Vektornetzwerkanalyse Das Amplituden- und Phasenverhalten bis 26,5 GHz genau analysieren

Vektor-Netzwerkanalysatoren vermessen eingebaute Komponenten und Netzwerke. Das Messgerät liefert zudem Angaben zum Amplituden- und Phasenverhalten. Das ist jetzt bis 26,5 GHz möglich.

Die Mobilkommunikation hat sich in den letzten Jahren kontinuierlich weiterentwickelt. Damit einher geht die fortschreitende Digitalisierung als der größte Wachstumstreiber im Markt. Die Mobilfunknetze werden im „Mobile Economy Report“ der GSMA Intelligence als entscheidender Faktor für die wirtschaftliche Erholung und die Transformation in eine grüne und digitale Zukunft in Europa genannt.

Die Agenda des Mobile World Congress in Barcelona spiegelt das sehr gut wieder und zeigt die enge Verbindung von Digitalisierung und mobilen (Daten-)Netzen. Dank schnelleren und zuverlässigeren Datenübertragungen entstehen komplett neue Anwendungen. Davon ist der überwiegende Teil im Umfeld von Automobil (V2X) und Industrie (IIoT) anzutreffen, aber auch bei den vernetzten Dingen, Stichwort „Smart-X“. Alle genannten Anwendungen generieren zusätzliche Datenmengen. Das wiederum setzt leistungsstärkere Kommunikationstechniken voraus.

Obwohl die Software einen großen Einfluss bei der Verarbeitung der anfallenden Daten einnimmt, so ist die physikalische Realisierung der Datenübertragung die Grundvoraussetzung. Es geht um die Sicherstellung der Signalintegrität. Signalintegrität beschreibt die Qualität eines elektrischen Signals. Bei der Übertragung von Daten, auf physikalischer Ebene Bits und Bytes, denkt man in erster Linie an binäre Einsen und Nullen. Doch auf der Leitung oder in der Luft handelt es sich um analoge Signale (Spannungen/elektro-magnetische Wellen mit Feldstärken).

Verschärfte Anforderungen an die Signalintegrität

Auf der Übertragungsstrecke oder dem -pfad kann das Signal so stark verändert oder gestört werden, dass der Empfänger die ursprüngliche Nachricht nicht mehr entschlüsseln kann oder im schlimmsten Fall falsch interpretiert. Das heißt, die Signalintegrität ist sehr schlecht. Mit dem oben beschriebenen, steigenden Datenvolumen und den dadurch bedingten steigenden Datenraten verschärfen sich die Anforderung an die Signalintegrität. Zuverlässige Kommunikation per Funk oder leitungsgebunden kann nur mit optimal abgestimmten Systemen funktionieren.

Dabei wichtig ist, alle Einzelheiten und Einflussfaktoren exakt zu kennen und somit effektive Gegenmaßnahmen ergreifen zu können. Ein wichtiger Teil des Entwicklungs- und Optimierungsprozesses ist die Verifikation von aktiven und passiven Komponenten und Netzwerken. Signalverzerrungen und Verluste entstehen immer dann, wenn sich eine Anpassung nicht vornehmen lässt oder einzelne Parameter von den erwarteten Datenblatt-Werten abweichen. Hochgenaue Messungen, um Bauteil-Parameter zu charakterisieren, sind unbedingt notwendig. Vor allem deshalb, weil Datenblattwerte in den seltensten Fällen für die aktuelle Anwendung verfügbar sind. Auch für die Simulation der Schaltung werden die reellen Werte und Eigenschaften der Elemente benötigt.

Der Vektornetzwerkanalysator ist in der Hochfrequenztechnik das zentrale Messgerät, um passive und aktive Komponenten zu vermessen, 2-Tor-Netzwerke zu verifizieren oder schließlich Antennen oder Verstärkern anzupassen. Sämtliche Elemente einer Schaltung lassen sich in passive und aktive Komponenten unterteilen. Das wichtigste Beispiel für aktive Komponenten ist der Verstärker. Beispiele für passive Elemente sind Leitungen, Stecker, Induktivitäten, Kapazitäten, Widerstände, Dioden oder damit entwickelte Netzwerke wie Filter oder Koppler.

Aktive und passive Komponenten nicht unterschätzen

Grundsätzlich sind diese Elemente nicht besonders kompliziert. Man sollte allerdings nicht ihren erheblichen Einfluss auf die Signale unterschätzen. Hinzu kommt, dass sich einige der Elemente bei unterschiedlichen Bedingungen anders verhalten als im Datenblatt beschrieben. Zusätzlich sind nicht immer alle Parameter passend zu den aktuellen Anwendungsbedingungen in den Datenblättern gelistet. Ein Beispiel ist der Vielschicht-Keramikkondensator (MLCC). Die Kapazität sinkt mit der Bias-Spannung. Eine falsch dimensionierte Komponente kann dazu führen, dass ein in der Simulation stabiles System in Realität schwingt.

Die Netzwerkanalysator-Serie SNA5000A von Siglent verfügt über dezierte Anschlüsse, um DC-Spannungen in das Messgerät einzuspeisen. Damit kann man den Kondensator mit den exakten DC-Bias-Bedingungen der Anwendung vermessen und die realen Werte für die Simulation verwenden. Passive und aktive Elemente können weiter in linear und nicht-linear unterteilt werden. Doch was versteht man genau unter Linearität? Ein lineares System reagiert auf die Veränderung eines Parameters stets mit einer dazu proportionalen Änderung eines anderen Parameters.

