Hewlett Packard 8722D Network Analyzer, 50 MHz 40 GHz

Transkript

1 Hewlett Packard 8722D Network Analyzer, 50 MHz 40 GHz 1) Einleitung Aufgrund der Tatsache, dass es bei hohen Frequenzen nicht mehr möglich ist, Ströme und Spannungen zu messen, ohne den Feldverlauf zu stören, werden die bekannten y-, z- und h-parameter nur bei Schaltungen unterhalb von 50 MHz zur Messung verwendet. Bei Schaltungen der Hoch- und Höchstfrequenztechnik ergeben sich im messtechnischen Bereich folgende Probleme: - Ströme und Spannungen lassen sich zwar definieren, sind aber nur bedingt an den Toren zu messen. - Kurzschlüsse und Leerläufe (z.β. λ /4 Transformation eines Kurzschlusses bei einer Frequenz) sind, wenn überhaupt, nur relativ schwer zu realisieren. - Aktive Bauteile sind belastungsabhängig und neigen zum Schwingen (kann durch einen Abschlussreflexionsfaktor r a 1 hervorgerufen werden). - Die Signale sind nicht nur zeit- sondern auch ortsabhängig. Das bedeutet, sie besitzen Wellencharakter. Daraus resultiert der Einsatz der Streuparametermessung am Mehrtor im Frequenzbereich von 50 MHz bis etwa 100 GHz. Bei dieser Messmethode arbeitet man nur noch mit hinlaufenden und reflektierten Wellen, bei welchen Phasen und Amplituden messtechnisch direkt erfasst werden können. 2) Vorbereitungen zum Versuch Zur Versuchsvorbereitung sollten Sie sich zunächst einige Vorlesungsinhalte erneut verdeutlichen. Daher ist es sinnvoll, folgende Kurzfragen vor der Versuchsdurchführung zu bearbeiten. Frage 1: Frage 2: Warum muss der Network Analyzer kalibriert werden? Was versteht man unter der Grenzfrequenz (3dB Frequenz)? Und was passiert bei diesen Frequenzen mit der Spannung? Jochen Hanika & Marcel Müller 1/17

2 Ergänzen Sie die folgende Tabelle: Abschwächung auf Leistung für 0 dbm 1mW 0 dbm 1 mw -3 dbm -6 dbm -10 dbm -17 dbm -20 dbm Frage 3: Was kann man aus dem Smithdiagramm herauslesen? Frage 4: Was sind m-kreise und wozu werden sie verwendet? Frage 5: Was ist Leistungsanpassung und wo befinden wir uns im Smithdiagramm (m-kreise)? Frage 6: Erläutern Sie die Funktion einer Sliding Load. Befassen Sie sich zusätzlich mit der Realisierung von Ersatzschaltbildern anhand des Smith-Diagramms. 3) Bedienung des Netzwerkanalysators Im folgenden Versuch arbeiten Sie mit dem HP8722D von Agilent Technologies. Über die parallele Schnittstelle ist ein HP-Drucker angeschlossen, womit sich während der Versuchsdurchführung die gewonnenen Messergebnisse ausdrucken lassen. Die Bedienung des Netzwerkanalysators wird im Anschluss näher erläutert. Jochen Hanika & Marcel Müller 2/17

3 Bild 1: HP8722D Netzwerkanalysator Frontansicht Bedienungselemente auf der Gerätevorderseite: 1. Hauptschalter (OFF/ON Switch): Hier wird der Netzwerkanalysator einund ausgeschaltet. 2. Bildschirm (Display): Es werden Messergebnisse und Funktionstastenbelegungen angezeigt. 3. Diskettenlaufwerk (Disk drive) : Zum Ablegen von Instrumentenzuständen und Messergebnissen. 4. Funktionstasten (Softkeys): Auf dem Bildschirm werden die Funktionen der Tasten menüabhängig angezeigt. 5. Einstellung der Messbereichsgrößen (STIMULUS function block): Mit diesen Tasten werden die Frequenzbereiche eingestellt. Beim Wechsel des Messobjekts immer die Ausgänge abschalten: on OFF 6. Antwortblock (RESPONSE function block): Dieses Tastenfeld beinhaltet Einstellmöglichkeiten bezüglich der Bildschirmdarstellung. 7. Kanalwahltasten (ACTIVE CHANNEL keys): Hier kann der aktive Kanal ausgewählt werden. 8. Eingabeblock (ENTRY block): Mit diesem Tastenfeld können diverse Eingaben in alphanumerischer Form getätigt werden. Jochen Hanika & Marcel Müller 3/17

