Dämpfungsnormale Rosenberger DNF DC bis 18 GHz Typ-N(m)-(f) 3 db, 6 db, 10 db, 20 Rosenberger 05 AS 102 Kxx

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1 XIII.5 HF-Dämpfung XIII.5.1 Kalibrierverfahren XIII Selektive Messsung Die Messung von HF Dämpfungen im Frequenzbereich von 9 khz bis 40 GHz wird an den vektoriellen Netzwerk-Analysatoren Hewlett Packard 875C, Rohde & Schwarz ZNC und Agilent E861A nach vollständiger 1-Term-Kalibrierung (siehe XIII.) oder am selektiven Messempfängersystem E4440A/ N55 (Verbundbezeichnung Agilent N551S) durchgeführt. Als Bezugsnormale stehen kalibrierte Dämpfungsgliedersätze zur Verfügung, die sowohl zur Bestimmung der Linearitätseigenschaften als auch als Verifikationsnormale nach der Einkalibrierung der Systeme eingesetzt werden. Dämpfungsnormale Rosenberger DNF DC bis 18 GHz Typ-N(m)-(f), 6, 10, 0 Rosenberger 05 AS 10 Kxx, 0, 40 Anritsu 41-KC-xx, 6 tlg DC bis 40 GHz,9 mm x 6, 10, x 0 Das Kalibrierverfahren ist ein Direktmessverfahren im Bezug zur Durchgangsmessung bei Kurzschluss von Sender und Empfänger (THRU). Bei zeitnaher Durchführung von Bezugsmessung und Einfügen des Messobjektes kann ein Temperatureinfluss bei Umgebungsbedingungen und Kurzzeitstabilitäten von 1 K sehr klein gehalten werden werden. Wird das Messempfängersystem verwendet, so wird am Ausgang des Generators (z.b. R&S SMP0) mindestens ein Präzisionsdämpfungsglied eingesetzt (z.b. Weinschel Modell ) um Quelltoranpassung, Pintiefengeometrie und Konnektorwiederholbarkeit zu verbessern (ähnlich zu XIII.1.1.). Zur Bestimmung der Wiederholbarkeit wird mindestens am Anfang und Ende der Messung der Nullwert bestimmt, der für die Gültigkeit der Ergebnisse deutlich besser als 0,01 reproduzierbar sein muss. Die Rückführung der Messgröße HF-Dämpfung erfordert das Vorhalten eines direkt rückgeführten Abschwächers oder Dämpfungsgliedersatzes als Bezugsnormal (siehe auch. EA-10/1: ). Ein aus Einzelabschwächern (z.b., 6, 10, 0, 0, 40 ) bestehender Abschwächersatz kann dann direkt oder durch entsprechende Kaskadierung für die Rückführung der Messgröße Dämpfung oder Anzeigelinearität (siehe XIII.5.6) Dynamikbereiche bis etwa 100 abdecken. Die abgeleitete Messgröße wird in diesem Fall also direkt über die Messgröße Dämpfung rückgeführt. Bezugsnormal (Abschwächersatz) Gebrauchsnormal (VNA oder Messempfänger) Messobjekt (Dämpfungsglied) schematische Bezugsnormal-Rückführung über Abschwächer(-satz) Weitergabe nur mit Genehmigung der esz AG calibration & metrology, Max-Planck-Str. 16, 8 Eichenau, Germany.

2 VNA Port VNA Port Port1 Port1 DUT Bild XIII.5.1 THRU am VNA Bild XIII.5. Bestimmung der Dämpfung des Messobjekts VNA Port Port1 Normal Bild XIII.5. Verifikation am Bezugsnormal Generator z.b. R&S SMP HF Out + m 10 MHz. Ref. Messkopf Messempfänger Bandbreite <10 Hz Generator z.b. R&S SMP HF Out + m 10 MHz. Ref. DUT / Messkopf Normal Messempfänger Bandbreite <10 Hz Bild XIII.5.5 Messung des Messobjekts bzw. Verifikation am Normal Nach der Bezugsmessung gegen 0 -Durchgang, erfolgt vor der Messung eine Verifikation gegen mindestens eines der Bezugsnormale des Dämpfungsgliedersatzes ähnlichen Nennwertes (oder der Kaskadierung derer) zur Validierung der Messunsicherheit unter der Bedingung, dass Signifikanz dann gegeben ist, wenn die Bezugsnormalunsicherheit kleiner oder gleich der zu überprüfenden Unsicherheit sein muss. Eine Verifikation gilt als erfolgreich, sobald die Messabweichungen zwischen Verifikation L Verifikation und Normal L Normal kleiner sind als die kombinierten Unsicherheiten der Messung U Verifikation und denen des Normals U Normal (En-Werte kleiner als 1). LVerfikatio n LNormal E n 1 U U Verifikati on Normal Im Regelfall werden bei den Verifikationen deutlich kleinere Werte als 1 erzielt. Bei grenzwertigen Ergebnissen mit E n-werten >0,7 wird das Messsystem auf mögliche Fehler wie Verschleiß oder Verunreinigung der Kabel und Konnektoren geprüft. Gemäß [8] wird bei diesem Verfahren von Austauschbarkeit mechanisch kompatibler Konnektoren (SMA,,5 mm und,9mm) in Bezug auf den Messwert der Dämpfung ausgegangen, da die entstehenden Einflüsse auf den Reflexionsfaktor im Rahmen der Gesamtunsicherheiten eine unwesentliche Rolle spielen. Die Verifikation größerer als der durch die Kaskadierung des Bezugsnormalsatesz erzeugbarer Dämpfungswerte lässt sich durch weitere Kaskadierung mit am Netzwerkanalysator ausgemessenen Gebrauchsnormalen realisieren (z.b. weitere 10, 0 oder 0 ). Weitergabe nur mit Genehmigung der esz AG calibration & metrology, Max-Planck-Str. 16, 8 Eichenau, Germany.

3 XIII.5.1. Relative Kalibrierung mit HF-Leistungsmesskopf Ähnlich zu Bild XIII.5.5 können ohne Zugriff auf das Messempfängersystem Dämpfungsglieder bis 0 an einem gut angepassten und linearem (Dioden-)Leistungsmesskopf kalibriert werden. Kleine Messunsicherheiten werden hierbei bei Einsatz einer spektral reinen Quelle wie R&S SMP0 oder SMP04 erzielt. Die Referenzierung erfolgt wie in Bild XIII.5.4 genauso direkt gegen einen Generator unter Berücksichtigung der Konnektorwiederholbarkeit. Da dieses Verfahren i.d.r größere Unsicherheiten als XIII erzielt sind die Messunsicherheitsberechnungen der Kombinationen der Normale lediglich in den mitgeltenden XL-Tabellen hinterlegt. Sie wurden durch Kontrollmessungen an kalibrierten oder eingemessenen Dämpfungsgliedern verifiziert oder deren Kenngrößen ermittelt. XIII.5. Messunsicherheit Die Modellgleichung zur Bestimmung des Wertes L X des Messobjektes im 50 System in lässt sich formulieren zu: L X L L Lin L Crosstalk L Cable L Conn L Temp L MM mit L=L THRU-L X L THRU L X L Lin L Crosstalk L Cable L Conn L Temp L MM Dämpfungsdifferenz der Anzeige zwischen THRU und Messobjekt Anzeige bei Durchgangsmessung Anzeige bei Anschluss des Prüflings Korrektion bedingt durch die Nichtlinearität des Empfängers Korrektion bedingt durch Übersprechen oder Rauschen am Analysator Korrektion durch Einflüsse der Kabelbiegung Korrektion durch die Wiederholbarkeit der Konnektoren Korrektion durch Temperatureinfluss Korrektion bedingt durch Fehlanpassungen (Mismatch) Messunsicherheitsbilanz L i Die Dämpfungsdifferenz zwischen Normal und Messobjekt wird aus den Anzeigewerten berechnet und besitzt als Zahlenwert nur die Unsicherheiten der Wiederholung des Messergebnisses (Typ-A Standardunsicherheit der Beobachtungen). L Lin Zur Bestimmung der Nichtlinearität wurden die Referenz-Dämpfungsglieder (siehe Kapitel II, Bezugsnormale, Pos. 5c) ausgemessen und die Abweichung zum Kalibrierwert in pro gemessener Dämpfung ermittelt (EA-10/1 Abschnitt 7..1). Die ermittelten Abweichungsgrenzen lagen dabei unterhalb von 0,001 / L (E861A) bis 10 GHz bzw. 0,001 / L bis 18 GHz und 0,00 / L bis 40 GHz. Diese enthalten die Einflüsse des messbandbreitenabhängigen Empfängerrauschens und weiterer Nichtlinearitäten. Am Messempfängersystem ergeben sich laut Hersteller an den Umschaltgrenzen des internen Abschwächers bei 60 bzw. bei Zuschalten des Vorverstärkers bei 80 Dämpfung zusätzliche Beiträge durch den Eigenabgleich an diesen Schwellen. Diese Einflüsse konnten zwar bei der Nichtlinearitätsbestimmung nicht signifikant nachgewiesen werden, werden jedoch mit einem maximalen Einfluss von jeweils zusätzlichen 0,005 basierend auf der Kurzeitstabilität beim Eigenabgleich abgeschätzt. L Crosstalk Durch Übersprechen oder Rauschen (Signal zu Rauschabstand) bedingte Korrektion auf die eingesetzten Empfänger. Die Ermittelung der maximalen Werte des Übersprechens CT in erfolgt durch Abschluss der Tore mit 50. Die Auswirkung auf die Messunsicherheit kann formuliert werden zu: LX CT 0 LCrosstalk 0 log 1 10 Weitergabe nur mit Genehmigung der esz AG calibration & metrology, Max-Planck-Str. 16, 8 Eichenau, Germany.

