Herzlich Willkommen beim beam-Verlag in Marburg, dem Fachverlag für anspruchsvolle Elektronik-Literatur.


Wir freuen uns, Sie auf unserem ePaper-Kiosk begrüßen zu können.

Aufrufe
vor 5 Jahren

11-2018

  • Text
  • Komponenten
  • Technik
  • Radio
  • Filter
  • Emv
  • Wireless
  • Messtechnik
  • Bauelemente
  • Oszillatoren
  • Amplifier
  • Quarze
  • Modulation
  • Amplifiers
  • Frequency
Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Messtechnik HF-Parameter

Messtechnik HF-Parameter präzise messen Was nutzt der beste Testplatz mit hochwertigen Messgeräten, wenn der Messaufbau nicht korrekt ausgeführt ist? Dieser Beitrag gibt Hinweise, wie man Messfehler durch ungünstige Kabel vermeidet. In einem Messaufbau für Frequenzen bis in den GHz-Bereich werden die verschiedenen Komponenten mittels Koaxialkabel verbunden. Idealerweise haben diese nur einen geringen Einfluss auf die Signalübertragung. Gute Messkabel weisen geringe Dämpfung, sehr kleine Reflektionsfaktoren und eine stabile Phase auf. Deshalb muss vor der Anwendung geprüft werden, ob die eingesetzten Kabel den Anforderungen genügen. Die Datenblätter zeigen die entsprechenden Werte und weisen auch auf die Stabilität der Amplitude und Phase bei Lageänderung und Bewegung der Kabel hin. Ein Fehler schleicht sich ein Ein wesentliches Gerät eines HF-Messplatzes ist ein Vektorsignalanalyzer (VNA). Er zeichnet sich durch eine hohe Messgenauigkeit aus, ist ab Werk kalibriert und nach Erreichen einer konstanten Temperatur im Messraum sofort einsatzbereit. Für die Messung eines Zweitors (Bauteil/Gerät) wird dann nur noch ein Satz Verbindungskabel benötigt. Alles scheint einfach... Wie sich aber kleinste Fehler im Messaufbau auswirken, zeigt folgendes Beispiel: Angenommen, der VNA hat bei der Return- Loss-Messung eine Genauigkeit von 50 dB. Das Messkabel hat an einer Seite 40 dB Anpassung und am anderen weit entfernten Ende 31 dB. Da sich die Phase proportional zur Frequenz nach folgender Gleichung dreht, ergibt sich, dass die Reflexionswinkel an den Enden und auf der Leitung sich bei ändernder Frequenz mit unterschiedlichen Winkeln drehen: Es kommt zur Überlagerung der sich ändernden Amplituden, und es können sich Extremamplitudenwerte ergeben und im Bild 1: Verschiedene Reflektionsfaktoren sind mit verschiedenen Drehwinkeln verbunden, wenn sich die Frequenz verändert. Da noch die Leitungslänge mit eingeht, ist eine Winkeländerung wesentlich schneller als die andere. Werden die Reflektionsfaktoren als Vektor dargestellt, bekommen wir die hier gezeigte Darstellung schlechtesten Fall einen Return- Loss von nur 28 dB, ein Wert, der durch zusätzliche Adapter noch verschlechtert wird (Bild 1). Koaxiale Verbindungen An Verbindungskabeln in Geräten werden geringere Anforderungen gestellt als an Messkabel im Labor. Man fragt sich aber, warum braucht man ein hochwertiges Messkabel, wenn dessen Einfluss auf die Messung durch die Kalibrierung herausgerechnet werden kann? Eigentlich richtig, aber nur wenn alle Parameter auch stabil wären! Einfache Kabel haben z.B. keine stabile Phase, wenn sie bewegt werden. Koaxiale Verbindungen werden über einfaches Zusammenstecken von hochpräzise gefertigten Steckern und Buchsen hergestellt. Dabei ist besonders bei Verwendung eines Adapters oder Kalibrierwiderstands darauf zu achten, dass nicht der Stecker in die Buchse hineingedreht wird, sondern die Verbindung nur über die Überwurfmutter erfolgt (Bild 2). Denn schon durch eine geringe Drehbewegung schleift der Federkörper der Buchse auf dem zentralen Stift des Steckers (links) und kann feinsten Metallabrieb erzeugen. Dieser führt zu Kontaktproblemen und verfälscht die Messergebnisse. Stecker und Buchse müssen völlig unversehrt und sauber sein. Auch nur leicht beschädigt oder verschmutzt, kann das jeweilige Gegenstück ebenfalls beschädigt werden. Defekte Komponenten sollte man unbedingt austauschen. Besondere Aufmerksamkeit gilt der Position des Innenleiters, er muss absolut gerade sein. Sollte am Federkörper der Buchse ein Teil verbogen oder gar abgebrochen sein, muss die Buchse komplett ausgetauscht werden. Eine Verschmutzung durch Staub und Metallpartikel kann man am einfachsten mit fett- und ölfreier Druckluft ausblasen. Bei festsitzendem Schmutz empfiehlt sich die sorgsame Reinigung mit einem fusselfreien, mit Isopropanol benetzten Papiertuch. Einfacher Brennspiritus eignet sich nicht, da er nicht rückstandsfrei verdunstet. Kunststoffteile dabei nicht zu stark befeuchten und mit Druckluft trocknen. Autor: Siegfried W. Best el-spec GmbH elspecgroup.de Bild 2: Links: Schräg angesetzter SMA-Stecker beschädigt die Buchse, rechts: PC3.50 vermeidet Schäden durch schräges Einsetzen 42 hf-praxis 11/2018

