XIII Hochfrequenzmessgrößen

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1 XIII Hochfrequenzmessgrößen XIII.1 Ausgangsleistung von HF-Generatoren / Quellen Mit den HF-Leistungsmessköpfen Rohde & Schwarz NRV-Z1 und NRV-Z51 steht die Möglichkeit zur direkten Messung der Leistung an HF-Generatoren oder Ausgängen gespeister passiver Komponenten (Richtkoppler, Dämpfungsglieder, Leistungsteiler, Filter) in 50 - Systemen zur Verfügung. Die Köpfe messen am Anzeigegerät R&S NRVD HF-Leistungen im Bereich von 1 µw bis 100 mw (NRV-Z51) bzw. 00 pw bis 0 mw (NRV-Z1) im Frequenzbereich DC bis 18 GHz bzw. 10 MHz bis 18 GHz. [1] Bei den genannten Modellen handelt es sich um das sogenannte Verifikationskit NRVC-B1, das gegenüber herkömmlichen Leistungsmessköpfen dieser Serie eine erhöhte Zahl an Abgleichpunkten für den Kalibrierfaktor besitzt und zusätzlich zur regelmäßigen Zwischen- und gegenseitiger Plausibilitätsprüfung der Leistungsreferenz Rohde & Schwarz NRVC verwendet wird. XIII.1.1 Messverfahren XIII Direktmessverfahren an kalibrierten Leistungsmessköpfen Ausgangsleistungen von HF-Quellen können mit den Leistungsmessköpfen NRV-Z1 (Prüfmittel Nr. KL18060) und NRV-Z51 (KL18059) und dem dazugehörigen Anzeigegerät NRVD (KL18054) der Firma Rohde&Schwarz direkt kalibriert werden. Durch die Technologie der Abschlusssensoren und deren elektronisch abgelegten Kalibrierfaktoren ist das System bereits nach Anschließen an das Grundgerät als vollständiges Leistungsmessgerät einsatzbereit. Weitere Kalibrierfaktoren oder eine zusätzliche Leistungsreferenz werden nicht benötigt. Die kalibrierte Leistungsreferenz des NRVD wird jedoch zur Verifikation und Funktionskontrolle eingesetzt. Beide Leistungsmessköpfe sind für Messungen in 50 Systemen konzipiert und mit Typ-N-Koaxialstecker ausgestattet. Dabei ist der thermische Sensor NRV- Z51 für Präzisionsmessungen für den mittleren Leistungsbereich (100 mw bis ca. 100 µw) Leistungsbereich optimiert, während der Dioden-Sensor NRV-Z1 sich durch eine große Empfindlichkeit und einen hohen Dynamikbereich auszeichnet und damit für den kleinen Leistungsbereich spezifiziert ist [1]. Im sich überschneidenden Leistungsmessbereich können zwar beide Messköpfe eingesetzt werden, kleinere Messunsicherheiten sind jedoch mit dem thermischen Leistungssensor zu erwarten, mit dem über 0,1 mw hervorragende und unverrauschte Ergebnisse zu erzielbar sind. Dies gilt v. a. für Frequenzen 4 GHz, da die frequenzabhängige Abweichung des Diodenmesskopfes für Frequenzen >4 GHz einen wesentlichen Beitrag zur Gesamtunsicherheit liefert. Für Frequenzen >4 GHz bei Leistungen >1 mw ist der Diodenmesskopf dahingegen nicht mehr geeignet. Die vom Labor bei Kalibrierungen genutzten Leistungsbereiche sind Tabelle XIII.1 zu entnehmen. NRV-Z1 N-Stecker 50 Diodenmesskopf NRV-Z51 N-Stecker 50 Thermischer Messkopf Tabelle XIII.1 Frequenzbereich bester Leistungsmessbereich 10 MHz bis 18 GHz 0,1 µw bis 0,1 mw DC bis 18 GHz >0,1 mw bis 100 mw Da die Messköpfe mit-n-konnektoren versehen sind, sollte bevorzugt an diesen Anschlüssen gemessen werden. Andere Konnektortypen und Übergangsstücke sind durch die Veränderung des VSWR entsprechend und deren Dämpfung in der Messunsicherheitsbilanz zu berücksichtigen. Beispielsweise müssen BNC-Ausgänge adaptiert und entsprechend in der Messunsicherheitsbilanz berücksichtigt werden. Dazu wird die durch den Adapter entstehende Unsicherheit durch Messung von zwei BNC-N und N-BNC Adaptionen abgeschätzt. Die Abweichung der Leistungsmessungen mit und ohne Doppeladapter gehen dabei mit der Hälfte in die berechnete Messunsicherheit ein. Aufwärmzeiten, Anschlussarten Betriebsbedingungen und Bedienung der Kalibriergegenstände werden gemäß den Herstellerangaben beachtet. Empfohlen wird eine Akklimatisierungszeit von >8 Stunden und Aufwärmzeiten von mindestens Stunden. Ofengeheizte Signalgeneratoren sollten sogar erst nach einer Anlaufphase von mindestens 1 bis 4 Stunden kalibriert werden. Sofern erforderlich, werden alle Betriebsparameter im Kalibrierschein vermerkt.

2 Nach dem Anschließen (Bild XIII.1) des entsprechenden Messkopfes an das Grundgerät (bevorzugt Kanal A) und die zu vermessende Quelle (50 ) befindet sich das Gerät bereits im Messmodus für Kanal A (sonst ist über die Taste CHANNEL der aktive Messkanal zu wechseln). Bild XIII.1 Anschluss NRVD an HF-Leistungsquelle [] Durch Drücken der Taste W dbm kann in der Anzeige der Messwert wahlweise in Watt (W) oder dbm ausgegeben werden. Die höchste Auflösegenauigkeit ist durch die Tastenkombination DISP -> RESOL -> HIGH zu aktivieren. Da das NRVD keinen Frequenzmesser besitzt, muss - um die im Messkopf abgelegten Daten zu nutzen - die numerische Frequenzgangkorrektur des Gerätes eingeschaltet werden (Tasten FREQ -> DATA -> Eingabe der Messfrequenz in MHz oder GHz). Zum Erreichen der akkreditierten Messunsicherheiten muss die numerische Frequenzgangkorrektur bzw. der im Kalibrierschein angegebene Frequenzgang benutzt werden. Zur Unterdrückung größerer Anzeigeschwankungen durch verrauschte Signale verfügt das NRVD über unterschiedliche Filter, die vom Gerät automatisch durch die Tastenkombination FILTER -> AUTOMATIC eingeschaltet werden. Gemessen wird - sofern keine anderen Vorgaben vorliegen- die Absolutleistung im Modus AUTORANGE. Im Zweifelsfall werden die Angaben des Herstellers zum Anschluss und Betrieb zu Rate gezogen, befolgt und im Kalibrierschein vermerkt. Das Verfahren erfüllt daneben die Anforderungen aus VDI/ VDE/ DGQ/ DKD 6-Blatt 5: für Funktionsgeneratoren [5], [7]) und wird zur Kalibrierung des Frequenzganges von Funktions- und Signalgeneratoren (analog) eingesetzt. Kalibriert und im Kalibrierschein dokumentiert wird die absolute Ausgangsleistung oder der Kalibrierungsfaktor K der Leistungsquelle, der das Verhältnis der am Generator angezeigten Leistung zur abgegebenen Leistung bei Abschluss mit Z0=50 darstellt Pind K mit P Pind: PZ0: Zo am Generator angezeigte (indicated ind.) oder eingestellte Leistung Ausgangsleistung des Generators oder Quelle bei Abschluss mit Z0 (korrigierte Anzeige am NRVD) Es wird also die Ausgangsleistung PZ0 der Quelle mit einem Leistungsmesser gemessen und mit der Anzeige der Quelle wird daraus K berechnet. Am Leistungsmessgerät (Leistungssensor und Anzeigegerät NRVD) wird die einfallende Leistung Pinc gemessen und somit ergibt sich daraus PZ0 als P inc mit G und L als komplexe Reflexionsfaktoren von Quelle (Generator) und Last. 1 PZ 0 1 Γ Γ G L ind NRVD Mit dem Kalibrierungsfaktor des Leistungssensors ergibt sich die Modellgleichung zur Messung der Ausgangsleistung P Z0: N P. P inc

