Spitzenwerte für analogen Signalgenerator

Autor / Redakteur: Daniel Blaschke * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Der analoge Signalgenerator R&S SMA100B erzeugt Mikrowellensignale bis 20 GHz in entsprechend hoher Signalqualität und Ausgangsleistung. Entwickler messen somit die echte Performance ihres DUTs.

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Analoger Signalgenerator: Der R&S SMA100B erzeugt Mikrowellensignale bis 20 GHz. Der störende Einfluss durch den Generator selbst ist nicht mehr vorhanden.
Analoger Signalgenerator: Der R&S SMA100B erzeugt Mikrowellensignale bis 20 GHz. Der störende Einfluss durch den Generator selbst ist nicht mehr vorhanden.
(Bild: 77studio)

Mit einer analogen Signalquelle lassen sich die technischen Eigenschaften eines Designs nachweisen. Idealerweise sollte die Signalquelle so gute Eigenschaften aufweisen, dass sie die Messergebnisse nicht beeinflusst. Das sieht in der Praxis oft anders aus: So suchen Ingenieure beim Testen moderner A/D- und D/A-Wandler nach dem größtmöglichen Nebenlinienabstand (SFDR) und dem geringsten Breitbandrauschen.

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Für Radaringenieure ist ein extrem niedriges Phasenrauschen unabdingbar. Und bei großen Messaufbauten mit hohen Kabelverlusten ist bislang die Ausgangsleistung der Signalquelle oft nicht ausreichend. Als sich Rohde & Schwarz entschied, einen Nachfolger für die R&S SMA100A und R&S SMF100A High-End-HF- und Mikrowellen-Signalgeneratoren zu entwickeln, setzte man sich ein einfaches und gleichzeitig sehr ambitioniertes Ziel: Der Signalgenerator sollte bei allen technischen Daten Spitzenwerte erzielen, und das ohne komplizierte Einschränkungen. Entstanden ist der R&S SMA100B: Die Entwickler des Messgerätes sagen, dass er die höchste Ausgangsleistung mit bislang unerreichter Signalqualität kombiniert.

Ein Komponententest bei A/D- und D/A-Wandler

Mit jeder Generation von A/D- und D/A-Wandlern steigt die maximale Taktfrequenz und effektive Auflösung (ENOB). Damit die leistungsfähigen Bausteine getestet werden können, benötigt man für Takt- und Testsignale eine Quelle, die in ihren spektralen Eigenschaften über die des zu testenden Bausteins hinausgeht. Der R&S SMA100B erzeugt hochreine Signale mit nicht-harmonischen Anteilen (SFDR) von <100 dBc bei einer Trägerfrequenz von 1 GHz und <82 dBc bei einer Trägerfrequenz von 10 GHz. Das wäre eine Verbesserung von bis zu 20 dB im Vergleich zu den Vorgänger-Generatoren.

Das Bild 1 zeigt, dass der tatsächlich gemessene Nebenlinienabstand deutlich unter den Garantiewerten liegt. Eine hohe Abtastfrequenz zusammen mit einer hohen Auflösung erfordert eine Signalquelle mit einem sehr niedrigen Breitbandrauschen. Taktsignale mit geringem Breitbandrauschen erhalten den Signal-Rauschabstand des abgetasteten Eingangssignals eines ADCs. Das gilt vor allem für ADCs, die mit Unterabtastung arbeiten. Ein optimiertes HF-Design und eine komplett digitale Amplitudenregelschleife sorgen für ein typisches Breitbandrauschen von -160 dBc/Hz bei einer Trägerfrequenz von 10 GHz.

Zwei Signalquellen notwendig

Für das Testen von ADCs sind häufig zwei Signalquellen notwendig: eine Quelle für den Takt des Prüflings und die andere für das analoge Eingangssignal des ADC. Eine optionale Clock-Synthesizer-Option stellt eine zweite, völlig unabhängige Signalquelle mit geringem Phasen- und Breitbandrauschen bis 6 GHz bereit. Die Option ist speziell für Takteingänge an ADCs optimiert: Die Frequenz lässt sich unabhängig von der Haupt-HF-Frequenz einstellen. Durch eine gemeinsame 1-GHz-Referenz wird eine hohe Phasenstabilität zwischen dem Taktausgangssignal und dem Haupt-Synthesizersignal erreicht. Darüber hinaus lassen sich Signaltyp, Amplitude und Gleichspannungsanteil einstellen, um gängige unsymmetrische als auch differenzielle Takt-Schnittstellen zu unterstützen.

