Die allgemeine Charakterisierung von komplexen Prüflingen wie z. B. Verstärkern erfordert die Messung mehrerer Parameter. Unter Umständen sind mehr als ein Messgerät oder eine teure Ausrüstung erforderlich. Dank seiner Vielseitigkeit ist der R&S®ZNL eine wirtschaftliche Lösung, mit der eine Vielzahl von Messobjekten sowohl durch Netzwerkanalyse als auch durch Spektrumanalyse charakterisiert werden können.
Messung des Rauschmaßes eines Verstärkers mit einem R&S®ZNL Vektornetzwerkanalysator (hinten), einer R&S®FS-SNS18 Smart Noise Source (links) und einem externen Vorverstärker (rechts), gespeist von einem R&S®HMP2030 programmierbaren Netzgerät (hinten rechts)
Aufgrund ihrer zahllosen Anwendungen zählen Verstärker zu den gängigsten HF-Komponenten, allerdings – was die Messung anbetrifft – auch zu den komplexesten. Eine umfassende Charakterisierung eines Verstärkers beinhaltet die Messung linearer S-Parameter bei definierten Frequenzen oder Leistungen sowie die Messung von Parametern wie harmonischer Verzerrung, Interceptpunkt 3. Ordnung (IP3), des Kompressionspunkts und des Rauschmaßes. Mit einem herkömmlichen Vektornetzwerkanalysator lässt sich dies möglicherweise nicht vollständig bewerkstelligen. Tatsächlich werden für die Messung dieser Parameter oft High-End-Geräte eingesetzt. Für klassische Economy-Vektornetzwerkanalysatoren (VNA) sind im Allgemeinen komplizierte Messkonfigurationen und eine zeitaufwendige Nachverarbeitung nötig, um die Daten in einem geeigneten Format zur Verfügung zu stellen.
Das Pendeln zwischen Messplätzen mit einem VNA und einem Spektrumanalysator ist zwar machbar. Jedoch ist das bei begrenztem Zeitbudget oder Platz keine ideale Lösung, da das Messobjekt und möglicherweise der VNA, Kabel, ein Kalibrierkit oder eine Kalibriereinheit von einem Ort zum anderen gebracht werden müssen.
Anzeige mehrerer Messungen mit der R&S®ZNL Multiview-Funktion. Diese Funktion wird automatisch eingeschaltet, wenn mehr als ein Messmodus als zusätzlicher Kanal aktiviert wird. Der Zugriff erfolgt über einen Reiter am oberen Rand des Bildschirms.
Lösung von Rohde & Schwarz
Mit seinen Spektrumanalysator-, Signalgenerator- und Rauschmaßmessfunktionen (Optionen R&S®ZNLx-B1, R&S®ZNL-K14 und R&S®ZNL-K30) kann der R&S®ZNL all diese Probleme bewältigen. Damit erübrigt sich das Verlegen des Messaufbaus zwischen den Messplätzen.
Der R&S®ZNL ist ein äußerst wirtschaftliches, multifunktionales und tragbares Messgerät. Er besteht aus einem Vektornetzwerkanalysator, der mit Hardware für die Spektrumanalyse (Option R&S®ZNLx-B1) aufgerüstet werden kann, und bietet alle Werkzeuge und die erforderlichen Leistungsmerkmale für eine vollständige Charakterisierung von Verstärkern mit einem einzigen, leichten Gerät, das sich für maximale Mobilität auch mit einer Batterie (Option R&S®FPL1-B31) ausstatten lässt. Die Umschaltung zwischen den Betriebsarten Netzwerkanalyse und Spektrumanalyse gestaltet sich sehr einfach. Die R&S®ZNL Multiview-Funktion liefert alle Ergebnisse für beide Betriebsarten auf einem einzigen Bildschirm und bietet so eine komfortable Ergebnisanzeige und umfassende Protokollierung.
