Spektrum- und Netzwerkanalyse wird für Entwickler günstiger

| Autor / Redakteur: Patrik Gold * / Hendrik Härter

Der SVA1032X bis 3,2 GHz vereint Spektrum- und vektorielle Netzwerkanalyse in einem Gerät. Zudem lassen sich optional Funktionen freischalten: Modulationsanalyse, EMV-PreCompliance und Distance-to-Fault.
Der SVA1032X bis 3,2 GHz vereint Spektrum- und vektorielle Netzwerkanalyse in einem Gerät. Zudem lassen sich optional Funktionen freischalten: Modulationsanalyse, EMV-PreCompliance und Distance-to-Fault. (Bild: Siglent)

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Vernetzte, elektronische Geräte für das Internet of Things (IoT) sind mit einer Funkschnittstelle ausgestattet. Hier müssen Entwickler die entsprechenden Antennenparameter messen. Das gesamte HF-Frontend lässt sich mit einem kombinierten Spektrum- und Netzwerkanalysator untersuchen.

Vernetzte Produkte mit einer direkten Anbindung an das Internet finden sich mittlerweile überall und ihr Einsatz scheint keine Grenzen zu kennen. Dabei liegen die prominentesten Anwendungen in der Industrie, im Endkunden-Markt aber auch in der Medizintechnik. So vielfältig die Einsatzmöglichkeiten sind, so unterschiedlich muss die Hardware konzipiert und gebaut werden. Das stellt Entwickler immer wieder vor neue Schwierigkeiten, gerade wenn es um die HF-Technik geht. Hilfreich ist flexibel einsetzbare Messtechnik wie der Spektrum- und Vektor-Netzwerk-Analysator SVA1032X von Siglent.

Die sogenannte Netzwerkanalyse war bisher immer den Geräten des mittleren und oberen Preissegments vorbehalten. Gerade Einsteigergeräte bieten die skalare Analyse. Das liegt daran, dass in klassischen Spektrumanalysatoren mit dem verfügbaren Mitlaufgenerator die sogenannte Einfügedämpfung gemessen werden kann und mit einem zusätzlichen, direktiven Koppler die reflektierte Leistung gemessen und damit auch das Stehwellenverhältnis berechnet werden kann. Das lässt sich einfach und günstig realisieren.

Phasenverhalten über die Frequenz

Für komplexere Aufgaben, wie das Optimieren der Anpassung von Verstärkern oder Antennen, benötigt der Messtechniker allerdings Informationen wie das Phasenverhalten über die Frequenz. Der Messgeräte-Hersteller Siglent führte mit den Analysatoren SVA1015X mit einer Bandbreite von 1,5 GHz bereits 2018 das erste Gerät ein, welches die vektorielle Netzwerkanalyse auch für kleine Messtechnikbudgets erschwinglich machte. Der aktuell auf den Markt gebrachte SVA1032X bietet mehr Bandbreite und ebenfalls etwas bessere Spezifikationen. Im Zuge der Einführung des Modells mit einer Bandbreite von 3,2 GHz wurde ebenfalls der Funktionsumfang des 1,5-GHz-Gerätes erweitert und per Firmware-Upgrade zur Verfügung gestellt.

Spektrumanalyse der HF-Komponenten

Es sind die Trends wie Digitalisierung, autonomes Fahren oder Künstliche Intelligenz, die den Markt für Funk-Kommunikationsmodule enorm antreiben. Prognosen sagen ein durchschnittliches Wachstum für IoT-Komponenten von 20 bis 25% pro Jahr voraus. Das heißt entsprechend, dass in den nächsten Jahren viele Milliarden Module produziert und getestet werden müssen. Doch bevor die große Produktionsmaschinerie beginnen kann, müssen die jeweiligen Produkte entwickelt, optimiert und schließlich zugelassen werden. Bei den vernetzten Geräten (IoT) geschieht das vor allem in vielen kleineren und mittleren Unternehmen oder Startups.

Für die Entwicklung des Analog-, Digital- und Spannungsversorgungsteils bietet der Markt inzwischen eine Vielzahl an guter und erschwinglicher Messtechnik, so dass sogar ein Überangebot existiert. Schaut man sich die HF-Technik an, so ist man hier noch nicht so weit. Es gibt bereits einige Spektrum-Analysatoren im unteren Preissegment, aber für komplexere Aufgaben wie die Modulationsanalyse oder die vektorielle Netzwerkanalyse ist das Angebot an preiswerter Messhardware noch dünn.

Sensoren sind kleine Embedded-Systeme

Doch genau diese Messungen werden im stark wachsenden IoT-Markt benötigt. Allerdings finden die Entwicklungen von HF-Anwendungen zu einem großen Teil in kleinen oder mittleren Unternehmen statt und hier ist das Budget für Messtechnik limitiert. An dieser Stelle können die Spektrum- und vektoriellen Netzwerkanalysatoren der Serie SVA1000X eine ihrer Stärken ausspielen.

Ein typischer Sensor mit integrierter Kommunikationsschnittstelle ist inzwischen ein kleines Embedded-System. Solch ein Sensor besteht aus einem Analog- und Digitalteil, sowie Spannungsversorgungs- und Hochfrequenzschaltungen. Im Hochfrequenzteil sind zudem meist eine Antenne, Duplexer, HF-Verstärker, Filter und das Modulationsmodul verbaut. In diesem speziellen Markt werden die wenigsten Firmen die Antennen selbst entwickeln. Das liegt oft an der fehlenden Erfahrung sowie am Preis- bzw. Zeitdruck. Deshalb werden Antennen(module) zugekauft. Werden Antennen in die Geräte implementiert, müssen ihre entsprechenden Parameter vermessen werden.

