Hochfrequenzmeßtechnik RF and microwave measurements

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1 Hochfrequenzmeßtechnik RF nd microwve mesurements H. Dlichu Allgemeine Litertur: Adm S. F: Microwve theory nd pplictions. Englewood Cliffs : Prentice Hll Biley A. E. (Hrsg): Microwve mesurement. London: Peter Peregrinus Brynt G. H. : Principles of microwve mesurements. London : Peter Peregrinus CF EM Digest : Conference on precision electromgnetic mesurements. New York: EEE 1978/80/82. Gerdsen F.: Hochfrequenzmeßtechnik. Stuttgrt : Teubner Ginzton E. L. : Microwve mesurements. New York : McGrwHill Groll H.: Mikrowellenmeßtechnik. Wiesbden : Vieweg Hock A. u.. : Hochfrequenzmeßtechnik Teil 1/2. Berlin: Expert 1982/80. Krus A.: Einführung in die Hochfrequenzmeßtechnik. München : Pflum Lnce A. L.: ntroduction to microw ve theory nd mesurements. New York : McGrwHill Lverghett T S. : Hndbook ofmicrowve testing. Dedhm : Artech Lverghett T S.: Modern microwve mesurements nd techniques. Dedhm : Artech Mäusl R. : Hochfrequenzmeßtechnik. Heidelberg : Hüthig Schleifer Augustin Medenwld: Hochfrequenz und Mikrowellenmeßtechnik in der Prxis. Heidelberg: Hüthig Schiele B.: Meßsysteme der HFTechnik. Heidelberg : Hüthig Messung von Spnnung Strom und Phse Lei terschleife Zu leitung.. Mengerö t Mesurement of voltge current nd phse Ubersicht: Spnnungsmessung Survey: Voltgemesurement Zuleitung Mengeröt Stndrdmultimeter und Digitlvoltmeter messen Wechselspnnung durch Diodengleichrichtu ng bis etw 100 khz bzw. 1 MHz. Für höhere r'" Frequenzen werden elektronische HFVoltmeter eingesetzt. Mn unterscheidet drei Einstzbereiche: Spnnungsmessung mit hochohmigem Tstkopf prllel zu einer in der Regel nicht genu beknnten Schltungsimpednz (Bild 1 ) ; b Spnnungsmessung mit hochohmigem Tstkopf und 50QDurchgngsmeßkopf (Bild 1 b); Spnnungsmessung mit ngepßten koxilen 50QMeßköpfen (Bild 1 c). HF Eingong oe Ausg ong Mengeröt ('; Hochohmige Messungen nch Bild 1 werden mit zunehmender Frequenz immer problemtischer. Oberhlb 100 MHz ist die quntittive Auswertung frgwürdig. Die wesentlichen Fehlerquellen sind: Durch die Eingngsimpednz des Tstkopfes Bild 1. Spnnungsmessung. hochohmiger Tstkopf prllel zur Quellenimpednz ZG; b hochohmiger Tstkopf ls Sonde im bgeschirmten 50QSystem ; c ngepßter Meßkopf ls Abschluß einer 50QLeitung (z. B. 25 pf j 637 Q bei 100 MHz) wird die Signlquelle belstet; Resonnzkreise und Filter werden verstimmt. n der Leiterschleife gebildet u s den Meßleitungen und dem Meßwiderstnd werden Störspnnungen induziert. Längere Verbindungs leitungen wirken trnsformierend Vcll0 20 cm bei 100 MHz und = v = 066 co). Spezielle Litertur Seite 1 7 Zwischen der Abschirmung der Zuleitung und der näheren Umgebung (Msse) breiten sich Mntelwellen u s. n Verbindung mit bgeschirmten reflexionsrmen Du rchgngsmeßköpfen bei denen ein hochohmiger Tstkopf die Spnnung in einer 50Q Koxilleitung (bzw. 75QLeitung) mißt lssen sich HFVoltmeter bis etw 2 GHz einsetzen. Wird der Durchgngskopf einseitig reflexionsfrei

2 2 Hochfrequenzmeßtechnik bgeschlossen ergibt sich ein Pegeldetektor (Meßverfh ren s. 12 bis 14). Durch die Fortschritte in der koxilen 50Q Breitbndmeßtechnik ht di e hochohmige Spnnungsmessung strk n Bedeutung verloren. Mit Netzwerknlystoren lssen sich b 5 Hz durch Spnnungsmessungen nch Betrg und Ph se der komplexe Reflexionsfktor bzw. die mpednz eines Eint ors und der komplexe Trnsmissionsfktor eines Zweitors bestimmen (s ). 1.2 Überlgerte Gleichspnnung Superimposed DCvoltge J 'Diodenkennlinie t u / \ Eingongssponnung U1 (sinusförmig ) Au sg 0 n g sweeh sei st ro m G e i eh stromi J onte 0 \ Die gleichzeitige Messung von Gleich und Wechselspnnung ist mit einem Oszilloskop möglich. Soll nur der Wechselspnnungsnteil gemessen werden (Bild 2) wird dem Meßkopf HFSignolquelle U1... G le i ehsponn u ngs mellgeröt v 1 2 J o Bild 3. Messen kleiner Wechselspnnungen im qudrtischen Kennnlinienbereich einer Hlbleiterdiode ein Koppelkondenstor Ck vorgeschltet mit 1/ (wck) ZE' Zur Messung des Gleichspnnungsnteils wird ein kpzitätsrmer Vorwiderstnd Rv (oder eine Drossel) benutzt mit Rv l/ (wce) und Rv RE' Bei gleichzeitigem Vorhndensein von Wechselspnnungen (gepulst oder sinusförmig) speziell im MHz Bereich ist die Messung von Gleichspnnung bzw. Gleichstrom mit elektronischen Multimetern bzw. Digitlvoltmetern schwierig d diese Meßgeräte sehr empfindlich uf überlgerte Wechselfelder regieren und die Meßwerte völlig verfälscht werden. Besondere Umsicht ist notwendig bei steilflnkigen mpulsen in Leistungsendstufen und im Bereich strker Strhlungsfel der bzw. Sendentennen. Ob unerwünschte Rückwirkungen uch solche uf ndere NF Meßgeräte bzw. geregelte Netzgeräte vorhnden der Diodenkennlinie: Dort ht die Diodenkennlinie einen exponentiellen Verluf entsprechend = st [exp(u juth) 1]. Wie in Bild 3 skizziert entst eht ddurch eine Verzerrung des Wech selspnnungssignls in der Form dß ein Gleichspnnungsnteil entst eht der proportionl zum Qudrt des Effekt ivwert s der Eingngswechselspnnung (true RMS; Leistungsmessung) ist. Wenn Signle unterschiedlicher Frequenz nliegen ergibt sich UOiode [U1 cos (w1 t) + U2 cos (w2 t)f = 2 (U1 + U 2) sind ist in jedem Fll vor einer Messung zu klä_ ren. + Wechselspnnungsnteile mit W1 w2 2w1 W1 + 0]2 und 20]2' 1.3 Diodengleichrichter. Diode detector Wechselspnnungen werden mit Hlbleiterdioden in Gleichspnnungen umgewndelt ; diese werden nschließend verstärkt und ngezeigt. Bei Spnnungsmplituden im Bereich 350!lV bis 25 mv befindet mn sich oberhlb von Ruschst ö rungen im sogennnten "qudrtischen Bereich" Für größere Eingngswechselspnnungen wird die Diodenkennlinie liner (s. 12.3). Es tritt normle Hlbwellengleichrichtung (Hüllkurvendemodultion) uf und m Ausgng des nchgeschlteten Tiefpsses knn eine dem Spitzenwert proportionle Gleichspnnung gemessen werden. m Unterschied zum qudrtischen Bereich' ist die Ausgngsgleichspnnung bei gleichzeitigem Vorhndensein unterschiedlicher Frequenzen bh ängig von den Ph senbezieh ungen zwischen den einzelnen Spektrlnteilen. Signolquelle HF Voltmeter 1.4 HFVoltmeter. RFvoltmeter Bild 2. Getrennte Messung von Gleich und Wechselspnnung Neben dem Diodenvoltmeter mit Gleichspnnungsverstärker entsprechend Bild 3 sind im unteren MHzBereich noch HFVoltmeter üblich bei denen der Detekt ordiode ein Breitbndverstärker vorgeschltet ist. Beide HF Spnnungs

3 1 Messung von Spnnung Strom und Phse 3 meßgeräte werden durch Hrm onische des zu messenden Signls sofern diese innerhlb des meßbren Frequenzbereichs liegen beeinflußt. Dies ist nicht der Fll bei HFVoltmetern die ls Überlgerungsempfänger gebut sind. Mn unterscheidet selektive Voltmeter die von Hnd (bzw. rechnergesteuert) uf die gewünschte Frequenz eingestellt werden (Mximumbgleich bei nliegendem Signl) und SmplingVoltmeter die sich utomtisch uf die größte Spektrllinie innerhlb ihres Betriebsfrequenzbereichs einstel len. Ds Uberlgerungsprinzip ergibt gegenüber der direkten Diodengleichrichtung eine beträchtliche Empfindlichkeitssteigerung: Es können Genertor 't 50Q 500 Dömpfungs fehlongeponte Verzweig ung UB Menobjekt glieder zur UA 500 Entkopplung \ r = Durch gongsmen kopf r t noch Spnnungen unter 1!LV gemessen werden. Der Frequenzbereich dieser Geräte geht bis etw 2 GHz; die Empfängerbndbreiten liegen bei 1 khz. Um die Belstung der Signlquelle durch die Kpzität der Verbindungsleitung zum HF V oltmeter zu vermeiden (s. 1.7) werden die 1+r r Gleichrichterdiode bzw. die Mischerdioden unmittelbr hinter den Meßspitzen im Tstkopf untergebrcht (ktiver Tstkopf). b 1.5 Vektorvoltmeter Vector. voltmeter Bild 4. Reflexionsfktormessung mit dem Vektorvoltmeter bei tiefen Frequenzen. Meßufbu; b Auswertung der Messung im SmithDigrmm Bei der Frequenzumsetzung durch Mischung bleiben bei einem zweiknligen HFVoltmeter Die Größe 1 +[ knn im SmithDigrmm (B ild 4 b) eingetrgen werden. Dmit ergibt sich der gesuchte komplexe Reflexionsfktor r grphisch. Für die Zhlenrechnung gilt ' = A A cos 9 CPr = rcsin (A sin (9)/1'). die Amplituden und Phsenbeziehungen der Eingngswechselspnnungen im Zwischenfrequenzbereich erhlten. Mit einem solchen Vektorvoltmeter lssen sich komplexe Reflexionsund Trnsmissionsfktoren messen. n Verbindung mit einem einseitig reflexionsfrei bgeschlossenen Durchgngsmeßkopf ls ngepßtem Pegeldetektor kommen dfür lle in 13 und 14 ngegebenen Meßverfhren in Betrcht. Unter 100 MHz wo häufig keine Richtkoppler oder Widerstndsmeßbrücken zur Verfügung stehen knn eine Schltung nch Bild 4 benutzt werden. Die Verkopplung zwischen der rechten und der Vor der Messung wird die Symmetrie des Meßufbus und die der beiden Knäle des Vektorvoltmeters überprüft z. B. mit einem ngepßten Abschluß n beiden Enden der Verzweigung (Meßergebnis : gleiche Amplituden) und die Phsenwinkelnzeige wird uf Null gestellt. linken Seite des Aufbus wird entweder usgeglichen oder beseitigt: Bei jeder Messung wird der Quotient TJB/ V A gebildet der Genertorpegel wird mit VA geregelt es werden zwei usreichend große Dämpfungsglieder rechts und links dzwischengeschltet es wird eine isolierende Verzweigung 3 db /O nstelle der fehlngepßten Verzweigung benutzt. Für Frequenzen bei denen die Phsendrehung zwischen dem Meßort für VB und dem Meßobjekt vernchlässigbr klein ist gilt dnn VA = VH VB = VH + UR 1.6 Oszilloskop. Oscilloscope Zur Drstellung des zeitlichen Verlufs einer Spnnung werden Oszilloskope (lte Bezeichn ung: Elektronenstrhl oszillo grfen) eingesetzt. AnlogosziUoskop. Ds Stndrdnlogoszilloskop besteht us den Komponenten Tstkopf Verstärker Zeitbsis und Elektronenstrhlröhre. Bei hochohmigem Verstärkereingng (z. B. 1 MD/ll pf) werden Bndbreiten von 0 bis 250 MHz erreicht (Anstiegszeit bis zu 14 ns Amplitudenuflösung 5 m V/Anzeigeeinheit). Mit 50 D Eingngsimpednz knn mn Signle bis 1 GHz drstellen (Anstiegszeit bis zu 350 ps Amplitudenuflösung 10 m V/Einheit Schreib

