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8-2020

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Messtechnik

Messtechnik Mehrtor-HF-Bausteine vermessen Anwendung eines Zweitor-VNAs Dieser Beitrag erklärt, wie man Viertor- S-Parameter von Mehrtor-Bausteinen mithilfe eines Zweitor- VNA bestimmen kann. Autor: Dr. Enrico Brinciotti Anritsu Corporation www.anritsu.com Die Zahl der Messungen mittels Vector Network Analyzern (VNA) an Mehrtor-Bausteinen hat in den letzten Jahren erheblich zugenommen. Der Grund dafür ist die differentielle Signalübertragung auf den meisten Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungsleitungen sowie die Integration von Bauelementen wie Differenzverstärkern und Oberflächenwellen/SAW-Filtern (Surface Acoustic Wave) in Funkanwendungen. Differentialübertragungsleitungen ersetzen Single-Ended-Leitungen aufgrund ihres besseren Störverhaltens, der überlegenen Störfestigkeit, verbesserten Stabilität und ihrer geringeren Nichtlinearität zweiter Ordnung. Vier und mehr Tore Differenzielle Leitungen und Bausteine werden als Viertor- Netzwerke betrachtet, die einen Mehrtor- VNA mit mindestens vier zu charakterisierenden Toren erfordern, um charakterisiert zu werden. Aufgrund der höheren Kosten ist ein Mehrtor-VNA jedoch möglicherweise nicht ohne weiteres verfügbar. Dieser Beitrag beschreibt die Forschungsergebnisse, um Viertor-S-Parameter von Mehrtor- Bausteinen mithilfe eines Zweitor-VNA zu bestimmen. Zudem erfolgt ein Vergleich mit den Ergebnissen eines Mehrtor-Analyzers. Es gibt zwei Lösungen für Mehrtormessungen: Eigenständige Mehrtor-VNAs verwenden N Reflektometer, mit denen alle S-Parameter für ein bestimmtes Tor gemessen werden können. Ein Zweitor-VNA hingegen misst über einen 2xN- Aufbau zwei Tore gleichzeitig auf einem Viertor-DUT (Device Under Test). Kommerzielle Mehrtor-VNAs Das Aufmacherfoto zeigt einen modernen kommerziellen Viertor-Breitband-VNA mit 70 kHz und 110/125 GHz (Anritsu ME7838A4, von oben nach unten: VNA mit Display, ein Mehrtor-Testset, zwei Breitband-Testsets sowie die grauen und goldenen 145-GHz-mm- Wave-Module). Ein solches System bietet die höchste Kalibrier- und Messstabilität (0,1 vs. 0,6 dB über 24 h) und Rauschzahlmessungen bis 125 GHz (3744x-Rx-Empfänger) – sofern kompakte, leichte mm-Wave- Module (270 g vs. >3 kg und 1/50 des Volumens) zum Einsatz kommen. Mit dieser Konfiguration ist eine Single-Ended-, Differenzmodus-, Gleichtakt- und Mode- Conversion-Charakterisierung des DUTs möglich. Die Messgenauigkeit wird durch phasenverriegelte Empfänger, eine rauscharme HF-Quelle und eine systematische Fehlerkorrektur verbessert. Bei einer vollständigen Viertor-Korrektur werden während der Kalibrierung insgesamt 72 Fehlerterme gemessen. Mehrere Übertragungsmessungen lassen sich gleichzeitig durchführen, was die Anzahl der zur Messung aller S-Parameter erforderlichen Durchläufe (Sweeps) verringert. Der Referenzempfänger an jedem Tor hilft dabei, Hochgeschwindigkeits- Mehrtormessungen zu optimieren. In einem True-Viertor-VNA finden sich vier Reflektometer mit jeweils zwei Abtastern, und es wird entweder eine einzelne geschaltete HF-Quelle oder eine Konfiguration mit zwei Quellen verwendet, um eines der Tore anzuregen. Messdaten werden von allen Empfängern gesammelt, sodass jeder Schaltfehler effektiv beseitigt wird und somit das Error-Box-Modell verwendet werden kann. Zweitor-2xN-Systeme 2xN-Systeme stellen eine einfache und kostengünstige Methode zur Messung von Mehrtor-Bausteinen dar und erfordern nur einen Zweitor- VNA und den Abschluss jedes ungenutzten Tors mit angepassten (50 Ohm) Widerständen. Dies kann manuell oder mittels einer externen Schaltmatrix erfolgen, die die Tore eines Zweitor-VNA auf N Tore multiplext. Bei letzterer ist eine externe Stromversorgung und eine rechnergesteuerte Logik erforderlich, um das Schalten 24 hf-praxis 8/2020

Messtechnik tute wie METAS, LNE und NPL beteiligt waren, untersuchte die Rückverfolgbarkeit und Verifizierung von Mehrtorbauteil-Konfigurationen für VNAs. Eine Reihe von Vergleichen wurde für Mehrtor-VNA- Kalibrierungstechniken durchgeführt. Als DUT wurde ein 10-dB-Viertor-Richtkoppler von Marki Microwave verwendet. Der Koppler ist mit 1,85-mm- Buchsen ausgestattet und weist einen Betriebsfrequenzbereich von 6 bis 67 GHz auf. Bild 1: Zweitor-VNA Shockline MS46522B von Anritsu – mit einer NIST-basierten Viertor-Schaltmatrix in 2/1-Schaltkonfiguration Die evaluierten Methoden (Tabelle 1) umfassten zwei Methoden mit einem Zweitor- VNA (1 und 2), zwei Methoden mit vollständiger Kalibrierung eines Viertor-VNAs (3 und 7) und drei Methoden mit „Schnell“-Kalibrierungen eines Viertor-VNAs, bei denen die Normale Short, Open und Load (SOL) nur mit einer Teilmenge der VNA-Tore verbunden waren (4, 5 und 6). Es wurde festgestellt, dass die Methoden 1, 2, 3 und 7 weitgehend äquivalente S-Parameter-Ergebnisse lieferten, während die „Schnell“- Methoden (4, 5 und 6) weniger genaue Ergebnisse für die Reflexionskoeffizienten ergaben, die an den VNA-Toren gemessen wurden, an die die SOL-Normale während der Kalibrie- und die Messungen zu koordinieren. Das Schaltmatrixkonzept wurde vom NIST (National Institute of Standards and Technology) in „Inline Multiport Calibration Algorithm“ (51. ARFTG Conference Digest, S. 88-90, 12. Juni 1998) ausführlich beschrieben, wobei die Schaltmatrix durch ein von einem externen Rechner ausgeführten Programm gesteuert wird. Bild 1 zeigt die vom NIST entworfene Schaltmatrix in 2/1-Konfiguration (Tor 2 der Matrix ist mit Tor 1 des VNAs verbunden und Tor 1 der Matrix mit Tor 2 des VNAs). Der Nachteil von 2xN-Systemen ist, dass die Kalibrierung im Vergleich zu einem echten Mehrtorsystem komplizierter und zeitaufwendiger sein kann. Generell erfordert die Messung eines N-Tor-Bausteins mit einem Zweitor-VNA die Durchführung von N(N-1)/2-Zweitormessungen. Wenn die verbleibenden Tore des Bausteins durch ideale Widerstände abgeschlossen sind, lassen sich die S-Parameter (mit einer gewissen Redundanz) direkt aus den Messungen ableiten. Die Abschlüsse sind jedoch häufig unvollkommen und der damit verbundene Fehler muss durch eine Renormierung berücksichtigt werden. In „A New Multiport Measurement-Method Using a Two- Port Network Analyzer“ (IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, 2005) wird eine Methode beschrieben, bei der einer der Torabschlüsse durch eine zusätzliche Eintormessung des Bausteins bestimmt wird, wobei alle verbleibenden Tore durch ihre jeweiligen Lastimpedanzen abgeschlossen werden. Ein solches Verfahren vereinfacht Messungen, wenn ein einfacher Zweitor-VNA verwendet wird, bei dem die nicht verwendeten Tore des DUT offen bleiben. Kalibrierung und Messgenauigkeit Ein JRP-Projekt mit dem Titel „Metrology for new electrical measurement quantities in highfrequency Circuits“ (Juli 2013 - Juni 2016), an dem mehrere europäische Metrologie-Insti- Bild 2: HF-Leistungsteiler von Anritsu, der als DUT in einem Laborvergleich von Mehrtor-S- Parametermessungen bis 65 GHz verwendet wurde, s. „Measuring multiport devices with a two-port VNA with traceability to national standards“ von Martin Salter, 26. ANAMET Meeting, 18. September 2006 hf-praxis 8/2020 25

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