Grundlagen NWA (für EMV Graz, Gleißner, R&S)

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Vektorielle Netzwerkanalyse

Grundlagen&

Anwendungen im Bereich EMV

April, 2009 | Grundlagen Netzwerkanalyse

Inhalt

l Vektorieller Netzwerkanalysatorl Prinzipielle Definition eines vektoriellen Netzwerkanalysatorsl Hardware Konzept & Aufbau, S-Parameterl Symmetrische Messungen

l Kalibrierungl Systemfehlerkorrekturl Ergänzende Verfahren

l Anwendungen in der EMV

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Definition Netzwerkanalysatorl Untersuchung des Responses von RF/HF Netzwerken

l Anlegen des Stimulus-Signales und Messung von Reflektion(Return loss) und Transmission (insertion loss)

l Interne Generatoren und Empfängerl Amplitude & Phase (vektorieller NWA)l Frequenzbereich direkt: kHz bis ~50 GHzl Mit zusätzlichen Konvertern: 325 GHzl Heterodynes Konzept

(Umsetzung auf konstanze ZF, typ. 20 kHz, 15 MHz, 30 MHz)l Diskretes Punkterasterl ZF-Filter (digital), typisch:

IFBW= 10 Hz bis 500 kHz / 1 MHz / 30 MHz

f

MagφGD…


Schematischer Aufbau eines NWAl Heterodyn-Prinzip: Mischung auf konstante ZFl Typisch: 4 Empfangskanäle (2 Meß-, 2 Referenzkanäle)

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Reflexion und TransmissionSuperposition und VSWR (SWR)

R' L'

C'

G'

( )∞≤≤

==−+

=

sII

UU

rrs

111

min

max

min

max

Stehende Welle-VSWR

Bsp.: kurzgeschlossene Leitung Stehende Welle (W + W')läuft weder vorwärts noch rückwärts

"Umax"

VSWR: s

"Umin"λ 0/4

λ 0/2

|stehende Welle|

x, d

vorlaufende Welle: W Kurzschluß

/R

eflektor

|E|

x= 0l =0

E

rücklaufende Welle: W 'a 1

a 1

Z ZZ Z−

Γ =+

Impedanzsprung-Reflexion


S-ParameterLeitungstheorie und Wellengrößen

x

vorlaufend rücklaufend

AbschlussUf

Ur

Ir

If

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

f r

f r

U z U z U z

I z I z I z

= +

= +

ff L

L

U I Z a vorlaufende WelleZ

= ⋅ =

L L

f rL

f rZ Z

U (z) U (z)ZI (z) I (z)

⋅

= =

rr L

L

U I Z b rückwärts laufende WelleZ

= − ⋅ =

a, b – Größen:• Maß für Leistung• (absolute) Leistung• Verhältnisse (ratios)• S-Parameter

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Inhalt





a1

a2

b1

b2

S11

S22

S12S21

S-ParameterWellengrößen und S-Parameter

DUT Beispiel:Koaxiales Dämpfungsglied

Beschreibung mit 2 Gleichungen:

1 11 1 12 2

2 21 1 22 2

b S a S ab S a S a= ⋅ + ⋅= ⋅ + ⋅

S-Parameter verknüpfen dieVorlaufende Welle mit derRücklaufenden Welle

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S-ParameterDefinition 1/2

Z0 2-port Z0

Eingangsreflexionsfaktor: S11

01

111 2== aa

bs

Z0 2-port Z0

Ausgangsreflexionsfaktor: S22

02

222 1== aa

bs


S-ParameterDefinition 2/2

Z0 2-port Z0

Vorwärtstransmissionfaktor: S21

01

221 2== aa

bs

Z0 2-port Z0

Rückwärtstransmissionfaktor: S12

02

112 1== aa

bs

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Realisierung: Messung der S-Parameter Konzept-Beispiele

DUTPort 1 Port 2

Receivers

Generator Display

b2b1

test set

power splitteroder directional

coupler

directionalcoupler oder

VSWR bridge


Messung der S-ParameterVektor-Receiver-Konzepts

“Vector” Empfänger zum Generieren der Phaseninformation

Umess

( )MM tu ϕω −⋅cos

( )( )

M REF

M REF

2cos tMischsignale

2sin tω −ϕ − ω −ϕ

( )Realteil

M REFu cos⋅ ϕ −ϕ644474448

( )M REF

Imaginärteil

u sin⋅ ϕ −ϕ144424443

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Inhalt





Ideale balancierte Meßobjekte transmittieren nur das differentielle Signal und unterdrücken common-mode Signale.