4 4 Hochfrequenzmeßtechnik geschwindigkeit des Elektronenstrhls bis zu 20 cm/ns). Mögliche Zustzfunktionen des Oszilloskops sind Addition und Subtrktion zweier Zeitfunktionen (bis 400 MHz) Multipliktion (bis 40 MHz) XYBetrieb (bis 250 MHz) sowie digitle Zeit oder Amplitudenmessung zwischen zwei Punkten uf der ngezeigten Zeitfunktion (bis 400 MHz). n der Regel entspricht der Aussteuerbereich des Verstärkers der Höhe des Bildschirms. Bei Übersteuerung ist die ngezeigte Kurvenform verfälscht. Ein Oszilloskop mit z. B. 100 MHz Bndbreite stellt Eingngssignle oberhlb von etw 50 MHz unbhängig von ihrer whren Kurvenform stets ls gltte sin Schwingungen dr. Durch die Tiefpßwirkung von Verstärker bzw. Bildröhre werden die Hrmonischen (210' 310 ) und dmit die Feinstruktur des... Signls unterdrückt. AbtstosziHoskop (Smpling oscilloscope). Signle im GHzBereich werden durch Abtsten in eine niedrigere drstellbre Frequenz umgesetzt (nlog zur scheinbren Drehzhlverringerung wenn ein sich schnell drehendes Rd mit einem Stroboskop beleuchtet wird). Es können nur periodische Zeitfunktionen drgestellt werden. Die scheinbre Anstiegszeit eines Abtstverstärkers entspricht etw der Hlbwertsbreite des Abtstimpulses. Für 25 ps entspricht dies einer oberen Grenze des Drstellbereichs von 14 GHz. Digitloszilloskop. Ein Digitloszilloskop (Digitl smpling oscilloscope DSO) [1] besteht (vom Signleingng us gesehen) us einem stufig einstellbren Dämpfungsglied einem nlogen Vor. verstärker und einem AnlogDigitlWndler (A/DConverter ADC). Drn ngeschlossen sind ein digitler Sp eicher und ein Rechner zur Verrbeitung des digitlisierten Eingngssignls. Neben der herkömmlichen Ausgbe einer Spnnungsmplitude ls Funktion der Zeit uf einen Bildschirm besteht die Möglichkeit einen Plotter oder einen externen Rechner nzuschließen. m Unterschied zum Anlogoszilloskop und zum Smplingoszilloskop die ufwendige Elektronenstrhlröhren benötigen ht ds Digitloszilloskop einen preiswerten Rsterbildschirm bzw. Frbbildschirm. Kenngrößen. Abtstrte (B ereich: 10 MSmples/ s bis 2 GSmples/s) : Bei z. B. 100 MSmples/s (Abtstfrequenz 100 MHz) wird der Momentnwert des Eingngssignls in Abständen von 10 ns gemessen. Um eine Abtstrte von 2 GSmples/s zu erreichen werden z. B. vier A/DWndler mit je 500 MSmples/s prllelgeschltet und ihre Abtstzeitpunkte werden durch dvorgeschltete Verzögerungsleitungen um jeweils 05 ns gegeneinnder verschoben. Auflösung des A/DWndlers (B ereich: 5 Bit bis 15 Bit): Ein A/ DWn dler mit z. B. 10 Bit und ein em Meßbereich von ± 5 V setzt die bgetsteten Meßwerte um in Digitlzhlen mit 10 mv Auflösung. SystemRuschbstnd: Ds uf den Eingng bezogene Eigenruschen des Oszilloskops verringert unter Umständen (z. B. bei der Messung einmliger Vorgänge) die vertikle Auflösung die ufgrund der Auflösung des A/DWndlers erreichbr wäre. Speichertiefe (B ereich: 512 bis Punkte): Die Anzhl der gespeicherten Meßwerte ergibt multipliziert mit der Zeitduer zwischen zwei Abtstungen den Gesmtzeitrum in dem ds Eingngssignl drgestellt werden knn. Bndbreite für einmlige Signle (rel time smpling Bereich: 0 bis 500 MHz; Auflösung bis zu 300 ps): Die nutzbre Bndbreite liegt zwischen 1/4 der Abtstfrequenz wenn mn z. B. nur die Kurvenform eines mpulses betrchten will und 1/10 der Abtstfrequenz sofern mn z. B. Anstiegszeiten genu messen will. Bndbreite für periodische Signle (repetitive smpling Bereich: 0 bis 50 GHz; Auflösung bis zu 025 ps; Triggerbndbreite bis 40 GHz): Zeitlich periodische Signle können wie beim Abtstoszilloskop bereits bei niedrigen Abtstrten mit ho her zeitlicher Auflösung drgestellt werden. Meßwert usgbe. Durch die digitle Signlverrbeitung ergibt sich eine Vielflt von Möglichkeiten ds gemessene Eingngssignl uszuwerten. Stndrdmäßig werden Spnnungsmplituden Zeiten und Frequenzen ls Zhlenwert uf dem Bildschirm usgegeben und Ruschstörungen lssen sich durch Mittelwertbildung (verging) reduzieren. Zusätzlich knn die Zeitfunktion umgerechnet und ds Spektrum nch Betrg und Phse ls Funktion der Frequenz drgestellt werden. Ds Signl knn im Frequenzbereich oder im Zeitbereich gefiltert werden. Bei Zweiknlmessungen knn die Phsenverschiebung zwischen beiden Knälen ls Funktion der Frequenz drgestellt werden. Ein solches mit zusätzlicher Rechenleistung usgestttetes Digitloszilloskop (trnsition nlyzer) knn neben den Funktionen eines Stndrdoszilloskops diejenigen eines Zählers eines Leistungsmeßgeräts eines Spektrumnlystors eines Modultionsmeßgeräts und (zusmmen mit entsprechenden Signlteilern) eines Netzwerknlystors übernehmen. Kurvenformspeicherung. Zur Speicherung einmliger Vorgänge stehen je nch Geschwindigkeitsbereich verschiedene Verfhren zur Verfügung: ) Stndrdoszilloskop + Bildschirmphotogrphie (bis 1 GHz); b) Speicheroszilloskop mit Hlbleitermtrix ls Zwischenspeicher: Auflösung z. B. 9 bit entsprechend 51 2 x 512 Bildpunkten (bis 500 MHz);

5 1 Messung von Spnnung Strom und Phse 5 c) Speicheroszilloskop mit nlogem Spei cherbi ldschirm : Speicherzeiten zwischen 30 s und mehreren Stunden (bis 400 MHz); d) Digitlspeicheroszilloskop : Direkte Anlog Digi tlw ndl ung des Eingngssignls und nschließende Speicherung der di gitlen Dten. Bei 200 MHz Abtstrte bis zu 20 MHz mit 32 db Dynmik (etw 5 bit). Häufig fehlt bei den Geräten nch Verfhren b) oder d) der Bildschirm. Die gespeicherten Dten werden di rekt von einem Rechner weiterverrbeitet. Die Geräte werden dnn ls Trnsientenrekorder oder WveformRecorder bezeichnet. 33 MHz.1./4. Die trnsformierende Wi rkung der Leitung ist dnn nicht mehr vernchlässigbr und mcht Absolutmessungen der Amplitude bei unbeknnter Signlquellenimpednz unmöglich. Bei ni edrigeren Frequenzen ist die Belstung durch die Tstkopfimpednz Huptfehlerquelle : Ein 10 MO / 0 pftstkopfbewirkt bei der Messung n 5 ko ei nen Fehler von 20 % bei f = 1 MHz. Bei komplexer Signlquellenimpednz wird der Meßfehler größer es sei denn der Tstkopf befindet sich berei ts beim Abgleich in der Schltung und seine Kpzität wi rd in den Abgleich einbezogen. Oberhlb von etw 1. 7 Tstköpfe. Pro bes Durch ds Einbringen des Tstkopfes in die zu untersuchende Schltung wird diese beeinflußt. Der Einfluß dieser Rückwirkung und die Wechselwirkungen zwischen der mpednz der Quelle ei nerseits der Eingngsimpednz des Verstärkers ndererseits und der dzwischenliegenden (elektrisch lngen) Tstkopfleitung sind schwer zu überblicken. Bild 5 zeigt einen pssiven Teilertstkopf mit den Erstzschltbildern für die Signlquelle und den Verstärkereingng. Für 11 )e wirkt die Leitung ls konzentrierte Kpzität 11 C. Bei Abgleich des Spnnungsteilers uf gleiche Zeitkonstnten R C ergibt sich ein frequenzunbhängiges Teilerverhältnis von 10: 1. Dieser. Abgleich uf verzerrungsfreie Übertrgung in der Regel mi t einem Rechtecksignl wird vor der Messung durchgeführt. Aus der Abgleichbedingung wird ersichtlich dß Tstköpfe ni cht beliebig usgetuscht werden können: Ein Teilertstkopf für einen 500Eingng oder für einen 1 MO/l 0 pf Eingng läßt sich meist ni cht für einen Verstärker mit 1 MO/50 pf benutzen. Weiterhin gilt der Abgleich nur für konstnten nnenwiderstnd der Signlquelle: Wenn die Anstiegszeit eines Pulsgenertors mit RG = 6000 gemessen werden soll muß uch die Eichquelle zum Tstkopfbgleich RG = 6000 hben. Außerdem muß di e Anstiegszeit der Eichquelle kleiner sein ls die des zu messenden Signls. Eine Tstkopfleitung von 15 m ht bei 132 MHz die elektrische Länge Je/l0 und bei 100 MHz mchen sich zusätzlich Mntelwellen störend bemerkbr (Kontrolle durch Berühren von Tstkopfund Lei tung n verschi edenen Stellen). Durch einen in di e Tstkopfspitze eingebuten Vorverstärker (ktiver Tstkopf) wi rd der Empfi ndlichkeitsverlust des pssiven Teilerkopfes vermieden und di e Eingngskpzität läßt sich weiter verringern. Mit 1 MO/l pf wi rd der nutzbre Frequenzbereich etw um den Fktor 5 größer gegenüber 10 MQ/0 pf. Bei Verstärkern mit 50 0 Eingngsimpednz ergibt sich der größte nutzbre Frequenzbereich. Die Einflüsse der Ver bind ungsleitungen entfllen (für 50 0 Leitungswellenwiderstnd). Sofern dennoch hochohmig gemessen werden soll können Wi derstndsteiler in die Tstkopfspitze eingebut werden (10 :1 mi t 5000/07pF und 100:1 mi t 5 kq/07 pf). Oberhlb von etw 250 MHz lssen sich die in der 500Meßtechnik erreichbren Genuigkeiten mi t hochohmigen Tstköpfen jedoch ni cht mehr erreichen. Di e sinnvolle Anwendung bleibt uf Sonderfälle beschränkt. Durch Vorschlten eines 500Durchführungsbschlusses (feedthrough termintion) läßt sich ein hochohmiger Verstärker behelfsmäßig umrüsten. Die Prllelkpzität des Verstärkers bleibt ddurch unverändert die Frequenzgrenze von der b sie sich ls störender ni ederohmiger Nebenschluß bemerkbr mcht wird jedoch zu höheren Frequenzen hin verschoben. Zur Vermeidung von Mehrfchreflexionen werden Durchführungsbschlüsse so ei ngefügt dß Verbindungsleitungen beidseitig ngepßt bzw. ni e derohmig bgeschlossen sind d. h. der Durchführungsbschluß wi rd immer unmittelbr n Z5 Yo Signolquelle 1 9MQ 5pF ZL=170Q R'=240Q! posslver 1 C m Te'liertostkopf = 26 pf/m pf1mq r Verstörker eingng die Ei ngngsbuchse des Oszilloskops ngeschlossen. Phsenmessungen (s. 1.9) mit dem Oszilloskop sind bei Hochfrequenz in der Regel mi t noch größeren Fehlern behftet ls Amplitudenmessungen. Notwendig ist ni cht nur dß beide Knäle und beide Tstköpfe gleich sind (Kontrolle durch gleichzeitiges Anschließen n den gleichen Meß Bild 5. Pssiver 10: 1Teilertstkopf mit typischen Buelementewerten punkt) sondern ebenflls dß die nnenwi derstände ZG n beiden Meßpunkt en gleich groß

6 6 Hochfrequenzmeßtechnik sind. (Zhlenbeispiel : Tstkopf 10 MQ/ 0 pf; ZGl = 600 Q; ZG2 = 50 Q f = 50 MHz Meßfehler: 53 ). oder Stromzngen in die der Leiter eingelegt wird (Bild 6 b). 1.8 Strommessung Current mesurement Die direkte Messung des Stroms wird bei hohen Frequenzen selten durchgeführt: Es fehlen bruchbre Verfhren zur Messung von Betrg und Phse ; die erstzweise Messung der Leistung bzw. der Spnnung ist in der Regel usreichend; die Stromdichte ist ungleichmäßig verteilt (Skineffekt Proximityeffekt) und der Gesmtstrom ls integrle Größe wenig ussgekräf tlg; durch Auftrennen von Strombhnen zur' Strommessung wird (sofern es überhupt möglich ist) die Leitergeometrie häufig zu strk gestört bzw. die mpednz des Stromkreises zu strk verändert. Diodengleichrichtung. Die Vielfchinstrumente und Digitlmultimeter der NFTechnik gesttten die direkte Strommessung durch Diodengleichrichtung bis etw 10 bzw. 100 khz. HllEffekt. D die Tngentilkomponente des Mgnetfeldes n einer Leiteroberfläche betrgsmäßig gleich der Oberflächenstromdichte ist knn die Messung des Mgnetfeldes mit einer HllSonde zur Strommessung benutzt werden. HllSonden werden ebenflls eingesetzt im Luftsplt eines Strom wndlers bzw. einer Stromznge und erweitern dmit deren Einstzbereich zu tiefen Frequenzen hin bis zur Gleichstrommessung. Die obere Frequenzgrenze wird durch den jeweiligen Aufbu hervorgerufen nicht durch den HllEffekt selbst. nduktive Sonden. Zur Messung von Oberflächenstromdichten können nduktionsschleifen (Bild 7) benutzt werden. Um Meßfehler durch eine zusätzliche Verkopplung mit dem elektrischen Feld zu vermeiden werden die Sonden geschirmt. Durch eine drehbre Schleife bzw. zwei senkrecht zueinnder ngeordnete Koppelschleifen knn die Richtung der Stromdichte ermittelt werden. Sehirmbügel zur Ableitung elektrischer Fe lder H (29 K nd u ktion ss eh leile K Spnmmgsmessung. Durch Messen des Spnnungsbflls n einem kleinen (ohmschen) Meßwiderstnd der in den Stromkreis eingefügt wird knn bei beknntem Widerstnds wert der Strom berechnet werden. Kooxiolleitung zl..lm Sp onn ungsmeng erö t Bild 7. Geschirmte induktive Sonde zur Messung der Oberflächenstromdichte K Thermoumformer. Die Erwärmung eines Heizleiters durch den hindurchfließenden HF Strom und die Messung der Temperturerhöhung mit einem nur thermisch nicht glvnisch ngekoppelten Thermoelement erlubt die Messung des Effektivwerts des Stroms bis zu etw 100 MHz. Stromwndler. Durch induktive Kopplung n den stromführenden Leiter lssen sich nch dem Stromwndlerprinzip (Übertrger mit sekundärseitigern Kurzschluß) Ströme im Bereich 1 Hz bis 200 MHz bzw. 1 GHz messen. Zur Messung werden Ferritringkerne benutzt durch die der zu messende Leiter hindurchgesteckt wird (Bild 6 ) Ferritkern mit Luf tspolt RLOSQ) \ \ Schlitzkopplung. Durch Messung der ntensität einer durch einen Schlitz (z. B. in einer Hohlleiterwnd) hindurch bgestrhlten Welle knn ebenflls uf die Oberflächenstromdichte senkrecht zum Schlitz geschlossen werden. 1.9 Phsenmessung. Phse mesurement Frequenzumsetzung durch Mischung. Die beiden Signle UA und (j B deren Phsenverschiebung cp gsucht ist werden mit zwei Mischern und einem Uberlgerungsoszilltor (L.O.) in eine Zwischenfrequenz im khzbereich umgesetzt und dort nch Verfhren der NF Technik gemessen. Bei symmetrischem Aufbu werden ds Amplitudenverhältnis UA/UB und der Phsenwinkel cp durch die Mischung nicht beeinflußt. Dies gilt nicht nur fü r sinförmigen L.O. sondern uch für Oberwellenmischung und Abtstung. m Unterschied Leiter mit Strom J b Lei ter mi t Stro m J Bild 6. Stommessung mit Strom wndler. Ringkern ls Stromwndler; b Stromwndlerznge dzu wird durch Frequenzvervielfchung bzw. teilung der ursprüngliche Phsen winkel vervielfcht bzw. geteilt.

7 2 Leistungsmessung 7 Netzwerknlystor. Legt mn n die Eingänge eines Netzwerknlystors nicht die hin und rücklufenden Wellen UH und UR sondern llgemein die Signle UA und UB so wird sttt des Winkels des Reflexionsfktors der Winkel cp gemessen. Neben den Geräten mit dem oben erwähnten Zweiknlmischer lssen sich dmit. U_ ua US COS <PAB uch die Meßleitung (14.6) und ds Sechstorreflektometer ( 4.7) zur Phsenmessung einsetzen. Bild 9. Ringmischer ls Phsendetektor Phsenmeßbrücke. D zwei gleichgroße gegenphsige Spnnungen sich zu Null ddieren wird in der Phsenmeßbrücke (Bild 8) mit einem der ein Mgie Tee ersetzt. Unter optimierten Bedin gungen sind Abweichungen von der cosform kleiner ls 1 %0 erreichbr. D ds Ausgngssignl nicht nur vom Phsenwinkel CPAB sondern uch von den Amplituden bhängt müssen UA und U B gleich groß und konstnt sein. Dämpfungsglieder die Amplitudengleichheit eingestellt und mit dem Phsenschieber die Gegenphse. Der Nullbgleich wird durch bwechselndes Verstellen von Amplitude und Phse erreicht. Sofern bei der vorngegngenen Klibrierung (Nullbgleich mit UA n beiden Eingängen) der Phsenschieber uf Null gestellt wr knn bei der Messung der Winkel cp n ihm bgelesen werden. Notwendig ist dß beim Verstellen des Dämpfungsgliedes keine zusätzliche Phsendrehung uftritt. Digitle Zähler. Durch Auszählen der Periodenduer und des Zeitintervlls zwischen zwei benchbrten gleichsinnigen Nulldurchgängen von UA(t) und UB(t) läßt sich der Phsenwinkel cp ermitteln (s ). Oszilloskop. Mit einem Zweiknloszilloskop Dämpfungs glied Klibrierter Phsenschieber läßt sich die Phsenverschiebung us der gleichzeitigen Drstellung der Nulldurchgänge von UA (t) und UB (t) uf dem Bildschirm ermitteln (s. 1.7). Mit einem Einknloszilloskop im xy!jb Cf' Betrie b wird U A (t) n den Vertikl verstärker und Summe ' ;' f;t.! U B (t) n den Horizontlverstärker ngelegt. Auf dem Bildschirm ergibt sich eine Ellipse Nu 11 indiktor (LissjousFigur) us deren Abmessungen und Lge der Phsenwinkel cp berechnet werden knn. Sofern die Signlquellen A und B durch die Dämpfungsglied (nur wenn UA >UB) Bild 8. Phsenmeßbrücke Prllelkpzität hochohmiger Tstköpfe bei hohen Frequenzen nennenswert belstet werden ist der gemessene Winkel cp nur dnn richtig wenn beide Quellenimpednzen gleich sind. Ringmischer. Bei Beschltung eines symmetrischen Mischers entsprechend Bild 9 (UA und UB n die Eingänge für HF(R) und L.O.(L) Ausgngsgleichspnnung m ZFAusgng ( oder X) ergibt sich eine Ausgngsgleichspnnung mit cosförmigem Verluf ls Funktion von cp. Schltungen dieser Art die uch mit nur zwei Dioden und Ausgngstiefpß relisiert werden können heißen phsengesteuerter Gleichrichter Synchrondetektor oder kohärenter Demodultor. Die Funktion wird verständlich wenn mn sich die Dioden ls Schlter vorstellt die von UA (t) betätigt werden. Aus dem gezeichneten Kurvenverluf erkennt mn dß die Ausgngsspnnung für cp = 90 und cp = 270 zu Null wird. Symmetrische Mischer existieren im gesmten koxil nutzbren Frequenzbereich. n Hohlleitertechnik werden die beiden Übertrger durch Spezielle Litertur : [1] HewlettPckrd Druckschrift: Ds DigitlOszilloskop : ein vielseitiges und leistungsfähiges Meßgerät. Bd Homburg Leistungsmessung Power mesuren1ent Allgemeine Litertur : Herseher. B. A. : A threeport method for microwve power sensor clibrtion. Microwve Journl März 1989 S Fntom A. E.: Rdio fiequency nd microwve power mesurements. Stevenge : Peter Peregrinus Spezielle Litertur Seite 10

8 8 Hüchfrequenzmeßtechnik 2.1 Leistungsmessung mit Bolometer Power mesurement with bolometer Referenzquelle. Bei Leistungsmeßköpfen Thermoelementen lssen sich breitbndig kleine Reflexionsfktoren relisieren. 2.3 Leistungmessung mit Hlbleiterdioden Power mesurement with semiconductor diodes m t sehr Unter dem Oberbegriff Bolometer werden Buele mente mit temp erturbhängigem Gleichstromwiderstnd die mn zur HFLeistungsmessung benutzt zusmmengefßt. Thermistor: Hlbleiter mit negtivem Tempertur Koeffizienten (TK) des Widerstnds ; Brretter: dünner Metlldrht mit positivem TK (wenig überlstbr dher heute nur noch selten eingesetzt). Der Thermistor wird in einem geeigneten Gehäuse ls ngepßter HF Abschlußwiderstnd usgeführt. Entsprechend der ufgenommenen HFLeistung erwärmt er sich und somit sinkt sein Gleichstromwiderstnd. Dmit dennoch die HFAnpssung erhlten bleibt und dmit die strk nichtlinere Kennlinie unberücksichtigt bleiben knn wird DC (bzw. NF) Substitution durchgeführt: Der Thermistor ist Element einer Gleichstrom (DC)Widerstndsmeßbrücke. Bei Widerstndsänderung durch ufgenommene HFLeistung wird der Gleichstrom durch den Thermistor so weit verringert bis die Brücke erneut bgeglichen ist. Die Abnhme der Gleichstromleistung wird gemessen und ls Mß für die.. HFLeistung ngezeigt. Thermische Zeitkonstnte : 30 ms bis 1 s. Meßfehler enstehen durch Temperturdrift wenn nch der DC Klibrierung (Anzeige 0) die Thermistorfssung z. B. durch die Hnd des Bedienenden erwärmt wird. Abhilfe durch thermische Entkopplung des Meßthermistors und/oder durch Verwendung eines zweiten Thermistors zur Driftkompenstion. Meßbereich etw + 10 dbm bis 30 dbm. m qudrtischen Bereich (squrew region) ihrer UKennlinie (s. 11.3) können Hlbleiterdioden zur Absolutmessung von Leistungen eingesetzt werden. Aus Gründen der Reproduzierbrkeit und der mechnischen Stbilität werden nur spezielle SchottkyDioden benutzt. Der Spnnungsbfll n einem ngepßten HFAbschlußwiderstnd wird von der Diode verzerrt (gleichgerichtet). Der Gleichnteil des Diodenusgngssignls wird gemessen und ls Mß für die HFLeistung ngezeigt (Bild 1.3). Meßbereich etw von 20 dbm bis 75 dbm; Frequenzbereich koxil 0 bis 60 GHz. Zeitkon stnte der HFDCWndlung : durch die äußere Beschltung vorgebbr (s. 2. 5). Sofern kleine Leistungen gemessen werden sollen kommt nur der Kennlinienteil um den Nullpunkt in Betrcht d ein Diodenvorstrom Temperturdrift und Ruschen vergrößert. Klibrieren vor der Messung durch eine HFReferenzquelle. Mit geeigneten Dioden lssen sich die höchsten Umwndlungswirkungsgrde HFDC erzielen. Bei 70 dbm beträgt die Ausgngsgleichspnnung etw 50 n V. Diodenmeßköpfe bieten reltiv gesehen den größten Dynmikbereich. Auch in bezug uf den 2.2 Leistungsmessung mit Thermoelement Power mesurement with thermocouple mximl ohne Zerstörung des Elements zulässigen Pegel sind sie den nderen Leistungsmeßköpfen überlegen. Bild 1 zeigt die Kennlinie einer typischen Detektordiode. Der "qudrtische Bereich" der Kennlinie in dem ein linerer Zusmmenhng Die Erwärmung eines ngepßten Lstwiderstnds wird ls Gleichspnnung eines thermisch dmit verbundenen Thermoelements gemessen. D die Thermospnnung ein Mß für die Tem zwischen Eingngspegel und Ausgngsgleichspnnung besteht läßt sich durch einen geeigneten DCLstwiderstnd gegenüber dem Leerluffll vergrößern. Die Empfindlichkeitsgrenze ist für Breitbndmessungen physiklisch vorge perturdifferenz zwischen den Verbindungs geben. 70 dbm entspricht nch G. ( 7.1) der punkten zweier Drähte us unterschiedlichen Metllen ist (heißer Punkt m Lstwiderstnd klter Punkt m Gehäuse) ist die Kompenstion von Schwnkungen der Umgebungstempertur bereits im Sensor enthlten und dmit besser ls beim Thermistor. Thermische Zeitkonstnte: z. B. 120 J.ls. Meßbereich etw + 20 dbm bis 30 dbm. Bei niedrigen HFLeistungen liegen thermischen Ruschleistung die ein ohmscher Widerstnd bei Zimmertempertur im Frequenzbereich 0 bis 25 GHz bgibt. Bei niedrigen Pegeln entstehen Meßfehler durch Thermospnnungen m HFEingng. Bei Verwendung einer Spnnungsverdopplerschltung entsprechend Bild 2 wirken sich diese nicht uf die Ausgngsspnnung us. Zugleich wird die Empfindlichkeit die uszuwertenden Thermospnnungen unter 1 J.l V. Drus ergeben sich Anzeigezeitkonstnte n bis zu 2 s im niedri gsten M eßbereich. Klibrieren vor der Messul1l! durch eine HF um 3 db verbessert. Der Temperturgng von Detektordioden ist nichtliner und bhängig vom Lstwiderstnd und vom HFPegel.

9 3 Netzwerknlyse : Trnsmissionsfktor 9 0> ce 10 dbm o 10 => 20 U). G> u; 30 0> co o g' /L Lo stwiderst ond RL = 2 kq Leerlouf / schltet bzw. ndere empfindliche nichtklibrierte Empfänger ei ngesetzt die über vorgeschltete Dämpfungsglieder mi t dem Lei stungsmeßgerät klibriert werden. n llen Fällen sinkt die Genuigkeit der Leistungsmessung. Während der Meßfehler durch ds nstrument di e Anzeige ds Referenzsignl oder die Nullstellung bei hndelsüblichen Geräten unter ± 2 % liegt und der Meßfehler durch di e Unbestimmtheit des Klibrierfktors unter + 3 % können durch di e Fehlnpssung zwischen Quelle und ] mv 10 ] Ausgong sg ei eh sponn ung Bild 1. Kennlinie einer typischen Hlbleiterdetektordiode. HFEingngsimpednz 50 Q NF (DC)nnenwiderstnd 2kQ Meßkopf wesentlich größere Fehler uftreten. Gemessen werden soll di e Leistung P die ei ne Quelle mi t dem nnenwiderstnd ZG n einen Normwiderstnd R (z. B. 50 Q in Koxi lsystemen) bgibt. Gemessen wird mi t einem Meßkopf mi t der mpednz ZE (Bild 3). D di ese drei mpednzen in der Regel nicht mi teinnder übereinstimmen ergibt sich ein Meßfehler durch Fehlnpssung. Sofern rg und re nch Betrg HF Ei n g on g obrt: <t==} und Phse beknnt sind läßt sich der gesuchte Wert us dem Meßwert berechnen: 50Q G eich spo nnung s ousgong P.:emessen = P 11 _ 1 r RE r r 12 = P R EG Zs + R 2 Zs + ZE (1) Bild 2. Leistungsmeßkopf mit zwei Dioden (rg re = Reflexionsfktor der Quelle bzw. des Meßkopfes bezogen uf R). Sind nur di e Beträge beknnt knn mn den mximlen Meßfehler ermitteln. Für rg = re = 01 liegt der Fehler zwischen + 1 % Di e Empfindlichkeit einer Detektordiode (etw und 3% für rg = re = 03 zwischen + 10% 500!lV /!l W im Leerluf) läßt si ch um ein Vielfches (Fktor 20) steigern wenn sttt der breitbndigen Widerstndsnpssung eine und 23 %. Die Schwnkungsbreite ergibt sich drus dß der Zähler 11 rerg 2 bhängig von den Phsenwinkeln von re und rg Werte zwischen schmlbndige Blindbstimmung (Resonnz (1 rerg)2 und (1 + rerg)2 nnehmen knn. trnsformtion) m HFEingng benutzt wi rd Sofern der Fehlernteil 1 r bereits im Kli (tuned detector). 2.4 Abluf der Me ssung Meßfehler Mesurement procedure errors Vor der Messung wird die Anzeige ohne HFSignl uf Null gestellt. Dnn wird di e Anzeige mi t einer Referenzquelle niedriger Frequenz (10 bis 100 MHz) klibriert (Gleichstrom bei Thermi storkopf). Der bei höheren Frequenzen meist bnehmende Wi rkungsgrd des Leistungssensors und di e Verringerung des Meßwerts durch den Reflexionsfktor des Meßkopfes müssen durch einen (n Meßgeräten voreinstellbren) frequenzbhängigen Klibrierfktor zwischen 09 und 10 berücksichtigt werden. Übersteigt die zu messende Leistung den Meßbereich des zur Verfügung stehenden Meßkopfes werden Dämpfungsglieder bzw. Richtkoppler vorgeschltet. st die zu messende Leistung zu klein werden schmlbndige Verstärker vorge brierfktor berücksichtigt ist verbleibt ls Meßunsicherheit nur noch 1/(1 ± rergf. Für re und rg kleiner 022 ergibt si ch ein Bereich unter ± 10%. Durch ds Einfügen von Anpßelementen zwischen Quelle und Leistungsmeßkopf mi t nschließendem Abgleich uf mximle Anzeige treten folgende Probleme uf: Der Klibrierfktor des Meßkopfes gi lt ni cht mehr. Die Zustzverluste im Anpßnetzwerk müssen beknnt sein. 'v Sig nolquelle Leitungen mit Lei tungswellenwiderstond ZL _/ V Le istungsmen kopf Bild 3. mpednzen bei der Leistungsmessung

10 10 Hochfrequenzmeßtechnik Gemessen wird nicht P sondern die Leistung die die Quelle mximl bgeben knn (n eine Lst Z Z*). = E 0 Eine Möglichkeit zur Kontrolle der fehlnpssungsbedingten Meßfehler liegt in der Auswertung der durch den Fktor 1 l rero 2 hervorgerufenen Welligkeit des Meßwerts entweder durch Zwischenschlten einer längenveränd erlichen Leitung (Phsenschieber) od er durch eine Leitung fester Länge und Frequenzmodultion der Quelle (Wobbelmessung). Durch die Breitbndigkeit der meisten Meßköpfe (z. B bis 18 GHz) ents tehen Meßfehler beim Vorhnd ensein zusätzlic her unerwünschter Spektrllinien (z. B. durch Hrmonische oder durch Kippschwingungen der Quelle). Eine Hrmonische deren Pegel 20 db unter dem des Trägers liegt ( 20 dbc = 20 db' below crrier) vergrößert den Meßwert um 1 % d der Meßkopf die Summenleistung nzeigt. Verglichen mit den reltiv kleinen Meßfehlern die bei der Messung von z. B. Zeit Frequenz oder SPrmetern mit hndelsüblichen Meßgeräten erreichbr sind treten bei der Bestimmung der bsoluten Leistung wesentlich größere Fehler uf. Die Ermittlung der Meßgenuigkeit eines speziellen Meßufbus ist schwierig. Der bei Leistungsmeßgeräten in den technischen Dten ngegebene Meßfehler (z. B. + 1 %) enthält nicht den Fehler des Leistungsmeßkopfs (z. B. + 5 %). Mit einem hochwertigen Meßufbu und rechnergesteuerter Fehlerkorrektur lssen sich im Mikrowellenbereich Meßfehler errreichen die bei mittleren Pegeln etw ± 3 % und bei sehr großen bzw. bei sehr kleinen Leistungspegeln 2.6 Klorimetrische Leistungsmessung Clorimetric power mesurement Die HFLeistung wird berechnet us der gemessenen Erwärmung eines ngepßten Lstwiderstnds [1]. Es besteht somit kein prinzipieller Unterschied zur Leistungsmessung mit Thermoelement. Die Bezeichnung klorimetrische Messung ist jedoch gebräuchlich bei der Herstellung von Eichnormlen (z. B. MikrowellenMicroKlorimeter) bei der Messung großer Leistungen. m zweiten Fll wird die Tempertur eines Lstwiderstnds gemessen bzw. die Temperturerhöhung des Kühlmittels beim Durchlufen des Lstwiderstnds. Für Wsser ls Kühlmittel ergibt sich die Leistung zu Pj W = 4186 (Vjcm3) (Ll TtC)j (Lltjs) wenn ds Wsservolumen V in der Zeit Llt um die Tempertur Ll T erwärmt wird. Spezielle Litertur: [1] Lne J. A.: Microwve power mesurement. London: Peregrinus Netzwerknlyse: Trnsmissionsfktor Network nlysis: trnsmission mesuremen t etw ± 10% betrgen. 3.1 Meßgrößen der Netzwerknlyse 2.5 Pulsleistungsmessung Bsic prmeters of network nlysis Pulse power mesurement Mit den bisher beschriebenen CWMeßverfhren wird bei nichtsinusförmigem Signl der zeitliche Mittelwert gemessen. Der zeitliche Verluf der Leistung bzw. die Spitzenleistung lssen sich drus berechnen sofern die Zeitfunktion des Signls oder dessen Spektrum beknnt sind. Zur direkten Messung von Pulsleistungen Spitzenleistungen bzw. LeistungsZeitProfilen eignen sich ufgrund ihrer geringen Trägheit Dioden. Bei entsprechend kpzitäts rmer Beschltung entspricht ds Ausgngssignl des Diodenkopfes der Hüllkurve des HF Eingngssignls. Es knn z. B. mit einer AbtstHteschltung bgefrgt und der Abtstwert knn ls Momentnwert der Leistung ngezeigt werden. Die Breite des Meßfensters liegt in hndelsüblichen Geräten bei 15 ns. Bei utomtischer Triggerung des Abtstvorgngs durch ds Signl knn bei getsteten Signlen die Pulsleistung gemessen werden. Grundgrößen bei der Anlyse eines Netzwerks sind der Reflexionsfktor r und der Trnsmissionsfktor t jeweils mit Betrg und Phse. Sie ergeben sich elementr us den zu messenden Wellenmplituden ll b1 und b2 (Bild 1). Es werden linere Netzwerke untersucht ds Eingngssignl ist sinförmig und die Meßgrößen werden ls Funktion der Frequenz drgestellt. Bei nichtsinusfönnigem Ausgngssignl des Netzwerks (z. B. übersteuerter Mischer oder Verstärker) müssen die einzelnen Spektrl nteile getrennt voneinnd er gemessen werden z. B. mit einem Spektrumnlystor ls Empfänger. Die gemessenen Wellenmplituden eh Q 1 und Q2 bzw. die Grundgrößen!:. und t werden häufig in ndere Größen umgerechnet. Spezielle Litertur Seite 117

11 3 Netzwerknlyse : Trnsmissionsfktor 11.J Signolgenerotor Em pftinger / Detektor f/l Empfönger / Detektor Ql / Signoltrennung " Signoltrenn ung einfo llende Welle 01 1 ) 7 reflektierte Welle bl MerJobjekt d ) durchgehende Welle b) BeZUgSebenen m'lt gleichem Wellentyp und gleichem Wellenwiderstond Em pfönger / Detektor b) rellexionsfrei ) Bild 1. Grundgrößen der Netzwerkn. lyse: Reflexionsfktor t = b1 / l' Trnsmissionsfktor 1 = bz/ 1 Reflexionsfktor Sii =. r Streuprmeter eines Mehrtors (Tor i l s Eingng lle Tore reflexionsfrei bgeschlossen) CPr = Phsenwinkel des Reflexionsfktors Z/ZL = (1 + r)/(1 r) mpednz normiert uf ZL' r 20 19r = r/db Rückflußdämpfung = m = 1/s (return loss) s = SWR = VSWR = (1 + 1')/(1 r) Stehwellen verhältnis Anpssungsfktor (mtching fc Unter der Vorussetzung dß die Bezugswiderstände ZL n Tor 1 und Tor 2 des Meßobjekts gl eich groß gewählt werden sind die Meßergebnisse unbhängig dvon ob zur Ermittlung der Wellengrößen und b die Spnnung der Strom die trnsversle elektrische Feldstärke oder die trnsversle mgnetische Feldstärke der Welle nch Betrg und Phse gemessen werden; zur Ermittlung der Beträge bzw b ist die Messung der Leistung P oder der Strhlungsdichte S usreichend Mit den ndizes H für die hinlufende und R für die rücklufende Welle gilt: tor). l VHl' Hl EHl RHl l PHl' SHl l}nsmissionsfktor bl VRl' R1 ER1 RR1 b1 PR1 SR1 Sij = t ZweitorStreuprmeter (Tor j ls Ein b2 UH2HzEHzRH2 b7 PH2 SHZ gng lle Tore reflexionsfrei bgeschlos. sen) t = t = t/db Durchgngsdämpfung bzw. Verstärkung. CPt = Phsenwinkel des Trnsmissionsfktors lp = el ektrische Länge (s ) Tg = dcpjdw Gruppenlufzeit T = dtidf Gruppenlufzeitverzerrung. D r und t Quotienten sind besteht weder in der Theorie noch in der Prxis der Meßtechnik eine Notwendigkeit die Größen der Proportionlitätsfktoren zu definieren. 3.2 Direkte Leistungsmessung Direct power mesurement n der Hochfrequenztechnik lssen sich die trnsformierenden Eigenschften der Verbindungsleitungen zwischen Detektor und Meßobje. kt bzw. zwischen Genertor und Meßobjekt mcht mehr vernchlässigen. Um reproduzierbre und ussgekräftige Meßergebnisse zu erhlten werden deshlb Verbindungsleitungen mit definiertem Leitungswellenwiderstnd ZL eingesetzt und Steckverbindungen bzw. Fl nschverbindungen die n diesen Leitungswellenwiderstnd ngepßt sind. Bei Koxilleitungen ist ZL = 50 Q Bei einer festen Frequenz wird zunächst der Ausgngspegel des Genertors gemessen dnn wird ds Meßobjekt dzwischengeschltet und erneut der Pegel gemessen (Bild 2). Die Pegeldifferenz entspricht der Dämpfung bzw. Verstärkung des Meßobjekts. D es sich nicht um ei ne Absolutmessung der Leistungen hndelt wird beim Klibrieren (mit überbrücktem Meßobjekt) ein Meßgerät mit linerer Anzeige uf 1 gestellt und ein Meßgerät mit logrithmischer Anzeige uf 0 db. (unterhlb 2 GHz uch 75 bzw. 60 Q). Bei Hohlleitern sind die Querschnittsbmessungen genormt. All e nderen Leitungstypen erhlten zum Messen Präzisionsdpter mit möglichst kl einem Reflexionsfktor und geringer Dämpfung. Die Kenntnis des normierten Werts Z/ZL ist zur Beschreibung der Eingngsimpednz eines Netzwerks usreichend. Der Wert der mpednz Z in Q wird kum benötigt. Zur grphischen Drstellung von Ortskurven und für die Umrechnung zwischen Z/ZL und r wird üblicherweise ds SmithDigrmm benutzt. b go t:+ Detektor 1 bz MerJobJekt + Detektor Bild 2. Messung der Durchgngsdämpfung mit reflexionsfreiem Detektor. Messung von C : b Messun von b 1 b 2

12 12 Hochfrequenzmeßtechnik Nch Einfügen des zu untersuchenden Zweitors wird der Trnsmissionsfktor t direkt bgelesen. Für Wobbelmessungen knn mn die Klibrierwerte punktweise in einem digitlen Speicher (storge normlizer) ufbewhren. Bei der Messung wird jeweils die Differenz in db zwischen ktuellem Meßwert und gespeichertem Klibrierwert usgegeben. Genertor Pegelregelung ALe f;;t C;.A / 50 Q A 'Y' 1 1 = JO ZL = 50 Q Men Detektor Q 6dB/D' objekt Oz 3.3 Messung mit Richtkoppler oder Leistungsteiler 16 zhq Mesurement with directionl coupler A or power splitter b c Bei gleichzeitiger Messung von 1 und b2 und Quotientenbildung (liner) bzw. Differenzbildung (logrithmisch) entfllen störende Beeinflussungen durch Pegelschwnkungen des Genertors. Weiterhin läßt sich so uch die Phse des Trnsmissionsfktors messen. Zur Auskopplung der einfllenden Welle 1 wird entweder ein Richtkoppler (Bild 3 ) oder ein llseitig ngepßter entkoppelter 3dBLeistungsteiler (isolted power divider Bild 3 b) oder ein (usgngsseitig fehlngepßter) 6dBLeistungsteiler mit zwei Widerständen (power splitter Bild 4) benutzt. Bei sklren Messungen knn die usgekoppelte Welle 1 uch zur Pegelregelung des Genertors benutzt werden. m delfll ist dmit die einfllende Welle 1 bei llen Frequenzen gleich groß und die bei einer Frequenz durchgeführte Klibrierung der Anzeige uf 0 db bei überbrücktem Meßobjekt gilt für lle Frequenzen. Sofern ds Meßobjekt ohne Adpter und Verbindungskbel direkt n den Genertor ngeschlossen werden knn erfüllt eine genertorinterne Pegelregelung den gleichen Zweck. Bei sklren Messungen knn die usgekoppelte Welle 1 uch zur Pegelregelung des Genertors benutzt werden. m delfll ist dmit die einfl Bild 4. Einstz eines Leistungsteilers zur Signltrennung. Leistungsteiler mit zwei Widerständen (6 db/oo; power splitter) : sehr gut geeignet. Meßufbu drgestellt mit Pegelregelung nstelle der Quotientenmessung; b Leistungsteiler mit drei Widerständen (6 db/oo; power divider) : ungeeignet. c einfche Verzweigung (Tee) : ungeeignet lende Welle 1 bei llen Frequenzen gleich groß und die bei einer Frequenz durchgeführte Eichung der Anzeige uf 0 db bei überbrücktem Meßobjekt gilt für lle Frequenzen. Sofern ds Meßobjekt ohne Adpter und Verbindungskbel direkt n den Genertor ngeschlossen werden knn erfüllt eine genertorinterne Pegelregelung den gleichen Zweck. n der Schltung nch Bild 3 erzeugt die Regelschleife einen konstnten Pegel im Verzweigungspunkt A unbhängig von der Belstung durch ds Meßobjekt. Dmit erhält der Genertor den nnenwiderstnd OQ und der 50Q Widerstnd im Leistungsteiler bewirkt dß ds Meßobjekt genertorseitig einen ngepßten nnenwiderstnd sieht. Wird dgegen ein llseitig ngepßter 6dBTeiler entsprechend Bild 4 b für Verhältnismessungen oder zur Pegelregelung benutzt so erhält uch hier der Verzweigungspunkt A den nnenwiderstnd 0 Q und dmit sieht ds ngeschlossene Meßobjekt einen Quellwider "\ ) 20 db X Referenz Sg ( Device under test (D.U.T. ) Test Oz li stnd von 16 2/3 Q. Diese Fehlnpssung des Meßobjekts führt zu Meßfehlern. Ebenflls ungeeignet für die hier beschriebenen Anwendungen sind einfche TStücke entsprechend Bild 4c. 3.4 Empfänger. Receiver b./ "\ 3dB/D'!2!2 Referenz Menob j ekt D.U.T. Test ozlq1 Ds in den Bildern 1 bis 4 mit Detektor bezeichnete Gerät zur Messung und Anzeige der Wellenmplitude knn je nch Anwendungsfll eine Detektordiode mit Gleichspnnungsmeßgerät bzw. NF Spnnungsmeßgerät ein ngepßter Ab Bild 3. Messung von Betrg und Phse des Trnsmissionsfktors. mit Richtkoppler ; b mit entkoppeltem Leistungsteiler schlußwiderstnd mit ngeschlossenem hochohmigem Spnnungsmeßgerät ein Überlgerungsempfänger ein Leistungsmeßgerät oder ein

13 3 Netzwerknlyse : Trnsmissionsfktor 13 0 pr e e F req uenz Mitluf bstimmung selektiver Empfönger genertor z8 Spektrumonlystor Merlobjekt f Bild 5. Messung des Trnsmissionsfktors mit selektivem Empfänger und Mitlufgenertor (trcking genertor) Spektrumnlystor sein. Je nch Art des Empfängers ändern sich Lge und Größe des Pegelbereichs innerhlb dessen die gemessenen Signle usgewertet werden können. Der Einstz f Lineritätsbweichungen des Empfängers entstehen werden für genue Messungen Substitutionsverfhren ben t71. Meßprinzip: Zunächst wird ds Meßobjekt gemessen und die Empfängernzeige registriert (Klibrierung). Dnn wird es ersetzt durch ein klibriertes Dämpfungsglied und/oder einen klibrierten Phsenschieber die so lnge verstellt werden bis die Empfängernzeige mit Meßobjekt reproduziert ist (Messung). Dmit sind die Meßfehler im Empfänger einschließlich des Anzeigefehlers eliminiert. Der Meßwert wird m Dämpfungsglied bzw. m Phsenschieber bgelesen. Ds einfchste Verfhren ist die HFSuhstit{tion entsprechend Bild 6: Stellung des Dämpfungsgliedes mit Meßobjekt: x db; Stellung des Dämpfungsgliedes ohne Meßobjekt bei gleichem Pegel m Empfänger: y db bereich von Detektordioden liegt etw zwischen + 15 und 60 dbm und der von Grundwellen Dämpfung des Meßobjekts : (y x) db. mischern zwischen 10 und 110 dbm. Durch Dämpfungsglieder oder Verstärker zwischen Genertor und Meßobjekt sollte für jede Messung der Pegelbereich eingestellt werden in dem der jeweils benutzte Empfänger die größte Meßgenuigkeit ht. Amplitudenmeßpltz mit selektivem Empfänger (z. B. Spektrumnlystor). Stimmt mn die Frequenz eines Genertors prllel zu der des Überlgerungsoszilltors so b dß die Genertorfrequenz stets im Empfngsbereich des Empfängers liegt so ht mn einen Amplitudenmeßpltz entsprechend Bild 5. Der Trnsmissionsfktor knn direkt gemessen werden (Klibrierung für 0 db Durchgngsdämpfung durch Überbrücken des Meßobjekts). Für die Refle Bei gewobbelten Messungen werden Klibrierlinien für jeweils definierte Stellungen des Dämpfungsgliedes mit einem XYSchreiber ufgezeichnet. Anschließend wird ds Dämpfungsglied durch ds Meßobjekt ersetzt und der Frequenzgng des Meßobjekts in die Schr der Klibrierlinien eingezeichnet. Bei der NFSuhstitution (Bild 7) ist ds nfngs erwähnte Grundprinzip der Substitution nicht klibriertes e'lnsteli bres HFDömpfungsglied 1 T Kolibrierung Merlobjekt > < ' Messung HF Empfänger xionsfktormessung wird zusätzlich ein Richtkoppler benötigt (Klibrierung für 0 db mit Kurzschluß/Leerluf m Ausgng des Richtkopplers). Vorteil dieser Anordnung ist der große Dynmikbereich gegeben durch die Differenz zwischen Ausgngspegel des Genertors und Ruschpegel des Empfängers. Wegen der begrenzten Richtwirkung von Richtkopplern ist dieser Vorteil meist nur bei Trnsmissionsmes b Kolibrierung klibriertes T einstellbres Merlobjekt Messung f::t Detektor t db 7' /. \ XV Schreiber. sungen nutzbr. Nebenwellen des Genertors sind bei lineren Meßobjekten unkritisch ebenso ds ntermodultionsverhlten des Mischers im Bild 6. HFSubstitution punktweise Messung; b Wobbelmessung Empfänger. Mit bnehmender Empfängerbndbreite (um einen niedrigen Ruschpegel zu erhlten) steigen die Anforderungen n die Frequenzstbilität und den Gleichluf. 3.5 Substitutionsverfhren Substitution methods D neben der Fehlnpssung von Genertor und Detektor die größten Meßfehler durch die HF mit NF Modultion K 'b rlerung ' '1L 1 k H z > Merlobjekt * Messung r HF Bild 7. NFSubstitution [> Hüllkurven demodultor NF \ klibriertes einstellbres NF Dömpfungsglied schmlbnd'lger NFEmpfönger

14 14 r Hochfrequenzmeßtechnik Klibrierung Mischer 1 klibriertes Menobjekt einstell bores 1 ZF Dömpfungsglied 9? Hessung L.O. Uberlogerungsoszi ltor ZF Empfönger Referenzkonol HF L.O. ül Henob jekt ZF > 1 o ZF Quotienten empfänger Bild 8. ZFSubstitution. Seriensubstitution für Betrgsmessungen ; b Prllelsubstitution zur Messung von Betrg und Phse b Menkonol vollständig erfüllt d sich der Pegel m HF Detektor zwischen Messung und Klibrierung ändert. Aber uch hier wird bei überbrücktem Meßobjekt ds Dämpfungsglied so lnge verstellt bis die vorherige Anzeige reproduziert ist. Dmit entfällt der Anzeigefehler. Der wesentliche Vorteil dieser Schltung ist jedoch dß ein NF Dämpfungsglied benutzt werden knn. Diese lssen sich wesentlich einfcher mit großer Genuigkeit relisieren. Die ZFSubstitution (Bild 8 ) vereinigt lle bisher ngeführten Vorteile: Ds Meßergebnis wird m Dämpfungsglied bgelesen; die Anzeige des Meßinstruments dient nur zur Reproduktion des Klibrierwerts; m HFEmpfänger (Mischer) liegen bei Klibrierung und Messung die gleichen Amplituden' die Frequenz m Dämpfungsglied ist kon d der Phsenwinkel zwischen zwei Signlen bei der Frequenzumsetzung mit Mischern erhlten bleibt. Bild 9 zeigt die Prllelsubstitution ohne Mischer. Wesentlich für die Meßgenuigkeit ist die gleichmäßige Auf teilung des Eingngssignls bzw. generell die Symmetrie der Brücke und die Entkopplung beider Brückenzweige voneinnder. An Eingng und Ausgng der Brücke können uch synchron betätigte Umschlter eingesetzt werden. 3.6 Meßfehler durch Fehlnpssung Mismtch error n der Schltung nch Bild 10 ist der vom Empfänger ngezeigte gemessene Trnsmissionsfktor stnt unbhängig von der HF Signlfrequenz; die Lge dieser Frequenz knn so gewählt wer S21M = 1 rg S 21 S 11 re S22 + rg re d et (S) ' (1) den dß sich Dämpfungsglieder höchster Präzision relisieren lssen. Ds Verfhren läßt sich uch für Wobbelmessun gen einsetzen (dnn wird der Uberlgerungsoszilltor prllel zum HFGenertor bgestimmt so dß die Frequenzdifferenz konstnt bleibt) und uf Phsenmessungen erweitern (Bild 8 b) während S21 der gesuchte Trnsmissionsfktor ist. Die Abweichung zwischen Meßwert S 21M und Sollwert S21 wird um so geringer je kleiner die Reflexionsfktoren vom Meßobjekt us in Richtung zum Genertor (&y) und in Richtung zum Referenzknol A 0 rp Summe oder ( Differenz 0 Signol ve r zwelgung...j 511 (S) Henobjekt L 522 Empfönger Menobjekt Henkonol Nu 11 indiktor Pege 1 regelung Empfänger hin (re) sind. Für sklre Messungen ergibt sich us G. (1) zur Abschätzung der Meß l<xo ouotlentenoder empfönger 1... Bild 9. HFPrllelSubstitution zur Messung von Betrg und Phse des Trnsmissionsfktors (Meßbrücke) Bild 10. Reflexionsfktoren die bei der Messung des Trnsmissionsfktors zu berücksichtigen sind

15 3 Netzwerknlyse : Trnsmissionsfktor 15 ungen uigkeit 10 db erg:eben und der Frequenzgng emes. Filters ändert sich meist beträchtlich wenn Quellwiderstnd und Lstwiderstnd nicht den Sollwerten entsprechen. Betriebsdämpfung (trnsducer gin) : B = (PG mxi PE) (2) PG mx ist unbhängig vom Zweitor gemessen bei Leistungsnpssung des Genertors (ZL = Z). Beispiel: Für die Messung eines 10dBDämpfungsgliedes mit beidseitig 10% Reflexionsfktor ergibt sich drus mit rg 033 und r E 020 ein = = Ungenuigkeitsfktor F zwischen 113 und 088 bzw. ein Meßfehler von etw ± 11 db. Zur Vermeidung derrtiger Meßfehler werden gut ngepßte Empfänger und gut ngepßte Leistungsteiler oder Richtkoppler eingesetzt. Zur weiteren Verbesserung können jeweils vor und hinter dem Meßobjekt reflexions rme Dämpfungsglieder (pds) reflexionsrme Richtungsleitungen (isoltor) Leistungsverstärkung (power gin) : ist die vom Zweitor ufgenommene FE die bgegebene Leistung. Ve rfügbre Leistungsverstärkung (vilble gin) : gmx = 10 19(PE.mx/.mx) Gemessen mit rg = S11 und re = Silo Anpßelemente (stub tuner slidescrewtuner EHtuner) eingeschltet werden. Diese Komponenten bleiben bei der Klibrierung im Meßufbu. Bei Messungen n Zweitoren mit Durchgngsdämpfungen unter 1 db sind Fehlnpssungen besonders störend. Auch bei der Messung der 3dB Frequenzen von Filtern (die j im Sperrbereich fehlngepßt sind) sollten die Einflüsse von re und l'g berücksichtigt werden. 3.7 Meßfehler durch Hrmonische und prsitäre Schwingungen des Genertors Signl genertor hrmonics nd spurious Breitbndige Detektoren ls Empfänger messen neben dem Soll signl (der Grundschwingung des Genertors) uch noch lle nderen Spektrllinien die in ihrem Empfngsbereich liegen so Z. B. Hrmonische und prsitäre Schwingungen Dämpfungsdefinitionen. Für die Dämpfung bzw. die Verstärkung g eines Zweitors existiert eine Vielflt von Definitionen. Für den Fll dß S11 Sn rg re 0 ist und die Eingngsimpednzen des Zweitors gleich dem reellen Be = = = = zugswiderstnd Ro sind ergeben lle Definitionen den gleichen Zhlenwert. Der Trnsmissionsfktor (Wellendämpfung) ist unbhängig von rg und re eine Eigenschft des Zweitors und ändert sich mit dem gewählten Bezugswiderstnd. Fehlnpssungen führen zu den oben ngeführten Meßfehlern. m Unterschied dzu ist die Einfügungsdämpfung (insertion loss) bhängig von den Streuprmetern Sij sowie von rg und re. Sie knn trotz Fehlnpssung in einer Messung entsprechend Bild 2 fehlerfrei ermittelt werden. Einfiigungsdämpfu ng = des Genertors von ußen eingestreute Funkstörungen oder prsitäre Schwingungen des Meßobjekts (bei Messungen n Verstärkern). Die ddurch entstehenden Meßfehler sind selten so eindeutig wie in Bild 11: Bei Einstellung des Genertors uf f o /3 wird diese Frequenz durch ds zu messende Bndfilter Z. B. um 60 db gedämpft. Wenn der Genertor jedoch zusätzlich die dreifche Frequenz Uo ) bgibt fällt diese in den f Abstond der Abstond der 1.Hormonischen. schwingung 2. Hormonischen bei fo / (Empfängereingngsleistung FE bei direktem Anschluß n den Genertor/FE bei eingefügtem Zweitor). Die gemessenen Werte der Einfügungsdämpfung sind somit nur zusmmen mit den Werten für re wohrer Verlouf von der Grund Empföngerrousch en / // der Fi l terkurve '. 0 " f und l'g des Meßufbus interpretierbr und nicht llgemeingültig. So wird Z. B. ein 10dBDämpfungsglied mit ZL 75 Q in einem 50QMeßufbu eine größere Einfügungsdämpfung = ls Bild 11. Meßfehler durch Hrmonische des Signlgener. tors bei breitbndigem Detector