4 L Cable Der Einfluss durch die Kabelbiegung ist z.t. bereits in den Beobachtungen enthalten und hängt vom verwendeten Kabeltyp und der Messfrequenz ab. Für die Berechnung der Messunsicherheit werden typische Werte von 0,00 (bis 4 GHz), 0,005 (bis 1 GHz) und 0,01 (bis 40 GHz) angenommen. L Conn L Temp L MM Von Frequenz, Messobjekt und Steckerqualität abhängig ist die Wiederholbarkeit der Steckverbindung. Deren Unsicherheit ist z.t. in der Standardunsicherheit der Beobachtungen enthalten, indem der Prüfling in verschiedenen um 10 oder 90 axial gedrehten Positionen gemessen wird, d.h. die Steckverbindung gelöst und wieder neu verschraubt wird. Typische Werte bei sorgfältiger Handhabung sind dabei Maximalgrenzen von 0,004 (bis 4 GHz), 0,008 (bis 18 GHz) und 0,01 (bis 40 GHz). Der Temperatureinfluss wurde durch Beobachtung der 0 -Linie über 15 Minuten gemessen. Es wurde festgestellt, dass dieser im gesamten Frequenzbereich unter 0,005 liegt. An den Ein- und Ausgängen sowohl bei THRU-Messung als auch des Messobjektes DUT treten Unsicherheiten durch Fehlanpassung auf. Der Netzwerkanalysator wird nach einer vollständigen Kalibrierung diese Einflüsse durch die Systemdatenkorrektion bereits auf die effektiven Quell- und Lasttoreinflüsse optimieren, am Messempfängersystem müssen diese Einflüsse anhand der gemessenen Messkopfreflexion und einer angenommenen Generatorreflexion abgeschätzt werden. Die Korrektion L MM repräsentiert die Summe aller systematischen Einflüsse, die von den effektiven Anpassungen des Senders des Messsystems ΓSys,Q, des Empfängers ΓSys,L und den S-Parametern des jeweiligen Dämpfungsgliedes Sxx verursacht werden. Für die Bestimmung eines Messobjektes nach Durchgangskalibrierung gilt [0]: L MM 1 0 log Sys, Q S 11 Sys, L S 1 Sys, Q Sys, Q Sys, L S Sys, L 11 S Sys, Q Sys, L S 1 S 1 Die Reflexionsfaktoren des Messobjektes können gemessen werden, die effektiven Systemdaten der Netzwerkanalysatoren sind bekannt. Am Messempfängersystem erfolgt eine Abschätzung auf Basis der Lastanpassung des verwendeten Messkopfes und der angenommenen Quelltoranpassung des Generators. Weitergabe nur mit Genehmigung der esz AG calibration & metrology, Max-Planck-Str. 16, 8 Eichenau, Germany.

5 XIII.5. Beispiel und tabellarische Darstellung der Messunsicherheitsbilanz Kalibrierung eines 55 Dämpfungsgliedes am Netzwerkanalysator Agilent E861A bei einer Frequenz von 1 GHz nach Verifikation zu einer Bezugsnormalkaskadierung aus 10 und 40. Die Reflexionsfaktoren des Messobjektes wurden zusammen mit der Unsicherheit der Reflexionsmessung zu maximal Sxx=0,05 bestimmt. Das Übersprechen und Empfängerrauschen bei einer Messbandbreite von 100 Hz wurde gemessen und beträgt mindestens 115. Für die Berechnung der Fehlanpassungsunsicherheit sind die Systemdaten Γ Sys,Q effektive Quelltoranpassung des NWA =0,005 Γ Sys,L effektive Lasttoranpassung des NWA =0,005 bekannt. Größe X i L X Schätzwert x i 55,05 Halbbreite a Verteilung L Lin 0 0, Rechteck L Crosstalk 0 0,009 Rechteck L Cable 0 0,00 Rechteck L Conn 0 0,004 Rechteck L Temp 0 0,005 Rechteck L MM 0 0,0046 U-verteilt L X Unsicherheit u(x i) Sensitivität skoeffizient c i Unsicherheitsbeitrag u i(y) 0, ,054 0, ,0050 0,00 0,001 0,00 1 0,00 0, ,009 0, ,00 55,05 N u( LX ) ui ( y) 0,064 i1 rel. erweiterte Messunsicherheit(k=) U( Lx ) k u( Lx ) 0,05 XIII.5.4 Zusammenfassung der Einflussgrößen XIII Steckersystem N Einflussgröße Lx Bedingung Mess-/ Schätzwert Intervallgrenzen 875C+ 850F E861A B 1 E4440A/ N C+ 850F E861A B E4440A/ N Nichtlinearität LLin 60 fmin bis 10 GHz 0,001 0, ,0005 0,001 / 0,0008 / / / / >10 GHz bis 18 GHz - 0, ,001 / / 60 fmin bis 10 GHz - - 0,05-0,0008 / + 0,005 >10 GHz bis 18 GHz ,001 / + 0, fmin bis 10 GHz - - 0, ,0008 / + 0,01 >10 GHz bis 18 GHz ,001 / + 0,01 Rauschen LCrosstalk fmin bis 500 MHz >500 MHz bis 10 GHz ebenfalls nachgewiesen (besser oder gleichwertig) für Rohde & Schwarz ZNC 9 khz bis GHz fmin,875c = 00 khz; fmin,e861a = 45 MHz; fmin,e4440a = 100 khz mit Vorverstärker Weitergabe nur mit Genehmigung der esz AG calibration & metrology, Max-Planck-Str. 16, 8 Eichenau, Germany.