Auf die Übertragungsfunktion übertragen heißt das: Wird ein Sinussignal eingespeist, so liegt am Ausgang wieder ein Sinus an. Trotzdem sind lineare Netzwerke nicht ohne Einfluss. Abhängig von der Frequenz des Sinussignals können die Amplitude oder die Phasenlage des Sinus verändert werden. Solange es sich nur um eine einzelne Sinuskurve handelt, lässt sich das vom Messtechniker noch beeinflussen. Liegen allerdings anspruchsvollere Signale wie ein Rechtecksignal (Datensignal) oder ein komplex moduliertes Signal vor, dann wird es bereits komplizierter.

Steckverbinder oder Kabel können bandpassartiges Verhalten verursachen

Das Bild 1 zeigt das lineare Element eines Bandpassfilters (BPF). Das BPF verfügt über eine frequenzabhängige Dämpfung, welche bei einigen Frequenzen hoch und bei anderen niedrig ist. Speist man ein Rechtecksignal ein, werden die Harmonischen im Durchlassbereich in der Amplitude kaum verändert. Signalkomponenten im Sperrbereich dagegen sehr stark. Das Ausgangssignal sieht im Zeitbereich im Vergleich zum Rechtecksignal am Eingang stark verzerrt aus.

Verwendet ein Entwickler einen Bandpass für sein Design, dann ist das Verhalten bekannt. Allerdings kann bereits ein schlechter Steckverbinder oder ein schlechtes Kabel ebenfalls ein bandpassartiges Verhalten aufzeigen und damit den gleichen Effekt hervorrufen. Bild 2 zeigt einen Übertragungskanal, der eine frequenzabhängige Veränderung der Phase erzeugt. Hier ist ebenfalls das Eingangssignal stark verändert. Die vektorielle Netzwerkanalyse wurde für die Messung und Analyse der Übertragungseigenschaften entwickelt.

Nichtlineare Elemente oder Netzwerke verändern die Form des Ausgangssignals

Mit dem Wissen bezüglich der Frequenzabhängigkeit des Amplituden und des Phasenverlaufs kann das Übertragungsnetz optimiert oder Fehler gefunden werden. Im Gegensatz zu den linearen Elementen verändern nichtlineare Elemente oder Netzwerke die Form des Ausgangssignals. Ein eingespeistes Sinussignal ist am Ausgang verzerrt. Der Blick ins Spektrum verdeutlicht diesen Effekt. Neben der Linie des Ursprungssinus sind weitere Harmonische des Signals entstanden. Ein Beispiel hierfür ist eine Diode. Die Übertragungsfunktion ist nicht linear.

Bei einem Mischer wird die Eigenschaft bewusst genutzt, um gewollte Mischprodukte zu erzeugen. Ein Mischer ist ein frequenzumsetzendes Bauteil mit dem ein Nutzsignal in der Frequenz nach oben oder nach unten verschoben werden kann. Für die Vermessung der Übertragungs- und Mischereigenschaften wie „Conversion Loss“ benötigt man zwei Eingangssignale. Dazu gehören der Lokaloszillator und das Nutzsignal.

Der Empfänger muss frequenzversetzt vom Nutzsignal eingestellt werden können. Mit den Modellen und ihren 26,5 GHz wurde die VNA-Serie um die Option SMM (Skalare Mischer Messung) erweitert. Die Vier-Port-Modelle bieten alle Funktionen für eine automatisierte Messung. Bei Zwei-Port-Modellen wird ein externer HF-Generator benötigt, der das Lokaloszillatorsignal bereitstellt.

Ungewollte Mischprodukte verhindern eine Zulassung

Betrachtet man die Kennlinie von HF-Verstärkern, findet man einen linearen und einen nichtlinearen Bereich. HF-Verstärker werden im linearen Bereich betrieben. Liegt der Arbeitspunkt im Bereich der Sättigung, also im nichtlinearen Bereich, entstehen ungewollte Mischprodukte. Sie können gegebenenfalls Nachbarkanäle stören und damit eine Zulassung des Produkts verhindern. Der 1-dB-Kompressionspunkt markiert den Übergang vom linearen zum nichtlinearen Bereich. Dieser Parameter wird bestimmt, indem die Eingangsleistung des Verstärkers über einen definierten Bereich verändert und parallel die Ausgangsleistung gemessen wird. Sobald die Ausgangsleistung um 1 dB von der theoretischen, linearen Kurve abweicht, ist der Punkt erreicht.

Der Ausgangsleistungsbereich des SNA5000A umfasst -55 bis 10 dBm. Neben den dynamischen Kenngrößen, wie die Bandbreite, Verstärkung und der 1-dB-Punkt, ist die Bestimmung der Anpassung am Eingang und am Ausgang. Das ist in HF-Systemen ein wichtiges Thema in Bezug auf die Systemeffizienz und die Signalintegrität und in HF-Designs ist die Zielimpedanz immer 50 Ohm. Alle Pfade, Filter, Verstärker oder Antennen sind dahin optimiert.

Bei Abweichungen von den idealen 50 Ohm entstehen Reflexionen, welche die Effizienz verschlechtern. Gut am Beispiel Antenne zu sehen. Das zu übertragende Signal kommt aus dem HF-Verstärker und wird in die Antenne eingespeist. Ist die Antenne nicht ideal angepasst, wird ein Teil der Leistung reflektiert. Als Ergebnis steht nicht die ganze Energie für die Übertragung zur Verfügung. An dieser Stelle kann mit einem VNA der genaue Wert der Reflexion oder der Fehlanpassung bestimmt werden. Die Ergebnisse helfen die richtige Anpassung zu entwickeln oder, falls möglich, die Antenne zu optimieren.

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