Leistungsmesstechnik Leistungsmessung an breitbandigen Quellen DC bis 110 GHz

Für Leistungsmessungen DC bis 110 GHz gab es bisher keine attraktive Lösungen. Sensoren für das V- und W-Band basieren auf veralteter Technik. Ein thermischer Leistungssensor verspricht Abhilfe.

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Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG

Für die Leistungsmessung an breitbandigen Quellen DC bis 110 GHz oder für die Pegelkalibrierung von Netzwerkanalysatoren mit 1-mm-Messtoren gab es bis vor kurzem keine attraktive Lösung am Markt. Die vorhandenen Leistungssensoren für das V-Band und das W-Band basieren auf veralteter Technik und erfassen nur Signalkomponenten innerhalb ihres Frequenzbandes.

Der Anwender benötigt für breitbandige Messungen somit mehrere, aufeinander abgestimmte Sensoren. Der thermische Leistungssensor R&S NRP-Z58 von Rohde & Schwarz deckt dagegen deckt den gesamten Frequenzbereich von DC bis 110 GHz lückenlos ab.

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Die Auswahl an Leistungssensoren für Applikationen im Millimeterwellenbereich ist sehr klein. Viele dieser Sensoren entsprechen schon lange nicht mehr dem Stand der Technik. Das gilt für den Frequenzbereich von 67 bis 75 GHz, aber auch für das W-Band von 75 bis 110 GHz, für das nur ein älterer Sensortyp auf Diodenbasis sowie ein kalorimetrisch arbeitender Leistungsmesser am Markt erhältlich sind. Zum Beispiel lassen sich mit solchen Sensoren keine Signale unterhalb der Cut-off-Frequenz des verwendeten Hohlleitertyps erfassen, was Leistungsmessungen an breitbandigen Quellen wie Photodetektoren und Photoempfängern für das 100-G-Ethernet erschwert.

Ähnliches gilt für die Pegelkalibrierung von Netzwerkanalysatoren mit 1-mm-Messtoren. Auch hier bestand bisher die einzige Möglichkeit darin, sequenziell in einzelnen Frequenzbereichen mit dazu passenden Leistungssensoren zu messen. Leistungssensoren mit Hohlleiteranschluss waren dabei zusätzlich über Adapter mit dem koaxialen Anschluss der Quelle zu verbinden.

Abgesehen vom Arbeitsaufwand und der Unmöglichkeit einer Automatisierung, ist diese Vorgehensweise mit einem stärkeren Verschleiß des empfindlichen 1-mm-Konnektors verbunden. Das ist nicht nur eine Folge der Mehrfachbelastung, sondern hängt auch mit dem mechanischen Stress durch das hohe Eigengewicht und die großen Abmessungen konventioneller Hohlleiter-Leistungssensoren zusammen.

Leistungsmessbereich von 0,3 µW bis 100 mW

Mit dem thermischen Leistungssensor R&S NRP-Z58 gehören die Probleme der Vergangenheit an. Über einen koaxialen 1-mm-Konnektor (männlich) kann der gesamte Frequenzbereich bis 110 GHz lückenlos erfasst werden. Der Leistungsmessbereich reicht dabei von 0,3 µW bei einer Dämpfung von -35 dBm bis 100 mW bei 20 dBm, sodass der messtechnisch interessanteste Bereich abgedeckt ist.

Daneben ist der neue Leistungssensor leicht und handlich, lässt sich über eine USB-Schnittstelle direkt von einem PC aus bedienen und bietet weitere Features wie hohe Messgeschwindigkeit, exzellente Linearität, lückenlose Rückführbarkeit auf renommierte nationale Metrologie-Institute und die Möglichkeit der internen Verifikation. Damit ist der Leistungssensor nicht nur erste Wahl für Leistungsmessungen an koaxialen 1-mm-Schnittstellen, sondern kann Hohlleiter-Leistungssensoren bei vielen anderen Anwendungen ersetzen. Der Einfluss eventuell nötiger Adapter lässt sich sensorseitig durch numerisches Embedding mit den S-Parametern des Adapters korrigieren.

Das thermische Design entscheidet

Herzstück des Sensors ist der indirekt geheizte thermoelektrische Messwandler, eine Eigenentwicklung von Rohde & Schwarz, welche gute Anpassungswerte mit einem hohen Dynamikbereich und einer Ansprechzeit von wenigen Millisekunden verknüpft. Die Verbindung zum HF-Konnektor erfolgt über einen zum Patent angemeldeten breitbandigen Übergang, der das radialsymmetrische Feld der einfallenden Welle auf die Feldverteilung des koplanaren Messwandler-Eingangs transformiert und gleichzeitig thermisch isoliert.

Die Maßnahmen zum thermischen Design sorgen dafür, dass die Nullpunktdrift bei veränderlichen Umgebungstemperaturen oder beim Anschrauben des Sensors vernachlässigbar klein bleibt. Bei konstanten Umgebungsbedingungen ist praktisch keine Drift zu erwarten, weil durch die Architektur der Signalverarbeitungskette gewährleistet ist, dass das 1/f-Messrauschen vollständig unterdrückt wird. Der werkseitig durchgeführte Nullabgleich reicht völlig aus. Zudem konnte auf die Funktion eines internen Nullabgleichs verzichtet werden, der zu keiner weiteren Verbesserung, wohl aber zu langen, asynchronen Unterbrechungen des Messablaufs geführt hätte.

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