Verfügbare Sendeleistung der Antenne nutzen

Vereinfacht gesprochen ist eine Antenne ein Anpassungselement des Freiraumwiderstandes von rund 377 Ohm an die 50-Ohm-Umgebung des HF-Senders bzw. Empfängers. Für den optimalen Empfang und die beste Nutzung der verfügbaren Sendeleistung ist es daher wichtig, dass die Antenne und der Ausgang der HF-Schaltung gut angepasst sind. Ist die Antenne schlecht angepasst, wird Leistung reflektiert und ist verloren. Im schlechtesten Fall können die Reflexionen Signalanteile vom zu sendendem Signal neutralisieren.

Werden mit einem Spektrumanalysator die Antenneneigenschaften optimiert, muss man die komplexe Impedanz für die entsprechenden Sende- bzw. Empfangsfrequenzen der Antenne kennen. Dabei hilft ein VNA. Bevor man mit der Messung beginnt, muss das Gerät kalibriert werden. Die Kalibrierroutine ist im Gerät implementiert und leitet den Nutzer durch die einzelnen Schritte.

Ein einfacher Standard ist OSM (= Open/Short/Match). Nutzt der Messtechniker sogenannte Testfassungen, ist darauf zu achten, dass die Referenzebene der Kalibration angepasst werden muss. Der erfahrene Messtechniker weiß, dass jeder Millimeter Leiterbahn oder Kabel die Gesamtimpedanz verändert und somit die Kalibration und damit später das Messergebnis.

Eigenschaften der Antenne bestimmen

Die optionale Vektor-Signal-Analyse-Funktion zeigt auf, wie weit die IQ-Signale ihr Ziel verfehlen und errechnet daraus alle relevanten Informationen.
Die optionale Vektor-Signal-Analyse-Funktion zeigt auf, wie weit die IQ-Signale ihr Ziel verfehlen und errechnet daraus alle relevanten Informationen. (Bild: Siglent)

Nachdem im Messgerät die notwendigen Einstellungen vorgenommen wurden, kann die Antenne angeschlossen und gemessen werden. Es wird die Messung von S11 eingestellt und als Darstellung wurde das Smith-Diagramm ausgewählt. Im Zentrum des Smith-Diagramms liegen die optimalen 50 Ohm. Sind die Eigenschaften der Antenne bekannt, kann das Anpassungsnetzwerk entsprechend entwickelt werden. Messtechnisch muss am HF-Frontend die Signalübertragungsqualität überprüft werden: Passt die Modulation, ist die Signalqualität und Leistung in Ordnung, wird die Kanalbandbreite eingehalten, wie ist die Leistung in den Nachbarkanälen?

Gemessen wird mit Spektrum-Analysatoren und VSAs (Vektor Signal Analysatoren). Letztere findet man in einem Preissegment, das diese ein erforderliches Projektbudget verdoppeln können. Der SVA1032X lässt sich mit den Optionen VSA und Erweiterte Messungen ausstatten: GMSK / B-, Q-, OQ-, 8-PSK / DB-, DQ-, D8-PSK / 16-1024-QAM. Ebenfalls wichtig ist die EVM (= Error Vector Magnitude), um eine Aussage über die Übertragungsqualität zu machen. Betreibt man den Ausgangsverstärker nicht im optimalen, linearen Bereich, verschlechtert die Nicht-Linearität den EVM-Wert. In der Signalanalyse-Option ist die Messung der EVM, des Phasen-, Frequenz- und Amplitudenfehlers implementiert. Auch die Messung der belegten Bandbreite (OBW) sowie der Kanal- und Nachbarkanalleistung ist für die spätere Qualifizierung und Zulassung wichtig. Neben der Übersteuerung des HF-Verstärkers kann eine schlechte Spannungsversorgung die Nachbarkanalleistung verschlechtern.

Nicht an der EMV-Zulassung scheitern

Die vorgefertigten Messungen im SVA1032X zeigen klar auf, wie stark die Nachbarkanäle gestört werden. Bei der Zulassung von Funkanwendungen kann der Entwickler Zeit und Geld sparen.
Die vorgefertigten Messungen im SVA1032X zeigen klar auf, wie stark die Nachbarkanäle gestört werden. Bei der Zulassung von Funkanwendungen kann der Entwickler Zeit und Geld sparen. (Bild: Siglent)

EMV-Vormessungen sind ein wichtiger Bestandteil jeder Entwicklung, denn das Thema EMV-Zulassung kann ein echtes Hindernis bei einer Markteinführung sein. Gerade bei kleinen Abmessungen treten viele ungewollte gegenseitige Beeinflussungen auf, die wiederum das EMV-Ergebnis verschlechtern. Die effizienten DC/DC-Wandler mit hohen Schaltgeschwindigkeiten und steilen Flanken sind immer eine Quelle für Abstrahlungen.

Ein gutes Erdungskonzept, durchdachte Leiterbahnführung und geschirmte Komponenten schaffen Abhilfe. Der SVA1032X bietet standardmäßig eine Auswahl zwischen einer logarithmischen und linearen Frequenzachse, so dass gut mit Messungen vom EMV-Labor korreliert werden kann. Die EMV-Option erweitert die RBW-Filter um die in den EMV Standards vorgeschriebenen Bandbreiten und Filterkurven. Weiterhin wird ebenfalls noch der Quasi-Peak-Detektor hinzugefügt. Neben der Grundausstattung bietet der SVA1032X zusätzliche Funktionen, die freigeschaltet werden können. Ein Vektor-Netzwerkanalysator ist ab Werk integriert, um Antennen und Filter anzupassen.

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