Rauschmaß oberhalb von 110 GHz messen

Signal- und Spektrumanalysatoren von Rohde & Schwarz, die mit der Option R&S®FSx-K30 ausgestattet sind, bilden die Basis für eine Lösung, um mit der Y-Faktor-Methode das Rauschmaß im Millimeterwellen-Frequenzbereich exakt zu messen.

Ihre Anforderung

Mit den jüngsten Verbesserungen in der Halbleitertechnologie wird der Mikrowellen-Frequenzbereich jenseits von 110 GHz immer interessanter. Dies gilt insbesondere für Applikationen im Bereich Millimeterwellenradar und Bildgebung. Jedoch verschlechtert sich in einem Empfänger normalerweise das Signal-Rausch-Verhältnis in höheren Frequenzbereichen. Bei der Entwicklung von Millimeterwellen-Applikationen ist es deshalb entscheidend, das Rauschmaß von LNAs (Low Noise Amplifiers, rauscharme Verstärker) oder den gesamten Empfangszug zu messen, um die Empfindlichkeit zu erhöhen.

Das Rauschmaß und die Verstärkung des LNAs bestimmen das erreichbare Gesamt-Signal-Rausch-Verhältnis. Beide Parameter müssen gemessen werden, um das System dementsprechend zu designen und die Auflösung der Bildgebungsapplikationen im Radar- und Mikrowellenbereich zu verbessern oder um den Datendurchsatz für Kommunikationsapplikationen zu steigern.

Messtechnische Lösung

Ein Signal- und Spektrumanalysator von Rohde & Schwarz wie der R&S®FSW, ausgestattet mit der Option R&S®FSx-K30 Rauschmaßmessungen, eignet sich ideal, um das Rauschmaß und die Verstärkung selbst im Millimeterwellenbereich exakt zu messen und zu analysieren. Ein externer Harmonischen-Mischer wie der R&S®FS‑Z170 erweitert den Frequenzbereich des Analysators auf bis zu 170 GHz.

Rauschmaß und Verstärkung werden üblicherweise mit der Y-Faktor-Methode gemessen. Diese Technik verwendet eine Rauschquelle wie die Rauschdiode (Modell ISSN-06) von ELVA mit einem Frequenzbereich von 110 GHz bis 170 GHz, um ein Excess Noise Ratio (ENR) für das Messobjekt bereitzustellen. Um die Analysatorempfindlichkeit zu steigern und belastbare Ergebnisse zu erzielen, wird vor dem Mischer ein zusätzlicher, rauscharmer Vorverstärker wie der RPG D-LNA 110-170 empfohlen (RPG ist ein Unternehmen von Rohde & Schwarz).

Rauschmaß oberhalb von 110 GHz messen
Bei 140 GHz Mittenfrequenz verbessert ein Vorverstärker (grün) den Y-Faktor im Vergleich zum erreichbaren Y-Faktor ohne Vorverstärker (gelb) um mehr als das 10-fache.
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R&S®FSx-K30 hat die vollständige Kontrolle über den Messaufbau. Sie schaltet das ENR der Rauschquelle während des Mess-Sweeps ein und aus und stellt die berechneten Ergebnisse für Rauschmaß und Verstärkung in verschiedenen Graphen und Tabellen dar. Die Differenz zwischen dem Grundrauschen mit der ein- bzw. ausgeschalteten Rauschdiode ist der Y-Faktor. Ohne Vorverstärker beträgt der erreichbare Y-Faktor bei 140 GHz nur etwa 0,5 dB. Mit dem Vorverstärker erhöht sich der Y-Faktor um mehr als das 10-fache auf etwa 7 dB. Dies hat einen entscheidenden Einfluss auf die Messgenauigkeit.

Herausragende Performance bei Millimeterwellen-Frequenzen

Der R&S®FSW Signal- und Spektrumanalysator bietet selbst bei Millimeterwellen-Frequenzen eine herausragende Performance. Ein Vorverstärker erhöht den Y-Faktor hinreichend, um den kleinen statistischen Fehler des Analysators bei Rauschmaß und Verstärkung im Bereich von gerade 0,1 dB zu kompensieren. Damit lassen sich reproduzierbare Messergebnisse sogar oberhalb von 110 GHz erzielen.

Das VSWR des Messaufbaus sorgt bei den Testergebnissen für eine weitere systematische Messabweichung, die berücksichtigt werden muss. Die Option R&S®FSx-K30 beinhaltet bereits eine Funktion zur Berechnung der Unsicherheit für Messungen des Rauschmaßes und der Verstärkung. In Bezug auf die verwendeten Komponenten lassen sich typische Werte für VSWR, ENR-Unsicherheit und Verstärkung eingeben. Dies führt zu einer berechneten systematischen Messabweichung von etwas 0,5 dB für den beschriebenen Messaufbau. Möglicherweise werden einige zusätzliche Dämpfungsglieder oder Filter benötigt, um die systematische Messabweichung zu verringern.

Fazit

Ein Signal- und Spektrumanalysator von Rohde & Schwarz, der mit der Option R&S®FSx-K30 ausgestattet ist, bildet die Basis für eine Lösung, um mit der Y-Faktor-Methode das Rauschmaß und die Verstärkung im Millimeterwellen-Frequenzbereich exakt zu messen. Die integrierte Funktion zur Berechnung der Unsicherheit ist ein leistungsfähiges Werkzeug, das sämtliche Parameter des Messaufbaus wie VSWR, ENR-Unsicherheit und zusätzliche Dämpfungsglieder und Filter für Fehlerberechnungen berücksichtigt.

Mit dem Tausch des Messobjekts gegen eine Durchverbindung mit 0 dB Verstärkung und 0 dB Rauschmaß lässt sich der kleine statistische Fehler von 0,1 dB des R&S®FSW für Rauschmaß und Verstärkung verifizieren – nach einer zweiten Korrektur, um den Einfluss des Analysators abzuziehen.

Typischer Messaufbau für Rauschmaßmessungen auf Basis der Y-Faktor-Methode: Der R&S®FSW, ausgestattet mit der Option R&S®FSx-K30, in einem Messaufbau mit einem externen Harmonischen-Mischer, einem rauscharmen Vorverstärker und einer Rauschquelle ermöglicht exakte Messungen von Rauschmaß und Verstärkung einschließlich der Fehlerberechnung oberhalb 110 GHz.