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11-2018

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Messtechnik Vollständig

Messtechnik Vollständig normkonforme Technologie für Messungen nach CISPR, ANSI C63.2, MIL 461, DO 160 und ETSI Emissionsmessungen von elektrischen oder elektronischen Komponenten oder Systemen werden zunehmend komplexer, sodass die sichere Ermittlung des Worst-Cases an Emissionen durchaus herausfordernd sein kann. Autoren Stephan Braun Arnd Frech Gauss Instruments International GmbH www.gauss-instruments.com TDEMI Ultra In den letzten Jahren gab es technologische Entwicklungen, bei denen die Echtzeitbandbreite von 162,5 zunächst auf 345 und schließlich auf 645 MHz erhöht wurde [1]. Neben den mittlerweile sehr schnellen normkonformen Emissionsmessungen mit hoher Echtzeitbandbreite erfolgen teilweise immer noch Emissionsmessungen im klassischen Frequenzschrittverfahren. Diese sind nach wie vor äußerst zeitaufwendig. Das neue TDEMI Ultra vereint nun die Vorteile beider Verfahren. Dabei wurde Wert darauf gelegt, dass auch das klassische Frequenzschrittverfahren im Vergleich zum Stand der Technik erstmals deutlich beschleunigt wird. Durch die Verwendung leistungsfähigster Mikrowellenkomponenten unter Nutzung der neusten Technologien von Galliumnitrid, extrem schnellen PLL-Schaltkreisen sowie hochleistungsfähigen FPGAs mit interner Pipelinestruktur setzt das TDEMI neue Maßstäbe hinsichtlich Dynamik, Messgeschwindigkeit und Rauschboden. Die Bedienung des TDEMI Ultra erfolgt über ein großes integriertes Touchdisplay, welches multitouch-fähig ist. Das TDEMI Ultra besitzt zwei HF-Eingänge sowie den Ausgang für einen optionalen Mitlaufgenerator im Frequenzbereich 9 kHz bis 6, 18, 26,5 oder 40 GHz. Das Gerät deckt den Frequenzbereich DC bis 40 GHz ab und kann für alle Full-Compliance-Messungen sowohl im klassischen Frequenzschrittverfahren als auch als „FFT-based Measuring Instrument“ gemäß CISPR 16-1-1, ANSI 63.2 und MIL-Std. 461G und DO-Std. 160G eingesetzt werden. Wichtige Anforderungen an das FFT-based Measuring Instrument Echtzeitdarstellungen mittels FFT erhöhen die Messgeschwindigkeit und können sehr einfach und komfortabel zur Analyse eingesetzt werden. Herkömmliche Messempfänger oder Spektrumanalysatoren sind heute teilweise mit einer Echtzeitbandbreite von einigen bis 30 MHz oder auch 80 MHz ausgestattet. Möchte man nun allerdings solche Ergebnisse nicht nur zur Analyse sondern auch für eine Konformitätsmessung und -aussage benutzen, so muss diese „Echtzeitdarstellung“ ebenso den Anforderungen der Normen CISPR 16-1-1, ANSI 63.2 bzw. MIL 461G genügen. Hierbei sind Bild 1: Vergleich Superhet-Modus vs. FFT-based Measuring Instrument 50 hf-praxis 11/2018

Messtechnik die nachfolgend beschriebenen wesentlichen Punkte und Eigenschaften einzuhalten: Lückenlose Auswertung Diese verlangt die CISPR 16-1- 1. Dabei muss es möglich sein, Einzelimpulse von 300 ps ohne Totzeiten darzustellen. Man spricht vom Probability of Intercept (POI), welcher kleiner 300 ps sein muss. Übliche Messempfänger mit Echtzeitdarstellungen haben typischerweise aber ein POI von nur 15 µs. Diese können daher dann nur zur Analyse eingesetzt werden und nicht für eine abschließende Konformitätsaussage. Beim TDEMI Ultra hingegen ist in allen Betriebsarten gewährleistet, dass der POI gemäß den Anforderungen der CISPR 16-1-1 eingehalten wird; somit kann dieses auch in allen Betriebsarten für eine voll normkonforme Messung mit Konformitätsaussage eingesetzt werden. Vorselektion im Echtzeitmodus ANSI 63.2 und MIL-Std. 461G legen fest, dass im oberen Frequenzbereich bis 40 GHz eine Unterdrückung von Nebenempfangsstellen von 40 dB erforderlich ist. Dies bedeutet in der Praxis, dass ein „FFT-based Measuring Instrument“ im oberen Frequenzbereich über eine Vorselektion verfügen muss, welche Spiegelfrequenzen und andere Mischprodukte entsprechend unterdrückt. Herkömmliche Messempfänger mit aufgesetzter Echtzeitfunktion können typischerweise oberhalb von 8 GHz nur im Echtzeitmodus betrieben werden, wenn die Vorselektion komplett ausgeschaltet wird. Dies ist notwendig, da die verwendeten YIG-Preselektoren zu schmalbandig sind, um eine zeitgemäße Echtzeitbandbreite zu erhalten. Das Abschalten der Vorselektion führt jedoch zu einem nicht mehr normkonformen Betrieb des Messempfängers hinsichtlich ANSI 63.2 und MIL 461G. Beim TDEMI Ultra steht hingegen eine aktive Filterbank mit Lownoise-Verstärkern zur Verfügung, welche permanent in allen Betriebsarten aktiv ist. Daher hält das TDEMI Ultra auch in diesem Punkt die Anforderungen der ANSI 63.2 sowie MIL 461G jederzeit vollständig ein. Kalibrierung und Rückführbarkeit Sowohl CISPR 16-1-1 als auch die CISPR 16-3 definieren, dass kein Unterschied in der Anzeige bei den Betriebsarten „Traditionell = Superhet“ und „Multichannel = FFT-based Measuring Instrument“ existieren darf. Es existieren zahlreiche Publikationen bei denen der sog. TD-Scan mit dem traditionellen Modus im gleichen Messempfänger verglichen wird. Zum Beispiel zeigt eine in 2017 durchgeführte Untersuchung, dass ein Unterschied von maximal 3 dB zwischen TD-Scan und klassischem Superhet-Betrieb im gleichen Messempfänger besteht [6]. Diese recht geringe Abweichung erlaubt es, den TD-Scan für die Analyse einzusetzen. Es wird allerdings in dem Zusammenhang nicht klar, warum beim TD-Scan die Abweichungen an gleichen Frequenzpunkten für Peak, QP und Average unterschiedlich sind und woher diese Abweichungen stammen. Für eine finale normkonforme Messung ist jedoch ein „FFTbased Measuring Instrument“ erforderlich, welches keine Unterschiede zwischen klassischen Frequenzschrittverfahren im Superhet-Modus und FFT-Modus für alle Signale zeigt. Das TDEMI Ultra wurde so entwickelt, dass z.B. beide Pfade mathematisch mit gleichen Filterkoeffizienten arbeiten. Weitere Maßnahmen stellen sicher, dass keine Unterschiede beider Betriebsarten hinsichtlich Anzeigepegel existieren. Hierdurch wird sichergestellt, dass beim TDEMI Ultra stets die Anforderung einer mathematischen Äquivalenz, welche Bild 2: Ultrafast Receiver Scanning gemäß CISPR 16-3 gefordert wird, eingehalten wird. In einem einfachen Test kann man als Anwender feststellen, ob ein Gerät diese Anforderung einhält. Man vergleicht hierzu den Rauschboden in beiden Betriebsarten mit 50 Ohm Abschluss. Sieht der Rauschboden im FFT- Modus anders aus als im traditionellen Superhet-Modus, so muss man als Anwender davon ausgehen, dass keine vollständige Identität zwischen FFT-Modus und traditionellem Modus vorhanden ist. Ein ähnlicher Test kann mit Pulsen erfolgen. In Bild 1 ist ein Vergleich einer Messung eines Signalgemischs (Puls + Sinussignal) im FFTbasierenden Modus und im traditionellen Modus dargestellt. Die Kurven stimmen exakt überein. Bei genügend großem SNR sieht man eine Abweichung von 0 dB. Bei niedrigerem Pegel wird ein Unterschied von ca. 0,15 dB gemessen. Dieser entspricht der Wiederholbarkeitsgenauigkeit bei dem entsprechend vorhandenen SNR. Nur bei Messgeräten, welche eine exakte Identität der Ergebnisse zwischen FFT-basierenden Modus und Superhet-Verfahren bereitstellen, ist üblicherweise gewährleistet, dass der FFT-basierende Modus ebenfalls durch die Kalibrierung vollkommen abgedeckt ist. Das TDEMI Ultra ist stets für beide Betriebsarten rückführbar nach ISO 17025 kalibriert. Bild 3: Echtzeitmessung eines GHz-Frequency-Hopping-Signals hf-praxis 11/2018 51

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