1-2017

Messtechnik

Messtechnik Kostengünstigere Vektornetzwerkanalysatoren finden neue Anwendungsgebiete Bild 1: VNA –Versuchsaufbau mit vertikaler Anbringung nahe der zu messenden Antenne Paul Holes Anritsu Corp. www.anritsu.com Mit der Weiterentwicklung von Testausrüstungen gab es den Trend, eindeutige und identifizierbare Abgrenzungen bei der Funktionspalette und den Einsatzmöglichkeiten zu bieten. Dabei wird den Kunden suggeriert, dass sie durch die engeren Spezifikationsgrenzen einen innovativen Vorteil gegenüber ihren Wettbewerbern haben. Bei den meisten modernen Vektornetzwerkanalysatoren (VNAs) hat dieser Trend dazu geführt, dass ihre Einsatzmöglichkeiten und Funktionen sehr komplex geworden sind, was zu höheren Betriebskosten für den Anwender führt. Diese ergeben sich nicht nur durch die Geräteinvestitionen sowie den Kalibrierungs- und Supportkosten, sondern auch durch die Zeit, die benötigt wird, um den Anwender mit den Geräten vertraut zu machen, ihn zu schulen sowie durch den Zeitaufwand zum Schreiben von Steuerungssoftware und Treibern. Kosten-Nutzen- Überlegungen Für Forschungs- und Entwicklungsanforderungen werden derartige Kosten üblicherweise so verstanden und eingeplant, dass der Kunde eine echte Wahlmöglichkeit hat, welche Art Test durchgeführt werden muss und wie der Test realisiert wird. Da jedoch in einer F&E-Umgebung alle Arten von Messungen benötigt werden, bedeutet dies, dass ein sehr teures Prüfmittel für kostengünstige Messungen genutzt wird und damit die wertvolle Forschungs- und Entwicklungszeit bindet. In einem größeren Rahmen könnten, zusätzlich zu der Tatsache, dass F&E-Kunden das Ziel haben, noch engere Leistungsgrenzen abzuleiten, weitere parallele Forschungsaktivitäten durch externe Auftragnehmer erforderlich sein. Dies sind Auftragnehmer, die geringe Finanzmittel für Investitionen in Testausrüstungen zur Verfügung haben und daher die Leistungen einer Forschungseinrichtung oder einer an einer Universität angesiedelten Abteilung einkaufen, wo die Arbeiten im Namen der Auftragnehmer ausgeführt werden. Interessanterweise erfordern viele VNA-Anwendungen nur eine Basisfunktionalität, wie beispielsweise die Streuparameter-Messfunktion und vielleicht eine sich daran anschließende Nachbearbeitungssoftware. Bis dato war diese Kombination an Funktionen nur möglich, indem vorhandene Hochleistungs- VNAs zum Einsatz kamen: eine Situation, die dazu geführt hat, dass Anwender nur widerwillig für ungenutzte moderne VNA- Funktionen gezahlt haben: insbesondere bei Anwendungen, bei denen die Größe der Ausrüstung zu zusätzlichen Schwierigkeiten mit der Verfügung stehenden Fläche und der Auslegung des Prüfplatzes führt. Einfachheit und Kompaktheit Dank der neuesten Entwicklungen auf dem Gebiet der kostengünstigeren und kompakteren Vektornetzwerkanalysatoren ist es jedoch durch die Einfachheit und die kompakte Bauweise der VNA-Hardware möglich, die VNAs zügig für Antennen-Streuparametermessungen (Bild 1 und 2) einzurichten, wie sie von Dr. Massimo Candotti im Antenna Measurement Laboratory der Queen Mary University in London angewendet werden. In dieser Anwendung kann der VNA vertikal zum Anten- 36 hf-praxis 1/2017

