Kalibrierte Messgeräte Wie sich die Messunsicherheit genau analysieren lässt

Autor / Redakteur: Andreas Henkel * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Wie genau sind nach der Kalibrierung eines Netzwerkanalysators die Messergebnisse? Leider tragen zur Messunsicherheit viele Faktoren bei. Wir zeigen eine Lösung für eine schnelle und zuverlässige Antwort.

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Kalibriertes Messgerät: Wie genau arbeitet ein Netzwerkanalysator, nachdem er kalibriert wurde?
Kalibriertes Messgerät: Wie genau arbeitet ein Netzwerkanalysator, nachdem er kalibriert wurde?
(Foto: Rohde & Schwarz)

Die Messunsicherheit nach der Kalibrierung wird sowohl durch die Systemeigenschaften des Netzwerkanalysators als auch durch die Qualität des verwendeten Kalibrierkits und der Kabel definiert. Um eine Aussage über die Qualität der Kalibrierung beziehungsweise der Messgenauigkeit zu bekommen, erliegt mancher Anwender der Versuchung, die bisher verwendeten Kalibrierstandards erneut anzuschließen.

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Doch das ist ein Irrtum. Selbst Standards aus einem anderen Kalibrierkit können keine Aussage über die tatsächliche Messunsicherheit liefern. Sie geben allenfalls einen Hinweis darauf, ob die Kalibrierung an sich brauchbar ist oder nicht. Einzig der Vergleich mit Messungen an Verifizierstandards - vom Hersteller genau charakterisierten Messobjekten in Verbindung mit der errechneten Messunsicherheit - ergibt eine Aussage darüber, ob die Kalibrierung innerhalb der errechneten Messunsicherheitswerte liegt.

Verifizierung der effektiven Systemdaten mit symmetrischem T-Stück

Die einfachste Methode zum Verifizieren einer Kalibrierung ist die Messung an einem symmetrischen T-Stück, beispielsweise am T-Checker von Rohde & Schwarz (Bild 1). Dessen S-Parameter stehen in einem bestimmten Verhältnis zueinander und werden nach der Kalibrierung bei angeschlossenem T-Checker ermittelt. Die Auswertung zeigt die Abweichung vom theoretisch zu erwartenden Ergebnis und liefert damit eine Aussage über die Qualität der Kalibrierung.

Der Einsatz des T-Checkers empfiehlt sich in Produktions- oder durchschnittlichen Laboranwendungen, da nur ein Standard angeschlossen werden muss. Man bekommt damit schnell eine verlässliche Aussage über die Qualität der Kalibrierung.

Verifizierkits für höchste Genauigkeiten

Die genauesten Ergebnisse zur Verifizierung der errechneten Messunsicherheit liefern spezielle Verifizierkits, die sich aus mehreren Standards zusammensetzen. Kits von Rohde & Schwarz enthalten einen männlichen und einen weiblichen Kurzschluss mit Längenversatz (Offset Short), einen männlichen und einen weiblichen Fehlabschluss (Mismatch), ein Dämpfungsglied (Attenuator) und eine Durchverbindung mit gestufter Impedanz (Stepped Through). Auf die schwer zu handhabende Luftleitung (Airline) wird bewusst verzichtet.

Alle diese Kalibrierstandards unterscheiden sich signifikant von den üblichen Standards Leerlauf (Open), Kurzschluss (Short) und Abschluss (Match), da sie eine andere Impedanz aufweisen und somit als Verifizierstandards verwendet werden können. Sie werden im Kalibrierlabor von Rohde & Schwarz, das von der nationalen Akkreditierungsstelle der Bundesrepublik Deutschland (DAkkS) bestätigt ist, im 250-MHz-Raster vermessen und mit Messunsicherheitsdaten spezifiziert.

Die Messunsicherheit bestimmen

Die Rohde & Schwarz-Software VNAMUC (Vector­Network Analyzer Measurement Uncertainty Calculator) (Bild 2) berechnet die zu erwartende theoretische Messunsicherheit.. Nach Eingabe von Typ, Optionierung und Geräteeinstellungen des Rohde & Schwarz-Analysators sowie des verwendeten Kalibrierkits liefert die Software die Ergebnisse und stellt sie grafisch dar.

Für eine präzise Aussage über die tatsächliche Messunsicherheit sind Messungen mit angeschlossenen Standards aus einem Verifizierkit durchzuführen. Deren Ergebnisse werden mit den vom Hersteller dokumentierten Messwerten verglichen und grafisch ausgewertet. Das Ergebnis sollte innerhalb des für den jeweiligen Standard angezeigten Toleranzschlauchs liegen (Bild 3).

Rohde & Schwarz bietet derzeit zwei Verifizierkits mit 3,5-mm-Anschlüssen für Frequenzen bis 26,5 GHz (Bild 4) sowie für N-Anschlüsse und bis 18 GHz. Zusammen mit der Messunsicherheitssoftware VNAMUC sind sie ein wichtiges Werkzeug zur exakten Bestimmung der Messunsicherheit. Sie geben eine verlässliche Antwort auf die Frage nach der Genauigkeit der Messergebnisse nach erfolgter Kalibrierung.

* Andreas Henkel ist Produktmanager Netzwerkanalyse bei Rohde & Schwarz in München.

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