Test and measurement

Verifizierung der Impedanz an HF-Toren

Gut angepasste HF-Tore sind ein wesentlicher Aspekt eines jeden HF-Systems. Angepasste Tore schützen beispielsweise die Verstärker-Ausgangstore vor Überlastung durch die Rücklaufleistung. Diese unerwünschte Rücklaufleistung könnte den kompletten Verstärker zerstören. Angepasste Tore maximieren ebenso die Leistungsübertragung, sodass die Batterielaufzeit von Wireless-Geräten, beispielsweise für das Internet der Dinge (IoT), verlängert wird.

Ihre Anforderung

In der HF-Welt existieren zwei Standardwerte für den Wellenwiderstand von massebezogenen Komponenten:

50 Ω und 75 Ω. Die meisten Kabel, Stecker und HF-Komponenten sind an einen dieser beiden Werte angepasst. Der Wert 75 Ω ist häufig bei (Kabel-)TV-Anwendungen zu sehen, da er nahe am Punkt der minimalen HF-Dämpfung von 77 Ω liegt. 50 Ω ist ein Kompromiss zwischen der Fähigkeit zur Übertragung mit hohen Leistungen (30 Ω) und geringer Dämpfung. Allerdings ist es wichtig, dass sämtliche Komponenten an denselben Impedanzwert angepasst wurden.

Impedanzanpassung (ZL = Z0)
Impedanzanpassung
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Erzielen der maximalen Leistungsübertragung

Gemäß dem Theorem der Leistungsübertragung ist die Anpassung von Quellenimpedanz Z0 und Lastimpedanz ZL der wichtigste Punkt für das Erreichen der maximalen Leistungsübertragung. Im Anpassungsfall gilt ZL gleich Z0.

Reduktion der HF-Leistungsreflexion

Die Auswirkung der Messtoranpassung lässt sich mit drei unterschiedlichen Parametern ausdrücken:

1. Reflexionsfaktor

Der Prozentsatz der reflektierten Welle im Vergleich zur einfallenden Welle wird mit Γ bezeichnet:

Reflexionsfaktor

Eine perfekte Anpassung zwischen Quelle und Last entspricht Γ = 0, eine vollständige Reflexion entspricht |Γ| = 1.

2. Stehwellenverhältnis (VSWR)

Alternativ kann die Reflexion vom Standpunkt des Stehwellenverhältnisses (VSWR) betrachtet werden:

Stehwellenverhältnis (VSWR)

VSWR ist ein Maß dafür, wie effizient die Leistung übertragen wird. VSWR = 1 zeigt eine optimale Leistungsübertragung ohne Reflexion an. Höhere Werte weisen darauf hin, dass Verbesserungen durch Impedanzanpassung möglich sind. Mehr reflektierte Leistung bedeutet weniger übertragene Leistung. Dies führt zu einem unnötig hohen Batterieverbrauch. Zudem kann Ihre Signalquelle beschädigt werden.

3. Reflexionsdämpfung

Reflexion kann auch mittels der Reflexionsdämpfung beschrieben werden:

Reflexionsdämpfung
Blindwiderstands-Kreise
Blindwiderstands-Kreise
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Sie ist ein Maß dafür, wie gut die Messtore angepasst sind. Eine hohe Reflexionsdämpfung ist wünschenswert. Aufgrund der besseren Auflösung von guten Anpassungsmerkmalen ist sie die im Vergleich zum VSWR bevorzugte Darstellung.

Sie können die Messung einer Lastanpassung mit dem Smith-Diagramm visualisieren. Dieses ist ein exzellentes und bewährtes Werkzeug zur Betrachtung von Anpassungsmerkmalen. Es zeigt grafisch die Impedanz des resistiven (Wirkwiderstands-Kreise) und des reaktiven (Blindwiderstands-Kreise) Anteils, wobei die obere Hälfte die induktive und die untere Hälfte die kapazitive Beschaffenheit darstellt. Jeder Punkt auf dem Diagramm kennzeichnet die mit einer bestimmten Frequenz verbundene Impedanz. Solche Werte werden als komplexe Zahl Z = R ± jX dargestellt. Der resistive Teil wird durch den Realteil R und der reaktive Teil durch den Imaginärteil angezeigt.