6 >10 GHz bis 18 GHz Kabelbiegung LCable fmin bis 10 GHz 0,005 0,005 >10 GHz bis 18 GHz 0,01 0,01 Konnektor LConn fmin bis 10 GHz 0,008 0,008 >10 GHz bis 18 GHz 0,01 0,01 Temperatur LTemp fmin bis 18 GHz 0,005 0,005 Quelltor ΓSys,Q fmin bis 500 MHz 0,006 0,004 0,00 0,01 0,00 >500 MHz bis 10 GHz 0,01 0,005 0,100 0,01 0,01 0,100 >10 GHz bis 18 GHz - 0,009 0,150-0,01 0,10 Lasttor ΓSys,L fmin bis 500 MHz 0,005 0,00 0,010 0,005 0,015 >500 MHz bis 10 GHz 0,011 0,010 0,085 0,01 0,090 >10 GHz bis 18 GHz - 0,01 0,097-0,011 0,110 Reflexion DUT Sxx fmin bis 500 MHz 0,010 0,010 >500 MHz bis 10 GHz 0,050 0,050 >10 GHz bis 18 GHz 0,080 0,080 LMM fmin bis 500 MHz 0,00 0,006 >500 MHz bis 10 GHz 0,01 0,16 >10 GHz bis 18 GHz - 0,016 0,9 XIII.5.4. Steckersystem,9 mm /,5 mm Einflussgröße Lx Bedingung Mess-/ Schätzwert Intervallgrenzen E861A+ 0CK10A E4440A/ N55-56 E861A+ 0CK10A E4440A/ N55-56 Nichtlinearität LLin 60 fmin bis 10 GHz 0,00065 / 0,0005 0,0008 / / >10 GHz bis 18 GHz 0,0007 / - 0,001 / >18 GHz bis 40 GHz 0,00 / - 0,00 / 60 fmin bis 10 GHz - 0,05-0,0008 / + 0,005 >10 GHz bis 18 GHz - 0,001 / + 0,005 >18 GHz bis 6,5 GHz 0,00 / + 0, fmin bis 10 GHz - 0,0008 / + 0,01 >10 GHz bis 18 GHz - 0,0-0,001 / + 0,01 >18 GHz bis 6,5 GHz 0,00 / + 0,01 Rauschen LCrosstalk fmin bis 500 MHz >500 MHz bis 10 GHz >10 GHz bis 18 GHz >18 GHz bis 6,5 GHz >6,5 GHz bis 40 GHz Kabelbiegung LCable fmin bis 10 GHz 0,005 0,005 >10 GHz bis 40 GHz 0,01 0,01 Konnektor LConn fmin bis 18 GHz 0,008 0,008 >10 GHz bis 40 GHz 0,01 0,01 Temperatur LTemp fmin bis 40 GHz 0,005 0,005 Quelltor ΓSys,Q fmin bis 500 MHz 0,010 0,00 0,01 0,00 >500 MHz bis 10 GHz 0,015 0,100 0,015 0,100 >10 GHz bis 18 GHz 0,00 0,10 0,00 0,10 >18 GHz bis 6,5 GHz 0,00 0,00 0,00 0,00 >6,5 GHz bis 40 GHz 0,05-0,05 - Lasttor ΓSys,L fmin bis 500 MHz 0,010 0,010 0,010 0,015 >500 MHz bis 10 GHz 0,010 0,06 0,010 0,090 >10 GHz bis 18 GHz 0,015 0,090 0,015 0,110 >18 GHz bis 6,5 GHz 0,00 0,119 0,00 0,10 >6,5 GHz bis 40 GHz 0,00-0,00 - Reflexion DUT Fehlanpassung Fehlanpassung Sxx fmin bis 500 MHz 0,010 0,010 >500 MHz bis 10 GHz 0,050 0,050 >10 GHz bis 18 GHz 0,080 0,080 >18 GHz bis 40 GHz 0,100 0,100 LMM fmin bis 500 MHz 0,00 0,008 >500 MHz bis 10 GHz 0,01 0,16 >10 GHz bis 18 GHz 0,07 0,9 >18 GHz bis 6,5 GHz 0,08 0,7 >6,5 GHz bis 40 GHz 0,054 Weitergabe nur mit Genehmigung der esz AG calibration & metrology, Max-Planck-Str. 16, 8 Eichenau, Germany.

7 XIII.5.5 Ergebnisse XIII Steckersystem N Dämpfung Bedingung berechnete Messunsicherheit in beste Messunsicherheit 875C+ 850F E861A B 4 E4440A/ N in khz bis 500 MHz 0,0 0,0 0,0 0,0 >500 MHz bis 10 GHz 0,0 0,0 0, 0,0 >10 GHz bis 18 GHz - 0,04 0,41 0, khz bis 500 MHz 0,04 0,0 0,04 0,0 >500 MHz bis 10 GHz 0,04 0,0 0, 0,0 >10 GHz bis 18 GHz - 0,04 0,41 0, khz bis 500 MHz 0,05 0,04 0,05 0,04 >500 MHz bis 10 GHz 0,06 0,04 0, 0,04 >10 GHz bis 18 GHz - 0,05 0,4 0, khz bis 500 MHz 0,07 0,05 0,06 0,05 >500 MHz bis 10 GHz 0,1 0,05 0, 0,05 >10 GHz bis 18 GHz - 0,06 0,4 0, khz bis 500 MHz 0,1 0,08 0,06 0,06 >500 MHz bis 10 GHz 0, 0,06 0, 0,06 >10 GHz bis 18 GHz - 0,08 0,4 0, khz bis 500 MHz 0, 0, 0,07 0,07 >500 MHz bis 10 GHz 0,96 0,1 0,4 0,1 >10 GHz bis 18 GHz - 0,1 0,4 0, khz bis 500 MHz 0,96 0,6 0,08 0,08 >500 MHz bis 10 GHz,8 0, 0,4 0, >10 GHz bis 18 GHz - 0, - 0, khz bis 500 MHz 0,10 0,1 >500 MHz bis 10 GHz 0,5 0, >10 GHz bis 18 GHz khz bis 500 MHz 0,11 0,1 >500 MHz bis GHz 0,5 0, khz bis 500 MHz 0,1 0,1 >500 MHz bis GHz 0, 0, khz bis 500 MHz 0, 0, >500 MHz bis GHz 0,7 0,7 XIII.5.5. Steckersystem,9 mm /,5 mm Dämpfung Bedingung berechnete Messunsicherheit in E861A+ 0CK10A E4440A/ N khz bis 500 MHz 0,0 0,0 0,0 >500 MHz bis 10 GHz 0,0 0, 0,0 >10 GHz bis 18 GHz 0,05 0,41 0,05 >18 GHz bis 6,5 GHz 0,07 0,5 0,07 >6,5 GHz bis 40 GHz 0,09-0, khz bis 500 MHz 0,0 0,04 0,0 >500 MHz bis 10 GHz 0,0 0, 0,0 >10 GHz bis 18 GHz 0,05 0,41 0,05 >18 GHz bis 6,5 GHz 0,09 0,5 0,09 >6,5 GHz bis 40 GHz 0,10-0, khz bis 500 MHz 0,04 0,05 0,04 >500 MHz bis 10 GHz 0,04 0, 0,04 >10 GHz bis 18 GHz 0,06 0,4 0,06 >18 GHz bis 6,5 GHz 0,11 0,54 0,11 >6,5 GHz bis 40 GHz 0,1-0, khz bis 500 MHz 0,05 0,06 0,05 >500 MHz bis 10 GHz 0,05 0, 0,05 >10 GHz bis 18 GHz 0,07 0,4 0,07 >18 GHz bis 6,5 GHz 0,1 0,54 0,1 >6,5 GHz bis 40 GHz 0,14-0, khz bis 500 MHz 0,08 0,06 0,06 >500 MHz bis 10 GHz 0,06 0, 0,06 >10 GHz bis 18 GHz 0,08 0,4 0,08 >18 GHz bis 6,5 GHz 0,16 0,55 0,16 >6,5 GHz bis 40 GHz 0,17-0, khz bis 500 MHz 0, 0,07 0,07 >500 MHz bis 10 GHz 0,09 0,4 0,09 >10 GHz bis 18 GHz 0,1 0,4 0,1 >18 GHz bis 6,5 GHz 0,5 0,56 0, >6,5 GHz bis 40 GHz 0,5-0, khz bis 500 MHz 0,08 0,08 >500 MHz bis 10 GHz 0,4 0, >10 GHz bis 18 GHz 0,4 0,4 >18 GHz bis 6,5 GHz 0,56 0,6 beste Messunsicherheit in 4 ebenfalls nachgewiesen (besser oder gleichwertig) für Rohde & Schwarz ZNC, 9 khz bis GHz Weitergabe nur mit Genehmigung der esz AG calibration & metrology, Max-Planck-Str. 16, 8 Eichenau, Germany.