3 P ind, NRVD 1 G L N P XIII.1.1. Selektive Messung am Messempfängersystem Am Messempfängersystem Agilent N5531S (bestehend aus Spektrumanalysator Agilent E4440A, passendem Sensormodul Agilent N553B-518 oder N553B-56 und Leistungsmessgerät Agilent N191A, siehe XIII.5.1) können auch noch kleine Leistungen von Generatoren durch Kombination eines Leistungsmessgeräts mit einem selektiven Spektrumanalysator präzise gemessen werden. LAN Kommunikation Leistungsmessgerät 1mW, 50 MHz DUT Messkopf / Normal Messempfänger ZERO und CAL Messobjekt Signalgenerator 1 fw bis 1 mw 10 MHz Ref. DUT Messkopf / Normal Messempfänger Bandbreite <10 Hz Modus: Tuned RF-Level Bild XIII.1.1 Abgleich und Messung über Messempfängersystem Dabei werden Absolutabweichung des Leistungsmessgerätes und Dynamik des Spektrumanalysators gemeinsam genutzt. Das System gleicht sich während des Umschaltens in einen empfindlicheren Dynamikbereich jeweils gegen den unempfindlicheren ab. Wurden die Korrektionsfaktoren der Anzeigebereiche Leistungsmessung, Spektrumanalysator und Vorverstärker einmalig vor oder während der Messung bestimmt, so sind selbst kleine Leistungen von bis zu -130 dbm mit guter Wiederholbarkeit messbar. Diese Bestimmung erfolgt automatisch bei den eingestellten Empfindlichkeitsgrenzen -60 dbm und -80 dbm: Mit einem an das System angeschlossenen HF- Generator wird der Leistungspegel bei fester Frequenz am Eingang des Systems über den internen Abschwächer 1 des Generators schrittweise in 10 db-schritten reduziert. Erreicht die Leistung erstmalig die erste eingestellte Umschaltgrenze werden unmittelbar hintereinander zwei Messungen ausgeführt. Die erste Messung ermittelt den Referenzwert P Range1 (mit eingeschaltetem internem Abschwächer am Spektrumanalysator). Die zweite Messung liest den Wert P Range ohne diesen Abschwächer aus. Daraus ergibt sich der systematische Korrekturwert in db für den zweiten Bereich C Range zu C P P Range Range1 Range Um diesen Wert werden alle Folgemessungen im zweiten Bereich automatisch korrigiert. Bei weiterer schrittweiser Abschwächung über den nächsten Schwellwert wird die Prozedur wiederholt: Die erste Messung ermittelt nun den Referenzwert P Range' (ohne internem Abschwächer und ohne Vorverstärkung am Spektrumanalysator) an der Umschaltschwelle der Bereiche, die zweite Messung liest den Wert P Range3 bei eingeschaltetem Vorverstärker aus. Somit ergibt sich die Korrektion für den Folgebereich zu C P P Range3 Range' Range3 Bereich und Bereich 3 sind somit auf den ersten und dieser auf die 1 mw-leistungsreferenz oder die Anzeige des Power Meters abgeglichen. 1 Die Abschwächung kann auch über einen externen "auszumessenden" Stufenabschwächer oder kaskadierte Dämpfungsglieder erfolgen

4 Bild XIII.1. Bereichsumschaltung und Einflussfaktoren des Messempfängersystems aus dem Datenblatt des Herstellers Da bei dieser Messung nur mit kleinen Bandbreiten die gewünschten Ergebnisse erzielt werden, müssen Signale mit klein genugem Phasenrauschen verfügbar sein. Ansonsten ist keine stabile Messung möglich. Der Ablauf gliedert sich dabei in folgende wesentliche Punkte, Details sind den Bedienunterlagen des Gerätes zu entnehmen: Nullpunktabgleich und Abgleich gegen 1 mw, 50 MHz-Quelle (ZERO und CAL am Leistungsmesssgerät) Umschalten in den Modus Tuned RF-Level und automatische Ermittlung der Korrektion zwischen Leistungsmessgerät und Spektrumanalysator Verifikation gegen bekannte 1 mw-quelle im Modus Tuned RF-Level : Messempfängermodus muss den Korrektionsfaktor korrekt ermittelt haben Anschluss des Kalibriergegenstandes (Linearität abwärts) Automatische Ermittlung der Korrektionen an den Bereichsgrenzen, typischerweise -60 dbm (Abschwächerumschaltung) und -80 dbm (Vorverstärkerumschaltung) Verifikation mit zweiter Messreihe und Bestimmung der Wiederholbarkeit (Linearität aufwärts) XIII.1. Rückführung und Historie Die Leistungsmessköpfe werden im DKD auf Normale der PTB rückgeführt (s. Kapitel II, Intervall 36 Monate, gemäß Historie) und sind für den Wert 0 dbm im gesamten Frequenzbereich (1 khz bis 18 GHz NRV-Z51 bzw. 10 MHz bis 18 GHz NRV-Z1) kalibriert. Neben den Messköpfen steht darüber hinaus das Kalibrierkit R&S NRVC zur Verfügung, das zusammen mit den Messköpfen ebenfalls im 36 monatigen Intervall im Herstellerlabor komplett kalibriert und abgeglichen wird (Kalibrierungsfaktoren im EEPROM, Reflexionsfaktoren, Korrekturwerte auf Diskette, etc.). Zusätzlich wird die gegenseitige Verifikation (NRV-Z an NRVC und umgekehrt) mindestens im monatlichen Intervall durchgeführt. Als weitere Gebrauchsnormale im Labor (mobiler Einsatz, sekundärer HF-Platz) dienen ebenfalls Messköpfe der Typen NRV-Z51/Z1, die somit regelmäßig am Kalibrierkit NRVC kalibriert und auf Einhaltung der Spezifikation überprüft werden können. Die durch eine Drift hervorgerufene Messunsicherheit wurde auf Basis der Historie ausgewertet. Frequenzabhängig und linear ansteigend liegt diese im Bereich von 0,1 % bei 100 MHz bis 0,6 % bei 18 GHz sie wird durch einen Messunsicherheitsbeitrag pdrift im Budget (S. 7) berücksichtigt Das Messempfängersystem wird gegen die NRVC-Leistungsreferenz bzw. die,9 mm Leistungsmessköpfe kalibriert und rückgeführt (siehe XIII..6 und XIII..7), der Wert und die Abweichung der 50 MHz - Kalibrierquelle des Systems kann gemäß XIII..1. bestimmt werden. Für kleine Leistungen bis 1 fw ergibt sich der Bezug über die Linearitätskalibrierung (HF-Dämpfung) und =Änderung im Kalibrierintervall, hauptsächlich durch Abnutzung des Steckers und nicht durch Alterung der Wandlerelemente

5 das "Einmessen" und den Eigenabgleich gegen die 1 mw, 50 MHz Quelle bzw. gegen das Power Meter wie oben genannt. Somit kann das Gerät über den gesamten Dynamik- und Frequenzbereich rückgeführt betrieben werden. Da das System aus den Einheiten Sensorkopf (Agilent N ), Leistungsmessgerät (Agilent N191A) und Spektrumanalysator besteht (Agilent E4440A) wird zusätzlich die Rückführung der Einzelgeräte wie folgt garantiert und hergestellt: Messgröße Agilent N Agilent N191A Agilent E4440A siehe Abschnitt XIII HF-Leistung HF-Reflexionsfaktor HF-Dämpfung Frequenzgang und Linearität in Vergleichsmessung gegen R&S NRVC (a) VNA (7b) Messung verifiziert und angeschlossen an (5a) und (5b) 1 mw, 50 MHz, substituiert gegen gegen 1 mw Referenzquelle (3) Frequenzgang Vergleichsmessung gegen R&S NRV-Z55 () VNA Messung verifiziert und angeschlossen an (5d) und (5e) Linearitäten und Geräteeigenschaften (Spektrumanalysatormodus) gegen Gebrauchsnormal angeschlossen an VNA (7b) und N5531S (8) verifiziert an (5c) Verbund Agilent N5531S = Agilent N / Agilent N191A / Agilent E4440A Frequenzgang (Messempfangermodus) in Vergleichsmessung gegen R&S NRVC (a) Linearität (Messempfängermodus) gegen Bezugsnormal Dämpfungsgliedersatz (5c) (ergänzt um eingemessene Dämpfungsglieder zur Kaskadierung) Frequenz In Zählmessung permanent an (05) permanent an (05) angeschlossen an (05) Gleichspannung über Verfahren XIII..1.1 angeschlossen an (0) bzw (01) Tabelle XIII.1..1 Übersicht zur Rückführung des Messempfängersystems und dessen Einzelkomponenten (vgl. Abschnitt XIII.1.8.1)