Wirkwiderstands-Kreise
Wirkwiderstands-Kreise
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Bei einem herkömmlichen Smith-Diagramm steigt der Wirkwiderstand von 0 (äußerste linke Seite des Diagramms) bis unendlich (äußerste rechte Seite des Diagramms). Die obere Hälfte des Diagramms zeigt positive Werte von jX und beschreibt so ein induktives Verhalten der Impedanz, während in der unteren Hälfte des Diagramms die Werte negativ sind und kapazitives Verhalten zeigen. Bitte beachten Sie, dass das Smith-Diagramm abhängig von den verwendeten Geräten auf die Bezugsimpedanz (50 Ω oder 75 Ω) normalisiert ist.

Lösung von Rohde & Schwarz

Eine einfache Möglichkeit, gute Impedanzcharakteristiken zu erzielen, besteht darin, geeignete Komponenten zu wählen und mit Hilfe einer Messung zu verifizieren. Diese Messung lässt sich am einfachsten mit einem Vektornetzwerkanalysator (VNA) und einer Smith-Diagrammanzeige durchführen. Der R&S®FPC1500 bietet den dreifachen Nutzen. Er ist nicht nur ein überragender, wirtschaftlicher Spektrumanalysator mit einer unabhängigen Signalquelle. Er ist auch ein Eintor-Vektornetzwerkanalysator mit integrierter VSWR-Messbrücke. Und die integrierte Smith-Diagrammanzeige und Marker-Funktionen konvertieren die normalisierte Impedanz auf Basis des gewählten Impedanzsystems automatisch in Ohm.

Die Kalibrierung auf Messebene, d. h. die Schnittstelle zwischen der Koppelnetzwerkstelle und den Netzwerkanalysatorkabeln, ist ein extrem wichtiger Schritt, um die Einflüsse von Kabeln und Steckern zu kompensieren. Die manuelle Kalibrierung ist fehleranfällig und zeitaufwendig, wenn man von Hand zwischen den Open-, Short- und Load-Normalen umschalten muss. Mit der R&S®ZN-Z103 Kalibriereinheit wird das Umschalten zwischen den Normalen automatisiert. Damit wird die Fehlerhäufigkeit beim Anschließen verringert sowie die Kalibrierzeit auf wenige Sekunden reduziert.

Stellen Sie als Erstes die Messparameter (Frequenzbereich, Auflösebandbreite und Anzahl von Messpunkten nach Bedarf) ein. Anschließend verbinden Sie die R&S®ZN-Z103 mit dem USB-Port des R&S®FPC1500. Das Messgerät erkennt die Kalibriereinheit automatisch. Schließen Sie als Nächstes ein Ende des Koaxialkabels an das Ausgangstor des R&S®FPC1500 und das andere Ende an die Kalibriereinheit an. Drücken Sie auf „Calibrate → Full 1-port“. Das Messgerät ist nun kalibriert und bereit, das Messobjekt zu prüfen.

Die Screenshots unten zeigen Ergebnisbeispiele für VSWR, Reflexionsdämpfung und ein Smith-Diagramm innerhalb des 2,4-GHz-ISM-Bands:

Ergebnisbeispiele für VSWR
Ein VSWR von 1 ist in der Realität unerreichbar, ein Wert von ca. 1,6 akzeptabel. Als Faustregel sollte das VSWR < 1,5 sein.
Ergebnisbeispiele für VSWR
Eine manuelle Berechnung oder ein einfacher Knopfdruck ergeben eine Reflexionsdämpfung von ca. 12 dB.
In Smith-Diagramm aufgezeigte Impedanz
In Smith-Diagramm aufgezeigte Impedanz
R&S®FPC1500-Messtor an HF-Gerät
R&S®FPC1500-Messtor an HF-Gerät
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Fazit

Die Verifizierung von HF-Messtoren ist ein Schlüsselfaktor für die Minimierung des Leistungsverlusts bzw. der Rücklaufleistung und die Maximierung der Batterielaufzeit. Zudem werden Komponenten vor Überhitzen oder dauerhafter Beschädigung geschützt. R&S®FPC1500 ist ein überragendes, benutzerfreundliches und kostengünstiges Werkzeug für diese Art der Verifizierung.

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