8 khz bis 500 MHz 0,10 0,1 >500 MHz bis 10 GHz 0,5 0, khz bis 500 MHz 0,11 0,1 >500 MHz bis GHz 0,5 0, khz bis 500 MHz 0,15 0,15 >500 MHz bis GHz 0, 0, XIII.5.5. Übersicht Messgröße, Kalibriergegenstand Messbereich, Messspanne Messbedingungen, Verfahren genäherte Messunsicherheit Bemerkungen HF-Dämpfung Dämpfungsglieder N-Konnektor, 50 andere Konnektoren erhöhen die Messunsicherheit,9 mm /,5 mm- Konnektor, 50 andere Konnektoren erhöhen die Messunsicherheit 0 bis khz bis 10 GHz 0,0 L ist die gemessene >10 GHz bis 18 GHz 0,04 Dämpfung >0 bis khz bis 10 GHz 0,001 / L >10 GHz bis 18 GHz 0,0 + 0,001 / L L,DUT 0,01 >60 bis khz bis 500 MHz 0,07 f 500 MHz >500 MHz bis 10 GHz 0,10 >10 GHz bis 18 GHz 0,1 L,DUT 0, MHz < f 10 GHz >70 bis khz bis 500 MHz 0,08 >500 MHz bis 10 GHz 0, L,DUT 0,08 >10 GHz bis 18 GHz 0, 10 GHz < f 18 GHz >80 bis khz bis 500 MHz 0,1 >500 MHz bis 10 GHz 0, >90 bis khz bis 500 MHz 0,1 >500 MHz bis GHz 0, >100 bis khz bis 500 MHz 0,1 >500 MHz bis GHz 0, >110 bis khz bis 500 MHz 0, >500 MHz bis GHz 0,7 0 bis khz bis 10 GHz 0,0 L ist die gemessene >10 GHz bis 18 GHz 0,05 Dämpfung >18 GHz bis 6,5 0,09 GHz >6,5 GHz bis 40 0,10 GHz >0 bis khz bis 10 GHz 0,001 / L >10 GHz bis 18 GHz 0,0 + 0,001 / L >18 GHz bis 6,5 0,10 + 0,001 / L GHz >6,5 GHz bis 40 0,11 + 0,001 / L GHz >60 bis khz bis 500 MHz 0,07 >500 MHz bis 10 GHz 0,09 >10 GHz bis 18 GHz 0,1 >18 GHz bis 40 GHz 0, >70 bis khz bis 500 MHz 0,08 >500 MHz bis 10 GHz 0, >10 GHz bis 18 GHz 0,4 >18 GHz bis 6,5 0,6 GHz >80 bis khz bis 500 MHz 0,1 >500 MHz bis GHz 0, >100 bis khz bis 500 MHz 0, >500 MHz bis GHz 0, L,DUT 0,01 f 500 MHz L,DUT 0, MHz < f 10 GHz L,DUT 0,08 10 GHz < f 18 GHz L,DUT 0,1 18 GHz < f 40 GHz Weitergabe nur mit Genehmigung der esz AG calibration & metrology, Max-Planck-Str. 16, 8 Eichenau, Germany.

9 XIII typ. Verifikationsmessung E861A Verifikation N-Dämpfungsglied bis 18 GHz Verifikation,9 mm Dämpfungsglied bis 40 GHz Weitergabe nur mit Genehmigung der esz AG calibration & metrology, Max-Planck-Str. 16, 8 Eichenau, Germany.

10 XIII Auswertung des Ringvergleichs HF-Dämpfung 008 Zwar erfolge die Teilnahme am Ringvergleich HF-Dämpfung mit einer elektronischen Kalibriereinheit (siehe Kapitel II, Tabelle Pos 5c), die Verifikationsmethoden und Normale waren dennoch identisch zu den in XIII.5.1 genannten Vorgehensweisen. Unter der Annahme, dass die entscheidenden Systemparameter wie Empfängerlinearität und Signal-zu-Rauschabstand (fast) unabhängig von der gewählten Methode der Einkalibrierung waren bzw. eine mechanische Einkalibrierung die Werte sogar verbessert, lassen sich so die berechneten Messunsicherheiten mit den damals gewonnenen Ergebnissen vergleichen: Bedingung PTB-Referenzwert in esz AG in MU esz in MU PTB in En-Wert MHz 9,904 9,90 0,0 0,00 0,1 1 GHz 9,94 9,9 0,0 0,00 0,1 10 GHz 10,068 10,08 0,0 0,006 0,9 18 GHz 9,906 9,9 0,04 0,011 0, MHz 9,80 9,80 0,04 0,006 0,05 1 GHz 9,85 9,8 0,04 0,006 0,1 10 GHz 9,91 9,9 0,04 0,010 0, 18 GHz 9,87 9,86 0,05 0,011 0, MHz 59,66 59,40 0,06 0,017 0,55 1 GHz 59,405 59,40 0,06 0,017 0,08 10 GHz 59,919 59,9 0,06 0,04 0,15 18 GHz 59,888 59,9 0,07 0,04 0, , ,1 9,95 59,9 Dämpfung in 10, ,95 Dämpfung in 9,9 9,85 Dämpfung in 59,8 59,7 59,6 59,5 9,9 9,8 59,4 9, , , Frequenz in GHz Frequenz in GHz Frequenz in GHz PTB-Referenzw ert in esz AG in PTB-Referenzw ert in esz AG in PTB-Referenzw ert in esz AG in Bild XIII Auswertung des Ringvergleichs HF-Dämpfung mit neuer Messunsicherheit Weitergabe nur mit Genehmigung der esz AG calibration & metrology, Max-Planck-Str. 16, 8 Eichenau, Germany.

11 G S 11 S L XIII.5.6 HF-Dämpfung Anzeigelinearität Anzeigelinearität mit Stufenabschwächer als Normal 5 Die Kalibrierung der Anzeigelinearität, z.b. von Spektrumanalysatoren oder Messempfängern erfordert die stufenweise Messung der Anzeige bei bekannter Abschwächung des Eingangssignals. Die Kalibrierung erfolgt nach den in VDI/VDE/DGQ/DKD 6-11:00 Abs...5 [7] bzw. VDI/VDE/DGQ/DKD 6-1:00 Abs...4 [4] genannten Verfahren mit Hilfe schaltbarer externer Stufenabschwächer. Der Kalibriergegenstand könnte dabei ein beliebiger HF- Empfänger sein, in der weiteren Beschreibung wird jedoch von den typischen Messobjekten Spektrumanalysator oder Messempfänger ausgegangen. Daneben kann das auf die Messgröße HF-Leistung bzw. Wechselspannung rückgeführte Verfahren aus XIII..7. für die Messung der Anzeigelinearität oder ein kalibrierter Leistungsmesskopf im Vergleich (XIII..1.) verwendet werden. Diese Verfahren können nur einen maximalen Dynamikbereich von 60 oder deutlich weniger abdecken. Für die Kalibrierung mit einem Sufenabschwächer als Normal werden derzeit die Geräte vom Typ Hewlett Packard 8496B/H 6 in 10 Schritten und 8494B/H in 1 Schritten mit N-Konnektoren bis 18 GHz verwendet. Kalibriert wird die Anzeige Lin zum Referenzwert der Ausgangsstellung des Abschwächers (i.d.r. 7 ) in, wenn die eingestellte Dämpfung des externen Abschwächer schrittweise erhöht wird. Bild XIII Messaufbau Kalibrierung der Anzeigelinearität [7] In der Praxis wird die Kalibrierung der Anzeigelinearität also nicht mit kaskadierten Bezugsnormalen durchgeführt. Stattdessen werden schaltbare Abschwächer guter Wiederholbarkeit zum Beispiel wie oben genannt als Gebrauchsnormal eingesetzt, die kein wiederholtes Lösen und Herstellen der Konnektorverbindungen erfordern. Die Charakterisierung der Dämpfungsstufen relativ zur Bezugseinstellung (z.b. ) eines solchen schaltbaren Abschwächers erfolgt am Messempfängersystem (Dämpfungsmessplatz) oder vektoriellen Netzwerkanalysator im besten Dynamikbereich mit kleiner Messunsicherheit. Deren Nichtlinearität oder Messabweichungen im Transfer über eine Bezugsnormalkalibrierung gemäß XIII sind bekannt und somit rückgeführt. Die abgeleitete Messgröße Anzeigelinearität wird dann also in zwei Schritten über die Messgröße Dämpfung rückgeführt. Durch weitere Kombination mit Bezugs- oder Gebrauchs-Dämpfungsgliedern ist eine fast beliebige Erweiterung des Dynamikbereiches möglich. Bezugsnormal (Abschwächersatz) Dämpfungsmessplatz / Messempfänger / Netzwerkanalysator schaltbarer Abschwächer (Gebrauchsnormal) Messobjekt (HF-Empfänger) schematische Gebrauchsnormal-Rückführung über (Transfer-)Messempfänger 5 vgl. auch XIII..7., Kalibrierung mit Linearitätsnormal 6 manuell bzw. elektronisch schaltbare Version 7 höhere Bezugsdämpfungen verbessern die Anpassung der Ausgangstellung und sind v.a. bei Frequenzen >500 MHz zu empfehlen Weitergabe nur mit Genehmigung der esz AG calibration & metrology, Max-Planck-Str. 16, 8 Eichenau, Germany.