6 Driftauswertung der HF-Leistungsreferenzen NRV-Z1, NRV-Z51 und NRVC mit MU+/- als mittlerer Messunsicherheit der Kalibrierung. Die für die Messköpfe ermittelten Korrekturwerte (Kalibrierfaktoren der Normale) sind im Kalibrierschein angegeben und auch direkt im EEPROM abgelegt und werden vom Grundgerät NRVD beim angezeigten Messwert berücksichtigt. Diese Werte werden nicht mehr geändert und stehen für die entsprechenden Kalibrierfrequenzen zur Verfügung. Zusätzlich ist die Linearität bei 50 MHz direkt kalibriert. Die Linearität des Messkopfes ist gemäß Herstellerangaben [1] spezifiziert, so dass mit den Stützwerten des Kalibrierscheines die Rückführung im gesamten Frequenzbereich der Messköpfe gewährleistet werden kann. Dabei wird aus Messungen mit einem kalibrierten 40 db Dämpfungsglied angenommen, dass der Diodenkopf NRV-Z1 seine Linearität und Dynamik bis -40 dbm einhält und somit bereits ab 0,1 µw verwendet werden kann. Rohde & Schwarz bezieht die Unsicherheiten und Spezifikationen der Messköpfe auf eine Absolutleistungsmessung. Um die Funktion der Absolutleistungsmessung nochmals gegen zu prüfen, steht am NRVD eine kalibrierte 50 MHz, 1mW-Referenzleistungsquelle zur Verfügung, wodurch vor jeder Messung diese Genauigkeit verifiziert wird und ggf. relativ zu dieser Quelle gemessen und korrigiert werden muss. Frequenzbereich kalibrierter / bester Leistungsmessbereich 3 3 In überlappenden Messbereichen werden Verfahren und Normal abhängig von Dynamikbereich des Messobjekts und angestrebter Messunsicherheit ausgewählt

7 NRV-Z1 KL18060 NRV-Z51 KL18059 NRVD KL18054 E4440A/ N5531S-56 KL0065 KL1815 KL1814 Messsystem bestehend aus Grundgerät, Sensor und slektivem Empfänger (vgl. Abschnitt II bzw. XIII.1.1.) Tabelle XIII.1 10 MHz bis 18 GHz DC bis 18 GHz -30dBm bis 0 dbm 1 µw bis <1 mw 0 dbm bis 19 dbm 1 mw bis 79 mw 50 MHz 1 mw 100 khz bis 18 GHz 1 fw bis 100 mw Die Historie des Kalibratorausgangs am NRVD ist innerhalb der Kalibrierintervalle bekannt. Dabei konnten keine Abweichungen im Rahmen der Messunsicherheit festgestellt werden. Das Kalibrierintervall wird daher an die Ergebnisse der Historienauswertung angepasst. Kalibratorausgang NRVD 1,008 1,006 1,004 Jahr 1,00 1 0,998 0,996 0,994 1,0009 1,0009 1,000 0,999 0,9998 0, Leistung [mw] Die Substitutionsmessung gegen diese Leistungsreferenz ist in Kapitel XIII..1. beschrieben. XIII.1.3 Messunsicherheitsbilanz XIII Skizze des Messverfahrens: Vorgegebene bzw. abgelesene Größen: Kalibriergegenstand - Generator Messkopf NRV-Z K P Z0 P ind p Temp N P Offset p Lin p Linf p mismatch p Harm Messkopf Anzeigegerät NRVD P ind,nrvd P ind,nrvd, P ind,noise p GGp Kal,GG p Drift

8 XIII.1.3. Modellgleichung Der Wert der Hochfrequenzleistung, die die HF-Quelle an der Bezugsebene in eine ideale 50-Ω-Last abgibt, lässt sich berechnen aus der Beziehung: Pind,NRVD Pind,NRVD POffset Pind,noise PZ 0 p N Pind und daraus K () P P ind,nrvd Zo mismatch p Drift angezeigter und abgelesener Messwert am HF-Leistungsmesser NRVD p Lin p Linf p Temp p Harm p GG p Kal,GG (1) N P ind Kalibrierfaktor des Bezugsnormals. Bei eingeschalteter Frequenzgangkorrektur mit den Werten aus dem EEPROM der Leistungsköpfe gilt N=1. Die Unsicherheit des Kalibrierfaktors ist dabei dem Kalibrierschein entnehmbar (0,011 db bis 0,058 db). am Generator/ Quelle abgelesene oder eingestellte Leistung Gesuchte Größe: P Z0 Ausgangsleistung des HF-Generators / Quelle bei Abschluss mit idealem Z0=50 K Kalibrierungsfaktor K des Generators Einflussgrößen: P Offset Nullpunktabweichung des Leistungsmesskopfes bzw. leistungsunabhängige Messwertverfälschung durch einen möglichen Offset. Die tatsächliche Abweichung nach ZERO-Korrektur am Grundgerät wird zu Null abgeschätzt und innerhalb der Spezifikationsgrenzen als Normalverteilt angenommen ( aus [1] 100 pw für NRV-Z1 und 60 nw für NRV-Z51). Für eine worst-case-abschätzung genügt die Berechnung als relatives Unsicherheitsintervall am jeweiligen Messbereichsanfang. p Drift p Lin Die maximale Drift des Kalibrierungsfaktor seit der letzten Kalibrierung (siehe XIII.1.) wurde zu f / GHz bestimmt. Korrektionsfaktor durch Linearitätsfehler bzw. Interpolationsunsicherheit für Messwerte außerhalb kalibrierter Stützwerte der Messköpfe. Da die Kalibrierung auf diskrete Werte beschränkt ist, Leistungsmessungen jedoch im ganzen Betriebsbereich (nach [4]) durchgeführt werden, muss ein Anteil der Messunsicherheit dem Linearitätsfehler der Geräte entnommen werden. Gemäß Datenblatt liegt der Linearitätsfehler Normalverteilt () innerhalb der angegebenen Grenzen (aus [1] 0,7% für NRV-Z1 und 0,5 % für NRV- Z51). Die Nichtlinearität für den NRV-Z1 wurde im Kalibrierschein von +1 dbm bis 4 dbm bei 50 MHz sogar besser als 0,1% nachgewiesen, bis 40 dbm erfolgte die Verifkation mit kalibrierten 0 db bzw. 40 db Dämpfungsgliedern gegenüber 0 dbm und 0 dbm (50 MHz). p Linf Frequenz- und leistungsabhängige Korrektion für den Dioden-Messkopfes NRV-Z1. Von Rohde & Schwarz spezifizierte Abweichung durch die spannungsabhängige Sperrschichtkapazität des Dioden Gleichrichters [1],[15]. Gemäß [5] liegt der maximale Linearitätsfehler Normalverteilt (1) innerhalb der angegebenen Grenzen: Zum Beispiel ergeben sich daraus: 10 MHz bis 4 GHz >4 GHz bis 8 GHz >8 GHz bis 13 GHz >13 GHz bis 18 GHz 0 µw bis 0,1 mw 0 % 0 % bis 0,08 % 0 % bis 0, % 0 % bis 0,4 %