Beim Entwickeln und Testen von High-End-Radarsystemen wird die Detektionsempfindlichkeit häufig durch das Phasenrauschen der HF-Signalquelle begrenzt. Der R&S SMA100B bietet mehrere Optionen für geringes Phasenrauschen (Bild 2). Das trägernahe Phasenrauschen erreicht Werte unter -60 dBc/Hz (typ.) bei einem Offset von 1 Hz und eine Trägerfrequenz von 10 GHz. Für Applikationen, die ein möglichst niedriges Phasenrausch-Plateau bis 100-kHz-Offset erfordern, bietet der Signalgenerator eine spezielle Option mit einem YIG-Oszillator an.

Damit wird bei einer Ausgangsfrequenz von 10 GHz ein Phasenrauschen von -132 dBc/Hz (typ.) bei Offsets von 10 kHz bis 100 kHz erreicht. Beim Testen von Radarsystemen sind schnelle und genau geregelte HF-Pulse entscheidend. Mit 5 ns (typ.) Anstiegs-/Abfallzeit und mehr als 80-dB-Pulsdynamik eignet sich die Messumgebung für Radarapplikationen. Moderne Radarempfänger müssen oft auch mit sehr kurzen Pulsen getestet werden, die eine hohe Pegelwiederholgenauigkeit aufweisen. Der Pulsmodulator wurde eigens dafür konzipiert und kann die Amplituden von kurzen Pulsen ab einer Pulslänge von 100 ns ab dem ersten Puls und auch bei geringem Tastverhältnis regeln.

Leistungspegel bis 38 dBm und geringe Ausfallzeiten

Beim Testen von Leistungsverstärkern ist eine ausreichende Ansteuerleistung wichtig. Um teure und anspruchsvolle Applikationen, die Signale mit hoher Leistung benötigen, zu bedienen, wurde in das Messgerät ein Optionskonzept mit Ausgangsleistungen in drei verschiedenen Stufen integriert. Die Option „High Output Power“ liefert in dem Gerät mit 6 GHz eine Ausgangsleistung bis zu 35 dBm und lässt sich per Keycode vor Ort vom Kunden aktivieren, ohne dass das Gerät in eine Servicestelle geschickt werden muss.

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Die nur im Werk einbaubare Option „Ultra High Output Power“ bietet beim Modell mit 6 GHz Leistungspegel von bis zu 38 dBm. Eine derart hohe Ausgangsleistung konnte bisher von keinem Universal-Signalgenerator auf dem Markt erreicht werden. Dank eingebauter Tiefpassfilter ist für alle Output-Power-Optionen ein Oberwellenabstand von -65 dBc (typ.) bis zu hohen Ausgangsleistungen verfügbar. Mit dieser Kombination aus hohen Ausgangspegel mit niedrigen Oberwellen und niedrigem Breitbandrauschen sind externe Verstärker und Filter und somit komplizierte und teure Messaufbauten aus mehreren Geräten überflüssig.

Ausfallzeiten auf ein Minimum reduzieren

In automatisierten Produktionsumgebungen müssen die durch Service- oder Reparaturfälle bedingten Ausfallzeiten auf ein Minimum reduziert werden. Für Signalgeneratoren bis 6 GHz ist seit mehr als einem Jahrzehnt ein verschleißfreier vollelektronischer Stufenabschwächer ein Industrie-Standard.

Mit standardmäßig eingebauten vollelektronischen Stufenabschwächer ermöglicht der Signalgenerator eine schnelle und verschleißfreie Pegeleinstellung im kompletten Frequenzbereich bis 20 GHz. Das Gerät ist als 19-Zoll-Gerät mit zwei und drei Höheneinheiten lieferbar. Alle Geräte besitzen ein Touch-Display und eine benutzerfreundliche, grafische Bedienoberfläche. Die 2-HE-Geräte sparen Platz im Rack, 3-HE-Geräte haben ein größeres Display sowie optional alle Signalbuchsen an der Front für manuelle Bedienung.

