Grundlagen und Impedanzmessungen Ihr Spezialist für Mess- und Prüfgeräte

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1 Netzwerkanalyse Grundlagen und Impedanzmessungen Ihr Spezialist für Mess- und Prüfgeräte

2 Agenda Arten der Leistungsmessung über der Frequenz Physikalische Grundlagen der HF Übertragung Messbare Parameter Aufbau des Network Analyzers Modellüberblick TDR Messungen Impedanzmessung 2

3 Netzwerkanalyse ist nicht Router Bridge Repeater Hub Your IEEE X.25 ISDN switched-packet data stream is running at 147 MBPS with -9 a BER of X es ist: HF Baugruppen und Komponententest 3

4 Messmöglichkeiten Leistung über Frequenz Misst Amplitude über Zeit Berechnet f (FFT) mit sehr begrenzter Ampl.auflösung f-auflösung <=> Speichertiefe Oszilloskop Network Analyzer -> hochgenaue Relativmessung Kann messen was er erzeugt Nur schmalbandige Messung Keine Signal-Inhaltsanalyse Phase! Nur breitbandige Messung Keine Selektivität Eingeschränkte Dynamik (Ampl.) Keine Phase Power Meter Spectrum Analyzer Kann auch Summenleistung in Band Spektrum & Signal(-inhalts)analyse Grosse Dynamik Exzellente Selektivität Keine Phase 4

5 Analogie des Lichts zur HF Energie Incident Transmitted Reflected Strahlen - Optik DUT 5

6 Warum überhaupt Komponenten messen? Einhaltung der Spezifikationen von sog. building blocks Störungsfreie Übertragung von Nutz-/Kommunikationssignalen Überprüfung grundlegender Eigneschaften linear: nonlinear: constant amplitude, linear phase / constant group delay harmonics, intermodulation, compression, AM-to-PM conversion Impedanzanpassung (Effizienz!) Einhaltung von EMV Vorgaben KPWR FM 97 6

7 Signalübertragung - Grundlagen Niedere Frequenzen Wellenlänge >> Kabellänge + - I Strom (I) läuft entlang der Leitung, effiziente Übertragung bei niedrigem ohmschen Widerstand, sonst keine speziellen Anforderungen Gemessene Spannung und Strom nicht direkt ortsabhängig Hohe Frequenzen Wellenlänge» oder << Länge des Ausbreitungsmediums Effiziente Übertragung bedarf Leitung mit ganz speziellen Eigenschaften Impedanzanpassung (Zo) ist sehr wichtig für geringe Reflexion und maximale Leistungsübertragung Die gemessene Spannung (Hüllkurve) schwankt stark mit dem Ort 7

8 Transmission line: Zo (charakteristische Impedanz) Zo bestimmt Beziehung zwischen Strom- und Spannungswelle Zo ist eine Funktion der physikalischen Dimensionen und ε r Zo ist normalerweise rein real, kein Imaginärteil (oft 50 oder 75 Ohm) Twisted-pair a b Coaxial Coplanar w1 w2 εr Waveguide h h w Microstrip normalized values ohm standard power handling capacity peaks at 30 ohms attenuation is lowest at 77 ohms characteristic impedance for coaxial airlines (ohms)

9 Charakterisierung der HF Übertragung Incident R Reflected A REFLECTION Transmitted B TRANSMISSION Reflected Incident = A R Transmitted Incident = B R (V)S WR 9 S-Parameters S 11, S 22 Reflection Coefficient Γ, ρ Return Loss Impedance, Admittance R+jX, G+jB Gain / Loss S-Parameters S 21, S 12 Transmission Coefficient Τ,τ Insertion Phase Group Delay

10 Voraussetzung für unverzerrte Übertragung LINEARITÄT Constant amplitude over bandwidth of interest Linear phase over bandwidth of interest Magnitude Phase Frequency Frequency 10

11 Phaseφ Gruppenlaufzeit (Group Delay) statt Phase Frequency ω Group delay ripple t o φ Group Delay (t ) g = d φ d ω = 1 φ ω φ in radians in radians/sec in degrees * d φ 360 o d f f in Hertz (ω = 2 π f) Frequency group-delay ripple indicates phase distortion average delay indicates electrical length of DUT aperture of measurement is very important 11

