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9-2021

Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Messtechnik Basis für

Messtechnik Basis für höchste Signalintegrität: Akkurate Vermessung von Komponenten und Netzwerken Siglent hat kürzlich seinen ersten echten 2- bzw. 4-Tor-VNA vorgestellt. Das Gerät ist mit bis zu 8,5 GHz Bandbreite erhältlich und deckt somit einen weiten Bereich der Anwendung aus dem Bereich der HF- und High-Speed-Datenübertragung ab. Feldstärken). Auf der Übertragungsstrecke kann das Signal so stark verändert oder gestört werden, dass der Empfänger die ursprüngliche Nachricht nicht mehr „entschlüsseln“ kann bzw. falsch interpretiert. Das heißt, die Signalintegrität ist sehr schlecht. Autor: Thomas Rottach Sales & Marketing Director Siglent Technologies Germany GmbH www.siglenteu.com Sie kennen Megabyte und Terrabyte. Aber kennen Sie auch Exabyte? 50 Exabyte, das ist eine Zahl mit 18 Nullen. Diese kaum vorstellbare Datenmenge ist die weltweite monatliche Menge an Daten, welche derzeit über mobile Netze läuft. Und Prognosen gehen von einem weiterhin schnell steigenden Datenvolumen aus. Die neue Mobilfunkgeneration 5G ist einer der Treiber dafür, denn neben den breitbandigeren mobilen Zugängen wird auch durch mMTC (massive Maschine Type Communication) ein starker Anstieg des Datenverkehrs im 5G-Bereich der IoT- Anwendungen entstehen. IoT- Module senden typischerweise nur kleine Datenmengen, aber dafür existieren weltweit Milliarden von Modulen. Die Kommunikation zwischen Maschinen muss zeitlich hochgenau getimt sein und auch hochzuverlässig erfolgen, da sonst Probleme entstehen. Release 16 des 5G-Standards legt die Grundlagen für Ultra Reliable Low Latency Communication (URLLC) fest. Neben der Vernetzung und Steuerung von Maschinen in der Produktion wird die Vernetzung von Fahrzeug mit anderen Fahrzeugen und der Umgebung den Datenverkehr weiter stark vorantreiben. Für all diese zeit- und sicherheitskritischen Anwendungen ist eine zuverlässige fehlerfreie Übertragung das A und O. Daher müssen Kommunikationssysteme in diesen Bereichen eine entsprechende Architektur (priorisierte Kanäle, Redundanz, Fehlerkorrekturmechanismen) bereitstellen. Eine durchgängige Netzverfügbarkeit und optimierte physikalische Datenübertragung mit sehr guter Signalintegrität sind unerlässlich. Signalintegrität beschreibt die Qualität eines elektrischen Signals. Bei der Übertragung von Daten (Bits und Bytes) denkt man in erster Linie an binäre Einsen und Nullen, aber auf der Leitung oder in der Luft handelt es sich um analoge Signale (Spannungen/ Mit steigendem Datenvolumen und den dadurch bedingten steigenden Datenraten verschärfen sich die Anforderung an die Signalintegrität. Zuverlässige High-Speed-Kommunikation kann nur auf Basis von optimal abgestimmten Systemen funktionieren. Die Herausforderung ist, alle Einzelheiten und Einflussfaktoren exakt zu kennen und somit effektive Gegenmaßnahmen ergreifen zu können. Jedes elektronische System und somit auch jedes Kommunikationssystem besteht aus vielen verschiedenen Komponenten. Um eine zuverlässig funktionierende Kommunikation zu ermöglichen und auch normative Vorgaben einhalten zu können, müssen die Komponenten möglichst perfekt aufeinander abgestimmt sein. Signalverzerrungen und -verluste entstehen immer dann, wenn Abstimmungen nicht passen oder einzelne Parameter von den erwarteten Datenblattwerten abweichen. Hochgenaue Messungen zur Charakterisierung der Bauteilparameter sind hier unbedingt notwendig, besonders, weil Datenblattwerte in den seltensten Fällen für die aktuelle Anwendung verfügbar sind. Auch für die Simulation der Schaltung werden diese reellen Werte und Eigenschaften der Elemente benötigt. 48 hf-praxis 9/2021

