HF verstehen – Hochfrequenz-Messtechnik

Hochfrequenz-Messtechnik: Spektrumanalysator

Das erste Gerät ist der Spektrumanalysator. Das Wort „Spektrum“ bezeichnet ganz allgemein einen Frequenzbereich. Für das Hochfrequenzspektrum wird ein spezielles Gerät namens Spektrumanalysator verwendet, um zu erfassen und zu messen, welche Arten von Signalen bei welchen Frequenzen auftreten, welche Pegel und Modulationen sie aufweisen usw. Die grundlegendste Funktion eines Spektrumanalysators ist die Anzeige der Leistung in Abhängigkeit von der Frequenz – die Messung, bei welchen Frequenzen Hochfrequenzstrahlung mit welchem Pegel vorhanden ist. Die Leistung wird relativ zu anderen Leistungen in „dB“, d. h. Dezibel, angegeben.

Neben der Messung der Leistung in Abhängigkeit von der Frequenz sind viele Spektrumanalysatoren auch in der Lage, verschiedene Signaltypen zu demodulieren. Dazu gehören einfache analoge Signale, wie sie im frequenzmodulierten UKW-Radio verwendet werden, bis hin zu komplexen digitalen Signalen, wie sie etwa bei LTE und Wi-Fi vorkommen. Demodulation bezeichnet den Vorgang der Entschlüsselung der mit einem Signal übertragenen Informationen und ermöglicht auch die Beurteilung der Fehlerhaftigkeit oder Ungenauigkeit eines modulierten oder informationstragenden Signals. Wenn ein Spektrumanalysator auf diese Weise eingesetzt wird, wird er auch oft als Signalanalysator bezeichnet.

Hochfrequenz-Messtechnik: Signalgeneratoren

Hochfrequenzsignale werden von verschiedensten Geräten erzeugt, z. B. von Mobiltelefonen, Autofernbedienungen oder GPS-Satelliten. Ein Signalgenerator dient der Erzeugung der verschiedenen Arten von HF-Signalen, die für die Entwicklung und Prüfung von HF-Geräten, insbesondere Empfängern, benötigt werden. Bei diesen Signalen kann es sich um einfache, unmodulierte Signale oder komplexe modulierte Signale handeln wie bei den meisten Funkkommunikationsanwendungen. Mit einem Signalgenerator kann der Benutzer sämtliche Parameter der erzeugten Signale einstellen, etwa Leistung, Frequenz und Modulation.

Sehr häufig werden ein Spektrumanalysator und ein Signalgenerator in einem messtechnischen Aufbau kombiniert. Wenn der Prüfling – nach dem englischen „device under test“ auch „DUT“ genannt – beispielsweise ein Verstärker ist, kann ein Signalgenerator zur Erzeugung des Signals verwendet werden, das zum Testen in den Prüfling eingespeist wird. Das verstärkte Signal kann daraufhin mit Hilfe eines Spektrumanalysators gemessen und analysiert werden.

Hochfrequenz-Messtechnik: Netzwerkanalysatoren

Im Kontext der HF-Technik ist mit einem „Netzwerk“ ein Gerät mit einem oder mehreren Anschlüssen gemeint, von denen jeder Hochfrequenzenergie weiterleiten, reflektieren und/oder absorbieren kann. In der Regel handelt es sich hierbei um Komponenten in einem System. Ein Mobiltelefon weist beispielsweise viele Komponenten auf, die als ein „Netzwerk“ bezeichnet werden können. Um sicherzustellen, dass diese Komponenten ordnungsgemäß arbeiten und die Funktion des Gesamtsystems unterstützen, sind genaue, zuverlässige und wiederholbare Messverfahren erforderlich. Netzwerke werden getestet, indem ein HF-Signal in einen der Anschlüsse eingespeist und dabei gemessen wird, welcher HF-Anteil von diesem Anschluss reflektiert wird und welcher HF-Pegel aus den anderen Anschlüssen austritt. Es wird auch ermittelt, welche Verzögerung durch das Netzwerk eingeführt wird und wie das Netzwerk andere Eigenschaften des eingespeisten Signals beeinflusst.

Ein Netzwerkanalysator erzeugt und misst HF-Energie und ähnelt dementsprechend der Kombination eines Signalgenerators mit einem Spektrumanalysator. Netzwerkanalysatoren können kleine Schwankungen oder Änderungen von Signalen messen, und mittels ausgefeilter Kalibrierroutinen werden Fehler so weit wie möglich minimiert oder eliminiert. Netzwerkanalysatoren sind vor allem in Laboren anzutreffen. Tragbare Netzwerkanalysatoren lassen sich aber auch im Feld zum Testen von Kabeln und Antennen einsetzen. Netzwerkanalysatoren werden auch als Vektornetzwerkanalysatoren oder VNA bezeichnet.

Hochfrequenz-Messtechnik: Leistungsmessköpfe

Leistungsmessköpfe werden für eine einfache Messung der empfangenen Leistung verwendet. Die Grundfunktion eines Leistungsmesskopfs ist die Anzeige der Leistung als Zahlenwert, z. B. 10,92 dBm. Leistungsmessköpfe sind im Vergleich zu den bereits erwähnten Geräten technisch weniger anspruchsvoll, spielen aber in der HF-Technik eine wichtige Rolle und sind in fast jedem HF-Labor zu finden.

HF-Tests über die Luftschnittstelle

Bei den meisten HF-Tests werden die Signale über ein Kabel vom Gerät zum Prüfling bzw. vom Prüfling zum Gerät übertragen. Bei solchen leitungsgebundenen HF-Tests können Parameter wie der vom Prüfling empfangene Leistungspegel präzise kontrolliert werden.

Bei einigen jüngeren Technologien wie etwa 5G müssen jedoch sogenannte Over-the-Air- oder OTA-Tests durchgeführt werden, bei denen die Signale per Funk zum und vom Prüfling übertragen werden. Die Gründe für die Notwendigkeit solcher Tests über die Luftschnittstelle sind meistens die höhere Frequenz des Signals und das Fehlen eines „HF-Anschlusses“ am Prüfling. In diesem Fall werden zum Testen spezielle Testboxen oder Schirmkammern benötigt, um zu verhindern, dass andere HF-Signale die Messungen stören und/oder die Testsignale in die Umgebung abgestrahlt werden.

Andere Arten von Hochfrequenz-Messgeräten

Neben den vier genannten Kategorien gibt es noch viele andere Arten von HF-Messgeräten.

Kommunikationstester sind Kombinationen aus Signalgenerator und Spektrum- oder Signalanalysator, die zum Testen von drahtlosen Kommunikationsgeräten wie Mobiltelefonen, Wi-Fi- und Bluetooth-Geräten entwickelt wurden. Sie können ein Wireless-Gerät, einen Zugangspunkt oder eine Basisstation emulieren und ermöglichen sowohl Sprach- als auch Datentests.

Bei Tests der EMV oder elektromagnetischen Verträglichkeit werden elektrisch betriebene Geräte auf unbeabsichtigte HF-Aussendungen getestet, die andere Geräte stören könnten. Zum Beispiel wird geprüft, ob eine Waschmaschine ein Mobiltelefon stört.

Eine wichtige Rolle bei der EMV-Prüfung spielen Verstärker, die die HF-Signalleistung erhöhen und so die hochpegeligen HF-Signale bereitstellen, die bei manchen EMV-Tests benötigt werden.

Oszilloskope sind eine weitere Kategorie von HF-Messgeräten, die sowohl für HF-Tests als auch andere Frequenzbereiche genutzt werden.