Auswahl des richtigen Geräts: LCR-Meter oder VNA

Impedanzmessung mit einem LCR-Meter

Ein LCR-Meter legt ein Wechselstromsignal an den Prüfling an und misst das resultierende komplexe Verhältnis von Spannung und Strom. Aus diesen Informationen wird dann die Impedanz des Prüflings berechnet. Die Impedanz wird in kartesischen Koordinaten durch die folgende Formel beschrieben:

Z = R + jX

Dabei ist R der Wirkwiderstand (Resistanz) und X der Blindwiderstand (Reaktanz), der induktiv (positiv) oder kapazitiv (negativ) sein kann. Der Phasenwinkel (j) stellt die Phasendifferenz zwischen Spannung und Strom im Stromkreis dar.

Impedanzmessung mit einem VNA

Im Gegensatz zu LCR-Metern verfügen VNAs über keine spezielle Funktionalität für Impedanzmessungen. Sie werden jedoch häufig zur indirekten Messung der Impedanz eines Prüflings bei hohen Frequenzen verwendet, wenn Impedanzanpassung und genaue Charakterisierung eine entscheidende Rolle für die ordnungsgemäße Funktion spielen.

Der VNA misst zwei Streuparameter, die auch als S-Parameter bezeichnet werden: Der eine stellt den Reflexionsfaktor am Eingang des Prüflings dar, der andere den Transmissionsfaktor vom Ausgang des VNA zum Eingang des Prüflings. Daraus errechnet der VNA die Impedanz:

Z = Z0 * ((1+S11)/(1-S11)) * (1+S21)/(1-S21))

Dabei ist Z die Impedanz des Prüflings, Z0 die Bezugsimpedanz des VNA (normalerweise auf 50 Ohm eingestellt), S11 der gemessene Reflexionsfaktor und S21 der gemessene Transmissionsfaktor.

LCR-Meter vs. VNA – Vorteile und Nachteile

Der wichtigste Unterschied von VNAs gegenüber LCR-Metern ist die Verwendung einer festen Bezugsimpedanz (Z0). VNAs sind deswegen präziser und können leicht an die Übertragungsleitung angepasst werden. Durch diese Impedanzanpassung werden mögliche Fehlerquellen wie parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten eliminiert.

Demgegenüber kann die Bezugsimpedanz bei LCR-Metern entsprechend dem Prüfling und anderen Anforderungen modifiziert werden. Sie liefern daher genauere Messungen, aber erfordern andererseits eine Anpassung für Messadapter und Kabel, die sich als parasitäre Elemente verhalten können.

VNAs messen S-Parameter, die dann in Impedanzparameter umgewandelt werden können. Die S-Parameter ermöglichen die Analyse von Reflexion, Transmissionsdämpfung und Isolation von HF-Geräten (z. B. einem Koppler) sowie der Strahlungseigenschaften (z. B. einer Antenne). Der VNA ist deswegen vor allem für die Arbeit bei höheren Frequenzen vom Kilohertz- bis in den Gigahertz-Bereich wichtig. LCR-Meter sind demgegenüber auf die Ermittlung von Impedanzparametern beschränkt und arbeiten bei niedrigeren Frequenzen von Null (Gleichstrom) bis in den Megahertz-Bereich.

Ein weiterer Aspekt ist die Anzahl der unterstützten Anschlüsse. Mit VNAs lassen sich auch Geräte mit mehreren Anschlüssen, wie z. B. Koppler, analysieren, während LCR-Meter auf zweipolige Bauteile wie Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten beschränkt sind.

Hauptunterschiede zwischen LCR-Metern und VNAs