4 9. Systemfunktionen (INSTRUMENT STATE function block): Das Tastenfeld beinhaltet Funktionen wie Speichern, Laden, Drucken, etc. 10. Voreinstellungstaste (PRESET key): Durch Drücken dieses Knopfes wird das Messgerät auf eine Grundeinstellung zurückgesetzt. 11. R-Kanal (R-CHANNEL connector): Hier kann ein externes Signal in den Analysator eingespeist werden. 12. Messtore (PORT 1 & PORT 2): Hier wird das Messobjekt angeschlossen. 4) Versuchsdurchführung Achtung! Sie arbeiten bei diesem Versuch mit sehr feinen Gewindegängen, daher benutzen Sie bitte zum Anziehen der Konnektierungen nur die dafür vorgesehenen Drehmomentschlüssel! Bei der Befestigung ist darauf zu achten, dass sich nur die Befestigungsmuttern drehen und nicht das komplette Messobjekt! 4.1) Transmissionsmessung S 21 Nehmen Sie zunächst den Netzwerkanalysator und den daran angeschlossenen Drucker in Betrieb. Der Netzwerkanalysator lädt eine Grundeinstellung, bei welcher die Quelle (Source Power) ausgeschaltet ist. OFF/ON USER Um nun verwertbare Messergebnisse bei der Transmissionsmessung zu erzielen, muss zunächst eine Kalibrierung durchgeführt werden. Stellen Sie dazu zunächst eine direkte Verbindung zwischen beiden Messleitungen (siehe Bild 2) her. Bild 2: Direkte Verbindung beider Messleitungen Jochen Hanika & Marcel Müller 4/17

5 Folgende Einstellungen sind am Netzwerkanalysator vorzunehmen: Startfrequenz: 1 GHz Start 1 G / n Stoppfrequenz: 15 GHz Stop 1 5 G / n Streuparameter: S 21 Meas Trans: FWD S21 (B/R) Um die Kalibrierung durchzuführen, muss die Quelle (Source Power) eingeschaltet sein. ON off Folgend wird nun die Kalibrierung des Ansprechverhaltens (Response) im Bereich von 1 bis 15 GHz vorgenommen. Beachten Sie, dass die Kalibrierung sofort verloren geht, sobald Sie den Frequenzbereich anpassen. Cal CALIBRATE MENU RESPONSE THRU Schalten Sie nun die Quelle (Source Power) aus on OFF Jetzt können Sie das Messobjekt, wie in Bild 3 zu erkennen, an die beiden Messleitungen anschließen und den Dämpfungsverlauf messen. Bild 3: Messobjekt zwischen Port 1 und Port 2 angeschlossen Jochen Hanika & Marcel Müller 5/17

6 Darstellungsform: Format Dämpfungsverlauf LOG MAG Schalten Sie nun die Quelle (Source Power) ein: ON off Aktivieren Sie die Autoskalierung des Messgerätes: ScaleRef AUTO SCALE Wie Sie sicher schon festgestellt haben, ist die Darstellung des Dämpfungsverlaufs nicht ideal. Passen Sie die Start- und Stoppfrequenz nun an, um eine verwertbare Darstellung zu erhalten. Bedenken Sie, dass Sie nach der Änderung des Frequenzbereichs eine erneute Kalibrierung durchführen müssen. Schalten Sie die Quelle (Source Power) aus on OFF Stellen Sie wieder eine direkte Verbindung zwischen beiden Messleitungen her (siehe Bild 2) und führen Sie wieder eine Kalibrierung des Ansprechverhaltens (Response) im gewählten Frequenzbereich durch. Startfrequenz: 10 GHz Start 1 0 G / n Stoppfrequenz: 10,5 GHz Stop G / n ON off Cal CALIBRATE MENU RESPONSE THRU Schalten Sie die Quelle (Source Power) aus on OFF Bauen Sie wieder die Messschaltung aus Bild 3 auf und schalten die Quelle (Source Power) ein. ON off Setzen sie nun die Referenzposition auf 7 Div. ScaleRef REFERENCE POSITION 7 x1 Jochen Hanika & Marcel Müller 6/17