Messung des Betrags von S-Parametern im Netzwerkanalysemodus für die Messung eines Verstärkers mit einer Verstärkung von mindestens ca. 15 dB im gewählten Frequenzbereich. Eine hohe Leistung am VNA-Ausgang kann den internen Messempfänger übersteuern.
Anwendung
Verstärkung, Eingangsreflexionsdämpfung (VSWR) und Ausgangsreflexionsdämpfung eines Verstärkers können mit dem R&S®ZNL im Vektornetzwerkanalysemodus exakt gemessen werden: Definieren Sie einfach den Frequenzbereich und die erforderliche Anzahl an Messpunkten für den Sweep und stellen Sie die benötigte Messdynamik und Messgeschwindigkeit ein, indem Sie die geeignete Bandbreite für die Messung wählen. Obwohl die Messtore des R&S®ZNL einer Eingangsleistung von +27 dBm ohne Beschädigung standhalten, ist es wichtig, den zu prüfenden Verstärker und die internen Messempfänger des R&S®ZNL nicht so hoch auszusteuern, dass sie in Kompression gehen (bzw. zerstört werden). Die Ausgangsleistung des R&S®ZNL sollte daher sorgfältig gewählt und ggf. externe Dämpfungsglieder verwendet werden. Eine Systemnachricht informiert den Anwender im Fall einer Übersteuerung der internen Messempfänger, um einerseits die Messgenauigkeit sicherzustellen und andererseits eine Beschädigung des Geräts zu vermeiden. Als zusätzlicher Schutz können am R&S®ZNL Empfängereichleitungen an Tor 1 (Option R&S®ZNLx-B31) und Tor 2 (Option R&S®ZNLx-B32) aktiviert werden. Zudem kann die Ausgangsleistung auf bis zu –40 dBm (Option R&S®ZNLx-B22) reduziert werden.
Auswahlmenü für Spektrumanalysemessungen. Auf dieses Menü kann durch Drücken der Schaltfläche „Meas“ im Spektrumanalysemodus zugegriffen werden.
Bevor die Messungen gestartet werden können, ist eine vollständige Zweitorkalibrierung erforderlich. Ein dedizierter Workflow im Menü führt den Anwender schrittweise durch den Kalibrierprozess, von der Auswahl manueller Kalibrierkits oder automatischer Kalibriereinheiten von Rohde & Schwarz bis hin zu Anschlusskonfiguration und Messen mit Hilfe der Kalibrierstandards.
Der Spektrumanalysemodus kann über das „Mode“-Menü aktiviert werden, In diesem Modus lassen sich mehrere Messungen durchführen und die jeweiligen Ergebnisse übersichtlich anzeigen. Am Messaufbau muss technisch nichts verändert werden.
Für Verstärker werden folgende Messungen empfohlen:
Mit einer Zero-Span-Messung kann der Kompressionspunkt des Verstärkers in Abhängigkeit von der Frequenz bestimmt werden, wenn ein Stimulussignal mit derselben Frequenz an den Verstärker angelegt wird. Normalerweise ist dafür eine externe Signalquelle erforderlich. Jedoch steht mit der Option R&S®ZNL-K14 eine unabhängige, interne CW-Quelle zur Verfügung, so dass auf eine zusätzliche externe CW-Quelle verzichtet werden kann. Dafür müssen für den Messempfänger nur die Testfrequenz und eine geeignete Dämpfung eingestellt werden. Für die interne CW-Quelle wird anschließend dieselbe Testfrequenz eingegeben und ein ausreichend niedriger Signalpegel gewählt, so dass das Messobjekt nicht in Kompression geht.
Zur einfachen Ermittlung des Kompressionspunkts kann der Referenzoffset so eingestellt werden, dass der Pegel der internen CW-Quelle mit der Verstärkerausgangsleistung übereinstimmt. Dann wird der CW-Signalpegel allmählich erhöht, und der Anwender muss nur beobachten, wann die angezeigte Messgröße um einen bestimmten dB-Wert unter die eingestellte Eingangsleistung fällt.
Zero-Span-Verstärkermessung bei 500 MHz. Bei einem CW-Signalpegel von –20 dBm am Verstärkereingang wird der Referenzoffset so gewählt, dass der Marker den gleichen Wert wie dieser Signalpegel (–20 dBm) anzeigt. Der Signalpegel wird allmählich erhöht, bis der Marker exakt eine Differenz von 1 dB zur Eingangsleistung der CW-Signalquelle anzeigt. Daraus lässt sich schließen, dass der –1-dB-Kompressionspunkt bei –10,5 dBm Eingangsleistung liegt.
Die gleiche Messung lässt sich auch im Netzwerkanalysemodus durchführen. Das verstärkte, übertragene CW-Signal wird normalisiert, wenn sich das Messobjekt im linearen Bereich (vor der –1-dB-Kompression) befindet. Dann wird die Leistung des in den Verstärkereingang eingespeisten Signals allmählich erhöht und die Abweichung der S21-Messkurve von Null beobachtet.
Im Spektrumanalysemodus lässt sich auch die harmonische Verzerrung des Messobjekts bestimmen. Dafür muss man nur „Harmonic Distortion“ im Spektrumanalyse-Messmenü wählen. Daraufhin werden die Werte der Harmonischen für den gewählten Träger dargestellt. Das System zeigt automatisch die Werte der ersten zehn Harmonischen sowie die gesamte harmonische Verzerrung (Total Harmonic Distortion, THD) an. Im Konfigurationsmenü lassen sich sowohl die Zahl der Harmonischen als auch die Sweep-Zeit einstellen.
Der R&S®NRP18T Leistungsmesskopf unterstützt Messungen von –35 dBm bis +20 dBm von DC bis 18 GHz.
Durch Wahl von „Third Order Intercept“ im Spektrumanalyse-Messmenü lassen sich auch Intermodulationsprodukte einfach messen und anzeigen. Allerdings muss für diesen speziellen Test der Messobjekteingang mit einem Zweitonsignal belegt werden, indem man zwei unterschiedliche CW-Signale mittels eines externen Combiners zusammenführt. Eines der Signale kann dank der Option R&S®ZNL‑K14 (interne CW-Signalquelle) durch Messtor 1 des R&S®ZNL bereitgestellt werden, das zweite von einer externen Quelle wie einem Signalgenerator oder einem zweiten VNA. Mit diesem Messaufbau lässt sich der IP3 des Verstärkers bestimmen.
Die ersten zehn Harmonischen eines 500-MHz-Trägers werden nach Aktivierung der Messung „Harmonic Distortion“ automatisch angezeigt. Die Ergebnistabelle (Result Summary Table) listet deren Frequenzen und Leistungspegel auf. Die interne CW-Quelle kann über die Werkzeugleiste am linken Bildschirmrand bedient werden.
Sollte im Spektrumanalysemodus ein noch größerer Messbereich oder eine Präzision nach metrologischen Anforderungen für Leistungsmessungen notwendig sein, so werden mit der Option R&S®FPL1‑K9 sämtliche R&S®NRP Leistungsmessköpfe unterstützt.
Da Kabel Verluste verursachen, kann der Signalleistungspegel des R&S®ZNL am Messobjekteingang untersucht werden, um jegliche Verluste zu ermitteln. Die Differenz zwischen Ein- und Ausgangspegel lässt sich im Spektrumanalysemodus bestimmen, indem man den Leistungspegel der Quelle und den vom Messgerät angezeigten Pegel vergleicht, wenn das Kabel, das normalerweise zum Messobjekteingang führen würde, einmal mit Messtor 2 und einmal mit einem Leistungsmesskopf verbunden wird. Basierend auf dieser Pegeldifferenz kann eine Feinabstimmung des Messobjekt-Eingangssignals zur Kompensation der Kabeldämpfung vorgenommen werden. Eine ähnliche Prüfung ist auch im Netzwerkanalysemodus möglich. Hier werden die Wellengrößen a1 an Tor 1 und b1 an Tor 2 ermittelt und miteinander verglichen.