12 Die Kalibrierwerte des Abschwächers sind damit rückführbar auf die in den Kapiteln XIII.5.1 bis XIII.5.5 genannten Verfahren und können mit den dort genannten Unsicherheiten dargestellt werden. Die Zahl der Messfrequenzen und Messpunkte erfolgt entweder in Absprache mit dem Kunden, in Anlehnung an den Performance Test des Herstellers bzw. an die Werksrichtlinien für Kalibrierumfänge (Auswahl der Messpunkte). Üblicherweise wird bei 50 MHz in 5 Schritten oder 10 Schritten gemessen. Bild XIII.5.6. Anzeige am Spektrumanalysator bei Kalibrierung der Anzeigelinearität [7] XIII Messunsicherheitsbilanz Modellgleichung L DUT L mit L DUT=L DUT L DUT Normal L Lin L Noise L Temp L Res L Anzeigedifferenz zwischen Anzeige in Ausgangsstellung L DUT und Anzeige in Messstellung L DUT L DUT Anzeige des Kalibriergegenstandes in Ausgangsstellung L DUT Anzeige des Kalibriergegenstandes beim Kalibrierwert L Lin Linearitätsabweichung des Kalibriergegenstandes L Normal eingestellte Dämpfungsdifferenz des Normals L Noise Korrektion durch das Eigenrauschen des Kalibriergegenstandes L Temp Korrektion durch Temperatureinfluss L Res Korrektion durch die Anzeigeauflösung Korrektion bedingt durch Fehlanpassungen (Mismatch) L MM MM Weitergabe nur mit Genehmigung der esz AG calibration & metrology, Max-Planck-Str. 16, 8 Eichenau, Germany.

13 L Normal Die Dämpfungsdifferenz des Normals (Stufenabschwächer) bezüglich der verwendeten Ausgangsstellung ( THRU ) ist bekannt und wird gemäß den in den in Kapiteln XIII.5.1 bis XIII.5.5 genannten Verfahren und Ergebnissen bestimmt. Die Reproduzierbarkeit der Schalterstellungen liegt dabei deutlich unter 0,01. Diese wurde jedoch bereits bei der Kalibrierung des Abschwächers berücksichtigt und ist in dessen Unsicherheit bereits enthalten. L Noise Das Eigenrauschen des Kalibriergegenstandes liefert einen erheblichen Anteil zur Unsicherheit, ist jedoch vom Kalibriergegenstand abhängig. Abweichend zu XIII.5. errechnet sich der Einfluss abhängig vom Signal-zu-Rauschabstand (SNR) bei der Betrachtung von Leistungsverhältnissen zu L noise 10 log 1 10 LX SNR 10 Für die Unsicherheitsberechnung wird von einem Signal zu Rauschabstand von mindestens 5 ausgegangen mit einem maximalen Unsicherheitsinverall von 0,016 ausgegangen. L Temp L Res L MM Temperaturschwankungen im Rahmen von maximal 1 K während der Messung liefern nur einen unsignifikanten Beitrag von maximal 0,005 (Ermittlung durch Stabilitätsmessung am eigenen Messempfängersystem) zur Unsicherheit. Die Anzeigeauflösung und Digitschwankung typischer Kalibriergegenstände bei Mittelwertsbildung über >10 Messungen ( Sweeps ) wird zu maximal 0,01 angenommen. Die Fehlanpassung aufgrund der Quell-, Last-, Ein- und Ausgangsreflexionen (Generator G, Last L) in Ausgangsstellung (S ij) und Messstellung (Sij) stellt einen wesentlichen Anteil der Messunsicherheit dar. Der Fehlanpassungsterm in formuliert sich als 1 G S11 L S G L S11S G L S1S1 LMM 0 log [7] A.1. 1 S S S S S S ' 11 G ' L Reflexionsfaktoren des Kalibriergegenstandes werden gemessen (ggf. zusammen mit den verwendeten Messkabeln). Dabei genügt es den Wert für die verwendete interne Abschwächerstufe oder des kleinsten internen Abschwächers zu bestimmen, da dieser den Reflexionsfaktor maximal begrenzen wird. Die übrigen Abschwächerstufen werden auf diese Annahme hin überprüft, solange deren Reflexionsfaktoren unterhalb des maximal auftretenden Wertes liegen kann die Abschätzung der Unsicherheit mit diesem maximalen Wert für alle Stufen erfolgen. Die Reflexionsfaktoren (S ij und Sij) des verwendeten schaltbaren Abschwächers sind bekannt (sie beziehen sich auf das Normal) und die des Generators werden entsprechend XIII.5.4 abgeschätzt. G L ' 1 ' 1 ' 11 ' XIII.5.6. Beispiel und tabellarische Darstellung der Messunsicherheitsbilanz Kalibrierung der Anzeigelinearität eines Spektrumanalysators bei einer Frequenz von 50 MHz und Abschwächung des Eingangssignals um nominell 70 gegen die -Stellung des schaltbaren Abschwächers Hewlett Packard 8496B/8494B mit Generator Rohde & Schwarz SMP04. Der Reflexionsfaktor des Spektrumanalysators wurde zu L =0,08 bestimmt, der des Generators wird zu G =0,0 aus den Herstellerangaben und typischen Erfahrungswerten geschätzt. Die Werte des Abschwächers ergeben sich zu S 11 Eingangsreflexionsfaktor in Ausgangsstellung 0,014 S Ausgangsreflexionsfaktor in Ausgangsstellung 0,015 S 11 Eingangsreflexionsfaktor in 7 Kalibrierstellung 0,015 S Ausgangsreflexionsfaktor in 7 Kalibrierstellung 0,011 Weitergabe nur mit Genehmigung der esz AG calibration & metrology, Max-Planck-Str. 16, 8 Eichenau, Germany.

14 L Normal Eingestellte Dämpfungsdifferenz 70,19 Das Eigenrauschen des Kalibriergegenstandes wurde zuvor zu >14 m gemessen wodurch sich ein Signal zu Rauschabstand von 64 errechnet. Weitere Einstellungen am Spektrumanalysator sind: Eingangsabschwächer 10, Referenzpegel 0 m, Bandbreite 10 Hz, Span 50 Hz, Mittenfrequenz 50 MHz. Spektrumanalysator und Generator sind frequenzsynchronisiert (ext. 10 MHz Referenz). Größe X i L DUT Schätzwert x i 70,5 Halbbreite a Verteilung L Normal 70,19 0,06 Normal L Noise 0 0,00 Rechteck L Temp 0 0,005 Rechteck L Res 0 0,01 Rechteck L MM 0 0,018 U-verteilt L DUT Unsicherheit u(x i) 0,06 Sensitivität skoeffizient c i Unsicherheitsbeitrag u i(y) 1 0,000 0,00 1 0,0018 0, ,009 0,01 1 0,0058 0, , ,5 N u( LDUT) ui ( y) 0,081 i1 rel. erweiterte Messunsicherheit(k=) U( LDUT ) k u( LDUT ) 0,07 XIII.5.6. Zusammenfassung der Einflussgrößen Einflussgröße LDUT Bedingung Messwert / Intervallgrenzen Schätzwert Normal LNormal khz bis 18 GHz 0, khz bis 500 MHz 0,04 >500 MHz bis 18 GHz 0, khz bis 500 MHz 0,05 >500 MHz bis 18 GHz 0, khz bis 500 MHz 0,06 >500 MHz bis 18 GHz 0, khz bis 500 MHz 0,08 >500 MHz bis 18 GHz 0, khz bis 500 MHz 0,1 >500 MHz bis 18 GHz 0, khz bis 500 MHz 0, >500 MHz bis 18 GHz 0,6 Reflexion der Schalterstellungen S 11= S S11= S 100 khz bis 500 MHz 0,0 >500 MHz bis 10 GHz 0,1 >10 GHz bis 18 GHz 0,15 Reflexion Generator G 100 khz bis 500 MHz 0,0 >500 MHz bis 10 GHz 0,1 >10 GHz bis 18 GHz 0,15 Reflexion Last L 100 khz bis 500 MHz 0,05 >500 MHz bis 10 GHz 0,1 >10 GHz bis 18 GHz 0,1 Fehlanpassung LMM 100 khz bis 500 MHz 0,0 >500 MHz bis 10 GHz 0,4 >10 GHz bis 18 GHz 0,9 Rauschen LNoise 100 khz bis 18 GHz SNR 5 0,016 Temperatur LTemp 100 khz bis 18 GHz 0,005 Auflösung LRes 100 khz bis 18 GHz 0,01 Weitergabe nur mit Genehmigung der esz AG calibration & metrology, Max-Planck-Str. 16, 8 Eichenau, Germany.

