Messunsicherheiten in der vektoriellen Netzwerkanalyse

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Manfred Hase
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1 Messunsicherheiten in der vektoriellen Netzwerkanalyse Matthias Hübler 277. PTB-Seminar Berechnung der Messunsicherheit Empfehlungen für die Praxis Berlin, 11./12. März 2014

2 Motivation und Überblick zum Vortrag Verifizierkit R&S ZV-Z435 Vektorieller Netzwerkanalysator R&S ZVA67 T-Check R&S ZV-Z Messunsicherheiten in der vektoriellen Netzwerkanalyse 2

3 Was misst ein vektorieller Netzwerkanalysator? (1) Reflexion Γ a Eintor- Netzwerk Γ = b a b a hinlaufende Welle b rücklaufende Welle Γ Reflexion Messunsicherheiten in der vektoriellen Netzwerkanalyse 3

4 Was misst ein vektorieller Netzwerkanalysator? (2) Dämpfung A Zweitor- Netzwerk a 1 A = 20 log b 2 a 1 b 2 b 1 a 2 a hinlaufende Welle b rücklaufende Welle A Dämpfung Messunsicherheiten in der vektoriellen Netzwerkanalyse 4

2 b 1 a 2 a hinlaufende Welle b rücklaufende Welle A

5 Wie misst ein vektorieller Netzwerkanalysator? (1) Reflexion Γ Messtor Eintor- Netzwerk Signalgenerator Leistungsteiler Direktives Element a Γ Referenzempfänger b Messempfänger Messunsicherheiten in der vektoriellen Netzwerkanalyse 5

Leistungsteiler Direktives Element a Γ Referenzempfänger b

6 Wie misst ein vektorieller Netzwerkanalysator? (2) Dämpfung A Messtor 1 Zweitor- Netzwerk Messtor 2 Gen a 1 A b 2 Mess Ref Ref Mess b 1 a 2 Gen Messunsicherheiten in der vektoriellen Netzwerkanalyse 6

Gen a 1 A b 2 Mess Ref Ref Mess b 1 a 2 Gen 19.03.

7 Messtor Einflussgrößen der Reflexionsmessung (1) Direktivität D Eintor- Netzwerk Signalgenerator Leistungsteiler Direktives Element a Γ Referenzempfänger D b Messempfänger Messunsicherheiten in der vektoriellen Netzwerkanalyse 7

Leistungsteiler Direktives Element a Γ Referenzempfänger D

8 Messtor Einflussgrößen der Reflexionsmessung (2) Messtoranpassung M Eintor- Netzwerk Signalgenerator Leistungsteiler Direktives Element a Γ Referenzempfänger M b Messempfänger Messunsicherheiten in der vektoriellen Netzwerkanalyse 8

Leistungsteiler Direktives Element a Γ Referenzempfänger M b

9 Dämpfung Messtor Einflussgrößen der Reflexionsmessung (3) Reflexionsgleichlauf T Eintor- Netzwerk Signalgenerator Leistungsteiler Direktives Element a Γ Referenzempfänger Messempfänger T D Frequenz b Messunsicherheiten in der vektoriellen Netzwerkanalyse 9

Leistungsteiler Direktives Element a Γ Referenzempfänger

10 Korrektion der Reflexionsmessung (1) Unkorrigiertes Fehlermodell Ideales Messtor Unkorrigiertes Fehlerzweitor Signalgenerator Referenzempfänger Messempfänger Leistungsteiler Direktives Element D T M D Direktivität T Reflexionsgleichlauf M Messtoranpassung Messunsicherheiten in der vektoriellen Netzwerkanalyse 10

Leistungsteiler Direktives Element D T M D Direktivität T Reflexionsgleichlauf M

11 Korrektion der Reflexionsmessung (2) Eintorkalibrierung Ideales Messtor Unkorrigiertes Fehlerzweitor Kalibrier- Standards Signalgenerator Referenzempfänger Messempfänger Leistungsteiler Direktives Element D T D Direktivität M Γ 1 Γ 2 Γ 3 Open Leerlauf Short Kurzschluss Match Anpassung T Reflexionsgleichlauf M Messtoranpassung Messunsicherheiten in der vektoriellen Netzwerkanalyse 11

Direktives Element D T D Direktivität M Γ 1 Γ 2 Γ 3 Open Leerlauf Short Kurzschluss Match

12 Korrektion der Reflexionsmessung (3) Korrigiertes Fehlermodell Ideales Messtor Unkorrigiertes Fehlerzweitor Korrigiertes Fehlerzweitor Leistungsteiler Direktives Element Signalgenerator Referenzempfänger D M d m Messempfänger T 1 + t d effektive Direktivität t effektiver Reflexionsgleichlauf m effektive Messtoranpassung Messunsicherheiten in der vektoriellen Netzwerkanalyse 12

Referenzempfänger D M d m Messempfänger T 1 + t d effektive Direktivität t effektiver

13 Messunsicherheitsanalyse Reflexion Modellfunktion: Γ Mess = d t Γ + mγ 2 Sensitivitätskoeffizienten: Γ Mess d = 1 Γ Mess t = Γ Γ Mess m = Γ2 Datenblattwerte: Datenblatt Effektive Direktivität d > 46 db Effektiver Reflexionsgleichlauf t < 0.05 db Effektive Messtoranpassung m > 40 db Messunsicherheiten in der vektoriellen Netzwerkanalyse 13

Datenblatt Effektive Direktivität d > 46 db Effektiver Reflexionsgleichlauf t < 0.

