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3-2019

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Messtechnik

Messtechnik Rauschmaßmessung über 110 GHz Mit den jüngsten Verbesserungen in der Halbleitertechnologie wird der Mikrowellenbereich jenseits von 110 GHz immer interessanter. Quelle: Measure noise figure above 110 GHz, Rohde & Schwarz Application Card 2018 Dies gilt insbesondere für Applikationen im Bereich Millimeterwellenradar und Bildgebung. Jedoch verschlechtert sich in einem Empfänger normalerweise das Signal/ Rausch-Verhältnis in höheren Frequenzbereichen. Bei der Entwicklung von Millimeterwellen-Applikationen ist es deshalb wichtig, das Rauschmaß von LNAs oder des gesamten Empfangszugs zu messen, um die Empfindlichkeit entsprechend zu beeinflussen. Das Rauschmaß und die Verstärkung des LNAs bestimmen das erreichbare Gesamt-Signal/ Rausch-Verhältnis. Beide Parameter müssen gemessen werden, um das System optimal zu gestalten und die Auflösung der Bildgebungsapplikationen im Radar- und Mikrowellenbereich zu verbessern oder um den Datendurchsatz für Kommunikationsapplikationen zu steigern. Messtechnische Lösung D i e A u f m a c h e r g r a f i k zeigt den typischen Aufbau für Rauschmaßmessungen auf Basis der Y-Faktor-Methode. Signal- und Spektrumanalysatoren von Rohde & Schwarz, die mit der Option R&S FSx-K30 ausgestattet sind, bilden dabei die Basis für eine Lösung, um das Rauschmaß im Millimeterwellen-Frequenzbereich exakt zu messen. Ein Signal- und Spektrumanalysator von Rohde & Schwarz wie der R&S FSW, ausgestattet mit der Option R&S FSx-K30 für Rauschmaßmessungen, eignet sich optimal, um das Rauschmaß und die Verstärkung selbst im Millimeterwellenbereich exakt zu messen und zu analysieren. Ein externer Harmonischen-Mischer, wie der R&S®FS Z170, erweitert den Frequenzbereich des Analysators auf bis zu 170 GHz. Rauschmaß und Verstärkung werden üblicherweise mit der Y-Faktor-Methode gemessen. Diese Technik verwendet eine Rauschquelle wie die Rauschdiode Modell ISSN- 06 von Elva mit einem Frequenzbereich von 110 bis 170 GHz, um ein Excess Noise Ratio (ENR) für das Messobjekt bereitzustellen. Um die Analysatorempfindlichkeit zu steigern und belastbare Ergebnisse zu erzielen, wird vor dem Mischer ein zusätzlicher, rauscharmer Vorverstärker wie der RPG D-LNA 110-170 empfohlen. R&S FSx-K30 hat die vollständige Kontrolle über den Messaufbau. Sie schaltet das ENR der Rauschquelle während des Mess-Sweeps ein und aus und stellt die berechneten Ergebnisse für Rauschmaß und Verstärkung in verschiedenen Graphen und 50 hf-praxis 3/2019

Messtechnik Tabellen dar. Die Differenz zwischen dem Grundrauschen mit der ein- bzw. ausgeschalteten Rauschdiode ist der Y-Faktor. Ohne Vorverstärker beträgt der erreichbare Y-Faktor bei 140 GHz nur etwa 0,5 dB. Mit dem Vorverstärker erhöht sich der Y-Faktor um mehr als das Zehnfache auf etwa 7 dB. Dies hat einen entscheidenden Einfluss auf die Messgenauigkeit. Herausragende Performance bei Millimeterwellen Der R&S FSW Signal- und Spektrumanalysator bietet, selbst bei Millimeterwellen- Frequenzen, eine herausragende Performance. Ein Vorverstärker erhöht den Y-Faktor hinreichend, um den kleinen statistischen Fehler des Analysators bei Rauschmaß und Verstärkung im Bereich von gerade 0,1 dB zu kompensieren. Damit lassen sich reproduzierbare Messergebnisse sogar oberhalb von 110 GHz erzielen. Das SWR des Messaufbaus sorgt bei den Testergebnissen für eine weitere systematische Messabweichung, die berücksichtigt werden muss. Die Option R&S FSx-K30 beinhaltet bereits eine Funktion zur Berechnung der Unsicherheit für Messungen des Rauschmaßes und der Verstärkung. In Bezug auf die verwendeten Komponenten lassen sich typische Werte für SWR, ENR-Unsicherheit und Verstärkung eingeben. Dies führt zu einer berechneten systematischen Messabweichung von etwas 0,5 dB für den beschriebenen Messaufbau. Möglicherweise werden einige zusätzliche Dämpfungsglieder oder Filter benötigt, um die systematische Messabweichung zu verringern. ◄ Bei 140 GHz Mittenfrequenz verbessert ein Vorverstärker (grün) den Y-Faktor im Vergleich zum erreichbaren Y-Faktor ohne Vorverstärker (gelb) um mehr als das Zehnfache Mit dem Tausch des Messobjekts gegen eine Durchverbindung lässt sich der kleine statistische Fehler von 0,1 dB des R&S FSW für Rauschmaß und Verstärkung verifizieren – nach einer zweiten Korrektur, um den Einfluss des Analysators abzuziehen hf-praxis 3/2019 51

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