15 XIII Ergebnisse Messgröße, Kalibriergegenstand Messbereich, Messspanne Messbedingungen, Verfahren genäherte Messunsicherheit Bemerkungen HF-Dämpfung Anzeigelinearität 0 >0 bis bis khz bis 500 MHz 0,06 0,07 SNR 5 >60 >80 bis bis ,09 0,1 L,DUT 0,05 f 500 MHz >100 bis 110 0, 0 bis 80 >500 MHz bis 10 GHz 0,6 >10 GHz bis 18 GHz 1, >80 bis MHz bis GHz 0,7 L,DUT 0,1 500 MHz < f 10 GHz L,DUT 0,15 10 GHz < f 18 GHz XIII Referenzpegel Es lässt sich zeigen, dass das in VDI/VDE/DGQ/DKD 6-11:00 Abs...4 [7] genannte Verfahren für die Referenzpegelkalibrierung mit identischen Unsicherheitsanteilen dargestellt werden kann, sofern die Pegeldifferenzen hinreichend klein sind, so dass die Anzeigelinearität bei der Messung der ZF- Verstärkung keine entscheidende Rolle spielt. XIII.5.7 HF-Dämpfung interne Abschwächer Die Kalibrierung von Messempfängern oder Spektrumanalysatoren erfordert die Kalibrierung deren interner Abschwächer. Die Durchführung kann bei ausreichendem Signal zu Rauschabstand durch Durchschalten der Abschwächerstufen (XIII.5.6.1) bei konstanter Eingangsleistung oder mit einem externen Abschwächer als Normal und variabler Eingangsleistung erfolgen (vgl. [7] Abs...). XIII interne Abschwächerkalibrierung durch stufenweisen Anzeigevergleich An den Signaleingang wird eine konstante HF-Quelle angeschlossen. Für Verbesserung der Anpassungsverhältnisse wird diese beispielsweise über ein zusätzliches Dämpfungsglied ( -Pad ) oder eine schaltbare Dämpfungsgliedkombination am Ausgang an den Eingang des Kalibriergegenstandes angeschlossen. Bei höheren Frequenzen > GHz ist diese zusätzliche Dämpfung ggf. zu erhöhen. Das identische Verfahren kann genutzt werden, um die Umschaltabweichung der Dämpfungsglieder zu kalibrieren. 10 MHz Ref. S HF-Quelle + m Att. 0 Spektrumanalysator G Abschwächer S 11 S L Bild XIII Ausgangs-/Referenzstellung des Kalibrieraufbaus. Die Einstellungen an Signalgenerator und schaltbarem Dämpfungsglied werden im weiteren Verlauf nicht mehr verändert Werden bei konstanter Eingangsleistung die Abschwächerstufen beginnend von 0 bis zur maximalen Einstellung durchgeschaltet, so darf sich die Anzeige am Kalibriergegenstand bei ausreichendem Signal zu Rauschabstand (min. 50 ) nicht verändern. Alle Einstellungen an Aufbau und Kalibriergegenstand (Referenzpegel, Span, Mittenfrequenz, Bandbreite, etc.) bleiben unverändert, lediglich der Abschwächer wird geschaltet. Dieses Verfahren ist v.a. geeignet bei Geräten mit sehr kleiner Rauschanzeige und guter Nichtlinearität (typische Nichtlinearität <0,01 + 0,005 / 10 ). Für die Bestimmung der relevanten Reflexionsfaktoren genügt es den maximalen Wert für die internen Abschwächerstufe i.d.r. den des kleinsten internen Abschwächers oder ohne internen Abschwächer zu Weitergabe nur mit Genehmigung der esz AG calibration & metrology, Max-Planck-Str. 16, 8 Eichenau, Germany.

16 bestimmen, da dieser den Reflexionsfaktor maximal begrenzen wird. Die übrigen Abschwächerstufen werden auf diese Annahme hin überprüft, solange deren Reflexionsfaktoren unterhalb des maximal auftretenden Wertes liegen kann die Abschätzung der Unsicherheit mit diesem maximalen Wert für alle Stufen erfolgen. XIII Messunsicherheitsbilanz Modellgleichung L DUT L nom L Anz L Noise L Temp L Re s L Re p L Lin L MM mit L DUT L nom Wert des internen Abschwächers des Kalibriergegenstandes nominelle Einstellung des Abschwächers L Anz=L Anz L Anz Differenz zwischen Anzeige in Ausgangsstellung L DUT und Anzeige in Messstellung L DUT L Anz Anzeige des Kalibriergegenstandes in Ausgangsstellung L Anz L Noise L Temp L Res L Rep L Lin L MM Anzeige des Kalibriergegenstandes beim Kalibrierwert Korrektion durch das Eigenrauschen des Kalibriergegenstandes Korrektion durch Temperatureinfluss Korrektion durch die Anzeigeauflösung Wiederholgenauigkeit der Abschwächerstufen Korrektion durch die Empfängerlinearität Korrektion bedingt durch Fehlanpassungen (Mismatch) Die Einflussgrößen werden wie in XIII geschätzt. Des weiteren werden angenommen: L Lin Die Nichtlinearität des Empfängers ist vom Kalibriergegenstand abhängig und kann gemäß XIII.5.6 gemessen werden. Die ermittelten Werte werden als maximale Intervallgrenzen z.b. 0,01 + 0,005 / 10 verwendet. L MM L MM ergibt sich im schlechtesten Fall als Summe der Fehlanpassungsunsicherheit zwischen Generator und Last in Referenzstellung und Messstellung L MM log 1 ' ' 0 log 1 0 G L G L XIII Beispiel und tabellarische Darstellung der Messunsicherheitsbilanz Kalibrierung des internen Abschwächers eines Spektrumanalysators bei einer Frequenz von 50 MHz und nomineller Einstellung von 70 gegen die 0 -Stellung des internen Abschwächers mit zwischen geschaltetem Stufenabschwächer Hewlett Packard 8496B/8494B in -Stellung und Generator Rohde & Schwarz SMP04. Der Reflexionsfaktor der Abschwächerstufen wurde zu maximal L =0,08 (0 Abschwächer) und L =0,015 (Stufen > ) bestimmt. Die Wiederholpräzision wurde besser 0,01 ermittelt. Das Eigenrauschen des Kalibriergegenstandes wurde zuvor zu >14 m gemessen wodurch sich ein Signal zu Rauschabstand von 64 errechnet. Weitere Einstellungen am Spektrumanalysator sind: Referenzpegel 0 m, Bandbreite 10 Hz, Span 50 Hz, Mittenfrequenz 50 MHz. Spektrumanalysator und Generator sind frequenzsynchronisiert (ext. 10 MHz Referenz). Größe Schätzwert Halbbreite Verteilung X i x i L nom L Anz 70,00 0,04 L Noise 0 0,00 Rechteck L Temp 0 0,005 Rechteck a Unsicherheit u(x i) Sensitivität skoeffizient c i Unsicherheitsbeitrag u i(y) 0,00 1 0,0018 0, ,009 Weitergabe nur mit Genehmigung der esz AG calibration & metrology, Max-Planck-Str. 16, 8 Eichenau, Germany.

17 Größe X i Schätzwert x i Halbbreite a Verteilung L Res 0 0,01 Rechteck L Rep 0 0,01 Rechteck L Lin 0 0,045 Rechteck L MM 0 0,0071 U-verteilt L DUT Unsicherheit u(x i) Sensitivität skoeffizient c i Unsicherheitsbeitrag u i(y) 0,01 1 0,0058 0,0 1 0,0115 0, ,060 0,00 1 0, ,05 N u( LDUT) ui ( y) 0,077 i1 rel. erweiterte Messunsicherheit(k=) U( LDUT ) k u( LDUT ) 0,06 XIII Zusammenfassung der Einflussgrößen Einflussgröße Abschwächer Bedingung Messwert / Reflexion der Abschwächerstellungen L = 'L 0 bis khz bis 500 MHz 0,05 >500 MHz bis 10 GHz 0,1 >10 GHz bis 18 GHz 0,15 Schätzwert Intervallgrenzen Fehlanpassung LMM 100 khz bis 500 MHz 0,01 >500 MHz bis 10 GHz 0,1 >10 GHz bis 18 GHz 0,7 Rauschen LNoise 100 khz bis 18 GHz SNR 5 0,016 Temperatur LTemp 100 khz bis 18 GHz 0,005 Auflösung LRes 100 khz bis 18 GHz 0,01 Wiederholbarkeit LRep 100 khz bis 18 GHz 0,0 Linearität LLin 100 khz bis 18 GHz 0,01 + 0,005 / 10 XIII.5.7. Abschwächerkalibrierung im Vergleich zu externem Dämpfungsglied Das Verfahren wird in Anlehnung an VDI/VDE/DGQ/DKD 6-11:00 Abs... [7] durchgeführt, jedoch wird als Referenzstellung nicht die maximale interne Abschwächerstellung sondern die minimale oder Standardstellung des Gerätes gewählt. Am externen Normal wird die Referenzstellung gegengleich zur maximal möglichen internen Abschwächerstellung eingestellt. Wird der interne Abschwächer um eine Stufe erhöht, muss der externe Abschwächer um diesen Betrag verringert werden: 10 MHz Ref. S HF-Quelle Spektrumanalysator 70 Normal: ext. Abschwächer HP 8496B/H B/H Spektrumanalysator auf minimale Abschwächereinstellung bringen (0 ) externes Dämpfungsglied auf max. Wert des internen Abschwächers einstellen Anzeige L Anz bei Referenzwert aufnehmen Weitergabe nur mit Genehmigung der esz AG calibration & metrology, Max-Planck-Str. 16, 8 Eichenau, Germany.