Das sagt der Hersteller zum Gerät

Interview mit dem Laborleiter Mikrowellensignalgeneratoren Jürgen Ostermeier

Auf ein Wort: Jürgen Ostermeier ist Laborleiter Mikrowellensignalgeneratoren bei Rohde & Schwarz in München. Die Entwickler müssen sich auf ihre Messergebnisse verlassen können, ohne dass der Signalgenerator störenden Einfluss auf das DUT hat.
Auf ein Wort: Jürgen Ostermeier ist Laborleiter Mikrowellensignalgeneratoren bei Rohde & Schwarz in München. Die Entwickler müssen sich auf ihre Messergebnisse verlassen können, ohne dass der Signalgenerator störenden Einfluss auf das DUT hat.
(Bild: Rohde & Schwarz)

Herr Ostermeier, wo sehen Sie die Markttrends für analoge Signalgeneratoren?

Das Generieren von Signalen mit hoher spektraler Reinheit und sehr niedrigem Phasenrauschen bei immer höheren Frequenzen ist ganz entscheidend für viele Applikationen. Gleichzeitig steigen die Anforderungen nach hohen Ausgangsleistungen in Kombination mit geringen harmonischen Verzerrungen und möglichst niedrigem Breitbandrauschen.

Für viele unserer Kunden ist es essenziell, in ihrem Setup die Performance des DUTs ohne den störenden Einfluss des Signalgenerators messen zu können. Deshalb ist es in der Regel nicht möglich, Kompromisse bei der Signalqualität des Generators einzugehen.

Außerdem werden die Forderungen nach schnellen Einstellzeiten immer größer, weshalb ein vollelektronischer Stufenabschwächer immer wichtiger wird. Der R&S SMA100B ist der einzige Signalgenerator mit einem vollelektronischen Stufenabschwächer bis 20 GHz im Markt, der trotzdem äußerst niedrige harmonische Verzerrungen aufweist.

An welche Zielgruppen wendet sich der Signalgenerator und wie werden diese unterstützt?

Viele unserer Kunden kommen aus den Bereichen Bauteile und Komponenten, Telekommunikation sowie Aerospace und Defence. Lassen Sie mich zwei typische Beispiele zu den Einsatzgebieten nennen: Der R&S SMA100B ist die ideale Quelle, um High-Speed Analog zu Digital Wandler zu entwickeln und zu testen.

Dazu kann das Gerät mit der Clock-Synthesizer-Option ein hochreines Analogsignal sowie ein unabhängig davon einstellbares Taktsignal mit sehr geringem Jitter erzeugen. Der Kunde ist so in der Lage, mit nur einem Gerät die Performance seines ADC zu charakterisieren und zu testen.

Zum zweiten werden die Vorteile auch bei Entwurf und Verifizierung von Radarsystemen sichtbar: Hier punktet der R&S SMA100B damit, dass er Signale mit hohem Pegel und extrem niedrigem trägernahen Phasenrauschen erzeugt. So kann er beispielsweise schon während der Entwicklung als LO-Ersatz im Gesamtsystem verwendet werden. Damit lässt sich bereits in einer sehr frühen Phase die Performance des Radarsystems überprüfen und optimieren.

Warum bieten Sie den R&S SMA100B in zwei und drei Höheneinheiten an?

Die verschiedenen Höheneinheiten bedeuten für den Nutzer mehr Flexibilität und eine bessere Bedienbarkeit. Für Automated-Test-Equipment- (ATE-) Racks, in denen ein geringer Platzbedarf eine große Rolle spielt, sind die 2-HE-Geräte eine gute Wahl. Für einen Desktop-Betrieb erleichtern ein größerer Bildschirm und Signalbuchsen im Frontbereich die tägliche Arbeit der Entwickler.

* Daniel Blaschke ist Senior RF- und µW-Engineer/- Projektmanager Signalgeneratoren bei Rohde & Schwarz in München.

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