Messtechnik Tipps für die Praxis Schwer zugängliche Stellen lassen sich z.B. mit sanftem Druck mit einem Zahnstocher reinigen, um den ein Papiertuch gewickelt ist. Um Verschmutzungen oder Beschädigungen von vornherein zu vermeiden, sollten Stecker wie auch Präzisionsadapter oder Kalibriernormale niemals ohne Schutzkappe lose aufbewahrt werden. Man sollte diese keinesfalls offen auf die Kontaktseite stellen und die mitgelieferten/ separat erhältlichen Kunststoffkappen verwenden (Bild 3). Besondere Umsicht gilt den SMA-Steckern. Setzt man sie nicht gerade, sondern schräg auf, beschädigt der stabile Stift des Steckers den Federköper der Buchse. Der Stecker muss exakt gerade eingesteckt werden, sodass sich die Mutter leicht drehen lässt (bei den abgeleiteten Versionen, z.B. beim PC 3.50, wurde dies bereits berücksichtigt, Bild 2 rechts). Läuft sie schwer, dann neu und 100% gerade ansetzen. Ursache für eine schwergängige Mutter kann sein, dass ein steifes Koaxialkabel die Verbindung einseitig belastet. Durch vorsichtiges Bewegen des Kabels stellt man fest, in welcher Position die Mutter leicht zu drehen ist und stellt so eine sichere und feste Verbindung ohne Beschädigung her. Alle Stecker unterhalb der TNC- Version (Schraubvariante des Typs BNC) sollten ausschließlich per Drehmomentschlüssel angezogen werden. Die Drehmomentwerte sind in den Datenblättern angegeben. Vorsicht: Von einigen Steckertypen gibt es Low Cost Versionen, z.B. von SMA, die nur deutlich geringere Werte vertragen. Fest eingestellte Drehmomentschlüssel kann man z.B. für die wichtigsten Typen bei elspec bestellen. Empfindliche Stellen Einfach Kabel haben keine stabile Phase, sobald man sie bewegt. Da kann auch durch eine genaue Kalibrierung der Einfluss des Kabels nicht herausgerechnet werden. Wie im Beispiel (Bild 1) gezeigt, passen die ermittelten Korrekturwerte der sich überlagernden Amplituden zum Reflektionssignal nicht mehr. Sobald sich der Messaufbau nicht mehr verändert, lassen sich hochwertige Semi- Rigid-Kabel so verlegen, dass sie nach der Kalibrierung nicht mehr bewegt werden müssen. Damit bleibt die Phasenänderung minimal. Die empfindlichste Stelle am Kabel ist der Übergang zum Stecker. Gute Stecker besitzen daher einen schützenden Knickschutz, der aber nicht alle Belastungen vom Kabel fernhält. Daher sollten die Kabel mit nicht zu kleinen Radien nur sehr moderat gebogen werden und auch nur in entsprechendem Abstand vom Stecker. Quetschungen durch schwere Gegenstände und Knicken muss man vermeiden. Auch sollten Torsionsbewegungen im Bereich des Knickschutzes vermieden werden, da dadurch die Folie im Kabel belastet wird und feine Bruchstellen entstehen, die den Masseanschluss verändern, was zu Messfehlern führt. Alle Messkabel sollten alle drei Monate äußerlich kontrolliert und vermessen