Lineare Messung von Kenngrössen

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1 FB5 Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrgebiet Hoch- und Höchstfrequenztechnik Prof. Dr.-Ing. H. Heuermann Lineare Messung von Kenngrössen (Schaltzeiten,Drift und Wirkungsgrad) Referat Zhang, Xin 20,12,2007

2 Bei Lernen von HF-technik nimmt es Bezug auf viele Schwerpunkte oder Schwierigkeiten. Die Messung von verschiedener Kenngrössen ist eine davon. So mein Thema ist lineare Messung. Messung von Schaltzeiten und Drift Zum Schalten von Hochfrequenzsignalen verwendet man elektromechanische Schalter. Schalter auf der Basis von Feldeffekt-Transistoren haben zwar keine mechanisch trägen Antrieb, benötigen aber dennoch eine Schaltzeit, die im Wesentlichen durch Umladeeffekte bestimmt wird. Messung der Schaltzeit mit externer Triggerung Zum Messen der Schaltzeit wird die Transmission a s21 bzw. Der Betrag des Transmissionsfaktor a s21 am Schalter gemessen. Am gerät wird die externe Triggerung aktiviert. Das Triggersignal wird als 3,3-V-TTL-Pegel abgeriffen und an den Anschluss EXT TRIGGER des Netzwerkanalysators geführt. Das Signal, das direkt zum elektromechanischen Antrieb führt, sollte niemals verwendet werden, da es während des Umschaltens eine Selbstinduktionsspannung(siehe Abb1.) aufweisen kann. Diese Spannung führt zu einer fehlerhaften Triggerung oder im ungünstigsten Fall sogar zur Beschädigung des Netzwerkanalysators. Abb.1 Abgriff des Triggersignals Messung der Drift mit HF-Trigger Um Drift zu messen, kann man mit zwei verschiedenen Trigger verwenden. Erste Methode ist die Verwendung mit HF-Trigger. Bei Schaltern auf der Basis von Feldeffekt-Transistoren interessiert auch die Drift des Schalters. Die Messung kann direkt durch den HF-Pegel ausgelöst werden, so dass kein externes Triggersignal erforderlich ist. Für Messung der Transmission s 21 ist dazu der HF-Pegel der Wellengrösse b 2 auszuwählen.

3 Messung der Drift mit Software-Trigger Nicht jeder Netzwerkanalysator verfügt über einen HF-Trigger. So bei Messung der Drift ist zweite Methode Verwendung mit Software-Trigger. Ü ber ein Programm auf einem externen Rechner wird zuerst den Sweep ausgelöst und anschliessend das Messobject(FET-Schalter) umgeschaltet. Man spricht daher von einer asynchronen Triggerung. Die Messkurve (Betrag und Phase) wird in den externen Rechner eingelesen und anschliessend das Verhalten des HF-Triggers simuliert, d.h. in den Daten der Messkurve(Abb.2) wird der Zeitpunkt gesucht, zu dem der Parameter s 21 erstmalig eine vorgegebene Schwelle von z.b. -30 db überschreitet. Abb.2 Schaltzeit von FET-Schaltern mit geringer und hoher Drift Nachteilig für die Untersuchung schneller Schaltvorgänge ist, dass am Netzwerkanalysator eine Sweep-Zeit von 1s erforderlich ist, um die bei einer asynchronen Triggerung auftretenden zeitlichen Schwankungen bewältigen zu können.

4 Messungen an Verstärkern im Pulsbetrieb Im Bereich der mobilen Kommunikation werden die Ausgangsverstärker oft gepulst betrieben, man spricht dann von einem Impulsbetrieb. Wie die zwei folgenden Gründe zeigen, muss die Betriebssituation auch bei der Messung mit dem Netzwerkanalysator eingehalten werden: Die Verstäker sind meist nicht für den Dauerbetrieb ausgelegt. Bei einer wesentlichen Ü berschreitung der Betriebszeiten droht ihre Zerstörung. Man möchte einen Einblick in das Verhalten des Bauteils unter realistischen Betriebsbedingungen bekommen. Die Signale aus einem Funktionsgenerator schalten das Messobjekt ein und aus. Der SYNC-Ausgang des Funktionsgenerators wird mit dem Triggereingang EXT TRIGGER der Netzwerkanalysators verbunden. Am Netzwerkanalysator wird der externe Triggermodus aktiviert. Er ist so zu konfigurieren, dass pro Triggerereignis genau ein Messpunkt aufgenommen wird; man spricht dann vom Punkttrigger. Hier muss man zwei Punkte aufpassen. 1. Durch die als Trigger-Zeitversatz bezeichnete Verzögerungszeit von 100us wird vermieden, dass die Messung während des Einschwingens des Messobjekts stattfindet. 2. Meist ist bei der Messung eine Zweitorkalibrierung aktiviert. Innerhalb der Zeit ist dann ausser der Vorwärtsmessung auch eine Rückwärtsmessung durchzuführen. Die zeitlichen Zusammenhänge können der Abb. 3 entnommen werden. Abb.3 Messablauf mit Zweitorkalibrierung

5 Messung des Wirkungsgrads Der Verstärkerwirkungsgrad(PAE, Power Added Efficiency) wird danach bemessen, welcher Anteil der einem Verstärker als Gleichspannung zugeführten Leistung tatsächlich in HF-Leistung umgesetzt wird. Die umgesetzte HF-Leistung ist die Differenz zwischen der Ausgangsleistung und der am Eingang zugeführten HF-Leistung. P HF =P HFout P HFin Leistung, die vom Verstärkereingang wegen Fehlanpassung reflektiert wird, ist als Verlustleistung anzusehen. Die Annahme P Hfin = a 1 2 gilt für die HF-Eingangsleistung. Als Ausgangsleistung wird die an die reflexionsfreie Last abgegebene Leistung P HFout = b 2 2 betrachtet. P HF = b 2 2 a 1 2 Aus den beteiligten Leistungen berechnet man den Wirkungsgrad des Verstärkers als: η PAE (f,p HFin )=( b 2 2 a 1 2 )/ P DC Bei Verstärkern hängt der Wirkungsgrad η PAE typischerweise von Eingangsleistung, Betriebsfrequenz und Bauteiltemperatur ab. Der Netzwerkanalysator hat spezielle Gleichspannungsmesseingänge (DC MEAS) für das Erfassen der Gleichstromleistungsaufnahme des Messobjektes. Die Spannung U DC kann meist direkt an diese Eingänge angelegt werden. Der Strom I DC muss hingegen indirekt als Spannungsabfall an einem Präzisionswiderstand erfasst werden. Abb.4 Messgrössen zur Bestimmung des Wirkungsgrades Die folgende Tabelle zeigt ein paar ausgewählte Stromversorgungsskonzepte mit den zugehörigen Messengrössen. Die Berechnung der vom Netzwerkanalysator benötigten Konstanten k ist mit angegeben.

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