14 Wozu brauche ich Verifizierstandards? ı Diverse Fehlerquellen können die Korrektion beeinträchtigen: Defekte/Verschmutzte Konnektoren Falsche Kalibrierkit-Daten Instabile Kabel Usw. ı Fehlerhafte Korrektionen bleiben häufig unbemerkt und führen zu fehlerhaften Messergebnissen ı Daher: Vergleichsmessungen mit weiteren bekannten (Verifizier-) Standards sind nötig. ı Verifizierstandards müssen unkorreliert zu den verwendeten Kalibrierstandards sein empfindlich für die relevanten Einflussgrößen sein Messunsicherheiten in der vektoriellen Netzwerkanalyse 14

ı Fehlerhafte Korrektionen bleiben häufig unbemerkt und führen zu fehlerhaften Messergebnissen ı Daher: Vergleichsmessungen mit weiteren

15 R&S Verifizierstandard Mismatch Korrelation zu Kalibrierstandards Sensitivitätskoeffizienten 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 d t m => Der Mismatch verifiziert die effektive Direktivität d Messunsicherheiten in der vektoriellen Netzwerkanalyse 15

0,2 0 d t m => Der Mismatch verifiziert die effektive

16 R&S Verifizierstandard Offset Short Korrelation zu Kalibrierstandards Sensitivitätskoeffizienten 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 d t m Der Offset Short verifiziert effektiven Reflexionsgleichlauf t und effektive Messtoranpassung m Messunsicherheiten in der vektoriellen Netzwerkanalyse 16

verifiziert effektiven Reflexionsgleichlauf t und effektive

Software-Tool R&S VNAMUC Mismatch Offset Short 19.03.

17 Software-Tool R&S VNAMUC Mismatch Offset Short Messunsicherheiten in der vektoriellen Netzwerkanalyse 17

18 Einflussgrößen der Dämpfungsmessung (1) Fehlanpassung A M Messtor 1 Messtor 2 A M Gen Ref Mess Mess Ref Gen Messunsicherheiten in der vektoriellen Netzwerkanalyse 18

19 Gemessene Leistung Einflussgrößen der Dämpfungsmessung (1) Linearität A Lin Messtor 1 Messtor 2 Gen Ref Mess Eingangsleistung Mess Ref Gen Messunsicherheiten in der vektoriellen Netzwerkanalyse 19

20 R&S Verifizierstandard Stepped Thru Reflexion Dämpfung fehlangepasst geringe Dämpfung Der Stepped Thru verifiziert die Fehlanpassung A M Messunsicherheiten in der vektoriellen Netzwerkanalyse 20

Thru verifiziert die Fehlanpassung A M 19.03.

21 R&S Verifizierstandard Attenuator Reflexion Dämpfung angepasst hohe Dämpfung Der Attenuator verifiziert die Linearität A Lin Messunsicherheiten in der vektoriellen Netzwerkanalyse 21

R&S Verifizierstandard T-Check Reflexion Dämpfung fehlangepasst geringe Dämpfung Der T-Check ist empfindlich für die Einflussgrößen d, t, m, A m Verifikation

22 R&S Verifizierstandard T-Check Reflexion Dämpfung fehlangepasst geringe Dämpfung Der T-Check ist empfindlich für die Einflussgrößen d, t, m, A m Verifikation mit nur einem Standard Aber: Fehler können nicht einem Messtor/Einflussgröße zugeordnet werden Messunsicherheiten in der vektoriellen Netzwerkanalyse 22

23 Vergleich des R&S Verifikationskit gegen bestehende Lösungen R&S Verifikationskit Bestehende Lösung - Ungestützte Luftleitungen (angepasst, fehlangepasst) - Dämpfungsglieder Vorteile: - Eintor- und Zweitor-Verifikation möglich - Einfache Handhabung Nachteile: - Keine Eintor-Standards, daher nur Zweitor-Verifikation möglich - Schwierige Handhabung R&S T-Check Vorteile: Verifikation mit einem Standard Messunsicherheiten in der vektoriellen Netzwerkanalyse 23

24 Zusammenfassung ı Zur Messung der Reflexion und der Dämpfung müssen die nichtidealen Eigenschaften der Messtore durch Messung bekannter Kalibrierstandards korrigiert werden ı Ein Verifizierkit wird benötigt, um diese Korrektion zu überprüfen ı Mit geeigneten Eintor- und Zweitor-Verifizierstandards kann ein Fehler der Korrektion einem Messtor und einer Einflussgröße zugeordnet werden Messunsicherheiten in der vektoriellen Netzwerkanalyse 24

25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Messunsicherheiten in der vektoriellen Netzwerkanalyse 25

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