Messtechnik Bild 1: Amplitudenveränderndes lineares Netzwerk Bild 2: Phasenveränderndes lineares Netzwerk Der Vektor-Netzwerkanalysator (VNA) ist im Bereich der Hochfrequenztechnik das zentrale Messgerät zur Vermessung von passiven oder aktiven Komponenten, zur Verifikation von 2-Tor-Netzwerken oder zur Anpassung von Antennen oder Verstärkern. Siglent hat Mitte Juli seinen ersten echten 2- bzw. 4-Tor-VNA vorgestellt. Das Gerät ist mit bis zu 8,5 GHz Bandbreite erhältlich und deckt somit einen weiten Bereich der Anwendung aus dem Bereich der HF- und High- Speed-Datenübertragung ab. Bild 3: Nichtlineares Netzwerk Grundsätzlich unterteilt man die Elemente einer Schaltung in passive und aktive Komponenten. Beispiele für passive Elemente sind Leitungen, Induktivitäten, Kapazitäten, Widerstände, Dioden bzw. damit entwickelte Netzwerke wie Filter oder Koppler. Diese Elemente erscheinen grundsätzlich als einfach und gut einschätzbar, allerdings verhalten sich diese Elemente bei unterschiedlichen Bedingungen anders als im Datenblatt bzw. sind nicht alle Anwendungsbedingungen in den Datenblättern gelistet. Als Beispiel soll ein Vielschicht- Keramikkondensator (MLCC) dienen. Der Wert der Kapazität ändert sich mit der Bias- Spannung. Dies kann dazu führen, dass ein in der Simulation stabiles System in Realität schwingt. Mit einem Netzwerkanalysator wie dem Siglent SNA5000A kann man den Kondensator mit den exakten Bias-Bedingungen der Anwendung vermessen. Der VNA ermöglicht die Einspeisung der DC-Bias-Spannung über dedizierte Buchsen auf der Rückseite und man erhält die reellen Kapazitätswerte. Falls für Messungen eine Testfassung benutzt wird, kann der SNA5000A die Einflüsse der Fassung eliminieren. Das Messergebnis beinhaltet dann nur noch die Komponentenparameter. Diese Daten können dann in die Simulation eingelesen und die Schaltung kann mit den reellen Werten optimiert werden. Die wichtigsten aktiven Komponenten sind Verstärker. Ihre hauptsächlichen Parameter sind die Verstärkung an sich, die „Flatness“ der Verstärkung über der Frequenz und die Linearität, welche für die Signalintegrität besonders wichtig ist. Ein lineares System verändert bekanntlich die Signalform nicht. Wenn ein Sinussignal eingespeist wird, erscheint am Ausgang wieder ein Sinussignal. Auch Komponenten können linear oder nichtlinear sein. Es sollen zuerst Elemente bzw. Netzwerke mit linearen Eigenschaften betrachten werden. Da es perfekte Linearität in der Praxis nicht gibt, gilt es, zu überprüfen, in welchem Maße ein System tatsächlich linear ist. Das ist nicht nur für Sinussignale wichtig, sondern auch für Rechtecksignale (Daten) oder komplex modulierte Signale. In Bild 1 ist das lineare Element ein Bandpassfilter (BPF). Speist man ein Rechtecksignal ein, werden die Harmonischen im Durchlassbereich in der Amplitude kaum verändert. Signalkomponenten im Sperrbereich dagegen sehr stark. Das Ausgangssignal sieht im Zeitbereich im Vergleich zum Rechtecksignal am Eingang stark verzerrt aus. Wer einen Bandpass in seinem Design einsetzt, ist sich dessen natürlich bewusst, aber z.B. ein schlechter Konnektor kann ebenfalls ein bandpassartiges Verhalten haben und den gleichen Effekt hervorrufen und damit die Signalintegrität stark verschlechtern. Es existieren auch Netzwerke, die eine frequenzabhängige Veränderung der Phase erzeugen (s. Bild 2). Kennt man den Amplituden- bzw. Phasenverlauf über der Frequenz, kann man Gegenmaßnahmen ergreifen und entweder die Eigenschaften des Netzwerks verändern oder auch das Eingangssignal „vorverzerren“, sodass das Ausgangssignal die gewollte Form hat. Die vektorielle Netzwerkanalyse liefert hierzu die notwendigen Informationen als S-Parameter in verschiedenen Darstellungsformen und Diagrammen. Im Gegensatz zu den linearen Elementen verändern nichtlineare Elemente oder Netzwerke die Form des Ausgangssignals. Ein eingespeistes Sinussignal ist am Ausgang verzerrt. Der Blick ins Spektrum verdeutlicht diesen Effekt. Neben der Linie des „Ursprungssinus“ sind weitere Harmonische des Signals entstanden. Ein Beispiel hierfür ist eine Diode. Die Übertragungsfunktion ist nicht linear. In einem Mischer wird diese Eigenschaft bewusst genutzt um „gewollte“ Mischprodukte zu erzeugen (Aufwärtsoder Abwärtsmischer). Ein HF-Verstärker hat sowohl einen linearen als auch einen hf-praxis 9/2021 49

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