9 Eine frequenz- und leistungsgenaue Aufstellung ist den mitgeltenden XL-Tabellen entnehmbar. p mismatch Korrektion, die berücksichtigt werden muss, da P Z0 nicht mit einem ideal angepassten Pind,NRVD cal PZ 0 1 ΓG Γ L Leistungsmesser gemessen wird. Es gilt:, dabei sind G und L die komplexen Reflexionsfaktoren [], [7] von Quelle (Generator G) und Last L und cal der Kalibrierungsfaktor des Leistungsmesskopfes. Berücksichtigt man den maximalen Einfluss der Fehlanpassung, ergibt sich ein Unsicherheitsintervall (pmismatch) 4 aus p 1 ( p ) 1 Γ Γ bzw. mismatch ( pmismatch, max mismatch ) 00 ( pmismatch, max G L % ) 10 log 1 Γ G G Γ L L db L ist dem Kalibrierschein der Leistungsmessköpfe bzw. XIII zu entnehmen, die frequenzgenauen Werte sind in die mitgeltenden XL-Tabellen übertragen worden. z.b. NRV-Z51 (Bezugsnormal) L 0,005 für f < 100 MHz L 0,019 für 100 MHz f < GHz L 0,06 für GHz f < 4 GHz L 0,09 für 4 GHz f < 1 GHz L 0,08 für 1 GHz f < 18 GHz Der Betrag des Reflexionsfaktors der Quelle ist vom Kalibriergegenstand abhängig und muss bei der Kalibrierung jeweils eigens berücksichtigt werden. Da dieser nicht gemessen werden kann, muss die durch die Quellanpassung verursachte Messabweichung anhand des Datenblattes des Herstellers geschätzt werden. Für die Berechnung einer kleinsten angebbaren Unsicherheit wird von einer typisch angepassten Quelle ausgegangen werden, mit abgeschätzten Reflexionsfaktoren von: G = 0,1 für f GHz G = 0, für GHz < f 1 GHz G = 0,3 für 4 < f 18 GHz Bei Ausgangsleistungen <100 µw ist sogar von deutlich besseren Werten G 0, auszugehen, da in diesen Bereichen die Generatoren mit gut angepassten Dämpfungsgliedern die Leistung regeln. Die tatsächliche Abweichung dieses Beitrags wird zu Null und U-verteilt ([1], [3], [5]) zwischen den o.g. maximalen Grenzen angenommen. Wird der Messkopf auf ein anderes Konnektorsystem adaptiert muss ein Adapterpaar im Rücken-an-Rücken - Verfahren mit einer 50 -Breitbandlast abgeschlossen werden, um den maximalen Reflexionsfaktor dieses Paares abzuschätzen. Der Einfluss eines einzelnen Adapters wird unterhalb oder gleich dem des Doppelpaares liegen, so dass die Messunsicherheit nicht unterschätzt werden kann, wenn mit dem Messwert des Doppeladapters L,adaptiert die Messunsicherheit der Beitrags p mismatch bestimmt wird. p Temp Temperatureinfluss/-korrektion. Einfluss der Umgebungstemperatur pro Grad Abweichung von 3 O C auf die Genauigkeit des Messkopfes. Als Normalverteilung wird der 1-Wert (typischer Wert) [5] entnommen, 0,1% für den thermischen und 0,3% für den Diodenmesskopf 4 vgl. z.b. VDI/VDE/DGQ/DKD 6 Blatt 11:003-A1.1

10 DeltaP Z1-Z51 p Harm,[p Harm] Der Effekt von Oberwellen auf das Messergebnis bei Messung am Diodenmesskopf hängt von den Generatoreigenschaften und dessen Oberwellenabstand ab. Eine Abschätzung kann durch Vergleich der Messwerte am thermischen und am Diodenmesskopf mit und ohne Einsatz eines Oberwellenfilters z.b. bei 50 MHz erfolgen. Der Einfluss nimmt zu kleineren Leistungen ab, so dass durch eine Vergleichsmessung bei 100 µw der maximale Abweichungsbeitrag gemessen werden kann. Messungen an den eigenen Generatoren (z.b. R&S SMT03, Oberwellenabstand ca. 46 dbc) ergaben diesbezüglich einen Unterschied von maximal 0,% im Bereich bis 500 µw. Oberwelleneinfluss NRV-Z1 1,0% 0,5% 0,0% 100,0E-6 1,0E-3 10,0E-3-0,5% -1,0% -1,5% -,0% Pinc [W] Ohne 50 MHz-OW-Filter mit 50 MHz-OW-Filter Für die Berechnung der Messunsicherheit wird daher ein typischer Einfluss der Oberwellen von 0,9 % P inc 0,1 mw 1,3 % 0,1 mw < P inc 1 mw % 1 mw < P inc 0 mw angenommen. Bessere Abschätzungen sind auch durch Messung des Oberwellenabstandes am Spektrumanalysator und Berücksichtigung der 1. und. Oberwelle nach [5] möglich. Dies ist in den mitgeltenden XL-Tabellen dargestellt. P ind,nrvd Rundungsabweichungen aufgrund der Auflösung des Anzeigegeräts. Die maximale Auflösung des NRVD beträgt linear 4,5 Digit (1000 Schritte oder 0,001 db) also mindestens besser als 0,001. Ausschlaggebend ist die niederwertigste Stelle der Anzeige (±1 Digit). Es wird angenommen, dass die Rundungsabweichungen durch die Auflösung des Messgerätes innerhalb ±0,5 Digit gleichverteilt sind. P ind,noise Anzeigerauschen. Laut Hersteller [1] eine dem Messwert überlagerte statistische Komponente (spezifiziert als einer Normalverteilung), deren absolute Höhe unabhängig von der Messleistung ist. p GG Korrektion durch Abweichung des Grundgerätes. Es wird angenommen, dass pgg innerhalb der vom Hersteller angegebenen Grenzen (MPE=99%, 0,3 %) liegt. Somit ergibt sich eine Rechteckverteilung mit dem Schätzwert Null. Die Grenzen ergeben sich aus der Herstellerspezifikation für die festgelegte Rekalibrierfrist (1 Monate) (siehe auch [4])

11 S1 / in db p Kal,GG Korrektionsfaktor durch die Kalibrierung des Grundgerätes in DC-Anzeigesimulation und Nachweis der Herstellerspezifikation. Die Standardunsicheheit ist dem Kalibrierschein (besser als 0,008%) des Grundgerätes zu entnehmen. p Conn Werden andere Konnektoren als Typ-N verwendet (z.b. BNC, typischerweise an Funktionsgeneratoren) so erhöht sich die Unsicherheit um den Beitrag des Konnektors. Dazu werden übliche Adaptionen als Doppelkonnektor (Back-to-Back-Verfahren 5 ) am Netzwerkanalysator ausgemessen, deren Einfluss halbiert und als Maximalabweichung dem Messunsicherheitsbilanz U-verteilt hinzuaddiert (z.b. 0,03dB / GHz). Der Einfluss lässt sich in der Regel als Proportionalität darstellen. p conn ~ f / GHz N-BNC Doppeladapter 0 000,0E+0 500,0E+6 1,0E+9 1,5E+9,0E+9-0,005-0,01-0,015-0,0-0,05-0,03-0,035-0,04-0,045 Frequenz in Hz die für die Berechnung der kleinsten angebaren Messunsicherheit des Kalibrierungsfaktors K von HF-Generatoren maßgebliche Modellgleichung: Pind N K P P P P p p p p p p p p p mit: w ind,nrvd ind,nrvd Offset ind,noise mismatch Drift Lin Linf Temp Harm GG Kal,GG conn Pi w ( K ) w ( Pind) w ( N ) w ( Pind,NRVD ) ( ) w ( Pi ) w ( p j) P = i ind,nrvd j 1 ( K ) w ( Pind ) w ( N) w ( Pind,NRVD ) u ( Pi ) w ( pj) i Pind,NRVD j da P NRVD >> Pi 5 Gute Abschätzungen zum Beispiel mittels zweier Messungen der S 11 in db hintereinander von Adapterpaar+Leerlauf S 11,OPEN und Adapterpaar+Kurzschluss S 11,SHORT. Der Dämpfungsbetrag L Adapter eines einzelnen Adapters ergibt sich dann als Mittelwert der halben Rückflussdämpfung L S S 11, OPEN 11, SHORT Adapter in db 4

