Messtechnik Best Practices - Optimierung eines Signalgenerators Durch Optimierung des Signalgenerators kann man bessere Messungen durchführen. Die Optimierung ist besonders bei den Signalen der neuen, breitbandigen Technologien wie 5G wichtig. Bild 1: Vereinfachtes Blockdiagramm einer ALC-Rückkopplungsschaltung In der drahtlosen Kommunikation oder im Radar sehen wir uns einer anhaltenden „Bandbreitenkrise“ gegenüber. Im nutzbaren Spektrum kommt es teil schon zu Interferenzen. Das Testen von entsprechenden Geräten mittels Signalsimulation ist daher von entscheidender Bedeutung. Signalgeneratoren liefern präzise, hochstabile Testsignale für eine Vielzahl von Komponenten und Systemen. Kenntnis über die Fähigkeiten, aber auch Schwächen der Signalgeneratoren sind der erste Schritt, um genaue und konsistente Messungen durchzuführen. Erhöhen der Amplitudengenauigkeit Mit HF-Signalgeneratoren testet man HF-Komponenten, Empfänger, Sender und Systeme. Ein großer Bereich für die Ausgangsleistung ist für eine Vielzahl von Anwendungen erforderlich. Der Ausgangsleistungsbereich von Signalgeneratoren wird bestimmt durch ein in Stufen einstellbares Dämpfungsglied oder durch verschiedene Kombinationen von Dämpfungsgliedern und die automatische Nivellierung der zur Verfügung gestellten Leistung (Automatic Level Control, ALC) wie in Bild 1 dargestellt. Das Stufendämpfungsglied sorgt für eine grobe Leistungsdämpfung (in 5-dB-Schritten), um niedrige Leistungspegel zu erzielen, und die ALC-Schaltung wird verwendet, um einen stabilen und fein einstellbaren Leistungspegel bereitzustellen. Signalgeneratoren bieten sehr genaue Pegel an ihrem HF- Ausgang. In einem allgemeinen Testaufbau werden wahrscheinlich passive Komponenten wie Kabel, Filter oder Schalter und verwendet, neben aktiven Komponenten wie Verstärker oder Mischer zwischen Signalgenerator und dem zu testenden Gerät (Prüfling). Diese zusätzlichen Komponenten verursachen Einfügungsverluste oder -gewinne für das Testsystem. Es ist daher notwendig, diese Faktoren zu berücksichtigen und einen genau bekannten Pegel am Eingang des Prüflings sicherzustellen. HF-Signalgeneratoren können bis zu 25 dBm und bis zu -120 dBm ausgeben. Daher sind zusätzliche Verstärker oder Dämpfungsglieder selten erforderlich. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Amplitudengenauigkeit zu optimieren, wenn ein externer Verstärker, ein Dämpfungsglied oder anderes passives Zubehör mit einem Signalgenerator zusammen Quelle: Best Practices for Optimizing Your Signal Generator – Part 1 Making Better Measurements Keysight Technologies, 2018, veröffentlicht in USA, 18. Oktober 2018 www.keysight.com übersetzt von FS Bild 2: Test Setup für externe Nivellierung 20 hf-praxis 1/2020
Messtechnik Bild 3: Unterstützung durch interne Kanalkorrektur, wie möglich mit Keysight MXG N5182B und EXG N5172B arbeitet. Häufig wird ein Vektor- Netzwerkanalysators (VNA) zur Messung des Gewinns oder Verlusts des gesamten Signalpfads und zur Eingabe von Korrekturwerten in den Signalgenerator verwendet. Für die Erhöhung der Amplitudengenauigkeit gibt es zwei bevorzugte Vorgehensweisen: Verwendung der Flatness-Korrektur Wenn man Komponenten zwischen dem Signalgenerator und dem Prüfling hinzufügt, muss man den Unterschied korrigieren. Dabei gilt es, die Flatness (Ebenheit) des Frequenzgangs zu berücksichtigen. Die Benutzer- Ebenheitskorrektur ermöglicht die digitale Anpassung der HF- Ausgangsamplitude an die neuen Verhältnisse, um externe Verluste in Kabeln, Schaltern oder anderen Komponenten auszugleichen. Mit einem Leistungsmesser nebst Sensor gelingt es, das Messsystem zu kalibrieren und eine Tabelle der Leistungsstufen/Korrekturen automatisch erstellen zu lassen. Ein USB-Leis tungssensor aus der Keysight-U2000-Serie zum Beispiel, kann direkt an die Geräte der Keysight-X-Serie angeschlossen werden. Der Signalgenerator arbeitet nun auch als Leistungsmesser und misst die Leistung auf dem Testaufbau. Die Korrekturwerte können im Signalgenerator gespeichert werden. Anwender können die Korrekturwerte beim nächsten Mal abrufen und anwenden. Zwischen zwei Frequenzpunkten wird der Korrekturwert durch Interpolation bestimmt. Die Aufmachergrafik zeigt die Einrichtung der Ebenheitskorrektur bei Verwendung eines Signalgenerators und eines USB-Leistungssensors. Man kann auch das Leistungsmessgerät Keysight N1911A/N1912A oder N4419A/B verwenden, um eine Verbindung zur Keysight- X-Serie herzustellen. Qualifizierte Signalgeneratoren oder Leistungssignalgenerator (Power Signal Generators, PSGs) verfügen über das Feature GPIB, um die Korrektur durchzuführen. Der General Purpose Interface Bus (GPIB) ist ein paralleler Datenbus, der vor allem in Messgeräten und Peripheriegeräten eingesetzt wird. Der GPIB-Bus dient der Kommunikation zwischen Talker, Listener und Controller. Diese drei Komponenten können eine Funktion erfüllen oder auch mehrere. Der Talker Bild 4: Messergebnisse für ein 5G-NR-Signal mit aktivierter interner Kanalkorrektur kann beispielsweise ein Messgerät sein, das die Messdaten zu einem oder mehreren Listenern sendet. Steht das erforderliche Keysight-Leistungsmessgerät nicht zur Verfügung, können die Korrekturwerte manuell eingegeben werden. Die Genauigkeit des Leistungsmessers ist vom Kalibrierungsfaktor des Sensors abhängig. Externe Nivellierung Die HF-Ausgangsleistung eines Signalgenerators wird von der ALC ständig überwacht und geregelt, sodass etwa Temperaturschwankungen keine Auswirkungen haben. Wenn sich jedoch der Zustand der externen Komponenten, wie der Verstärker, verschlechtert (etwa durch Alterung und Temperatureinfluss), so kann die feste Ebenheitskorrektur diese Amplituden-Drift nicht egalisieren. Mit der externen Nivellierung können Anwender die ALC- Rückkopplungsquelle gewissermaßen näher an den Prüfling heranbringen. Dies kuriert die meisten Unsicherheiten in Bezug auf externe Kabel und Komponenten. Wenn sich der HF-Leistungspegel am Eingang des Leistungskopplers in Bild 2 ändert, dann liefert der externe Detektor eine kompensierende Spannung. Die ALC-Schaltung verwendet diese zur Pegelanpas- hf-praxis 1/2020 21
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