18 Abschwächereinstellung am Spektrumanalysator um eine Stufe erhöhen (z.b. 10 ) externen Abschwächer um identischen Wert verringern Anzeige L Anz aufnehmen und Differenz L Anz=L Anz-L Anz mit Dämpfungsdifferenz des Normals vergleichen Der externe Abschwächer ist dafür gemäß XXIII.5.1 gegen seine Ausgangsstellungen kalibriert. XIII Messunsicherheitsbilanz Modellgleichung L DUT L Anz L nom L ext L Noise L Temp L Re s L Re p L Lin L MM mit L DUT L nom Wert des internen Abschwächers des Kalibriergegenstandes nominelle Einstellung des internen Abschwächers L Anz=L Anz L Anz Differenz zwischen Anzeige in Ausgangsstellung L DUT und Anzeige in Messstellung L DUT L Anz Anzeige des Kalibriergegenstandes in Ausgangsstellung L Anz Anzeige des Kalibriergegenstandes beim Kalibrierwert L ext=l ext L ext Dämpfungsdifferenz des externen Abschwächer bezogen auf die Ausgangsstellung L Noise Korrektion durch das Eigenrauschen des Kalibriergegenstandes L Temp Korrektion durch Temperatureinfluss L Res Korrektion durch die Anzeigeauflösung L Rep Wiederholgenauigkeit der Abschwächerstufen L Lin Korrektion durch die Nichtlinearität des Empfängers Korrektion bedingt durch Fehlanpassungen (Mismatch) L MM Identische Einflussgrößen werden wie in XIII bzw angegeben. L Lin Die Nichtlinearität des Empfängers ist wird wie in XIII ermittelt, bei kleinen Pegelunterschieden sollte diese jedoch vernachlässigbar klein (<0,01 ) bleiben XIII Beispiel und tabellarische Darstellung der Messunsicherheitsbilanz Kalibrierung des internen Abschwächers eines Spektrumanalysators bei einer Frequenz von 50 MHz und nomineller Einstellung von 70 gegen die 7 auf -Stellung des externen Stufenabschwächer Hewlett Packard 8496B/8494B und Generator Rohde & Schwarz SMP04. Die Werte des Abschwächers und Spektrumanalysators ergaben sich zu S 11 Eingangsreflexionsfaktor in 7 Ausgangsstellung 0,015 S Ausgangsreflexionsfaktor in 7 Ausgangsstellung 0,011 S 11 Eingangsreflexionsfaktor in Kalibrierstellung 0,014 S Ausgangsreflexionsfaktor in Kalibrierstellung 0,015 L ext Eingestellte Dämpfungsdifferenz von 7 auf 70,19 ' L Reflexionsfaktor des Spektrumanalysators bei 0-0,08 Stellung des internen Abschwächers L Reflexionsfaktor des Spektrumanalysators bei 70 -Stellung des internen Abschwächers 0,015 Das Eigenrauschen des Kalibriergegenstandes wurde zuvor zu >14 m gemessen wodurch sich ein Signal zu Rauschabstand von 64 errechnet. Größe X i Schätzwert x i Halbbreite a Verteilung Unsicherheit u(x i) Sensitivität skoeffizient Unsicherheitsbeitrag u i(y) c i L nom 70,00 L ext 70,19 0,06 Normal 0,06 1 0,000 70,5 L Anz Weitergabe nur mit Genehmigung der esz AG calibration & metrology, Max-Planck-Str. 16, 8 Eichenau, Germany.

19 Größe X i Schätzwert x i Halbbreite a Verteilung L Noise 0 0,00 Rechteck L Temp 0 0,005 Rechteck L Res 0 0,01 Rechteck L Rep 0 0,01 Rechteck L Lin 0 0,01 Rechteck L MM 0 0,018 U-verteilt L DUT Unsicherheit u(x i) Sensitivität skoeffizient c i Unsicherheitsbeitrag u i(y) 0,00 1 0,0018 0, ,009 0,01 1 0,0058 0,01 1 0,0058 0,01 1 0,0058 0, , ,94 N u( LDUT) ui ( y) 0,0 i1 rel. erweiterte Messunsicherheit(k=) U( LDUT ) k u( LDUT ) 0,07 Die Einflussgrößen sind XIII.5.6. entnehmbar. XIII Ergebnisse Da die Messunsicherheitsbilanz für Linearität und internen Abschwächer bis auf die Anteile von L Lin und L Rep identisch sind kann die Gesamtunsicherheit auch formuliert werden zu u u( L ) u( L ) u( L ( LDUT) DUT, Lin Lin Re p ) mit dem Anteil ergeben sich: u ) = 0,008 für das Verfahren aus XIII Damit ( LLin) u( LRe p Messgröße, Kalibriergegenstand HF-Dämpfung Eingangsabschwächer Messbereich, Messspanne Messbedingungen, Verfahren genäherte Messunsicherheit Bemerkungen Remarks 0 bis khz bis 500 MHz 0,06 Vergleich mit externem >0 bis 60 0,07 Stufenabschwächer/ >60 bis 80 0,09 >80 bis 100 0,1 L,DUT 0,05 >100 bis 110 0, f 500 MHz 0 bis 80 >500 MHz bis 10 GHz 0,6 >10 GHz bis 18 GHz 1, L,DUT 0,1 >80 bis MHz bis 10 GHz 0,7 500 MHz < f 10 GHz >10 GHz bis GHz 1, L,DUT 0,15 10 GHz < f 18 GHz 0 bis khz bis 500 MHz 0,04 stufenweiser >0 bis 60 0,06 Anzeigevergleich/ >60 bis 110 0,08 SNR 5, 0 bis 110 >500 MHz bis GHz 0, Empfängerlinearität <(0,01 + 0,005 /10) Weitergabe nur mit Genehmigung der esz AG calibration & metrology, Max-Planck-Str. 16, 8 Eichenau, Germany.

20 XIII.5.8 Filtereigenschaften von Selektionsfiltern XIII Bandbreite Die Kalibrierung von Messempfängern oder Spektrumanalysatoren (SA) erfordert die Kalibrierung der Filtereigenschaften der Selektionsfilter. Bestimmt wird bei der Filterbandbreite der Frequenzabstand zwischen den (oder 6 ) Punkten der dargestellten Messkurve eines (schmalbandigen) Sinussignals. Die Kalibrierung erfolgt nach dem in VDI/VDE/DGQ/DKD 6-11:00 Abs...6 genannten Verfahren üblicherweise bei einer Mittenfrequenz von 50 MHz. 10 MHz Ref. S HF-Quelle Spektrumanalysator Bild XIII Kalibrieraufbau zur Kalibrierung der Filtereigenschaften von Spektrumanalysatoren oder Messempfängern Einstellungen und Kalibrierablauf am Spektrumanalysator (Beispiel): Mittenfrequenz auf Bezugsfrequenz einstellen (z.b. 50 MHz) Eingangsabschwächer auf 10 einstellen Referenzpegel (oberste Skalierungslinie) auf Bezugspegel einstellen (z.b. Pegel des Kalibriergenerators) Skalierung auf 1 /Div einstellen entsprechende Span/Div einstellen (Bild 1 so groß wie möglich) größte Bandbreite einstellen Ablenkzeit passend zur gewählten Bandbreite einstellen Am Synthesizer gleiche Frequenz wie Mittenfrequenz einstellen. -Bandbreite ermitteln. Kalibrierung der Filterbandbreite von Spektrumanalysatoren (VDI/VDE/DGQ/DKD 6-11:00 Abs...6) Da sowohl die Ablesung der Frequenz als auch der Leistungsdifferenz (Dämpfung) zwischen Maximum und -Punkten am Messobjekt selbst erfolgt muss der Kalibriergegenstand vor dieser Messung bezüglich Leistung (Frequenzgang), Dämpfung (Linearität) und Frequenz (Markerabweichung) kalibriert worden sein, damit die Rückführung auf die Messgrößen Dämpfung und Frequenz garantiert werden kann. Die Frequenzabweichung des Normals bzw. des Kalibriergegenstandes liefert jedoch nur einen unwesentlichen Anteil zur Gesamtunsicherheit, oft können sogar Generator und Messobjekt synchronisiert werden, so dass sich keine zusätzlichen relativen Abweichungen ergeben. XIII Modellgleichung BB BBgemessen K f K Lin K K noise K Re s, E f K Re s, f Der Faktor berücksichtigt die Tatsache, dass die Bandbreite BB gemessen aus zwei Markermessungen (Delta links und rechts der Mittenfrequenz) ermittelt wird. mit BB BB gemessen K f K K Lin E f K noise K Res, K Res,f gesuchte Bandbreite gemessene/ ermittelte Bandbreite Korrektionsfaktor aufgrund der Frequenzunsicherheit Korrektionsfaktor durch Frequenzgang des Kalibriergegenstandes=Normals Korrektionsfaktor durch die Nichtlinearität des Normals Empfindlichkeitsfaktor durch die Steilheit des Filters Korrektion durch Eigenrauschen Korrektion durch die begrenzte Pegelauflösungauflösung bei der Messung Korrektion durch die begrenzte Frequenzauflösung bei der Messung Weitergabe nur mit Genehmigung der esz AG calibration & metrology, Max-Planck-Str. 16, 8 Eichenau, Germany.