Durch Wahl von „Noise Figure“ im „Mode“-Menü des R&S®ZNL lässt sich auch das Rauschmaß eines Verstärkers messen. Diese Messung erfordert die Option R&S®ZNL-K30 Noise Figure Measurements sowie eine Rauschquelle mit einem externen Vorverstärker entsprechend den Anforderungen des Messobjekts. Über die Option R&S®FPL1-B5 Additional Interfaces kann die Rauschquelle direkt vom R&S®ZNL angesteuert werden. Für die einfache und hochgenaue Messung des Rauschmaßes wird die Option R&S®FS-SNS Smart Noise Source empfohlen. Sie wird automatisch vom System identifiziert; Benutzereingaben sind nicht erforderlich.
Die interne CW-Quelle eines R&S®ZNL6 ist auf 1 GHz gesetzt; ein weiteres CW-Signal bei 1,2 GHz wird von einem externen Signalgenerator bereitgestellt. Die beiden Signale werden über einen Combiner zusammengeführt und in den Verstärkereingang eingespeist. Der R&S®ZNL6 misst das resultierende Spektrum im Messmodus „Third Order Intercept“. Auch ein Spektrogramm kann aktiviert werden.
Die Messeinstellungen sind ebenfalls unkompliziert. Der Anwender muss lediglich den Frequenzbereich und die Anzahl der Sweep-Punkte definieren. Bei Bedarf können auch die Mess- und Einschwingzeiten für jeden Punkt eingestellt werden. Die Messung des Rauschmaßes eines Verstärkers erfordert eine andere Anschlusskonfiguration für das Messobjekt. Für die Kalibrierung des Systems wird die Option R&S®FS-SNS Smart Noise Source an das Messtor 2 des R&S®ZNL angeschlossen und ein Vorverstärker zwischen Rauschquelle und Messtor geschaltet. Nach Abschluss der Kalibrierung wird das Messobjekt zwischen Rauschquelle und Vorverstärker angeschlossen (siehe Foto auf Seite 1) und gemessen. Alle R&S®FS-SNS Modelle unterstützen auch die Berechnung der Messunsicherheit, deren Ergebnisse im Rauschmaß-Diagramm angezeigt werden. Der Aufruf der Messunsicherheits-Messung und die korrekte Darstellung der Ergebnisse ist einfach. Der Anwender wählt das entsprechende Menü, setzt einen Haken in das Kontrollkästchen für den Einsatz eines Vorverstärkers und gibt dessen Verstärkung und Rauschmaß ein.
Ein Verstärker wird mit 101 Punkten zwischen 1 GHz und 2,4 GHz gemessen. Rauschmaß, Verstärkung und Y-Faktor werden in den entsprechenden Diagrammen angezeigt und die Werte für jede Frequenz in einer Ergebnistabelle aufgelistet. Die Konfiguration für die Berechnung der Messunsicherheit gestaltete sich einfach dank der Verwendung einer R&S®FS-SNS18 Smart Noise Source.
Fazit
Der R&S®ZNL Vektornetzwerkanalysator ist ein vielseitiges Messgerät, das auch sehr anspruchsvolle Messobjekte wie Verstärker ohne zeitaufwendige Messkonfiguration oder umfangreiche HF-Kenntnisse auf Seiten des Anwenders charakterisieren kann. Die Spektrumanalyseoption, die beispielsweise eine interne CW-Quelle oder die Messung des Rauschmaßes unterstützt, macht das Gerät sehr flexibel. Weitere Hardwareoptionen wie eine Batterie machen den R&S®ZNL zur perfekten Universallösung für jeden Arbeitsplatz – ob im Labor oder im Feld. Für noch präzisere und komfortablere Messungen stehen R&S®NRP Leistungsmessköpfe und R&S®FS-SNS Smart Noise Sources zur Verfügung.
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