Keine Angst vor einem VNA mit vielen Kanälen

| Autor / Redakteur: Takuya Hirato * / Hendrik Härter

Viele Testkanäle: Moderne Vektor-Netzwerk-Analysatoren sind beim Test von elektronischen Geräten nicht mehr wegzudenken. Dabei dreht sich alles um geringere Testkosten.
Viele Testkanäle: Moderne Vektor-Netzwerk-Analysatoren sind beim Test von elektronischen Geräten nicht mehr wegzudenken. Dabei dreht sich alles um geringere Testkosten. (Bild: Keysight Technologies)

Elektronische Geräte verfügen über viele Schnittstellen, die getestet werden müssen. Vektor-Netzwerk-Analysatoren bieten für den Test mehr als nur vier Kanäle. Wir zeigen, auf was Sie achten sollten.

Müssen Entwickler Geräte mit vielen Ports testen, dann ist eine schnelle und genaue vielkanalige Netzwerkanalyse gefragt. Optimiert man die VNA-Konfiguration, dann lassen sich zudem Testkosten senken. Gerade bei der Massenproduktion mit schnellem Takt müssen in kurzer Zeit Geräte getestet werden. Aus diesem Grund versuchen Entwickler, durch weitere Automatisierung die Testzeit zu drücken.

Ein typisches Beispiel für komplexe Geräte sind HF-Frontends in Smartphones. Sie müssen immer mehr Frequenzbänder unterstützen: MIMO-Antennensysteme oder HF-Steckverbinder/Kabel für digitale Hochgeschwindigkeitsanwendungen. Vektor-Netzwerk-Analysatoren (VNA) helfen dem Entwickler, Geräte mit vielen Schnittstellen zu analysieren. Hat solch ein VNA mehr als vier Kanäle, spricht man von einem Multiportgerät. Weil für Multiportgeräte immer mehr Messwerte erfasst werden müssen, sind die Hersteller von elektronischen Massenprodukten auf der Suche nach Testlösungen, um an vier Kanälen zu messen Gleichzeitig sinken die Testkosten und der Durchsatz steigt.

Einfache Schaltmatrize oder echte Vielkanallösung?

Vielkanalige Testlösungen haben sich von einfachen Schaltmatrizen hin zu echten Vielkanallösungen weiterentwickelt. Damit sind schnellere und genauere Vielkanal-Messungen möglich. Welcher Ansatz der richtige ist, hängt von den individuellen Leistungsanforderungen, dem erforderlichen Durchsatz und schließlich auch vom Preis des Messgerätes ab.

Ein Mehrfachschalter oder einfacher Schalterbaum erweitert einen 2-kanaligen VNA auf insgesamt 24 Messkanäle. Der Mehrfachschalter enthält zwei Umschalter 1x2 sowie diesen nachgeschaltet je zwei Schalter mit je sechs Schaltstellungen in einer Baumstruktur. Er bietet zum Testobjekt die erforderliche Zahl der Messkanäle. Man kann den ersten Kanal des VNA auf die Messkanäle 1 bis 12 aufschalten, den zweiten Kanal des VNA auf die Messkanäle 13 bis 24. Es ist nicht möglich, den ersten Kanal des VNA auf Messkanal 1 zu schalten und den zweiten Kanal auf Messkanal 3. Von den theoretisch 276 möglichen Schaltkombinationen eines Geräts mit 24 Kanälen bleiben real 144.

Kurze Testzeiten wählt man Halbleiterschalter

Für die Performance des Messsystems entscheidet der verwendeten Schalter. Sie können rein elektronisch oder elektromechanisch sein. Beide haben Vor- und Nachteile: Halbleiterschalter schalten schneller und leben länger. Elektromechanische Schalter schalten größere Leistungen als Halbleiterschalter. Man setzt sie ein, wenn Leistungen von über einem Watt zu schalten sind.

Ein Watt ist eine typische Obergrenze dessen, was mit Halbleiterschaltern geht. Bei großen Testvolumina, die kurze Testzeiten erfordern, wählt man Halbleiterschalter. Eine Schaltmatrix erlaubt es, jeden Kanal des VNAs mit jedem Port des Testobjekts zu verbinden. Das Bild 1 zeigt eine Schaltmatrix, die mit 1xN-Schaltern auf der Seite des VNA arbeitet, die auf 1x2-Umschalter auf der Seite des Testobjekts führen. Jeder Kanal des VNA kann mit jedem Messkanal verbunden werden. Ungenutzte Messkanäle müssen entweder intern auf der Ebene der Mehrfachschalter oder extern am Umschalter mit einer Last terminiert werden. Auch bei dieser Anordnung hängt die Performance von den Schaltern und der Dämpfung/Anpassung in jedem Messpfad ab.

Eine vollständige Schaltmatrix ist aufwendiger

Die gezeigte Konfiguration kombiniert den VNA mit einer vollständigen Schaltmatrix und bietet damit eine preisgünstige Testoption. Allerdings hängt die Performance jedes Messpfads von der Last an jedem anderen Port ab. Um die Fehlanpassung an jeder Eingangsbuchse zu kompensieren, muss man den NxN-Port vollständig kalibrieren.

Es sei angemerkt, dass die Kalibrierung bei diesem Typ Schaltmatrix nicht ganz einfach ist, weil die genaue Belastung an jeder Eingangsbuchse von der Schalterstellung abhängt. Die Kombination eines VNA mit Schaltern ist eine preisgünstige Lösung, wenn man mehr Kanäle benötigt. Allerdings beeinträchtigen die Schalter vor den Richtkopplern des VNA die Systemleistung bezüglich der Dynamik, des Rauschens oder der Temperaturstabilität im Vergleich zur Leistung zu einem VNA ohne Schalter. Das gilt ganz besonders für hohe Frequenzen über 10 GHz.

Ein Erweiterungstestset ist ein verbesserter Ansatz für kalibrierte NxN-Messungen. Es enthält pro Eingang einen eigenen Richtkoppler, einen Mehrfachschalter für die Signalquelle und Mehrfachschalter für die Messempfänger. Das Bild 3 zeigt eine Konfiguration mit einem 4-kanaligen VNA, bei dem jeder Eingang 4-fach umgeschaltet wird. Zusammen bieten die vier eigenen Kanäle des VNA mit den 4x3-Erweiterungskanälen im Erweiterungsgerät eine 16-kanalige Messkonfiguration.

Im Vergleich zu den beschriebenen Schaltkonfigurationen sind hier die Stabilität und Performance des Messsystems besser, weil alle Schaltvorgänge erst hinter den Richtkopplern erfolgen. Die vektorielle Fehlerkompensation rechnet alle systematischen Fehlerquellen hinter den Richtkopplern heraus. Mit mehreren Erweiterungsgeräten kann man einen VNA nach dieser Methode auf eine beliebige Zahl von Schaltpfaden hinter den Richtkopplern ausbauen. Wegen der Dämpfung in den Schaltern ist der Dynamikumfang dennoch kleiner als in einer nativen VMA-Konfiguration.

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