12 XIII Tabellarische Darstellung des MU-Bilanzs für den Kalibrierungsfaktor Größe P ind,nrvd Schätzwert ind, NRVD Standardmessunsicherhei t ( P ind,nrvd P ) Verteilung Sensitivitätskoeffizent Rel. Unsicherheitsbeitrag u Normal 1 w ) ( P ind,nrvd N 1 W( N ) Normal 1 w ) P ind,nrvd 0 ( P )/,NRVD 3 ind P ind,noise 0 ( P ind,noise) / p GG 1 ( p GG ) / 3 p Kal,GG 1 ( pkal, GG ) / P Offset 0 u( POffset ) p Drift 1 ( p ) / Drift 3 p Lin 1 ( p ) / Lin p Linf 1 )/ ( N Rechteck 1/Pind,NRVD w( P ind,nrvd) U Normal 1/Pind,NRVD w ) ( P ind,noise Rechteck 1 w p ) ( GG Normal 1 u ) ( p Kal,GG Normal 1/Pind,NRVD w P ) ( Offset Rechteck 1 w p ) ( Drift W Normal 1 w p ) ( p L inf p mismatch 1 ( p mismatch ) / p Harm 1 ( p Harm ) / p Temp 1 ( p ) p conn 1 ( pconn) / P ( Lin W Normal 1 w ) ( p L inf U-verteilt 1 w p ) ( mismatch U-verteilt 1 w p ) ( Harm u Temp Normal 1 w p ) ( Temp U-verteilt 1 w p ) ( conn ind K - w ( K ) PZ 0 Gemäß DKD-3:00 Abschnitt 4 ergibt sich aus der Modellgleichung für die dem Ergebnis K beizuordnende relative erweiterte Messunsicherheit (k=) für die Kalibrierung des Kalibrierungsfaktor K für HF-Leistungsquellen: W( K) w( K) Da es in der HF-Messtechnik üblich ist Leistungsangaben in dbm anzugeben lässt sich die Kalibrierung genauso als Abweichung in db aus eingestellter Leistung am Generator (Kalibrierwert in dbm) zur eingestrahlten Leistung an =50 (in dbm) durchführen. Die Unsicherheit in db errechnet sich dann zu U 6 ( P ) 10 log W K db db 1 (vgl. auch XIII.1.5) XIII Messunsicherheit am Messempfängersystem Abweichende Einflussgrößen der Modellgleichung aus XIII.1.3. ergeben sich zu: 6 Die Intervallgrenzen sind definitionsgemäß nicht gleich. Die positive Messunsicherheit ergibt sich zu UdB ( PZ 0) 10 log 1 WK db die negative Messunsicherheit wird jedoch immer größer sein, so dass diese zur Angabe einer symmetrischen Unsicherheit praktikabel ist.

13 p Drift Dieser Anteil beinhaltet die maximale Drift seit der letzten Kalibrierung und gleichzeitig die maximale nominelle Abweichung von dem im System hinterlegten Kalibrierungsfaktoren im 100 MHz Abstand, die zur Anzeigekorrektion verwendet werden. Abhängig von der 18 GHz (Opt. 518) oder 6 GHz (Opt. 56) Konfiguration wurden durch die Kalibrierung gegen die primären Normale folgende Werte ermittelt: Opt 518 / Opt MHz bis 4 GHz > 4 GHz bis 1 GHz 1% %,5% >1 GHz bis 18 GHz >1 GHz bis 6,5 GHz p Lin p mismatch Die Linearitätsabweichung kann wie in XIII bzw. XIII.5.4. mit der Abschätzung für L Lin entnommen und in %-Leistung umgerechnet werden. Für die Abschätzung der Fehlanpassungsabweichungen zusammen mit den Angaben aus XIII.1.3. und XIII.1.7 dienen die Messungen der Reflexionsfaktoren der eingesetzten Leistungsmessköpfe (Opt. 518 bzw.opt. 56) Opt. 518 Opt. 56 L 0,01 für f = 50 MHz L 0,015 für f 1 GHz L 0,0 für 10 MHz f GHz L 0,0 für 1 GHz f < 4 GHz L 0,1 für GHz < f 18 GHz L 0,04 für 4 GHz < f 1 GHz L 0,1 für 1 GHz < f 6,5 GHz p Temp P ind,noise p Harm Ein Einfluss der Umgebungstemperatur während einer Langzeitstabilitätsmessung am Generator war kaum messbar, wird aber analog zu XIII.1.3. zu 0,% angenommen. Nullpunktabweichung bzw. Rauschleistung des Systems, die Werte sind durch Messung des Eigenrauschens des Spektrumanlysators aus dem gemessenen Signal zu Rauschabstand bekannt (siehe XIII.5. und XIII.5.4 L Crosstalk) und können in % dargestellt werden. Der Effekt von Oberwellen durch das Messobjekt auf das Messergebnis wird bei gutem Oberwellenabstand (>50 dbc) und Leistungen 10 dbm kleiner als 0,% geschätzt. Im konkreten Fall wurde dieser durch Vergleichsmessung mit und ohne Oberwellenfilter bei 50 MHz bestimmt. Die vollständigen Ergebnisse und Berechnungen für die unterschiedlichen Bereiche sind den zugehörigen XL-Tabellen entnehmbar. XIII.1.4 HF-Leistung relativer Kalibrierungsfaktor, Frequenzgang Die Kalibrierung von HF-Generatoren kann auch eine Messung des Frequenzganges bezogen auf eine Referenzfrequenz (f ref) und Leistung (i.d.r. 1 mw bei 50 MHz) beinhalten. Dabei wird der relative Kalibrierungsfaktor K,rel der Ausgangsleistung der Quelle über der Frequenz als Verhältnis der Wechselleistungen bestimmt: K ( f ) Pi nd( f ) PZ 0 ( f ref ) PZ 0 ( f ref ) K,rel K ( f ) P ( f ) P ( f ) P ( f ) ref mit der relativen Unsicherheit w ( K ind ref ) w ( K ( f )) w ( K ( f )), rel ref unter der Annahme, dass sich alle frequenzunabhängigen systematischen Korrektionen dann gegenseitig aufheben (siehe Tabelle und Rechenbeispiel).

14 Größe Schätzwert Standardmessunsicherheit P ind,nrvd(f ref) P z0 ( f ref ) Verteilung Sensitivitätskoeffizent rel. Unsicherheitsbeitrag P ind,nrvd(f) P z 0 ( f ) N(f ref) 1 W ( N,ref ) / Normal 1 w( N,ref ) N(f) 1 W( N ) / Normal 1 w( N ) P ind,nrvd(f ref) 0 ( P ind, NRVD, ref )/ 3 Rechteck 1/P ind,nrvd w( P ind, NRVD, ref ) P ind,nrvd(f) 0 ( P )/ ind,nrvd 3 P ind,noise(f ref) 0 ( P ind, noise, ref )/ P ind,noise(f) 0 ( P ind,noise) / p Linf(f ref) 1 ( p L inf,ref ) / p Linf(f) 1 ( p L inf )/ p mismatch(f ref) 1 ( p mismatch,ref )/ p mismatch(f) 1 ( p mismatch ) / p Harm(f ref) 1 ( p Harm,ref )/ p Harm(f) 1 ( p Harm ) / p conn 1 p ) ( ) / P z0 ( f K,rel P ( f ) ref ) Rechteck 1/P ind,nrvd w( P ind,nrvd) U Normal 1/P ind,nrvd w ) ( P ind, noise, ref U Normal 1/P ind,nrvd w( P ind,noise) W Normal 1 w ) ( p L inf,ref W Normal 1 w ) ( p L inf U-verteilt 1 w ) ( p mismatch.ref U-verteilt 1 w p ) ( mismatch U-verteilt 1 w ) ( p Harm,ref U-verteilt 1 w p ) ( conn p conn,ref ( Harm U-verteilt 1 w p ) ( conn - w ( K ) XIII.1.5 Erweiterung auf Kalibrierung der Absolutanzeige der HF- Ausgangsleistung an Z0 Gemäß Gleichung (1) unterscheiden sich die Messunsicherheiten von P Z0 und K nur um die zusätzliche Unsicherheit von P ind, welche vom Messobjekt abhängt und erst im konkreten Fall berücksichtigt werden kann. Die relativen Messunsicherheiten der Absolutanzeige der HF-Leistung P Z0 an können kleiner als die Messunsicherheit von K sein, wenn die zusätzliche Messunsicherheit der Anzeige von P ind hinreichend klein ist. In diesem Fall behält das Messunsicherheitsbilanz der relativen Größe K auch für die relative Messunsicherheit von P Z0 seine Gültigkeit. Damit gilt in diesen Fällen W(P Z0) = W(K ). Die Erweiterung auf HF-Absolutleistungskalibrierung (Kalibrieren von Quellen) kann also ohne weitere Einschränkung erfolgen. Ist die zusätzliche Unsicherheit von der Anzeige von P ind, jedoch nicht zu vernachlässigen, muss sie zusätzlich zu den oben genannten Unsicherheiten berücksichtigt werden. XIII.1.6 Kalibrieren von HF-Spannungsquellen Messsender Funktionsgeneratoren Oszilloskopkalibratoren Die Kalibrierung von Funktionsgeneratoren, Oszilloskopkalibratoren oder Signalgeneratoren macht oft eine Angabe des Ausgangssignals in HF-Spannung U Z0 nötig. Bei HF-Generatoren bzw. -Quellen wird die Ausgangsspannung U Z0, die vom Generator an eine angepasste Last () erzeugte Spannung, kalibriert. Über eine Leistungsmessung, bei der die Ausgangsleistung P Z0 der Quelle an bestimmt wird, lässt sich die an einem idealen 50 Abschluss anliegende Spannung errechnen, aus:

15 U PZ 0 Z0 Es wird zunächst die Ausgangsleistung P Z0 bestimmt, die Messung erfolgt analog zum Verfahren von PZ0 in XIII.1.1. In einem zweiten Schritt wird die HF-Spannung U Z0 gemäß der obigen Beziehung aus P Z0 berechnet. Diese Umrechnung der Leistungsanzeige P ind,nrvd in eine Spannungsanzeige U ind : U P erfolgt auch beim Leistungsmessgerät NRVD, wenn man die Taste UNIT V ind ind, NRVD drückt. Diese Spannung U ind ist aber nur exakt die Spannung am Eingang des Leistungsmessers, wenn die Eingangsimpedanz Z NRVD des Messkopfes NRV-Z auch exakt 50,0 beträgt. U Z0 P Z0 idealer Abschlusswiderstand 50 Ausgangsspannung des HF-Generators / Quelle bei Abschluss mit idealem = 50 Ausgangsleistung des HF-Generators / Quelle bei Abschluss mit idealem = 50 Die Modellgleichung für die UZ0-Messung lautet: U PZ 0 Z0 Da die Nominalimpedanz = 50 des Koaxialleitersystems ist, die selbst keine Unsicherheit hat, ergibt sich die relative erweiterte Messunsicherheit W(U Z0) unmittelbar aus der relativen erweiterten Messunsicherheit W(P Z0) (siehe XIII.1.5) der Leistung P Z0: U( U U ) 1 W( U ) W( PZ 0 ) wegen U P Z 0 1 P Die relative Messunsicherheit der Spannung U Z0 entspricht also nur der Hälfte der relativen Messunsicherheit der Leistung PZ0. Es ist aber bei der Anwendung des kalibrierten Generators zu beachten, dass die Spannung UX, die der Generator an eine reale Impedanz ZX abgibt stark von ZX abhängt (Mit ZX=Z0 ZX wird UX UZ0 (1+ZX/Z0 bei ZX << Z0). Üblicherweise wird bei Spannungsgeneratoren der Frequenzgang F UZ0(f) gemessen mit: F Analog zu XIII.1.4 gilt unter ausschließlicher Berücksichtigung aller frequenzabhängigen Unsicherheitsbeiträge in W(U Z0): w ( F ) w (U ( f )) w (U ( f )) bzw. w( UZ0( f ) U ( f ref ) PZ 0 ( f ref ) F UZ0 UZ0 U ( f ) 1 ) w( K, rel ) P ( f ) ref K XIII.1.7,9mm-Konnektor Analog zu den genannten Verfahren aus XIII.1.1 bis 18 GHz stehen für Leistungsquellen und messungen im koaxialen Konnektorssystem,9mm bis 40 GHz (bzw. kompatibel 3,5mm bis 6,5 GHz) die Leistungsmessköpfe Rohde & Schwarz NRV-Z15 und NRV-Z55 zur Verfügung. 1, rel NRV-Z15,9 mm K Stecker Frequenzbereich bester Leistungsmessbereich 7 50 MHz bis 40 GHz 0,1 µw bis 0,1 mw 7 In überlappenden Messbereichen werden Verfahren und Normal abhängig von Dynamikbereich des Messobjekts und angestrebter Messunsicherheit ausgewählt

16 50 Diodenmesskopf NRV-Z55,9 mm K Stecker 50 Thermischer Messkopf E4440A/ N5531S-56 (3,5 mm Stecker, betrieben und kalibriert gegen,9 mm Konnektor) 50 Messsystem bestehend aus Grundgerät, Sensor und slektivem Empfänger (vgl. Abschnitt II bzw. XIII.1.1.) Tabelle XIII. DC bis 40 GHz 0,1 mw bis 100 mw 100 khz bis 6,5 GHz 1 fw bis 100 mw Wie in Abschnitt XIII.1. beschrieben erfolgt die Rückführung des Messempfängersystems sowohl als Verbund als auch einzeln. Dabei können Sensormodul und Empfänger lediglich mit den Leistungs- Bezugsnormalen des Konnektorsystems,9 mm verglichen werden. Dies hat keinen Einfluss auf die Rückführung der Messgröße HF-Leistung, da auch die Reflexionsfaktoren im,9 mm System gemessen wurden und somit der Bezug auf dieses Konnektorsystem mit den mechanisch adaptierten Messköpfen möglich ist. Messgröße Agilent N Agilent N191A HF-Leistung HF-Reflexionsfaktor HF-Dämpfung Frequenzgang und Linearität in Vergleichsmessung gegen R&S NRV- Z55() und R&S NRVC-B (a) VNA (7b) Messung verifiziert und angeschlossen an (5d) 1 mw, 50 MHz, substituiert gegen gegen 1 mw Referenzquelle (3) Agilent E4440A siehe Abschnitt XII Frequenzgang Vergleichsmessung gegen R&S NRV-Z55 () VNA Messung verifiziert und angeschlossen an (5d) und (5e) Linearitäten und Geräteeigenschaften (Spektrumanalysatormodus) gegen Gebrauchsnormal angeschlossen an VNA (7b) und N5531S (8) verifiziert an (5c) Frequenz In Zählmessung angeschlossen an permanent an (05) (05) Gleichspannung über Verfahren XIII..1.1 angeschlossen an (0) bzw (01) Tabelle XIII.b Rückführung der Komponenten des Messempfängersystems Verbund Agilent N5531S- 56 = Agilent N / Agilent N191A / Agilent E4440A Frequenzgang (Messempfangermodus) in Vergleichsmessung gegen R&S NRV-Z55 () Linearität (Messempfängermodus) gegen Bezugsnormal Dämpfungsgliedersatz (5e) (ergänzt um eingemessene Dämpfungsglieder zur Kaskadierung permanent an (05) Die für die Berechnung der Messunsicherheit zu Grunde liegenden Einflussgrößen stellen sich somit wie folgt zusammen: P Offset NRV-Z15 00 pw NRV-Z55 60 nw p Drift Aus der Historie ca f / GHz. p Lin NRV-Z15 0,7% NRV-Z55 0,5% p Linf Ist für den NRV-Z15 dem Tool [5] zu entnehmen (frequenzgenaue Werte siehe XL- Tabellen)

17 p mismatch L ist dem Kalibrierschein der Leistungsmessköpfe zu entnehmen, die frequenzgenauen Werte werden in den XL-Berechnungstabellen geführt z.b.: NRV-Z55 L 0,00 für f 50 MHz L 0,04 für 50 MHz < f 4 GHz L 0,06 für 4 GHz < f 1 GHz L 0,09 für 1 GHz < f 6,5 GHz L 0,1 für 6,5 GHz < f 40 GHz Für die Berechnung einer kleinsten angebbaren Unsicherheit wird von einer typisch angepassten Quelle ausgegangen, mit abgeschätzten Reflexionsfaktoren von: G = 0,1 für f GHz G = 0, für 1 GHz < f 1 GHz G = 0,3 für 1 < f 40 GHz Der Betrag des Generatorreflexionsfaktors kann gemäß VDI/VDE/ DGQ/DKD 6-Blatt 14:Manuskript010-03:3..3 grundsätzlich auch durch Messung am Netzwerkanalysator abgeschätzt werden. Weitere Annahmen können auch anhand der Herstellerangabe getroffen werden. p Temp NRV-Z15 0,1% NRV-Z55 0,1% p Harm P ind,nrvd P ind,noise p GG p Kal,GG p Conn siehe XIII.1.3 XIII.1.8 Sekundäre Geräteparameter von HF-Quellen XIII Signalpegeldifferenzen - Oberwellen, Subharmonische oder Nebenwellen Die Kalibrierung von Oberwellen, Subharmonischen oder Nebenwellen (Signalpegeldifferenzen angegeben in dbc) erfolgt wie in VDI/ VDE/ DKD/ DGQ 6-Blatt und 3..5 angegeben. Als Normal dient ein Spektrumanalysator wie z.b. der Agilent PSA E4440 des Messempfängersystems N5531S oder einer der Spektrumanalysatoren R&S FSU6 oder FSEK. Diese Geräte werten bereits auf Knopfdruck das empfangene Spektrum auf diese Parameter aus, so dass die Messung vereinfacht wird. Der Empfänger Agilent E4440A hat dazu eine "Ein-Knopf-Auswertung", die automatisch Grundwelle und Frequenz und Pegel der Oberwellen ermittelt. Nähere Details dazu sind z.b. dem Handbuch entnehmbar:

18 Der Ablauf kann dabei folgendermaßen zusammengefasst werden (siehe dazu auch DKD 6- Blatt14): 1) Spektrumanalysator an den Ausgang des Signalgenerators anschließen und an diesem einen großen, möglichst den maximalen Leistungspegel einstellen, dabei sind evtl. die Herstellerangaben des Signalgenerators und die maximal zulässige Eingangsleistung des Spektrumanalysators zu beachten. ) Die 10 MHz-Referenzeingänge des Signalgenerators bzw. des Spektrumanalysators werden mit derselben externen 10 MHz-Normalfrequenz verbunden 3) An beiden Geräten zunächst dieselbe Frequenz einstellen, dann am Spektrumanalysator die Grundwelle darstellen 4) "Harmonics"-Funktion über das Bedienfeld des Spektrumanalysators aktivieren Der Spektrumanalysator Agilent E4440A wird dabei zusammen mit dem passenden Sensormodul eingesetzt (Messempfängerverbund Agilent N5531S), da in dieser Betriebsart keine zusätzlichen Kabel nötig sind und die Anpassung an das Leitungssystem optimal ist (siehe Abschnitt XIII.1.). 10 MHz ext. Ref. IN ext. Ref. IN Normal Spektrumanalysator z.b. Agilent PSA / N5531S 50 MHz, 0 dbm Kalibriergegenstand Die Rückführung des als Normal verwendeten Spektrumanalysators ist dabei der DKD Richtlinie 6- Blatt 11-Tabelle 1 gut entnehmbar bzw. in Abschnitt XIII.5.6ff beschrieben, die konkrete Umsetzung und die Rückführung auf die Messgröße HF-Dämpfung wird zum einem über die Bezugsnormale direkt (im Verbund mit dem Sensormodul im Modus "Tuned RF-Level") bzw. zusätzlich im Modus "Spektrumanalyse" über Gebrauchsnormale realisiert (variabler Abschwächer). An die Messgröße HF-

19 Leistung wird der Spektrumanalysator ebenfalls in beiden Betriebsarten direkt an die Bezugsnormale angeschlossen. Die Kenntnisse des Dynamikbereichs werden neben der Linearitätskalibrierung über den Nullpunkt gewonnen ("0-Watt-Normal" = Eingang mit 50 abgeschlossen, siehe dazu auch Abschnitt XIII.5.9), so dass der in der Messunsicherheitsbilanz genannte Signal-zu-Rauschabstand garantiert werden kann. Der kleinste darstellbare Nullwert ergibt sich bezogen auf 1 Hz Bandbreite B mit der Boltzmannkonstante k, und der maximalen Temperatur im Messraum T = 98,15 K zu 1 P ktb 4,1 10 W P P[ Hz] 10 lg 173,9 dbm[ Hz] 1 mw und ist nur noch dem "Eigenrauschen" des Analysators überlagert. Bei dem o.g. Gerät liegt dieses im Mittel immer unterhalb -150 dbm[hz ], so dass bei Bandbreiten bis 10 khz auch bei sehr kleinen Eingangspegeln der Oberwellenmessung noch der nötige Signal-zu-Rausch-Abstand erzielt werden kann, da die empfangene Leistung P M proportional zur Bandbreite ist. Mit dem Bandbreitenfaktor b in db ergibt sich die Gesamtleistung: B 10 khz b 10 lg db 10 lg db 40 db 1 Hz 1 Hz PM 150 dbm b 110 dbm Agilent E4440A Anzeigelinearität HF Dämpfung Frequenzgang HF-Leistung Dynamik HF-Leistung Frequenz variabler 110 db Stufenabschwächer HP 8494B / 8496B thermischer Leistungsmesskopf R&S NRV- Z55 () "0 mw-normal" koaxialer 50 Ohm Abschlusswiderstand 10 MHz Normalfrequenz DCF77 / GPS (05) Empfängersystem Agilent N5518S "Tuned RF-Level" Netzwerkanalysator Agilent E8361A Bezugs-Abschwächersatz Typ-N (5c),9 mm (5 e) Bezugsnormale Luftleitungssatz und Verifikationssatz (5b/c) Netzwerkanalysator Agilent E8361A Umgebungsbedingungen 3 C ±1 K Bezugs-Abschwächersatz Typ-N (5c),9 mm (5 e) Rückführung "Temperatur" (35a) bzw. QMH Abschnit I Bild XIII Rückführung des Spektrumanalysators E4440A auf die Messgrößen Dämpfung, Leistung und Frequenz. Die Zahlen in Klammern referenzieren die Positionen aus der Tabelle der Bezugsnormale in Abschnitt II XIII Modellgleichung Die Modellgleichung für die Messung von Signalen bezogen auf das Trägersignal in dbc kann dargestellt werden als L Pcarrier Pf PSNR PLin PFlatness PMM, carrier PMM, f P IF P random mit L Gesuchter Oberwellen/ Signalabstand bezogen auf den Träger (Grundfrequenz) Signalleistung der Kalibrierfrequenz (Testfrequenz/ Marker) in dbm P f

20 P carrier P SNR P Lin P Flatness P MM,carrier P MM,f P IF Signalleistung des Trägers Einfluss des Signalabstandes zum Rauschen (Noise) des Spektrumanalysators Nichtlinearität des Normals Frequenzgangabweichung des Normals Fehlanpassung zwischen Messobjekt und Normal bei der Grundfrequenz Fehlanpassung zwischen Messobjekt und Normal bei der Testfrequenz Abweichung durch unterschiedliche ZF-Verstärkung P random Zufällige Einflüsse wie Wiederholbarkeit, Strahlunschärfe oder Anzeigerauschen P SNR P Lin P Flatness P MM,carrier P MM,f Der Signal-zu-Rauschabstand ist vom Messwert, der gewählten Bandbreite und der damit verbunden minimal empfangenen Rauschleistung abhängig. Für die hier angegebene Berechnung muss der Spektrumanalysator so eingestellt werden, dass mindestens ein SNR von 1 db garantiert werden kann, z.b dbm Rauschleistung ( Noise Floor ) bei -80 dbc Oberwellenabstand. Mit dem genannten Empfänger, ist dies auch bei Verwendung höherer Bandbreiten möglich, da die erreichbare minimale Rauschleistung bezogen auf 1 Hz unter -148 dbm liegt. Der maximale Einfluss a SNR des SNR lässt sich dann berechnen als a SNR 1 SNR 10 log log , 7 Die Nichtlinearität des Empfängers kann dem Kalibrierschein oder dem Datenblatt zu 0,13 db entnommen werden. Dieser Wert wird als Intervallgrenze einer Rechteckverteilung verwendet. Der Frequenzgang des Empfängers und die damit verbundene relative Abweichung bei Grundwelle und z.b. der Oberwelle hat Einfluss auf die richtige Bewertung des Signals der Testfrequenz. Im gesamten Bewertungsband bis 6,5 GHz ist dieser Unterschied mit einer maximalen relativen Abweichung von 0,55 db dem Kalibrierschein entnehmbar. Der Einfluss des verwendeten Kabels ist dabei bereits enthalten. Die Intervallgrenzen a MM des Einflusses der Fehlanpassung bei der Grundfrequenz bzw. bei der Testfrequenz können mit den Beträgen der Reflexionsfaktoren von Quelle (Generator) G und Last (Empfänger) L beschrieben werden zu amm 10 log 1 G L bis 6,5 GHz mit G < 0,3 (typisch) und L < 0, (aus dem Kalibrierschein) db Somit ergibt sich als Intervallgrenze der zu erwartenden u-verteilung a MM 0, 54 db P IF P random Sofern bei der Messung die ZF-Verstärkung umgeschaltet werden muss ergibt sich ein zusätzliches Unsicherheitsintervall mit 0,15 db (aus dem Kalibrierschein) als Grenze einer Rechteckverteilung. Zufällige Einflüsse schließen mit maximal 0,1 db die Auflösung des Markers, das Anzeigerauschen und die Wiederholbarkeit der Messung mit ein.