16 16 Hochfrequenzmeßtechnik Durchgngsdäm pfung ± 027 db. emen Fehler bis zu Durchlßbereich des Bndfilters und wird vom Breitbnddetektor m Ausgng gemessen und ngezeigt. Ds gleiche pssiert bei llen zusätzlich zur Grundschwingung vorhndenen Spektrllinien (Nebenwellen) des Genertors. Ein Signlgenertor mit z. B. 25 db Abstnd zwischen der Grundschwingung und der größten zusätzlichen Spektrllinie (25 db Nebenwellenbstnd) erlubt lso nur Messungen mit einem Dynmikbereich von 25 db. Bei schmlbndigen Messungen helfen vorgeschltete Filter. Zur Kontrolle ob Fremdstörer bzw. prsitäre Schwingungen vorhnden sind (die beide frequenzunbhängig den Ruschpegel nheben) sollte der Signlgenertor ein und usgeschltet werden bzw. der Empfänger ohne Meßobjekt betrieben werden bei gleichzeitiger Beobchtung des ngezeigten Ruschpegels. 3.8 Meßfehler durch Ruschen und Frequenzinstbilität N oise nd frequency instbility Ableseungenuigkeiten durch Empfängerruschen können durch Tiefpßfilterung des Ausgngssignls (Videofilter) verringert werden. Die Meßzeit steigt ddurch n. Bei Messungen n 3.10 Gruppenlufzeit. Group dely Bild 12 zeigt den grundsätzlichen Verluf der Phse (Pt des Trnsmissionsfktors. Die Phsenlufzeit Tp = ((Jt/w ist stets positiv. Die Gruppenlufzeit Tg ist die Steigung der Phsenkurve: Tg = d((jt/dw = (1/(2rc)) d((jt/dj D der Trnsmissionsfktor einer verlustlosen Leitung (Länge ) exp (((Jt) = exp ( ß ) ist und d die Nchrichtentechnik dementsprechend die Übertrgungsfunktion eines Vierpols mit R(f) exp ( j q)(f)) definiert ergibt sich mit dem Phsenrnß ß und dem Phsengng q) (f) für die Phsenlufzeit Tp = ß l/w = q)/w und für die Gruppenlufzeit Te = dß/dm = dq)/d(). Bei einem idelen Vierpol zur verzerrungsfreien Nchrichtenübertrgung nimmt die Phse liner mit der Frequenz b und die Gruppenlufzeit ist eine Konstnte. Die Gruppenlufzeit dient dzu die Abweichungen eines relen Vierpols vom idelen Verhlten beschreiben zu können. Sie ist nur bei solchen Vierpolen sinnvoll die grundsätzlich phsenliner sein sollen bzw. nur in den Frequenzbereichen in denen der Phsengng nur wenig von dem eines lineren Vierpols bweicht. Objekten mit strker Frequenzbhängigkeit der Amplitude oder der Phse (z. B. Resontoren hoher Güte oder elektrisch lnge Leitungen) müssen stbile Genertoren mit geringer StörFM bzw. mit wenig Phsenruschen eingesetzt werden. Die Wobbelfrequenz muß niedrig genug gewählt werden dmit der gemessene Frequenzgng ds sttionäre Verhlten des Meßobjekts wiedergibt. Bei genuen Messungen mit großem Dynmik bereich (> 100 db) werden der Uberlgerungsoszilltor des Empfängers und der Signlgenertor phsenstrr gekoppelt. Eine weitere Sttische Messung. (phseslopemethod). Es wird die Anderung 1'l((J der Phse des Trnsmissionsfktors bei Erhöhung der Frequenz um 'lf gemessen (Bild 12). Der Differenzenquotient 1'l((J/(2 rcl'lf) geht mit bnehmendem 'lf gegen die Gruppenlufzeit. Bei endlichem 'lf ergibt sich eine Art Mittelwert im betrchteten Frequenzbereich. Die Feinstruktur der Gruppenlufzeit innerhlb des ntervlls 'lf bleibt unberücksichtigt. Bei Netzwerknlystoren mit Rechnernschluß wird T meist durch numerio sche Differentition der gemessenen Phsenkurve ((Jt (f) ermittel t. Steigerung der Meßempfindlichkeit läßt sich dnn noch durch die Benutzung eines kohärenten Detektors nstelle der sonst üblichen lineren bzw. qudrtischen Detektoren erreichen. Cf!t 3.9 Meßfehler o f f durch äußere Verkopplungen soltion errors Die Möglichkeit der direkten Verkopplung 2 Jt 4 rr " zwischen Signlgenertor und Detektor bzw. zwischen Meßzweig und Referenzzweig ist besonders bei genuer Messung großer Dämpfungen zu kontrollieren. Flexible Koxilleitungen und StndrdSteckverbindungen hben in der Regel Schirmdämpfungen unter 60 db. Ein 6 Jt 8 Jt 1 0 Jt'.. " " del linerer < M " Vierpol " J. Cf! reler Vierpol " " " " " " Lecksignl m Detektor 60 db unter dem Genertorpegel bewirkt bei der Messung von 30 db Bild 12. Grundsätzlicher Verluf der Phse des Trnsmissionsfktors t ls Funktion der Frequenz

17 4 Netzwerknlyse : Reflexionsfktor 17 AMVerfhren (NyquistMethode). Ds Eingngssignl des Vierpols wird mit der Frequenz fnf mplitudenmoduliert. Gemessen wird die quenzfl ersetzt werden knn ohne dß sich die Gruppenlufzeit T g ändert. le = T g Uref bzw. le = n )eref (n = be. pos. Zhl z. B. 235) Phsenverschiebung der Hüllkurve des AM Signls: Die Phse /':"rp zwischen dem modulierenden NF Signl und dem demodulierten Ausgngssignl des Vierpols wird mit einem NFPhsenmeßgerät ermittelt und die Gruppen 1}tUfzeit drus berechnet : T g = /':"rpj(2tcfnf)' Anderungen von T g im Frequenzbereich 2j"JF bleiben unberücksichtigt. Messung: ) Mit dem mpulsreflektometer (s ) bei phsenlineren Vierpolen b) durch Messung der Gruppenlufzeit c) durch Messung der Phse des Reflexionsfktors bei Kurzschluß m Ausgng und Vergleich FMVerfhren. Anlog zum AMVerfhren knn bei kleinem Modultionsindex uch ein FM Testsignl benutzt werden. Gemessen wird ebenflls die Phsenverschiebung zwischen dem der Meßwerte bei mindestens zwei Frequenzen mit denen der Referenzleitung (nur bei reziproken Vierpolen). Spezielle Litertur : [1] Schuol1 E. ; Wolf H. : Nchrichten Meßtechnik. Berlin : Springer demodulierten Eingngssignl und dem demodulierten Ausgngssignl. Einsetzbr für begrenzende Verstärker. Vergleichsverfhren. Zunächst wird ein Vierpol mit beknnter Gruppenlufzeit T g ref gemessen Ergebnis /':"rpreb dnn der unbeknnte Vierpol Ergebnis /':"rp. Die Gruppenlufzeit ergibt sich zu T g = T g ref /':"rpj/':"rpref' m Unterschied zu den vorngegngenen Verfhren muß hier ds Frequenzintervll /':"f nur konstnt gehlten werden ohne dß seine gen ue Größe benötigt wird.. Wobbelverfhren. Als Testsignl wird eine liner nsteigende Frequenz benutzt. Die Differenz zwischen der Rmpe die ds Eingngssignl moduliert und dem demodulierten Ausgngssignl ist eine Gleichspnnung die proportionl zur Gruppenlufzeit des Vierpols bei der jeweiligen Frequenz ist. Sofern nur der Vierpolusgng zugänglich ist (Streckenmessung) können weder T p noch T g sondern nur die Gruppenlufzeitverzerrung d. h. die Änderung der Gruppenlufzeit bezogen uf eine Referenzfrequenz gemessen werden [1]. Meßfehler. Zur Klibrierung des Meßufbus ist vor der Messung ohne Vierpol T g = einzustellen. Störbstnd und Phsenruschen des Testsignls (HF und NF) beeinträchtigen die Meßgenuigkeit; Abhilfe durch Mittelwertbildung (Videofilter). Aus der Bestimmungsgleichung Tg = /':"rp/(2 TC /':"f) läßt sich die Auflösung der Meßgröße berechnen wenn ds Frequenzintervll /':"f und die Auflösung des Phsenmeßgeräts /':"rp beknnt sind. Mit /':"rp = 010 und /':"f = 278 khz knn mn T g uf 1 ns uflösen. Elektrische Länge. Die elektrische Länge eines Vierpols ist entweder die Angbe der Gesmtphsendreh ung n 2 TC + er zwischen zwei Bezugsebenen n Ein und Ausgng oder die Angbe durch welche homogene Referenzleitung der elektrischen Länge 'd)'l der Vierpol bei der Fre 4 Netzwerknlyse : Reflexionsfktor Networknlysis : Reflection mesurement Allgemeine Litertur : S P. /. ; Hunter J D. : Microwve impednce mesurements. London : Peter Peregrinus Richtkoppler. Directionl coupler m Meßufbu nch Bild 1 sind zwei Richtkoppler zur Signltrennung in die Verbindungsleitung zwischen Signlquelle und Meßobjekt eingefügt. Am Nebenrm des einen wird die Amplitude der hinlufenden Welle gemessen m Nebenrm des nderen die Amplitude der rücklufenden Welle b (Grundgrößen der Netzwerknlyse in 1 3.1). Vor der Messung wird zur Klibrierung ein Kurzschluß (oder Leerluf) nstelle des Meßobjekts ngeschlossen. Dmit wird die reflektierte Welle gleich der einfllenden Welle. Der Quotient r = b/ ist 1 (+ 1 bei Leerluf). Anstelle der zwei Richtkoppler bei denen jeweils ein Ausgng des Nebenrms reflexionsfrei bgeschlossen ist und der ndere zum Messen benutzt wird knn uch nur ein Richtkoppler verwendet werden mit je einem Detektor n jedem Ausgng des Nebenrms. Bei nicht reflexionsfreien Detektoren kommt es dnn jedoch zu direkten Verkopplungen zwischen den Ausgängen des Nebenrms und dmit zu Meßfehlern. Die Meßgenuigkeit steigt dher wesentlich durch die Benutzung von zwei Richtkopplern. Sie läßt sich noch weiter erhöhen wenn beide Richtkoppler den gleichen Frequenzgng hben. Entsprechend bmjm = b(l + b)j[ (1 + 6)] = b/ kom Spezielle Litertur Seite 24