7 Verschieben Sie die Messkurve mit Hilfe des Scrollrades so, dass der Durchlassbereich der Messkurve auf der Referenzlinie abgebildet wird. ScaleRef REFERENCE VALUE Des Weiteren ist zu empfehlen die Skalierung auf 1 db pro Skalenteil einzustellen. ScaleRef SCALE/DIV 1 x1 Ebenso sollte die Durchlaufzeit (Sweep Time) auf 1 Sekunde gestellt werden. SWEEP TIME [AUTO] 1 x1 Benutzen Sie nun die Marker, um relevante Frequenzen angeben zu können. Mit Hilfe des Scrollrades können Sie die Marker entlang der Messkurve bewegen. Marker 1 Marker 2 Marker 3 Drucken Sie nach Absprache mit dem Laborleiter das Ergebnis aus. Copy Erläutern Sie die Messkurve und tragen Sie die relevanten Messergebnisse in die Tabelle ein. Marker Frequenz in GHz Dämpfung in db PRINT COLOR Um welches Bauteil handelt es sich? Geben Sie den Durchlassbereich an f Jochen Hanika & Marcel Müller 7/17

8 Wechseln Sie nun in die Darstellungsform Smith-Diagramm. Format SMITH CHART ScaleRef SCALE/DIV 1 x1 Drucken Sie nun nach Absprache mit dem Laborleiter das Ergebnis aus. Copy PRINT COLOR Erläutern Sie den Graphen. Schalten Sie die Quelle (Source Power) aus on OFF 4.2) Reflexionsmessung S 11 Folgend wenden wir uns der Reflexionsmessung am gegebenen Bauteil zu. Doch vor Beginn der Messung muss der Network Analyzer für diese Messung kalibriert werden. Verbinden Sie zunächst den Leerlauf (Open) mit der von Port 1 kommenden Messleitung (siehe Bild 4). Wählen Sie dazu die Messmethode Reflexionsparameter S 11 und schalten Sie die Quelle (Source Power) wieder ein. Meas Refl: FWD S11 (A/R) ON off Was messen Sie mit diesem Streuparameter? Startfrequenz: 10 GHz Start 1 0 G / n Stoppfrequenz: 10,5 GHz Stop G / n Nun führen Sie wie folgend beschrieben eine 1 Port Fehlerkorrektur durch. Cal CALIBRATE MENU S11 1-PORT OPEN Jochen Hanika & Marcel Müller 8/17

9 Bild 4: Leerlauf an der Messleitung von Port 1 Entfernen Sie den Leerlauf von der Messleitung und schließen Sie den Kurschluss (Short) an die von Port 1 kommende Messleitung (siehe Bild 4). Achtung: Bei der Kalibrierung bleiben die Ausgänge eingeschaltet! SHORT Ersetzen Sie schließlich noch den Kurzschluss gegen die verschiebbare Last (Sliding Load) LOADS SLIDING Zur Kalibrierung benötigt der Messplatz 5 verschiedene Positionen der Sliding Load. Stellen Sie also eine beliebige Position an der Sliding Load ein und drücken Sie danach: SLIDE is SET Wiederholen Sie diesen Vorgang so oft, bis der Messplatz folgenden Hinweis ausgibt: Press Done if finished with STD(s) Beenden Sie nun die Kalibrierung wie folgt: SLIDING LOAD DONE DONE: LOADS DONE 1-PORT CAL Schalten Sie die Quelle (Source Power) aus on OFF Verbinden Sie jetzt das Bauteil wie in Bild 3 erkennbar mit beiden Messleitungen und schalten Sie danach wieder die Quelle (Source Power) ein. ON off Jochen Hanika & Marcel Müller 9/17

10 Darstellungsform: Skalierung: Smith-Diagramm 1 Unit FS Format SMITH CHART ScaleRef SCALE/DIV 1 x1 Setzen der 3 relevanten Markerpunkte: Marker G / n Marker G / n Marker G / n Drucken Sie nach Absprache mit dem Laborleiter das Ergebnis aus. Copy PRINT COLOR Wie verhält sich das Bauteil an den drei Markerpositionen (reell, induktiv oder kapazitiv)? Bestimmen Sie zusätzlich die Impedanzwerte der Schaltung bei der jeweiligen Frequenz. (Werte vom Analyzer ablesen und umrechnen! Z 0 50 Ω) Marker Realteil in Ω Imaginärteil in Ω Induktivität bzw. Kapazität in H bzw. F Wo befinden wir uns im Smith Diagramm, wenn Wellenanpassung eingestellt ist? Jochen Hanika & Marcel Müller 10/17