Charakterisierung Balancierter SystemeIdeales Verhalten (“Differential” / “Common” Mode)

Differentielles Signal

Common-mode signal

(EMI oder Rauschen)

Gain = 1

Symmetrisch –single ended

Differentielles Signal

Common-mode signal(EMI oder Rauschen)

Gain = 1

Symmetrisch-symmetrisch

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DUTbalanced

Charakterisierung Balancierter SystemeMeßaufbau mit Baluns

Jede Kombination zwischenbalancierten und single-ended Toren muß für kompletteCharakterisierung einzelnvermessen werden.


Charakterisierung Balancierter SystemePort-Konfiguration & Modal Decomposition Methode

Physikalische Tore (1-4) Logische Tor 1 & 2 Bestimmung aller 16 single ended S-Parameter Mixed-Mode S-Parameter per Rechnung

Port 3 Port 1 Port 4 Port 2 Physicalische Tore

Logische Tore

Port 1 Port 2

DUT

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Naming Convention: S mode res., mode stim., port res., port stim.

Port 1 Port 1Port 2 Port 2

Differential-Mode stimulus

Common-Mode stimulus

Differential-mode

Response

Port 1

Port 2

Port 1

Port 2

Common-mode

Response

DUT

Logical Port 1 Logical Port 2

dd11 dd12 dc11 dc12

dd 21 dd 22 dc 21 dc 22

cd11 cd12 cc11 cc12

cd 21 cd 22 cc 21 cc 22

S S S SS S S SS S S SS S S S

Charakterisierung Balancierter SystemeMixed Mode S-Parameter Matrix


Charakterisierung Balancierter SystemeTrue Differential Model Anregung mit “echten” Gegen- und Gleichtakt-Signalenl Zwei interne phasengekoppelte Quellenl Systemfehler-korrigiert, Pegelkorrektur

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Inhalt





Meßunsicherheit bei Reflektionsmessung

D

r

0,01

0,056

0,046

0,066

1.Fehlerterm durch DirektivitätZVx

GeneratorZVx

Empfänger

Ideale Anpassung

Meßsignal r

Directivität D

DUT

2.Fehlerterm durch Meßtoranpassung

l „Full One Port“ Kalibrierung (OSM)l Nur Reflektion S11 wird kalibriert / gemessen

l 3 Fehlerterme:l D := Directivitätl T := Transmissionsdämpfungl Γ := Meßtoranpassung

ZVxQuelle

ZVxEmpfänger

Short oder Open

Meßsignal r

DUT

Meßtor-Anpassung Γ

11


Meßunsicherheit bei ReflektionsmessungVolle Eintor-Kalibrierung, Fehlermodell

1 23

2 1 2

b T D a T b rb a b S r

= ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅= + ⋅ ⋅

⋅Γ−

+⋅==r

rDTabr

1'

1

3

Zusammenhang: Ideal (korrigiert) r’ (S11’)

und unkorrigiert r (S11)

r

error two port ofthe SWR bridge

1

T

S

a1

b3

b2

a2

TD

DUT

idealreflectometer

NWA

Γ

Γ


Prinzip der Systemfehlerkorrektur1. Mathematisches „Fehlermodell“ beschreibt den Zusammenhang zwischen

2. Definition der Kalibrierstandards im NWA („Bekannte DUTs“ ⇒ Scorr )3. Bestimmung der Fehlerterme (erri) mittels der Sytemfehlerkorrektur

Messungen an den Kalibrierstandards Scorr bekannt aus Definition der Kalibrierstandards Smeas(unc.) aus Messung Fehlermodell bestimmt Zahl der Fehlerterme

⇒ Zahl der erforderlichen Kalibrierstandards(z.B: 3 Fehlerterme → 3 Gleichungen → 3 Standards (OSM)

4. Messung: Korrektur der rohen S-Parameter mit den bekannten Fehlertermen (erri)

Fehlerterme, berechnet per Systemfehlerkorrektur

),...3,2,1 errerrerr

Unkorrogierte („rohe“)S-Parameter

( ,.)(11

f S uncmeas

KorrigierteS-Parameter

11Scorr =

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Modellierung von Kalibrierstandards

l Detailliertes R&S Ersatzschaltbildl Nicht-ideale Matches möglichl V.a. On-wafer Applikationen

l S-Parameter Modelll Definition von Ein- und Zwei-Tor Kalibrierstandards mittels

*.s1p bzw *.s2p S-parameter Filesl “Beliebige” Standards liefern hohe Genauigkeit nach sorgfältiger Vermessungl Individuelle Standards liefern hochgenaue Ergebnisse

SHORT

50 Ω

OPEN MATCH


Terme zur Meßunsicherheit bei Transmissionsmessungen

Vorwärtsrichtung:• T1* T2 Transmissions-Verlust• D1Directivität Port 1• Γ1 Quelltoranpassung Port1• D2Directivität Port 2 • Γ2 Meßtoranpassung Port 2• XFÜbersprechen

