GHz im Bereich von High-End-Analysatoren. Die Sweep-Zeiten sind kurz und die Messrate hoch.

Neben den klassischen Messverfahren der Netzwerkanalyse gibt es bei den Streamline Vektor-Netzwerkanalysatoren einige Erweiterungen wie: Skalare Mischerkonversionen, eine Funktion zum automatischen Herausrechnen des Einflusses von Prüfadaptern (Atomatic Fixture Removal, AFR) und auch eine Multiport-Anwendung ist verfügbar. Diese letzte Option ist für den Entwicklungsbereich besonders interessant, denn mit ihr können zwei unabhängige 2-Port-Streamline-VNAs mittels Software und eines Konnektor-Kits zu einem vollfunktionsfähigen 4-Port-Netzwerkanalysator zusammengeschaltet werden. Eine Vielzahl weiterer Messmöglichkeiten wie Common-Mode oder Differential-Mode werden durch diese Erweiterungen ermöglicht.

S-Parameter-Korrekturmethoden vor und nach Messungen
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Bild 3. S-Parameter-Korrekturmethoden vor und nach Messungen.

Auch die Kalibrierung wurde um einige Möglichkeiten zur Fehlerkorrektur erweitert. Zum einen kann der Entwickler Port-Extensions nutzen, um über Leitungslängen und Phasenversatz die meist nicht kalibrierbaren Teile des Messsystems hinreichend aus dem Messergebnis nach Messung herauszurechnen.

Diese Funktion ist bereits von Standard-Vektoranalysatoren (also keine USB-VNA) der Einstiegsklasse bekannt. Zum anderen ermöglicht die Automatic Fixture Removal (AFR) ein nachträgliches komplettes Herausrechnen des Einflusses des Prüfadapters auf das Messergebnis eines Prüflings. Eine Übersicht über diese und andere Methoden ist in Bild 3 gegeben. Gut umgesetzte AFR-Funktionen können einer Vielzahl von Messanforderungen gerecht werden:

  • Single-Ended- und Differential-Geräte
  • Linke und rechte Seite der Vorrichtung können asymmetrisch sein
  • Durchgangslängen können festgelegt oder aus offenen oder kurzen Messungen bestimmt werden
  • Bandpaßzeit-Domänenmodus für Bandbreiten-eingeschränkte Geräte
  • Extrapolation zur Anpassung an den DUT-Frequenzbereich
  • Leistungskorrektur kompensiert Fixture-Loss-Frequenz
  • De-Embedding-Dateien können in einer Vielzahl von Formaten für die spätere Verwendung gespeichert werden

Neben diesen Funktionen unterstützt die Streamline-VNA-Serie nun auch die »Material Measurement Suite N1500A« von Keysight. Durch diese Erweiterung können auch Messungen zur Dielektrizitätskonstante und Permeabilität durchgeführt werden.

Software-Oberfläche für die Keysight Streamline USB VNA. Zu sehen ist die Messanwendung mit der Option der Time-Domain-Analyse
© DataTec

Bild 4. Software-Oberfläche für die Keysight Streamline USB VNA. Zu sehen ist die Messanwendung mit der Option der Time-Domain-Analyse.

Das gesamte Software-Konzept ist identisch mit dem neuesten GUI der High-End-PNA-Serie von Keysight (siehe Bild 4).

Neben der gewohnten Bedienoberfläche sind direkte Anbindungen in Programmierumgebungen für die Durchführung programmierbarer Messsequenzen eingerichtet, Schnittstellentreiber sind erhältlich und eine Programmierhilfe ermöglicht einen leichten Einstieg in die Ansteuerung durch externe Software wie Matlab, LabView, C# oder C++.

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2. Startfrequenz ab 9 kHz möglich

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