11 Zeichnen Sie die Schaltungen, die das Bauteil für die Markerpunkte 1 und 3 wellenmäßig anpasst und berechnen Sie die Bauteilwerte (Sie können dazu das Smith-Diagramm im Anhang A verwenden). Jochen Hanika & Marcel Müller 11/17

12 4.3) One-Port Reflection Error-Correction für eine Frequenz Schalten Sie die Quelle (Source Power) aus on OFF Schließen Sie das Messobjekt und die Sliding Load, wie in Bild 5 gezeigt, an den Port 1 an. Bild 5: Messobjekt mit angeschlossener Sliding Load Um die Messwerte zu verbessern, haben Sie vor der Messung eine Fehlerkorrektur für den Streuparameter S 11 durchführt (One-Port Reflection Error-Correction). Dabei wurden die Sliding Load, der Kurzschluss und der Leerlauf an das Messobjekt nacheinander angeschlossen und die Messfehler herauskalibriert. Diese Fehlerkorrektur wurde vom Network Analyzer für den voreingestellten Frequenzbereich durchgeführt. Die folgenden Anweisungen sollen das Vorgehen des Network Analyzers für eine einzige Frequenz verdeutlichen. Schalten Sie die Quelle (Source Power) wieder ein. Löschen Sie alle Marker Marker all OFF ON off Stellen Sie die Mittenfrequenz auf 10,24 GHz mit einem Span von 0 Hz und setzen Sie einen Marker auf die Mittenfrequenz. Der Messplatz wird Sie nun darauf hinweisen, dass vorangegangene Kalibrierungen verworfen wurden. Center G / n Span 0 G/ n Marker G / n ScaleRef SCALE/DIV 1 0 k /m Jochen Hanika & Marcel Müller 12/17

13 Verschieben Sie nun die Sliding Load VORSICHTIG. Wie zu erkennen ist, läuft die Ortskurve des Markers auf einem Kreis. Nehmen Sie nun drei Messpunkte des Markers auf und tragen Sie die Werte in die folgende Tabelle ein. Messpunkt Realteil in mω Imaginärteil in mω Bestimmen Sie nun mit Hilfe der zwei folgenden Vorgehensweisen den Mittelpunkt des Kreises. Achtung: Es ist darauf zu achten, dass alle Werte die gleiche Einheit (mω) haben! Mathematische Lösung: Hilfe und weitere Infos unter: Stellen Sie zunächst folgendes Gleichungssystem mit den gewonnenen Messwerten auf. x 1 Realteil Messpunkt 1 y 1 Imaginärteil Messpunkt 1 x 2 Realteil Messpunkt 2 y 2 Imaginärteil Messpunkt 2 x 3 Realteil Messpunkt 3 y 3 Imaginärteil Messpunkt 3 A + B(-x 1 ) + C(-y 1 ) -(x y 1 2 ) A + B(-x 2 ) + C(-y 2 ) -(x y 2 2 ) A + B(-x 3 ) + C(-y 3 ) -(x y 3 2 ) Lösen Sie das Gleichungssystem, um die Werte der Koeffizienten A, B und C zu erhalten. Benutzen Sie nach Möglichkeit einen TI oder PC. A B C Jochen Hanika & Marcel Müller 13/17

14 X Mittelpunk t 2 B Y Mittelpunk t 2 C Z a r in S 11 Z Z a a Z + Z 0 0 r a 0 Graphische Lösung: Zeichnen Sie die Werte in ein geeignetes Koordinatensystem. Verbinden Sie jeweils zwei Punkte miteinander und konstruieren Sie aus den entstehenden Strecken die Mittelsenkrechte. Alle Mittelsenkrechten sollten sich in einem Punkt schneiden, dem Mittelpunkt. Lesen Sie die Koordinaten des Mittelpunkts aus dem Koordinatensystem ab. Benutzen Sie das Koordinatensystem im Anhang. Achtung: Starke Abweichungen möglich, da die graphische Lösung recht ungenau ist! X Mittelpunkt Y Mittelpunkt Z a r in S 11 Z Z a a Z + Z 0 0 r a 0 Jochen Hanika & Marcel Müller 14/17

15 Anhang A: Smith-Diagramm Jochen Hanika & Marcel Müller 15/17

16 Zu Anhang A: Smith-Diagramm Jochen Hanika & Marcel Müller 16/17

17 Anhang B: Koordinatensystem zur Mittelpunktbestimmung Weitere Skalierungen und Achsenbezeichnungen bitte selbst vornehmen! Jochen Hanika & Marcel Müller 17/17