21 K f K K Lin E f K Res,f K Res, K noise Das Frequenznormal kann ein verstimmbarer Signalgenerator oder der Kalibriergegenstand selbst sein. Hierdurch werden Unsicherheitsintervalle erzeugt die i.d.r. deutlich unter liegen. Durch den Frequenzgang des Kalibriergegenstandes im Bereich des eingestellten Spans entsteht ein Unsicherheitsbeitrag. Der Frequenzgang wird gemessen: In kleinen Intervallen kann davon ausgegangen werden, dass die gemessenen Differenzen zwischen Referenzfrequenz und Bandbreitenpunkt einen Wert von 0,0 nicht übersteigen. Die Linearitätsabweichung des Kalibriergegenstand wird gemessen und geht bis zum -Wert in das Messergebnis mit. Bei Annahme maximaler Abweichungen von 0,01 +0,005 /10 ensteht ein maximales Unsicherheitsintervall 0,01 für die Bandbreite bzw. 0,04 für die 60 Bandbreite Die Filtersteilheit bildet auftretende Pegelintervalle auf die Frequenzachse ab. Die Empfindlichkeit E f ergibt sich mit der gemessenen Steilheit S F der Selektionsfilter 8 zu S F 1 % E f Bei typischen Werten von SF von 5:1 oder steiler ergeben sich Werte für E f besser als 7% pro Die Ablesung bei der Messung erfolgt i.d.r. nicht genauer als 4 Stellen, wodurch sich im schlechtesten Fall eine Abweichungsintervall von 0,1% ergibt Die Ablesung der Unterschiedsmessung der 0 und Bandbreitenpunkte erfolgt i.d.r. nicht genauer 0,01 Der Unsicherheitsanteils durch Signalrauschen ergibt sich durch den Signal zu Rauschabstand zu maximal 0,00 bei einem SNR von 70 bzw. 0,15 bei einem Rauschabstand von 15 8 Verhältnis zwischen 60 und Bandbreite = Formfaktor Weitergabe nur mit Genehmigung der esz AG calibration & metrology, Max-Planck-Str. 16, 8 Eichenau, Germany.

22 XIII Beispiel und tabellarische Aufstellung der Messunsicherheitsbilanz Kalibriert wird die 100 Hz Filterbandbreite eines Spektrumanalysators durch Verwendung der Delta- Marker Funktion bezogen auf den Spitzenwert des Signals (Peak). Größe X i BB gemessen Schätzwert x i 100,1 Hz Halbbreite a Verteilung K f Rechteck E f % 7 K 0 0,0 Rechteck K noise 0 0,00 Rechteck K Res, 0 0,01 Rechteck K Res,f 1 0,1 % Rechteck BB Unsicherheit w(x i) Sensitivität skoeffizient c i Unsicherheitsbeitrag w i(y) 0,00 % 0,0 E f 0,4 % 0,0 E f 0,0 % 0,01 E f 0,08 %,1 % 0 1 0,06 % 100,1 Hz N w( BBBW ) ui ( y) 0,6 % i1 rel. erweiterte Messunsicherheit(k=) W( BBBW ) k u( LDUT ) 0,5 % XIII.5.8. Steilheit der Selektionsfilter (Formfaktor) Das Verfahren zur Kalibrierung der Steilheit der Selektionsfilter ist ebenfalls in VDI/VDE/DGQ/DKD 6-11:00 Abs...7 beschrieben. Der Messaufbau ist identisch zu Bild XIII Der Kalibrierablauf ist ebenfalls nahezu identisch zur Filterbandbreitenmessung: Zusätzlich zur Bandbreite f wird noch die 60 Bandbreite f60 benötigt, um das Verhältnis der beiden Werte zu bilden. Die Filtersteilheit S errechnet sich dann zu S f f 60 Bild XIII Ablesung der 60 Bandbreite gemäß VDI/VDE/DGQ/DKD 6-11:00 Abs...7 Die Rückführung erfordert auch hier die vorangehende Kalibrierung des Messobjekts bezüglich Dämpfung und Frequenz, damit dieses dann als Normal für diese Messung verwendet werden kann. Weitergabe nur mit Genehmigung der esz AG calibration & metrology, Max-Planck-Str. 16, 8 Eichenau, Germany.

23 Die Unsicherheit ergibt als Summe der Unsicherheiten der - und 60 -Bandbreite BB und BB60. Dominierender Anteil bildet die Unsicherheit der Bestimmung der 60 -Bandbreite, die wesentlich durch den Signal zu Rauschabstand während der Messung beeinflusst wird. W ( S) W ( BB BB ) W ( 60) XIII.5.8. Umschaltabweichung der Selektionsfilter Die Umschaltabweichung der Selektionsfilter von Spektrumanalysatoren oder Messempfängern gibt die maximale Veränderung des Messwertes bei Veränderung der Messbandbreite wieder. Sie wird gemäß VDI/VDE/DGQ/DKD 6-11:00 Abs...8 ermittelt. Der Messaufbau ist in Bild XIII dargestellt: Messbeispiel: Mittenfrequenz auf Bezugsfrequenz einstellen (z.b. 50 MHz) Eingangsabschwächer auf 10 einstellen Referenzpegel (oberste Skalierungslinie) auf Bezugspegel einstellen (z.b. Pegel des Kalibriergenerators) Skalierung auf 1 /Div einstellen entsprechende Span/Div einstellen größte Bandbreite einstellen Ablenkzeit passend zur gewählten Bandbreite einstellen Am Synthesizer gleiche Frequenz wie Mittenfrequenz einstellen Referenzlinie (zwei Div unter Maximalpegel einstellen. Bandbreiten schrittweise herunterschalten (gleichzeitig Span/Div evtl. gemäß Herstellerangabe verringern) Pegelabweichung bei allen Bandbreiteneinstellungen ermitteln. Kalibrierung der Umschaltabweichung der Filter von Spektrumanalysatoren (VDI/VDE/DGQ/DKD 6-11:00 Abs...8) Die lückenlose Rückführung wird bei externer Frequenzsynchronisation durch die vorangegangene Linearitätskalibrierung des Messobjektes selbst garantiert (Messgröße Dämpfung), da der Messwert direkt am Kalibriergegenstand abgelesen wird. XIII Modellgleichung RBWSwitching gemessen Gen, Stab Re s mit RBW-Switching gemessen Gen,Stab Res Lin Lin gesuchte Umschaltabweichung des Selektionsfilters bezogen auf Ausgangsstellung gemessene/ ermittelte Umschaltabweichung Korrektion aufgrund der Generatorinstabilität Korrektion durch die begrenzte Pegelauflösungauflösung bei der Messung Korrektion durch die Nichtlinearität der Anzeige Gen,Stab Res Lin Die Instabilität der Signalquelle leistet i.d.r. kaum messbare Anteile. Sie wird dennoch mit einem maximalen Einfluss von 0,005 berücksichtigt Die begrenzte Auflösung und Wiederholbarkeit des Kalibriergegenstandes, z.b. des Deltamarkers, wird für typische Messobjekte besser als 0,01 angenommen. Die Linearitätsabweichung des Kalibriergegenstand wird gemessen und geht in das Messergebnis mit ein. Für die Berechnung der Messunsicherheit werden maximale Linearitätskorrekturen von 0,015 bei typischerweise kleinen gemessenen Abweichungen <1 angenommen. Weitergabe nur mit Genehmigung der esz AG calibration & metrology, Max-Planck-Str. 16, 8 Eichenau, Germany.