18 18 Hochfrequenzmeßtechnik Detektor 0 Detektor b 20 d B 20d8 X X b c o Henobjekt Wert r führen. Einige (systemtische) Fehler können nchträglich durch Umrechnen des Meßwertes mit Hilfe von Ergebnissen us zusätzlichen Klibriermessungen eliminiert werden: Richtwirkullg der verwendetell Koppter. Aufgrund \ / < X 20dB Detektor 0 Kurzschlun nichtideler Richtwirkung mißt Detektor Cl noch Amplitudenteile von b und umgekehrt. Diese unerwünschte Kopplung wird noch weiter verschlechtert durch Reflexionen n den Steckverbindungen der Richtkoppler und externe Verkopplungen (lekge). Für Präzisionsmes v b X 20d8 b Detektor t Henobjekt sungen sind hochwertige Stecker zu benutzen und Adpter unzulässig. Frequellzgllgfehler. Durch die Abweichung der Koppeldämpfung vom Nennwert und durch Empfindlichkeitsschwnkungen der Detektoren Detektor 0 bio i= treten Meßfehler proportionl zum ktuellen Wert von Cl bzw. b uf. Detektor b. Fehlnpssungsfehler. Ddurch dß vom Meßobjekt us in die Meßnordnung hineingesehen c '" 20dB A X Henobjekt keine idele Anpssung vorliegt treten Mehrfchreflexionen uf. Die Fehler lssen sich gednklich in einem Feh ALC +8 0(f)=1 t Detektor t i=b 20 db 20 db Signol X X generotor Henob jekt lerzweitor zusmmenfssen (Bild 2). Die whren Größen Cl und b werden durch dieses Zweitor in Phse und Amplitude verändert und dnn von einem idelen fehlerfreien Reflektometer gemessen. Bezeichnet mn die Streuprmeter des Fehlerzweitors mit Fij so wird der Meßwert zu d Bild 1. Reflexionsfktormessung mit Richtkopplern. Reflektometer mit zwei Richtkopplern ; b Kompenstion des Frequenzgngs bei gleichen Richtkopplern ; c Reflektometer mit Richtkoppler und Leistungsteiler ' d Reflektometer mit Pegelregelung (nur Betrgsmessung) pensieren sich die Schwnkungen der Koppel rm = Fl l + r Fd(l r Fn). (1) Mn knn den Term F11 der mngelnden Richtwirkung f2 1 dem Frequenzgng und f22 der Quellenfehlnpssung zuordnen. Nchdem die Streuprmeter des Fehlerzweitors durch Klibriermessungen bestimmt sind läßt sich der gesuchte korrigierte Meßwert usrechnen: dämpfung ws speziell bei Wobbelmessungen vorteilhft ist. Optimle Kompenstion erreicht r = (rm Fl l)/(fn (rm Fll) FL). (2) mn mit einer Anordnung entsprechend Bild 1 b. Anstelle des Richtkopplers für die hinlufende Welle knn uch (nlog zu 3.3) ein Leistungsteiler mit zwei Widerständen benutzt werden Zu den (nichtsystemtischen) Fehlern die sich uf diese Weise nicht erfssen lssen gehören: zeitliche Drift (z. B. thermisch bedingt) der Empfängerempfindlichkeit; Frequenzdrift und FM des Genertors; nichtreproduzierbre Veränderungen durch Verbiegen von Anschlußkbeln (Bild lc). Sofern nur der Betrg des Reflexionsfktors gemessen werden soll knn die Quotientenbildung b/ (ebenflls nlog zu 1 3.3) ersetzt werden durch Pegelregelung des Signlgene [M =bm/om r tors (Bild 1 d). Mt t bm 4.2 Fehlerkorrektur bei der Messung von Betrg und Phse Vector error correction ) \ X X ideles Reflektometer L!e les Reflekto meter Feh ler Zweitor...J l b "0 0 (= blo Menobjekt m relen Reflektometer entstehen Fehler die zu einer Abweichung des Meßwerts r M vom whren Bild 2. Konzept der rechnerischen Fehlerkorrektur bei der Messung von Betrg und Phse

19 F1 4 Netzwerknlyse : Ref1exionsfktor 19 und beim Anschließen der Steckverbindungen. Störungen durch Ruschen des Genertors und 1m r des Empfängers lssen sich durch Tiefpßfiltern (Mittelwertbildung) des Meßwerts vermindern. 4.3 Klibrierung. Clibrtion ideo ler Kurzschluß Reflexionsfoktor des verschiebboren Widerstondselements ideoler Le erlouf Zur Ermittlung der drei Streuprmeter des Fehlerzweitors können z. B. drei Klibriermessungen mit drei beknnten voneinnder verschiedenen 1 Reflexionsfoktor durch Stecker und end liche Richtwirkung( F 1 ) co reoler Leer 0 uf Re r Reflexionsfktoren durchgeführt werden. n Koxiltechnik nimmt mn die Werte und 0 (d. h. Leerluf Kurzschluß und Anpssung) d sich diese mit recht guter Genuigkeit herstellen lssen. Fehler der Klibriernormle gehen direkt in ds Meßergebnis ein. Weitere Bild 3. Rele Lge der Klibriernormle Anpssung und Leerluf im SmithDigrmm bezogen uf die durch den Kurzschluß vorgegebene Bezugsebene Klibrierverfhren in [9 14]. Kurzschluß. n Koxiltechnik sind ortsfeste Kurzschlüsse diejenigen Klibriernormle die mit höchster Genuigkeit relisiert werden können. Längsverschiebliehe Kurzschlüsse erreichen diesen Stndrd nicht. Leerluf. Der Reflexionsfktor + 1 muß in der Ebene erzeugt werden in der vorher der Kurzschluß uftrt. Dmit ist die Bezugsebene der Messung festgelegt. Am offenen Ende einer Leitung existiert ein inhomogenes Feld. Die elektrischen Feldlinien treten us der Stirnfläche der Klibrierung ist dmit zurückgeführt uf den Leitungswellenwiderstnd ZL bzw. die mechnischen Abmessungen der Leitung in der ds Widerstndselement verschoben wird. Die Rückführung des Klibriernormls "ngepßter Abschlußwiderstnd" uf ds Klibriernorml "Leitungswellenwiderstnd" ermöglicht nch dem Stnd heutiger Technologie eine höhere Meßgenuigkeit. Sofern kleine Reflexionsfktoren gemessen werden sollen ist die komplexe Korrektur r = rm 1 unumgänglich (s. G. (2)). Leitung us. Dieses Streufeld wirkt wie eine Zustzkpzität. Ds physische Ende der Leitung ist nicht mehr identisch mit der Leerlufebene; es tritt eine scheinbre Verlängerung der Leitung uf. Weiterhin entstehen mit der Frequenz nsteigende Abstrhlungsverluste. Ds Offenlssen des Anschlußsteckers ist nur bei usreichend niedrigen Frequenzen oder geeigneten Steckverbindungen mit definierter Leerluf/Kurzschlußebene (z. B. pe 7) zulässig. Für gen ue Messungen werden spezielle geschirmte Leerlufnormle stets geprt mit einem dzugehörigen Kurzschlußnorml eingesetzt. Anpssung. Ein ortsfester ngepßter Abschlußwiderstnd ergibt Abweichungen vom Reflexionsfktor 0 durch Restreflexionen des Widerstndselements und durch Reflexionen n der Steckverbindung. Ein weiterer Meßfehler entsteht durch die endliche Richtwirkung des Richtkopplers. Durch einen längsverschieblichen Abschlußwiderstnd lssen sich die Störungen voneinnder trennen und dmit meßtechnisch eliminieren: Bei Verschieben des Widerstndselements um eine hlbe Wellenlänge dreht sich der zu ihm gehörige Reflexionsfktor um 360. m SmithDigrmm erscheint dher ein Kreis (Bild 3). Sein Mittelpunkt ergibt den Fehler f 11 durch den Stecker und die Richtwirkung. Die 4.4 Reflexionsfktorbrücke VSWRbridge Anlog zur WhetstoneBrücke der Gleichspnnungsmeßtechnik lssen sich uch in der Hochfrequenztechnik Messungen des Reflexionsfktors mit einer Brücke entsprechend Bild 4 durchführen. Detektor Q im Nullzweig der Brücke liefert eine Spnnung proportionl zur rücklufenden Welle b. Der Einstz einer Meßbrücke entspricht der Benutzung eines Reflektometers mit Richtkopplern bzw. mit Richtkoppler und Leistungsteiler. Auch hier läßt sich eine (endliehe) Richtwirkung definieren und messen. Vorteil der Brücke ist dß (in Koxiltechnik) mit geringerem Aufwnd ls bei Richtkopplern große Bndbreiten erzielbr sind (besonders zu niedrigen Frequenzen hin). Bei nicht usreichender Leistung des Signlgenertors knn die größere Durchgngsdämpfung (> 6 db) der Brücke nchteilig sein d dies die Dynmik unmittelbr verringert. Anstelle von Detektor knn uch eine mpednz mit beknntem Reflexionsfktor ngeschlossen werden (Vergleichsmessung). Detektor b zeigt dnn die Abweichungen des Meßobjekts von dieser Referenz n.

20 20 Hochfrequenzmeßtechnik i l n 50Q 50Q r' Dmit wird der mximle Gesmtfehler zu 1'1r = d + dr +rgr2 + rg r3. (3) 50Q Detektor J b Signol genemtor Detektor L_ ' J Menobjekt Hierbei sind Fehler durch die Nichtlinerität des Detektors durch ds Anzeigeinstrument und durch Effekte höherer Ordnung nicht berücksichtigt. Der reltive Fehler wird zu: es = 1'11'/1' = d(1 + 1/r) + rg (r + 1'2). (4) Besonders ungenu ist lso die Messung sehr kleiner und sehr großer Reflexionsfktoren U U1 Z UD Zx Z Z U1 Z Zx +!jo UD U1 Z Zx =r Z=ZL für U1 (Bild 5). Aufgrund unterschiedlicher elektrischer Längen von ihrem Entstehungsort bis zum Detektor b (Bild 6) drehen sich die Anteile des Zeigers 1'1r und der whre Meßwert ' unterschiedlich schnell Bild 4. Widerstndsbrücke zur Reflexionsfktormessung 4.5 Fehlerkorrektur bei Betrgsmessungen Sclr error correction Meßufbuten mit Richtkopplern und solche mit Widerstndsbrücken lssen sich bezüglich der uftretenden Meßfehler und ihrer Korrektur gleich behndeln. Zunächst bewirkt die endliche Richtwirkung des Richtkopplers bzw. die nichtidele Symmetrie der Brücke ein konstntes vom Meßwert unbhängiges Signl m Detektor b. Nch der Quotientenbildung entspricht dies einem Meßfehler 1'1r gleich der Richtwirkung d (directivity). Ein Richtkoppler mit 20 db Richtwirkung (d = 01) erzeugt einen mximlen Meßfehler 1'1r = Ohne fehlerkorrigierende ' 50 % 40 <l ' 30 CD ::: 20 x o E 10 o \ (L \ 7 d ( l + l r. rg ( r +r2 'f::' Reflexionsfoktor r Bild 5. Mximler reltiver Meßfehler 1rjr ls Funktion des Reflexionsfktors Getrennte Drstellung des Anteils der durch die Richtwirkung d entsteht und des Anteils der durch die Quellennpssung 'G entsteht. 1: 'G = 01 (20 db) d = 26 db 2: rg = 007 (23 db) d = 40 db ' d Mßnhmen lssen sich mit einem Reflektometer lso keine Reflexionsfktoren bestimmen die kleiner sind ls die Richtwirkung d. 1'11'1 = + d. Weiterhin entsteht ein Meßfehler durch den Reflexionsfktor der Quelle rg der vom Meßobjekt us in die Meßnordnung hineingesehen uftritt (test port mtch). Dies ergibt vereinfcht einen mximlen Meßfehler 1'11' + r r2 = 2 G d die vom Meßobjekt reflektierte Welle (') m Eingng der Meßnordnung reflektiert wird (r rg) wieder ins Meßobjekt zurückläuft dort erneut reflektiert wird (r r G r) und sich nschließend dem Meßwert ' überlgert. D beide Fehler uch r Mittelwert Detektor rm =1 b+!'1q l/ 1'10 t X! Detektor b 4b '\ x.l Leerlouf (r=+l ) Kurzschlun ([ =1 ) ' ' ' \ ' r = 1 ( /j \ / Leerlouf rm ( t ) \ / 'l::..l \ /J b bei der Klibrierung des Systems uf den Wert r = 1 uftreten ergibt sich ein weiterer Fehlernteil proportionl r: 1'11'.1 = (61'1 + 61'0) 1'. Bild 6. Fehlerkorrektur bei Wobbelmessungen durch Leer lufkurzschlußklibrierung und nschließender Mittelwertbildung f