12 Warum gerade S-Parameter messsen? S Incident 21 Transmitted S 11 Reflected b 1 Transmitted a 1 b 2 DUT Port 1 Port 2 S 12 S 22 Reflected Incident a 2 b 1 = S 11 a 1 + S 12 a 2 b 2 = S 21 a 1 + S 22 a 2 S 22 = Reflected Incident = b 2 a 2 a 1 = 0 S 12 = Transmitted Incident = b 1 a 2 a 1 = 0 12

13 Vereinfachtes Blockschaltbild Source R1 A B R2 Bias-tee Bias-tee 13 Port 1 Port 2

14 Systematischer Messfehler R Directivity A (Richtschärfe) Crosstalk (Übersprechen) B DUT Frequenzgang reflection tracking (A/R = Reflexion) transmission tracking (B/R = Übetragung) Source Mismatch (Quellenanpassung) Load Mismatch (Lastanpassung) Sechs Fehlerterme für vorwärts und ebensoviele für rückwärts -12 error terms für Prüflinge mit 2 Toren 14

15 Was ist Vector Error Correction? Prozess zur Characterisierung systematischer Fehlerterme Messung bekannter Standards Korrektur der gemessenen Effekte von nachfolgenden Messungen 1-port Calibration (bei der Reflexionsmessung = CAL light ) nur 3 systematische Fehlerterme werden erfasst: directivity, source match, and reflection tracking Full 2-port calibration (für Reflexions- und Transmissionsmessung) 12 systematische Fehlerterme erfasst Bedarf12 Messungen an vier bekannten Standards ( SOLT = short, open, load, through) Standards werden in einer cal kit definition Datei abgelegt Network Analyzer kennen die Definition der käuflichen (Agilent-) CAL- Kits Bei der Messung muss auch die richtige Definition benutzt werden! Andere Standards lassen sich als User-defined Cal-Kit abspeichern 15

16 Two-Port Error Correction Forward model Reverse model Port 1 EX Port 2 Port 1 Port 2 E RT' a 1 b 1 E D E S E RT E D' E S' ERT' E D E S E RT S 11 A = fwd directivity = fwd source match = fwd reflection tracking = rev directivity = rev source match = rev reflection tracking S 21 A S 22 A S 12 A E L E TT E X E L' E TT' E X' E TT E L a 2 b 2 = fwd load match = fwd transmission tracking = fwd isolation = rev load match = rev transmission tracking = rev isolation a 1 b 1 E TT' E L' S21 A S 11 S A 22 A ES' E D' S 12 A E X' b 2 a 2 Jeder korrigierte S-Parameter ist eine Funktion von allen 4 gemessenen S- Parametern Analyzer muss abwechslend Vorwärts- und Rückwärts-Betrieb machen Die Lösung des Gleichungssystems übernimmt der Analyzer!!! 16

17 Agilent Network Analyzers Überblick Test Accessories ENA-L B Affordable Specialized VNA 5 Hz to 3.0 GHz NEW! 17 NEW! Performance PNA-L World s most capable value VNA 300 khz to 6, 13.5, 20 GHz ENA 10 MHz to 40, 50 GHz World s most popular economy VNA 9 khz to 4.5, 8.5 GHz 300 khz to 20.0 GHz ENA-L FieldFox Low cost VNA RF Analyzer 300 khz to 1.5/3.0 GHz 5 Hz to 4/6 GHz PNA-X, NVNA Industry-leading performance 10 MHz to 13.5, 26.5, 43.5, 50 GHz Banded mm-wave to 2 THz PNA Performance VNA 10 MHz to 20, 40, 50, 67, 110 GHz Banded mm-wave to 2 THz PNA-X receiver 8530A replacement Mm-wave solutions Up to 2 THz

18 High Power NWA E5072A Jeder Testport am Netzwerkanalysator mit einer configurable test set option hat 6 SMA Anschlüsse. Dadurch gibt es einen direkten Zugang zu den internen Quellen und Empfängern, so das durch eine geschickte Außenbeschaltung Messungen mit hoher Leistung möglich sind.

19 S11 Messung am Leistungsverstärker Das eingekoppelte Signal wird im Receiver R1 nach dem Leistungsverstärker gemessen, um Temperatureffekte des Verstärkers zu kompensieren. Das reflektierte Signal vom DUT wird im Receiver A gemessen, ohne dabei Abstriche im S/N Verhältnis zu machen S11 (=A/R1). Konfiguration Block Diagram vom Netzwerk Analysator R1 R2 Booster amplifier A B High-power couplers Port 1 Port 2

20 TDR Time Domain Reflectometry Technology OSCILLOSCOPE 2 t Trigger Chan 1 t STEP / SNAP GENERATOR DIRECTIONAL COUPLER UNKNOWN

21 VNA-TDR Theory and Measurement Correlation Sine wave sweep Frequency response DUT f 0 0 f IFFT Impulse input FFT VNA IFFT Impulse response FFT DUT 0 t 0 t Integration Step input Derivation TDR oscilloscope Integration Step response Derivation 0 t DUT 0 t

22 Time Domain S-Response vom Semi-rigid Coax Kabel ρ Time

23 Wer braucht welchen Network Analyzer (NWA)? Wer braucht einen Spektrum Analysator? im Prinzip jedes Elektronik-Labor Wer braucht einen Network Analyzer? jeder, der HF-Übertragungs- oder Sperreigenschaften erwartet von... Einzelnen Bauteilen (Drosseln, Kondensatoren, Piezo s ) Baugruppen (OP-Verstärker, Filter, Antennen, Kabel ) Geräten/Einschüben (DC-Supplies, Wandler, Schirmdämpfung v. Gehäusen ) Materialien (Induktionskerne, Substrate, Dielektrika ) Usw. Alles aber ausschließlich << 1 MHz?? Wir haben auch LCR Meter!!! 23

24 Impedanz Impedanz Ebene Spule L X L = 2πfL = ωl C Kondensator 1 X C = 2πfc = 1 ωc R jx L R -jx C 24 jx L δ θ R (a) Inductive vector represented on impedance plane Z δ θ -jx C Z (b) Capacitive vector represented on impedance plane 1 1 X L X C B L B C Q = = = = = = D tan δ R R G G R

25 Parasitäre Elemente am Bauteil Es gibt kein pures R, C, oder L Jedes Bauteil ist eine Kombination von R, C und L Elementen Die unerwünschten Elemente nennt man Parasitics (parasitäre Elemente). Intrinsic C Unerwünschtes R und L der Anschlussdrähte 25 Unerwünschtes R und C vom Dielektrikum Kondensator Ersatzschaltbild Capacitor Equivalent Circuit

26 Kondensator Ersatzschaltbild Kapazitätsmodell Rs, Ls, Rp, Cp? Serien Modell Rs Cs Rp Parallel Modell Low-Impedance Device (Large C, Small L; Z < 10 Ω) Cp High-Impedance Device (Small C, Large L; Z > 10 kω) 26

27 Welches Modell ist korrekt? Rp Rs Cs Serien Modell? Cp Parallel Modell Beide sind richtig Cs = Cp (1 + D 2 ) Eines von beiden beschreibt das Bauteil jeweils besser für hohe Q oder kleine D Bauteile gilt: C S C P 27

28 Parasitäre Elemente: Es gibt kein reines R, C oder L What do instruments measure, calculate or approximate? Measured Direct Calculations Vector Voltmeter Method I, V V Z = I I-V Probe Method I, V Z = R+jX, θ = ATAN(X/R) Y = 1/Z, Y = G +j B Reflection Coefficient Method x,y Z = Z o Model-based Approximations Ls, Lp, Cs, Cp, Rs or ESR, Rp, D, Q Rs Cs D U T? Rp 28

29 Messmethoden (a) Auto-Balancing Bridge (b) RF I-V (c) Network Analysis (Reflection Coefficient) Weitere: Bridge Resonant (Q-adapter/Q-meter) I-V (Probe) 29

30 Messmethoden a) Auto-Balancing Bridge Method Theory of Operation Virtual ground H DUT L R r V 1 I I = I r - I r + V 2 = -I r R r V2 Z = V 1 I r = -V 1 R r V 2 30

31 Messmethoden (b) RF I-V Method Theory of Operation R Current Detection V i Voltage Detection R/2 V v R V I DUT Z x Impedance Test Head V R V Z v x = = ( - 1) I 2 V i 31

32 Messmethoden (c) Network Analysis Method Theory of Operation V INC V V V r Reflected signal V r Z X - Z 0 Γ = = V ZX + Z INC 0 V INC OSC Directional bridge or coupler Incident signal Z X V r DUT 32

