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Wie sich mit der Vektornetzwerkanalyse HF-Bauteile charakterisieren lassen

| Autor / Redakteur: Christian Sattler * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Mit einem Vektornetzwerkanalysator lässt sich ein Messobjekt präzise charakterisieren. Dabei müssen nicht nur lineare, sondern auch nicht-lineare Effekte quantifiziert werden. Ein Überblick.

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Vektornetzwerkanalyse: Das Messgerät evaluiert unterschiedliche Messobjekte. Nicht lineare Effekte werden mit der Intermodulationsverzerrung quantifiziert. Das Bild zeigt den VectorStar ME7838D von Anritsu.
Vektornetzwerkanalyse: Das Messgerät evaluiert unterschiedliche Messobjekte. Nicht lineare Effekte werden mit der Intermodulationsverzerrung quantifiziert. Das Bild zeigt den VectorStar ME7838D von Anritsu.
(Bild: Anritsu )

Der Vektornetzwerkanalysator ist eines der vielfältigsten Messgeräte bei der HF- und Mikrowellentechnik. Mit den Messgeräten lassen sich unterschiedliche Messobjekte evaluieren: Das beginnt vom einfachen Kabel, Filter und Verstärker und reicht bis zu komplexen Systemen. Mithilfe der Streuparameter oder auch als S-Parameter bekannt, kann der Vektornetzwerkanalysator das Messobjekt (DUT) mit einer sehr hohen Genauigkeit charakterisieren.

Während S-Parameter das Messobjekt im linearen Arbeitsbereich sehr gut beschreiben, ist es oftmals nützlich oder notwendig, das Verhalten im nichtlinearen Bereich zu verstehen. Bei der Intermodulationsverzerrung, kurz IMD, werden nicht lineare Effekt quantifiziert. Sie haben die gleiche Bedeutung wie das Oberwellenverhalten und Verzerrungen zweiter Ordnung im linearen Bereich (Bild 1).

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Probleme beim Design von Leistungsverstärkern

Das gilt insbesondere für Intermodulationsprodukte dritter Ordnung (IM3), die sich häufig innerhalb des Empfangsbereichs befinden und deshalb nicht herausgefiltert werden können. Somit ist die IMD-Messung bzw. die damit verbundene Messung nach Third Order Intercept Point (TOI) sehr wichtig, um Probleme beim Design von Leistungsverstärkern rechtzeitig festzustellen.

Während des Simulationsprozesses wird ein exaktes Modell einer Baugruppe erstellt. Das erfordert genaue IMD-Daten, die sogar Intermodulationsprodukte bis zur neunten Ordnung umfassen können. Dabei dienen die Informationen, um das Gerätekonzept zu optimieren. Selbst die asymmetrischen Amplituden des IMD-Produktes fünfter Ordnung können für die Modellierung von Bedeutung sein. Schließlich lassen sich mit den Resultaten exaktere Modelle erstellen, um eine verbesserte Schaltungssimulation zu ermöglichen.

Ein gängiges Verfahren, um IMD-Produkte zu bestimmen, sind sogenannte Zweitonsignale, das seit einiger Zeit zur Charakterisierung der Nichtlinearität von HF- und Mikrowellenbaugruppen eingesetzt wird. Ein typischer Messaufbau besteht aus mehreren Signalgeneratoren, die auf unterschiedlichen Festfrequenzen arbeiten. Hinzu kommen ein Combiner und ein Spektrumanalysator. Da die IMD-Produkte mit der Frequenz variieren, sind die Messungen zeitaufwendig. Schließlich müssen mehrere Frequenzkombinationen innerhalb des Arbeitsfrequenzbereichs des Messobjekts erfasst werden. Bei einer vollkommen linearen Baugruppe werden die beiden am Eingang des Messobjekts anliegenden Signale verstärkt. Am Ausgang stehen nur die beiden Signale zur Verfügung. In der Realität stehen weitere Frequenzanteile am Ausgang an, deren Amplitude ein Maß für die nichtlinearen Eigenschaften ist.

Die Lage der einzelnen Intermodulationsprodukte wird durch den Tonabstand und die tatsächliche Frequenz der Signale bestimmt. Daher besteht die Notwendigkeit, unterschiedliche Intermodulationsprodukte sowie die absolute Leistung der Signale zu messen. Kleinsignal-Streuparameter, Kompressionseigenschaften sowie IMD-Produkte lassen sich mit dem VectorStar MS4640B von Anritsu messen. Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich um feste oder variable Frequenzen handelt. Der Messaufbau muss dabei nicht geändert werden. Durch die integrierten Leistungskalibrierungsroutinen entfallen externe Korrekturen.

Die beiden Signale werden im VNA mithilfe zweier interner Signalquellen bis zu 70 GHz erzeugt, bei denen es sich um stabile, mit Frequenzsynthese arbeitende Signalgeneratoren handelt. Sie verfügen zudem über einen großen Leistungsregelbereich und eine hohe spektrale Reinheit. Die beiden Frequenzsignale werden anschließend mit dem integrierten Combiner zusammengefasst und stehen am Testport zur Verfügung. Unterstützt wird der flexible Hardware-Messaufbau von der Softwareoption IMDView.

IMD-Signale so hoch wie möglich über dem Grundrauschen

Ist die herkömmliche Betrachtung im Spektrummodus in der Regel ein guter Ausgangspunkt für die IMD-Analyse eines Messobjekts, so liefert sie dennoch nicht alle Informationen, die für eine Bestimmung des Verhaltens in Bezug auf dessen Nichtlinearität benötigt werden. Ein Intercept-Punkt dritter Ordnung ist eine gängige Spezifikation für Verstärker und wird aus der Amplitude der IM3-Produkte errechnet. Der aktuelle IP3-Wert lässt sich je nach Anforderung auf die Eingangsleistung (IIP3) oder auf die Ausgangsleistung (OIP3) referenzieren.

Aus Sicht der Intermodulationsmessungen sollten die IMD-Signale so hoch wie möglich über dem Grundrauschen des Messgerätes liegen. Dazu stellt man die Leistung der beiden Haupttöne so hoch wie möglich ein, ohne das Prüfobjekt in Kompression zu treiben. Um die Intermodulationsprodukte über einen breiteren Frequenzbereich hinweg anzeigen zu lassen, ist die gesweepte IMD-Messung ein hilfreiche Werkzeug. Der Modus Swept-IMD erlaubt es, dass die Mittenfrequenz einen bestimmten Bereich überstreicht.

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