Ein Vektor-Netzwerk-Analysator auf Basis von USB und seine Vorteile

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Dank der Vektor-Netzwerkanalyse können Entwickler drahtlose Geräte entwickeln. Wir schauen uns die Messgeräte genauer an und stellen einen USB-basierten VNA vor.

Durch die immer schnelleren IoT-Geräte und die damit einhergehende Verbreitung von Hochfrequenz- und Wireless-Produkten, steigt die Nachfrage nach Hochfrequenz-Messtechnik und Hochfrequenz-Testinstrumenten. Vektor-Netzwerk-Analysatoren, kurz VNAs, waren bisher zu teuer und zu komplex, obwohl sie für die Design-Verifikation und Optimierung hilfreich sind.

Auf dem Messtechnik-Markt gibt es mittlerweile kostengünstige und kompakte USB-basierende VNAs. Anfang der 1950er Jahre wurde der erste VNA entwickelt, um die Netzwerkparameter von elektrischen Netzwerken zu messen. Dank der VNAs konnten unterschiedliche drahtlose Technologien entwickelt werden. Entwickler simulieren physische Prototypen-Iterationen und senken die Markteinführungszeit. Ein VNA validiert und optimiert die Design-Simulationen. In der Produktion werden HF-Komponenten oder Geräte zusammengebaut und mit VNAs geprüft, damit die Spezifikation eingehalten werden.

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Die verschiedenen Arten eines Vektor-Netzwerk-Analysators

Ein Hauptmerkmal eines VNAs ist, dass er sowohl eine Signalquelle als auch Empfänger enthält. Mit der Signalquelle wird ein definiertes Eingangssignal erzeugt. Mit den Empfängern werden die Veränderungen des Signals durch das zu prüfende Bauteil oder Testobjekt ermittelt. Bild 1 verdeutlicht die Funktion eines VNA. Der Einfachheit halber dient Port 1 als Quelle. Die meisten VNAs sind heute aber Mehrpfad-Instrumente und können das Eingangssignal auf jedem Port ausgeben.

Die Quelle eines VNA speist das erzeugte Signal in das Testobjekt ein. Der VNA misst dann sowohl das vom Eingang reflektierte Signal als auch das durch das Testobjekt zum Ausgang hindurchgehende Signal. Die VNA-Empfänger messen die resultierenden Signale und vergleichen diese mit dem ursprünglichen Stimulus-Signal. Die Messergebnisse werden dann entweder internen oder auf einem externen PC bearbeitet und für den Anwender dargestellt.

Es sind unterschiedlichste VNAs am Markt erhältlich, die sich unter anderem durch die Anzahl der Ports und Pfade unterscheiden. Im Fall eines 1-Port-VNAs wird das Testobjekt an die Eingangsseite angeschlossen (Bild 1), wobei nur die reflektierten Signale gemessen werden können. Mit einem 2-Port-1-Pfad-VNA lassen sich sowohl das reflektierte als auch das übertragene Signal messen. Allerdings muss das Testobjekt physisch umgepolt werden, um die Rückparameter messen zu können. Bei einem 2-Port-2-Pfad-VNA kann das Testobjekt mit jedem Port in beiden Richtungen verbunden werden, weil das Instrument den Signalpfadumkehren kann. Dadurch lassen sich die Reflexionen an beiden Ports, sowie die Übertragung in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung messen.

Worauf es bei einem VNA ankommt

Beim Vergleich von VNAs und der Auswahl eines Instruments für eine Anwendung sind die vier Spezifikationswerte wichtig: 1. Frequenzbereich, 2. Dynamikbereich, 3. Trace-Noise und 4. Messgeschwindigkeit. Der Frequenzbereich ist die erste und kritischste Spezifikation, die beachtet werden sollte. Alle Testobjekte haben einen gewissen Betriebsfrequenzbereich. Allerdings sind teilweise auch die Oberschwingungen zu berücksichtigen. Bei aktiven Komponenten, wie Verstärker, Wandler und Mischer, müssen eventuell harmonische Frequenzen geprüft werden, die um den Faktor zwei bis fünf höher sind als die Betriebsfrequenz.

Auch bei Filtern und Duplexern sind Oberschwingungen des Durchlassbereichs zu prüfen. Obwohl ein höherer Frequenzbereich wünschenswert sein kann, ist der maximale Frequenzbereich ein entscheidender Kostentreiber bei VNAs. Der Dynamikbereich ist die messbare Dämpfung vom Maximum bis Minimum über einen spezifizierten Frequenzbereich. Abhängig von der gewünschten Leistung des Testobjekts sollte das Grundrauschen des Testobjekts mindestens 10 dB über dem der VNA Spezifikation liegen. Viele VNAs bieten heute einen sehr guten Dynamikbereich mit bis zu 120 dB, der für die meisten allgemeinen Anwendungen ausreichend ist.

Trace-Noise-Wert und Messgeschwindigkeit

Der Trace-Noise-Wert gibt an, wie viel Grundrauschen durch den VNA erzeugt wird und in die Messung einfließt. Dieser wird normalerweise in Milli-Dezibel gemessen. Trace-Noise kann ein entscheidender Faktor sein, wenn die Genauigkeit von bestimmten Komponenten ermittelt wird. Ein Beispiel ist die zulässige Welligkeit im Durchlassbereich eines Filters. Wenn eine gewisse Leistungsfähigkeit zur Bestimmung der Genauigkeit eines Signals nach einem Filter erforderlich ist, sollten die durch den VNA hinzugefügten Störungen berücksichtigt werden.

Schließlich ist auch die Messgeschwindigkeit ein wichtiger Wert. Sie gibt an, wie viel Zeit erforderlich ist, um einen einzelnen Wobbel-Vorgang oder eine Messung durchzuführen. Das kann eine kritische Anforderung für Anwendungen in der Produktion von großen Stückzahlen sein. Von bestimmten Komponenten für Smartphones werden pro Jahr mehrere Milliarden Stück hergestellt, so dass die Reduzierung der Testzeiten bei sehr großen Stückzahlen entscheidend ist. Für viele Anwendungen in der Entwicklung und der Produktion kleiner Stückzahlen ist die Messgeschwindigkeit des VNA dagegen kein Problem.

Mit VNAs lassen sich messen: 1. Übertragung und 2. Reflexion. Für Übertragungsmessungen speist der VNA ein Eingangssignal in das Testobjekt ein und misst dann das Ausgangssignal auf der anderen Seite. Die häufigsten S-Parameter-Übertragungsmessungen sind S21 und S12. Weitere Beispiele für Übertragungsmessungen sind: Verstärkung, Einfügedämpfung/Phase, elektrische Länge/Verzögerung und Gruppenlaufzeit.

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