Rückwärtsrichtung:• Gleiche Terme• Unterschiedliche Werte

Σ= 12 Terme (bidirektionale Messung)

Vernachlässigung von XF: 10 Fehlerterme TOSM „liefert“ 10 Messungen

(Gleichungen)

et

er1

er2

er3

ex

S 21

S 12

S 11 S 22

a 1

b 1

a ´1

b 2

a 2

b 2

DUTΓ1

T1 T2

Γ2 D2D1

XF

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Kalibrierverfahren

l Normierungl Transmission, Reflektion, Transmission & Reflektion

l One Path Two Port (OSM + Normierung)l Für unidirektionale Aufbauten (z.B Vorverstärker)

l Full One Port Calibration (OSM)l Für Reflektionmessungen (S11, S22)

l Full Two Port (n-port) Kalibrierungl Bidirektional, korrigiert alle Fehlerterme einzelnl Alle n² S-Parameter eines n-Tores meßbarl Höchste Genauigkeit

Gen

auig

keit

Ein

fach

eH

andh

abun

g


• TOM, TRL/LRL, TRM, TNA, erfordern 4-Empfänger Geräte

• TOM, TRM, TNA patentiert für R&S.

Kalibrierverfahren“Full- Two-Port” Verfahren

5 “Inherente” Verifikation

Verfahren Zahl derKalibrierschritte Besonderheit

TRM

TNA

TRL

5 Testfassungen

4 Beste Direktivität, Streifenleitungen

3 Testfassungen

7 “Klassiches” Verfahren

UOSM 7Unbekannte Durchverbindung, Adapter zwischen Steckertypen, Komplexe Mischermessungen

TOM

TOSM

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Inhalt





Kalibriertechnik UOSMl Wie TOSM, jedoch “U” := Unknown Throughl Durchverbindung muß nicht bekannt seinl “U” kann z.B: sein:

– “unbekannte”, d.h. unspezifizierte Durchverbindung– beliebiger Adapter (zB 3.5mm–N, coaxial-Hohleiter)– (Kalibrier)-Mischer

l Anwendung:l Erfüllt: “Adapter Removal”l Kalibrierung zwischen unterschiedlichen Steckertypen (z.B.: 3.5mm–N, 3.5mm – wave guide)l Kalibrierung für komplexe Msichermessungen

l Vorteile und Anmerkungenl Für jeden Steckertyp (N, 2.5mm,…) nur OPEN, SHORT, MATCH erforderlichl Jeder reziproke Adapter kann verwendet werdenl Nach der Kalibrierung ergibt sich automatisch die Vermessung des Adapters

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Ergänzende Korrekturverfahrenl (De)Embeddingl Einfügen und Korrektur von Netzwerken nach Kalibrierungl Vordefinierte (Anpass)Netzwerkel S21-Filesl Single-ended und differentielle Netzwerke

l AutoLength (& Loss)l Berechnung & Korrektur von Längen nach der Referenzebenel Berechnung über den (linearen) Phasenverlaufl Korrektur Längenoffset, Längenmessung, Phasenrippell Verlust-Berechnung

l Fixture Compensationl Normierung mittels OPEN, SHORT


Inhalt




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Anwendungsgebiete eines NWA

l Überprüfung und Kalibrierung von Meßmittelnl Z.B. Kalibrierung & Verifizierung von Kabeln, (Koppel)Netzwerken, Baluns,

Spannungs- ud Stromproben, Antennen (Korrekturfaktoren), Meßzangen

l Meßplatzvalidierungl Z.B. Validierung von Testaufbauten bzgl Übereinstimmung mit

standardisiertem Equipment

l Vermessung von EMI Filternl CISPR 17


Impedanz eines AMN V-Netzwerks

l Messung der Impedanz und des Spannungsteilungsfaktors (VDF)

l Wichtigste Parameter eines AMN V-Netzwerks:l Impedanz (komplex!)l Entkopplungsdämpfungl Spannungsteilungsmaß

17


Spannungsteilungsfaktor eines AMN V-Netzwerksl Vergleich der Spannungen am EUT Port und RF Portl Übertragungsverhalten: Transmissionsmessung RF-EUT-Port


Kalibrierung eines Y-Netzwerksfür Telekommunikations-Equipment

Balanzierte Messung mit 4-Tor NWA:l Impedanz (komplex!)l Entkopplungsdämpfungl Spannungsteilungsmaßl Common model “Differential Mode”

Unterdrückung

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Validierung eines Mesßaufbaus mitAbsorptions-Meßzangel Gleiches Setup wie für Kalibrierung der Zange


Ende

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