Messtechnik je voller 360°-Drehtisch-Umdrehung mit Dynamikbereichen oberhalb von 60 dB (für Antennen mit niedrigem Antennengewinn) aufzeichnen. Diese Anwendung hat die Prüfzeit in der EMV-Prüfkammer, die für elektrisch kleine Antennen (im Allgemeinen PCB- Antennen für eine Vielzahl an Mobilgeräteanwendungen von 400 MHz bis zu 12 GHz) vorgesehen wurde, reduziert, indem die Anwender die beiden wichtigsten Antennenstrahlungsmuster in den Ebenen E und H in weniger als 90 Sekunden messen konnten. Diese Zeit benötigt der Drehtisch um auf die Anfangsposition zu gelangen, die gesamte 360°-Abtastung auszuführen und zur Mittelachsenposition der Antenne zurückzukehren. Da die VNA-Kosten fallen, werden die Anwendungen immer mehr von Menschen genutzt, die keine traditionellen Anwender von VNAs sind – z. B. in Bereichen der Werkstoffprüfung und Teilchenabtastung – wo es aufgrund der Kosten in der Vergangenheit schwierig war, den Einsatz von VNAs zu rechtfertigen. Neue Technologien Bild 2: EMV-Prüfkammer für Antennenmessungen mit einem VNA-basierten Strahlungsmuster- Messsystem nenraum angebracht werden, wodurch er sich so nah wie möglich an der zu messenden Antenne befindet. Der Shockline MS46322A von Anritsu lässt sich zum Beispiel zügig als Tischgerät für standardmäßige Mikrowellen-Gerätemessungen und für Streuparametermessungen an Antennen, aber auch für speziellere Anwendungszwecke vorbereiten. Im Unterschied zu älteren VNAs, die für ihre Befehle das GPIB- Bussystem genutzt haben und nur eine Frequenzmessung pro Umdrehung des Drehtisches bewältigen konnten, verfügt der Shockline-VNA über eine hohe Richtwirkung und ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis in Verbindung mit hohen Messund Verarbeitungsgeschwindigkeiten. Damit sind zeitgleich Strahlungsmustermessungen auf mehreren Frequenzen bei sich drehendem Drehtisch möglich. Leistungen dieser Art waren vorher nur mit Einsatz von Highend- VNAs möglich, die groß und unhandlich sind und über viele weitere Funktionen verfügen, die nicht unbedingt genutzt werden, obwohl sie bezahlt wurden. Automatisierte Testverfahren Ein weiteres typisches Anwendungsbeispiel für den MS46322A ist dessen Einsatz in einem automatisierten Testsystem mit einer hausinternen grafischen Benutzeroberfläche LabVIEW, das in der Lage ist, Strahlungsmustermessungen an Antennen auf mehreren Frequenzen gleichzeitig abzurufen, während sich die zu messende Antenne auf dem Drehtisch dreht. Durch das Ausnutzen der schnellen Messdurchläufe des MS46322A, selbst bei einer relativ geringen Zwischenfrequenz-Bandbreite von 700 Hz, lässt sich eine Strahlengruppe auf bis zu 11 Frequenzen Heute verzeichnen wir jedoch einen Aufschwung von kostengünstigen Vektornetzwerkanalysatoren mit Dynamikbereichen von bis zu 100 dB und Abtastgeschwindigkeiten von unter 100 µs je Messpunkt. Diese Kombination aus kostengünstigen Geräten und hoher Leistung ist das Ergebnis einer Reihe von technischen Entwicklungen, einschließlich der patentierten „VNA on a chip”-Architektur der ShockLine-Baureihe von Anritsu, welche die nichtlineare Transmission-Line-Technik nutzt. Diese nichtlinearen Übertragungsleitungen, auch „shock lines” genannt, erzeugen sehr enge hochfrequente Impulse, die den Funktionsbereich des Abtastempfängers bis auf 40 GHz und höher erweitern. Mit einer höheren Lokaloszillatorfrequenz erreicht dieses Abtastverfahren eine bessere Rauschleistung als die Oberwellenmischung, insbesondere bei höheren HF-Frequenzen. Im Zusammenspiel mit dem höheren Intercept-Punkt dritter Ordnung (IP3), führt dies direkt zu einem optimierten Dynamikbereich. Mit einer Einzelplatinen-HF- VNA-Lösung und der Nutzung einer COTS-Stromversorgung sowie eines PCs werden die Kosten zudem erheblich reduziert, da das Frontbedienelement und das Tastenfeld entfallen. Diese werden nicht für Remote-Anwendungen benötigt, wie z. B. Überwachung, automatische Prüfeinrichtungen (ATE) und Fernlehrgänge. Damit hat der Anwender die Wahl und gibt ihm die Flexibilität, seine eigenen Schnittstellen bzw. Anzeigen hinzuzufügen und er kann sich auf Basiseigenschaften und -funktionen konzentrieren, wie etwa Streuparameter- und/oder Zeitbereichsmessungen. ◄ hf-praxis 1/2017 37