werden. Beim Vergleich mit den vorangegangenen Messwerten zeigen sich die Abnutzungen. Auch sind sie wärend der Messung zu bewegen, um Schwankungen in den Werten zu sehen. Im Zweifelsfall sind die Kabel auszutauschen. Auch ist zu beachten, dass auch die besten Messkabel und Adapter, keine unbegrenzte Genauigkeit besitzen und so eine Messung negativ beeinflussen können. Kalibrierung Grundsätzlich gilt: Alles was nicht zum Messobjekt gehört, sollte in die Kalibrierung mit einbezogen werden. Die am weitesten verbreitete Kalibriermethode ist „Open“, „Short“, „Load and Through“. Wichtig ist eine feste Verbindung der Messkabel mit dem VNA, da sich sonst später die Werte verändern und die Kalibrierung hinfällig wird. Bei Bild 3: Empfindliche HF-Stecker sollten immer mit Abdeckkappen geschützt werden gleichen Steckern identischen Geschlechts benötigt man ein Kalibrierkit mit spezifiziertem Adapter (Durchverbinder). Verschiedene Steckertypen hingegen erfordern für jeden Typ den Einsatz eines Kalibrier-Kits mit einem entsprechenden Adapter. Idealerweise nutzt man zum Aufbau Stecker mit gegensätzlichem oder neutralem Geschlecht. So kann man bei der „Through“- Kalibrierung beide Messkabel einfach miteinander verbinden. Niedrige Messpegel werden zusätzlich durch das Systemrauschen beeinflusst. Falls möglich, sollte man dann den VNA in der Betriebsart Average verwenden, um die Genauigkeit zu erhöhen. Nach jeder Kalibrierung lässt sich das Ergebnis schnell überprüfen, wenn man einseitig „Load“ anschließt und der R L in Ordnung ist. Zum Testen der Einfügungsdämpfung verbindet man beide Messports miteinander. Hier sollte das IL = 0 dB ± der Systemgenauigkeit sein. Da eine präzise durchgeführte Kalibrierung lange Zeit stabil bleibt, lohnt sich die Speicherung der Werte, um sie künftig erneut zu verwenden. Für das Kalibrier- Kit ergibt sich zusätzlich durch die geringere Abnutzung eine längere Lebensdauer der Komponenten. Anpassungsoptimierung Bei skalarer Messung ist es notwendig, Quelle und Last gut anzupassen, um Überlagerungen durch reflektierende Wellen zu vermeiden, die das Ergebnis verfälschen können. Leistungsmesser sind meist gut angepasst, aber nicht jede Quelle. Durch Vorschalten eines Dämpfungsglieds werden die Wellen beim Durchlauf gedämpft, und die Anpassung wird verbessert (Bild 4). Etwa ein Dämpfungsglied 6 dB verbessert eine Anpassung von -10 dB auf -22 dB. Dies kann man nicht unendlich fortführen, da auch das Dämpfungsglied eine endliche Genauigkeit hat und diese sich im Gesamtergebnis niederschlägt. Ist der Innenleiter eines Koaxialkabels verschoben oder exzentrisch positioniert, verändert sich der Wellenwiderstand. Bild 4: Dämpfungsglied zwischen zwei Anschlussstellen hf-praxis 11/2018 43

hf-praxis

PC & Industrie

© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel