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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Messtechnik tiellen

Messtechnik tiellen Rauschzahlmessung mit dem VectorStar VNA zu sehen. Da b 1 und b 2 nun zu komplexen Größen werden, muss eine Phasenreferenzebene erstellt werden. Dies erfolgt über eine Durchgangsverbindung zwischen einem Signal von einer internen Quelle, die mit jedem Empfängerpfad verbunden ist. Der Einfachheit halber kann dies gleichzeitig mit einer Empfängerkalibrierung erfolgen. Balun-basierte Methoden Ein klassischer Ansatz für die Messung differentieller Rauschzahlen ist der Einsatz eines Balun oder Combiners und das nachträgliche De-Embedding des Balun vom Messergebnis (Bild 4). Der Ansatz ist einfach: Der Balun-Verlust in der Gewinnberechnung muss nur durch De-Embedding berücksichtigt werden: Bild 12: Vergleichsversuch Diese Annahme gilt nur, wenn die Leitungslängen zum Balun gleich sind und die Anpassung des Baluns ideal ist. In diesem Fall wird ein Differenzsignal für die herkömmliche Zweitor- Rauschanalyse erzeugt. Ist die Anpassung zwischen Balun und Kombinator nicht optimal, können erhebliche Fehler auftreten (Bild 5). Bei HF- Baluns ist eine solche Fehlanpassung häufig der Fall. Derzeitige Messmethoden berücksichtigen dieses Ungleichgewicht nicht, was die balunbasierte Methode für höhere Frequenzen unbrauchbar macht. Während der Gewinn/ Verlust des Baluns normalerweise keinen großen Einfluss auf den Fehler der Rauschzahl hat, wird jedoch die Rauschleistung beeinflusst. Der Unterschied zwischen korrelierter und unkorrelierter Rauschleistung kann als Korrelationsterm bezeichnet werden. Eine Simulation zeigt, dass ein größeres Amplituden- Ungleichgewicht (bis 1 dB) nur geringe Auswirkungen hat. Das Phasen-Ungleichgewicht (z.B. 10°) kann jedoch zusätzliche 0,5 dB Rauschzahl-Messfehler verursachen. Wird die Fehlanpassung des Baluns korrigiert, wirkt sich dies positiv auf die Messgenauigkeit aus. Die im VectorStar integrierte balunbasierte Rauschzahlmethode ermöglicht einen solchen Korrektur-Algorithmus für Fehlanpassungen. Aus zwei Messreihen – einer in Single- Ended-Konfiguration und der anderen mit dem Balun in normaler Konfiguration – ergibt sich mit der Balun-Methode eine höhere Genauigkeit. Eine weitere Verbesserung ist durch eine Bild 11: Die Eingangstore sind mit 50-Ohm-Widerständen abgeschlossen vertauschte Eingangskonfiguration des Baluns als zusätzlicher Messschritt möglich. Schritt 1 und 2 – s. Bilder 6 und 7. Praktische Umsetzung der differentiellen Rauschzahlmessung Das Verfahren ist einer Single- Ended-Rauschzahlmessung sehr ähnlich und besteht aus vier Hauptschritten: 1. S-Parameter des DUT erfassen 2. Empfängerkalbrierung durchführen 3. Rauschkalibrierung durchführen 4. DUT messen Während der Messung der S-Parameter des DUTs kommt es darauf an, dass sich der Prüfling nicht in der Nähe der Kompression befindet. Einige Transistoren oder LNAs können bei einer Eingangsleistung von -35 dBm stark komprimiert werden (Bild 8). Für differentielle Rauschzahlmessungen sind zwei Composite-Receiver erforderlich. Für DUT-Verstärkungen von 10 bis 25 dB ist ein Composite-Receiver mit einer Verstärkung von 20 dB ausreichend. Als Composite- Receiver bezeichnet man das zusätzlich Frontend, bestehen aus Vorverstärker und Filter, welches üblicherweise bei einem VNA notwendig ist. Eine Kalibrierung der Composite-Receiver in Absolutleistung ist erforderlich – dazu reicht eine einzige interne Signalquelle des VNA aus. Abhängig von der Verstärkung des DUTs und der Vorverstärker ist eine Quellenleistung von -20 bis -50 dBm erforderlich. Bild 9 zeigt den Aufbau für die Kalibrierung des Empfängers. Wie erwähnt, wird die Rauschleistungskalibrierung bei abgeschlossenem Eingang des Composite-Receivers durchgeführt. Da die Rauschleistung eine sich langsam ändernde Funktion der Frequenz ist, reicht zur Vereinfachung eine Kalibrierungsinterpolation aus (Bild 10). 50 Ohm gegen Masse an beiden Eingängen sind ideal für einen DUT-Aufbau für 100 Ohm differentielle Impedanz. Zur Vereinfachung macht es Sinn, die Impedanz des Abschlusswiderstands auf 50 Ohm zu halten (Bild 11). 20 HF-Einkaufsführer 2020/2021

Messtechnik Bild 13: Setup für die Rauschzahlmessung bei 100 GHz mit dem VectorStar VNA von Anritsu Unsicherheiten bei der Rauschzahlmessung Bei single-ended- und differentiellen Rauschzahlmessungen haben folgende Parameter auf die Messgenauigkeit Einfluss: 1. Absolutleistungskalibrierung (einschließlich Fehlanpassungseffekte) 2. Empfängerkalibrierung (Fehlanpassungseffekte) 3. Unsicherheit der S-Parameter des DUTs 4. Datenjitter aufgrund von Grundrauschen und Erfassungslänge Bild 14: Vergleich der Ergebnisse HF-Einkaufsführer 2020/2021 5. Linearität des Empfängers Darüber hinaus sind die folgenden Punkte für die differentielle Rauschzahl zu berücksichtigen: 1. Vernachlässigung der Korrelation (unkorrelierte Methode) 2. Genauigkeit der Balun- Charakterisierung 3. Handhabung von Unsymetrie (Balun-Methode) 4. Ungenauigkeiten und Abweichungen bei der Korrelationsberechnung (direkte Korrelationsmethode) Wird beispielsweise ein DUT mit einer Verstärkung von 20 dB, einer Rückflussdämpfung von 20 dB und einer Rauschzahl von 5 dB verwendet und angenommen, dass der DUT nicht korreliert ist, gibt es keinen Unterschied zwischen den Fehlern bei unkorrelierten und direkt korrelierten Methoden. Die Charakterisierung des Baluns fügt jedoch bei der balunbasierten Methode einen merklichen Betrag hinzu. • unkorrelierte Methode: 0,4 dB Fehler • direkt korrelierte Methode: 0,4 dB Fehler • balunb-basierte Methode: 0,5 dB Fehler (unter der Annahme 15 dB RL und 0,5 dB Einfügungsdämpfung) In diesem Beispiel wurde ein Empfänger mit hoher Verstärkung, 5 dB Rauschzahl mit 3 kHz ZF-Bandbreite und 3000 RMS Punkte verwendet. Bei ähnlichen Parametern, aber einem hochkorrelierten DUT, sind die Messfehler viel erheblicher und unterscheiden sich von Methode zu Methode. • unkorrelierte Methode: 3,1 dB Fehler • direkt korrelierte Methode: 0,6 dB Fehler • einfache balun-basierte Methode: 1,1 dB Fehler • korrelierter Balun: 0,7 dB Fehler Zusammenfassend festgestellt, weist nur die direkt korrelierte Methode mit kohärenten Empfängern den geringsten Messfehler auf und stellt sicher, dass die wahre Rauschzahl eines differentiellen DUTs ermittelt wird. Das soll Bild 12 bestätigen. Die Eingangstore sind mit 50-Ohm- Widerständen abgeschlossen. Die Cold-Source-Methode ermöglicht auch Rauschzahlmessungen im hohen GHz- Bereich, was zahlreiche neue Möglichkeiten im Bereich der Bauteilcharakterisierung bei Frequenzen im E- und W-Band eröffnet. Bild 13 zeigt ein Setup für die Rauschzahlmessung bei 100 GHz mit dem VectorStar VNA von Anritsu. Ein differentieller W-Band-Verstärker wurde mit den drei verschiedenen Rauschzahlmethoden charakterisiert, die der Vector- Star bietet. Die Grafik in Bild 14 vergleicht die Ergebnisse. Der Vorteil der differentiell korrelierten Methode ist deutlich zu erkennen. Fazit Differenzielle Rauschzahlmessungen werden immer wichtiger, und selbst ohne offizielle Definition durch Normungsgremien sind die hier beschriebenen Methoden in sich konsistent und praktikabel. Neuere Methoden, wie sie über den VectorStar VNA von Anritsu zur Verfügung stehen, bieten die Möglichkeit, die Korrelation der DUT-Ausgänge besser zu charakterisieren und die Messungen zu verbessern. Die Messunsicherheiten können durch einfache Erweiterungen aus unkorrelierten Messungen abgeleitet werden. Die Suche nach einer Antwort auf differentielle Rauschparameter wird der nächste große Schritt sein, der für die Branche zwar immer noch eine Herausforderung darstellt, aber von vielen Gruppen bereits aktiv bearbeitet wird. ◄ 21

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