21 XIII Beispiel und tabellarische Aufstellung der Messunsicherheitsbilanz Kalibriert wird eine Signalpegeldifferenz von -80 dbc im Frequenzbereich 3 Hz bis 6,5 GHz durch Verwendung der Delta-Marker Funktion bezogen auf den Spitzenwert des Signals (Peak). Größe X i P carrier P f SNR Schätzwert x i 0,0 dbm -80,0 dbm 1 db Halbbreite a Verteilung P SNR 0 db 0,7 db u-verteilt P Lin 0 db 0,13 db Rechteck P Flatness 0 db 0,55 db Rechteck P MM,carrier 0 db 0,54 db u-verteilt P MM,f 0 db 0,54 db u-verteilt P IF 0 db 0,15 db Rechteck P random 0 db 0,1 db Rechteck L Unsicherheit w(x i) 0,7 db 0,13 db Sensitivität skoeffizient c i Unsicherheitsbeitrag u i(y) 1 0,19 db 1 0,08 db 3 0,55 db 1 0,3 db 3 0,54 db 0,54 db 1 0,38 db 1 0,38 db 0,15 db 3 1 0,09dB 0,1 db 1 0,06 db -80 dbc u( L) N ui ( y) 0,665 db i1 erweiterte Messunsicherheit(k=) U ( L) k u( L) 1,3 db 3 Bis 40 GHz am Empfänger R&S FSEK30 ergibt sich durch höhere Frequenzgangabweichungen und Nichtlinearität U ( L), 6 db (siehe XL-Tabelle zur Messunsicherheitsberechnung). XIII.1.8. Einseitenbandphasenrauschen (t) Das vom Messobjekt generierte Signal sollte in einem gewissen Frequenzabstand (Offset) vom Träger entfernt möglichst rauscharm, d.h. arm an weiteren unerwünschten Spektralanteilen, sein. Diese spektrale Darstellung der zeitlichen Abweichungen (Jitter) wird als Phasenrauschen bezeichnet. Die Messung kann wie in XIII beschrieben direkt an einem Spektrumanalysator erfolgen. Da mit dieser Methode das Phasenrauschen des Messobjektes nicht von dem des Analysators getrennt werden kann ist ggf. nur eine Aussage zum "kombinierten Phasenrauschen" möglich. Dieses kombinierte Phasenrauschen wird immer größer sein als das der einzelnen Instrumente. Wenn das Phasenrauschen des Generators also unterhalb dem des Analysators liegt kann mit der Messung kein absoluter Wert mehr mit kleiner Unsicherheit angegeben werden, es ist jedoch eine Konformitätsaussage möglich, dass das einzelne Phasenrauschen des Messobjektes DUT(t) in keinem Fall den kombinierten Wert übersteigt (z.b. DUT (t) 110 dbc statt DUT (t) = 110 dbc). Das Einseitenbandphasenrauschen in Abhängigkeit des Frequenzabstandes zur Trägerfrequenz wird als Signalpegeldifferenz bezogen auf den Träger in dbc angegeben und auf 1 Hz Bandbreite normiert. Die eingestellte Messbandbreite spielt aufgrund der Normierung zwar nur eine geringe Rolle, diese wird jedoch klein (z.b. 10 Hz) gewählt um den Dynamikbereich des Analysators voll auszunutzen. Viele Analysatoren ermöglichen diese Normierung bereits automatisch (Messung dbc[hz]), anderenfalls ist der Messwert auf Basis der eingestellten Bandbreite RBW zu korrigieren:

22 ( t) corr ( t) measured 10 log RBW / 1 Hz db Der Ablauf der Messung kann dabei folgendermaßen zusammengefasst werden (siehe dazu auch DKD 6-Blatt14): 1. Spektrumanalysator an den Ausgang des Signalgenerators anschließen und an diesem den gewünschten (z.b. den spezifizierten) Leistungspegel einstellen, dabei sind evtl. die Herstellerangaben des Signalgenerators und die maximal zulässige Eingangsleistung des Spektrumanalysators zu beachten.. Die 10 MHz-Referenzeingänge des Signalgenerators bzw. des Spektrumanalysators werden mit derselben externen 10 MHz-Normalfrequenz verbunden und synchronisiert 3. An beiden Geräten zunächst dieselbe Frequenz einstellen, dann am Spektrumanalysator die Mittenfrequenz darstellen und den Spitzenwert der Leistung P carrier bestimmen (es kann auch ein sog. Delta-Marker gesetzt werden) 4. Am Spektrumanalysator den gewünschten Offset einstellen und genügend kleinen Span (z.b. 100 Hz) und Bandbreite (z.b. 10 Hz) wählen 5. Referenzpegel ggf. anpassen, so dass das (Rausch-)Signal im Display vollständig darstellbar ist 6. Leistung der Offsetfrequenz P f bestimmen und auf 1 Hz Bandbreite normieren Die Rückführung dieser Messgröße erfolgt auf "Frequenz" (kurzzeitiges Frequenzrauschen = Phasenrauschen) und "Dämpfung" (Nichtlinearität) ähnlich wie in Bild XIII Der Dynamikbereich ist in diesem Fall durch das eigene Phasenrauschen (das konstruktionsbedingte Einseitenbandphasenrauschen) des Analysators begrenzt. Die Messung dieses Grundrauschens ist dabei nicht absolut möglich, da immer das kombinierte Phasenrauschen eines Generators und des Analysators gemessen werden. Auch würde der genaue Wert keine Korrektion des Ergebnisses zulassen. Der kombinierte Wert liegt jedoch immer über dem Wert der einzelnen Geräte, so dass eine "worst case" Abschätzung gemacht werden kann. Die Verifikation über diese "Kurzschlussmessung" eines rauscharmen Signalgenerators mit einem rauscharmen Analysator ist damit ausreichend um die Rückführung auf die Messgröße Frequenz sicherzustellen. Die Linearität des Empfängers wird auf Dämpfungsglieder rückgeführt. XIII Modellgleichung Die Modellgleichung für die Messung des Einseitenbandphasenrauschens bezogen auf das Trägersignal in dbc kann dargestellt werden als ( t) P P P P P P P P P carrier f SNR Lin MM, carrier MM, f IF Analyzer random abweichend bzw. zusätzlich zu mit (t) Gesuchtes Phasenrauschen des Messobjektes bezogen auf 1 Hz Bandbreite P f Signalleistung der Kalibrierfrequenz (Offset/ Marker) in dbm Einfluss durch das eigene Phasenrauschen des Spektrumanalysators P-Analyzer P SNR P-Analyzer Der Signal-zu-Rauschabstand ist vom Messwert, der gewählten Bandbreite und der damit verbunden minimal empfangenen Rauschleistung abhängig. Je näher die gemessene Leistung von P f in der Nähe des Eigenrauschens des verwendeten Spektrumanalysators liegt, desto höher ist der Einfluss durch diese Signalüberlagerung. Für die verwendeten Geräte ist bekannt, dass das Eigenrauschen maximal bei P noise=-148 dbm liegt, die Halbbreite für die Grenzen einer Rechteckverteilung ergeben sich daraus zu: P f P noise log 1 10 a SNR Der Einfluss des Phasenrauschens des verwendeten Analysators wird aus den technischen Daten des verwendeten Gerätes abgeschätzt und kann durch Anschluss eines rauscharmen Generators (z.b. R&S SMA oder Anritsu MG369xB) bis 18 GHz verifiziert werden. Diese Methode lässt zwar keine Trennung in Generator- und Analysatorrauschen zu, jedoch kann aus den