33 Messmethoden Vergleich der Methoden Impedance (Ω) 100M 10M 1M 100K 10K 1K m 10m 1m Auto-Balancing Bridge 10% 10% of of the the measurement measurement accuracy accuracy range range for for each each method method RF I-V Network/Reflection K 10K 100K 1M 10M 100M1G 10G Frequency (Hz) 33

34 Messmethoden Measurement Method Agilent Product Frequency Range Auto-Balancing Bridge 4263B LCR Meter E4980A Precision LCR Meter 4285A Precision LCR Meter 4294A Precision Impedance Analyzer 100 Hz to 100 khz spot 20 Hz to 2 MHz 75 khz to 30 MHz 40 Hz to 110 MHz RF I-V Network Analysis (Reflection Coefficient) Network Analysis (Transmission Coefficient) 4291B Impedance/Material Analyzer 4287A RF LCR Meter E4991A Impedance/Material Analyzer PNA Series Vector Network Analyzers ENA Series Vector Network Analyzers ENA-LF Series Vector Network Analyzers 1 MHz to 1.8 GHz 1 MHz to 3 GHz 1 MHz to 3 GHz 300 khz to 500 GHz 9 khz to 20 GHz 5 Hz to 3 GHz 34

35 Merkmale des ENA-LF: E5061B E5062A ENA-L RF Network Analyzer 300 k to 3 GHz, 50 Ohm + Low Frequency (5 Hz~) Wide dynamic range at LF Features for LF applications (1 Mohm inputs, probe power, DC bias source, etc) Seamlessly integrated into smaller box without degrading excellent RF performance. E5061B-3L5 LF-RF Network Analyzer 5 Hz to 3 GHz 254 mm (= 90 mm shorter than E506xA) 35

36 Überblick des E5061B Low Frequency (5 Hz~) Wide dynamic range at LF Features for LF applications (1 Mohm inputs, probe power, DC bias source, etc) 10.4 inch LCD touch screen Probe power (Option 3L5 only) USB Zin = 1 MΩ / 50 Ω ATT = 20 db / 0 db T ATT R ATT Gain-phase test port (Option 3L5 only) - LF OUT (source) - R (1 MΩ/50 Ω) - T (1 MΩ/50 Ω) Handler I/O GPIB USBTMC S-parameter test port (Option 2x5/ 2x7/3L5), or Transmission/Reflection test port (Option 1x5/1x7) Peripheral ports (USB, LAN, XGA output) R1 R2 Zin Zin T1 T2 T R LF OUT Port-1 Port-2 Gain-phase test port (5 Hz to 30 MHz) S-parameter test port (5 Hz to 3 GHz, 50 Ω ) High stability freq. reference (Option 1E5) External trigger-in/out 36

37 S-Parameter (5 Hz - 3 GHz) Test port Gain-Phase (5 Hz - 30 MHz) Applicable Z-range Low-Z Mid-Z High-Z 1 mω ~ 1 Ω 1 kω ~ 100 kω Reflection Port 1 Refl / Port 2 Refl S1 1 Mid 7-mm type fixtures Configuration Series Port 1-2 Series S2 1 GP Series (T 50Ω, R 1MΩ) 1MΩ input TR Mid - High 4-Terminal Pair type fixtures Shunt Port 1-2 Shunt S21 GP Shunt (T 50Ω, R 50Ω) Power splitter TR Low - Mid Shunt Series User fixtures are required 37

38 10% Messgenauigkeit 100 kω 1 nf 1 pf E5061B (SPD) S-Parameter, Series-thru 1 uh 10 kω 1 kω E5061B (SPD) S-Parameter, Reflection 100Ω 1 nh 10Ω 7 mm test fixture 1Ω 100 mω 1 ph 10 mω 1 mω E5061B (SPD) S-Parameter, Shuntthru 10 Hz 100 Hz 1 khz 10 khz 100 khz 1 MHz 10 MHz 100 MHz 1 GHz 38

39 10% Messgenauigkeit 100 kω 1 nf 1 pf 1 uh 10 kω 1 kω E5061B (SPD) Gain-Phase, Series-thru 100Ω 10Ω 1 nh 4-terminal pair test fixture 1Ω 100 mω 1 ph 10 mω 1 mω E5061B (SPD) Gain-Phase, Shuntthru 10 Hz 100 Hz 1 khz 10 khz 100 khz 1 MHz 10 MHz 100 MHz 1 GHz 39

40 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT.

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