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Dokumentenidentifikation DE102005059791A1 28.06.2007
Titel Verfahren zur Messung der Rauschzahl eines Meßobjekts mit einem Netzwerkanalysator
Anmelder Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG, 81671 München, DE
Erfinder Held, Werner, 94060 Pocking, DE
Vertreter Mitscherlich & Partner, Patent- und Rechtsanwälte, 80331 München
DE-Anmeldedatum 14.12.2005
DE-Aktenzeichen 102005059791
Offenlegungstag 28.06.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.06.2007
IPC-Hauptklasse G01R 29/26(2006.01)A, F, I, 20051214, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01R 27/28(2006.01)A, L, I, 20051214, B, H, DE   
Zusammenfassung Ein Verfahren zur Messung der Rauschzahl (FDUT) eines Meßobjekts (2) benötigt einzig einen Netzwerkanalysator (4). Die Rauschzahl (FDUT) wird aus dem in einem Kalibriervorgang ermittelten Eigenrauschen (NNWA) des Netzwerkanalysators (4), der durch Messung der S-Parameter des Meßobjekts (2) ermittelten Leistungsverstärkung (GDUT) des Meßobjekts (2) und dem zu messenden Meßwert (PNOISE) der ohne Anregung des Meßobjekts (2) mit einem Rauschsignal an einem ersten Tor (1) des Meßobjekts (2) anliegenden Ausgangsrauschleistung (NNWA) berechnet.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Rauschzahl eines Objekts mit einem Netzwerkanalysator.

Zu den wichtigsten elektrischen Kenndaten eines Meßobjekts (device-under-test = DUT) gehören die S-Parameter und das Rauschmaß. Die Messung des Rauschmaßes wird im allgemeinen mit einer Rauschquelle und einem Spektrumanalysator ermittelt. Zur Bestimmung der S-Parameter verwendet man üblicherweise einen Netzwerkanalysator.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Rauschzahl von elektronischen Messobjekten ist z. B. aus der DE 103 02 362 A1 bekannt.

Zur Ermittlung der Rauschzahl eines Meßobjekts ist auch, wie weiter unten im Detail noch gezeigt wird, die von der S-Parametern abhängige Leistungsverstärkung des Meßobjekts erforderlich. Somit benötigt man zur Messung der Rauschzahl eines Meßobjekts nachteilig sowohl einen Netzwerkanalysator zur Bestimmung der S-Parameter für die Leistungsverstärkung des Meßobjekts als auch einen Spektrumanalysator zur Messung der für die Ermittlung der Rauschzahl zusätzlich erforderlichen Ausgangsrauschleistung des Meßobjekts.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Ermittlung der Rauschzahl eines Meßobjekts zu entwickeln, das eine reduzierte Anzahl von Meßgeräten benötigt.

Erfindungsgemäß wird hierzu einzig ein Netzwerkanalysator verwendet, der nach dem Stand der Technik über eine Eingangsempfindlichkeit verfügt, die der Eingangsempfindlichkeit eines Spektrumanalysators entspricht und damit für die Messung der Rauschleistung geeignet ist. Mit einem derartigen Netzwerkanalysator lassen sich sowohl die S-Parameter des Meßobjekts zur Bestimmung der zugehörigen Leistungsverstärkung, als auch die Ausgangsrauschleistung an einem der beiden Tore des Meßobjekts, die jeweils mit einem Tor (Port) des Netzwerkanalysators verbunden sind, ohne Anregung des Meßobjekts mit einem von einer Rauschquelle erzeugten Rauschsignal messen und ohne den Meßaufbau im wesentlichen zu ändern.

Der Eingangsimpedanz des messenden Ports des Netzwerkanalysators ist in der Regel mit einem 50 &OHgr; Widerstand angepaßt. Im Falle einer Fehlanpassung der Eingangsimpedanz des messenden Tors des Netzwerkanalysators ist die gemessene Ausgangsrauschleistung mit einem Fehlanpassungsfaktor zu korrigieren.

Eine Ungenauigkeit zwischen dem korrekten Meßwert der am zu messenden Tors des Meßobjekts anliegenden Ausgangsrauschleistung und dem tatsächlich gemessenen, unkorrekten Meßwert der am zu messenden Tor des Meßobjekts anliegenden Ausgangsrauschleistung und das Eigenrauschens des Netzwerkanalysators ist im Rahmen eines Kalibriervorgangs durch Anregung des messenden Tors des Netzwerkanalysators mit dem Rauschen einer mit dem Netzwerkanalysator gekoppelten, eingeschalteten und anschließend ausgeschalteten Rauschquelle zu ermitteln.

Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messung der Rauschzahl eines Meßobjekts mit einem Netzwerkanalysator wird im folgenden im Detail anhand der Zeichnung erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen:

1 ein Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messung der Rauschzahl eines Meßobjekts mit einem Netzwerkanalysator,

2 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung des Kalibriervorgangs des Netzwerkanalysators und

3 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung des Meßvorgangs der Rauschzahlmessung mit einem Netzwerkanalysator.

Bevor anhand der 1 bis 3 das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Rauschzahl eines Meßobjekts mit einem Netzwerkanalysator (NWA) im Detail erläutert wird, werden im folgenden die mathematischen Zusammenhänge beschrieben, die für das Verständnis des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlich sind.

Die Rauschzahl FDUT eines Meßobjekts ist als Verhältnis der gesamten Ausgangsrauschleistung NOUT am Ausgang eines Meßobjekts zur Ausgangsrauschleistung NOUT am Ausgang des Meßobjekts definiert, welche einzig aus der am Eingang des Meßobjekts anliegenden Rauschleistung resultiert. Die gesamte Ausgangsrauschleistung NOUT am Ausgang des Meßobjekts ergibt sich gemäß Gleichung (1) aus der mit der Leistungsverstärkung GDUT des Meßobjekts verstärkten "Rauschleistungssumme" aus der vom Meßobjekt selbst erzeugten Rauschleistung NDUT und dem bei angepaßter Meßschaltung stets vorhandenen thermischen Rauschen N0 eines 50&OHgr;-Widerstand-Systems bei einer Raumtemperatur von 290 K. NOUT = (NDUT + N0)·GDUT(1)

Die Ausgangsrauschleistung am Ausgang des Meßobjekts NOUT', die einzig aus der am Eingang des Meßobjekts anliegenden Rauschleistung resultiert, entspricht bei einem Meßobjekt, dessen Eingang nicht von einer Rauschquelle angeregt wird, gemäß Gleichung (2) dem mit der Leistungsverstärkung GDUT des Meßobjekts verstärkten Temperaturrauschen N0 eines 50&OHgr;-Widerstands-System bei einer Raumtemperatur von 290 K. NOUT' = N0·GDUT(2)

Somit ergibt sich die Rauschzahl FDUT gemäß Gleichung (3):

Das Rauschmaß NFDUT eines Meßobjekts stellt gemäß Gleichung (4) die logarithmierte Rauschzahl FDUT des Meßobjekts dar. NFDUT = 10·log(FDUT)(4)

Der vom Netzwerkanalysator zu messende Meßwert PNOISE der Ausgangsrauschleistung NOUT des Meßobjekts ist gemäß Gleichung (5) vom Eigenrauschen NNWA des Netzwerkanalysator überlagert. PNOISE = NNWA + NOUT(5)

Faßt man die Gleichungen (1), (3) und (5) zusammen, so ergibt sich die in Gleichung (6) enthaltene Formel zur Ermittlung der Rauschzahl FDUT

Die Leistungsverstärkung GDUT des Meßobjekts ergibt sich bei einem 50&OHgr;-System aus dem Vorwärtsübertragungsfaktor S21 des Meßobjekts gemäß Gleichung (7): GDUT = |S21|2(7)

Falls die Eingangsimpedanz des Netzwerkanalysators aufgrund einer Fehlanpassung nicht den Wert 50 &OHgr; aufweist, ist die Leistungsverstärkung GDUT mit einem Fehlanpassungsfaktor M gemäß Gleichung (8) zu multiplizieren, wobei hierbei &Ggr;NWA der Eingangsreflexionsfaktor des Netzwerkanalysators und S22 der Ausgangsreflexionsfaktor des Meßobjekts ist.

Das thermische Rauschen N0 eines 50&OHgr;-Widerstand-Systems ergibt sich aus der Raumtemperatur T von 290 K und der Boltzmannkonstante k gemäß Gleichung (9) zu 4·10-21 W/HZ = –174 dBm/Hz.

Das Eigenrauschen NNWA des Netzwerkanalysators, das sich der Ausgangsrauschleistung NOUT des Meßobjekts additiv überlagert, und eine Ungenauigkeit k des Netzwerkanalysators, die sich gemäß Gleichung (10) dem korrekten Meßwert PNOISE multiplikativ überlagert und zu einem unkorrekten Meßwert PMess führt, werden in einen Kalibriervorgang des Netzwerkanalysators ermittelt. PMess = k·PNOISE(10)

Hierzu wird das messende Tor (Port) des Netzwerkanalysators mit einer ausgeschalteten Rauschquelle verbunden. Der zum korrekten Meßwert PNOISEOFF korrespondierende unkorrekt ermittelte Meßwert PMessOFF am Port des Netzwerkanalysators ergibt sich bei ausgeschalteter Rauschquelle gemäß Gleichung (11) aus dem Eigenrauschen NNWA des Netzwerkanalysators und dem thermischen Rauschen N0 eines 50&OHgr;-Widerstand-Systems bei Raumtemperatur von 290 K im Fall einer angepaßten Meßschaltung. PMessOFF = k·PNOISEOFF = k·(NNWA + N0)(11)

Entsprechend ergibt sich der zum korrekten Meßwert PNOISEON korrespondierende unkorrekt ermittelte Meßwert PMessON bei eingeschalteter Rauschquelle gemäß Gleichung (12) aus dem Eigenrauschen NNWA des Netzwerkanalysators, dem thermischen Rauschen N0 eines 50&OHgr;-Widerstand-Systems bei Raumtemperatur von 290 K in einem Frequenzbereich von 1 Hz im Fall einer angepaßten Meßschaltung und dem Zusatzrauschen NNS der Rauschquelle. PMessON = k·PNOISEON = k·(NNWA + N0 + NNS)(12)

Das Zusatzrauschen NNS der Rauschquelle kann gemäß Gleichung (13) aus dem vom Hersteller der Rauschquelle angegebenen ENR-Faktor (Excess-Noise-Ratio), der das Verhältnis des Zusatzrauschens der Rauschquelle zum thermischen Rauschen N0 eines 50&OHgr;-Widerstand-Systems bei Raumtemperatur von 290 K angibt, bestimmt werden.

Aus den Gleichungen (11) bis (13) ergibt sich durch mathematische Umformung die Ungenauigkeit k gemäß Gleichung (14) und das Eigenrauschen NNWA des Netzwerkanalysators gemäß Gleichung (15).

Ausgehend von Gleichung (6) ergibt sich mit der gemäß Gleichung (14) berechneten Ungenauigkeit k unter Berücksichtigung von Gleichung (10) die Rauschzahl FDUT für ein zu vermessendes Meßobjekt gemäß Gleichung (16) aus dem unkorrekt gemessenen Meßwert PMess der Ausgangsrauschleistung NOUT des Meßobjekts:

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Rauschzahl eines Meßobjekts mit einem Netzwerkanalysator beginnt mit der Kalibrierung des Netzwerkanalysators. Hierzu wird in einer Kalibrierungsanordnung gemäß 2 die zu messende Rauschleistung einer Rauschquelle mit dem ersten messenden Tor (Port) 3 des Netzwerkanalysators (NWA) 4 verbunden. Während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messung der Rauschzahl wird die Anordnung bei einer konstanten Raumtemperatur T von 290 K betrieben und das zu erfassende Rauschleistungsspektrum mit einer gewissen Meßbandbreite des Netzwerkanalysators 4 gemessen, um ein Temperaturrauschen N0 der angepaßten Meßschaltung, das einem 50&OHgr;-Widerstands-System entspricht, beim standardisierten Normwert – –174dBm/Hz – zu erhalten.

Im ersten Verfahrensschritt S10 des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messung der Rauschzahl eines Meßobjekts mit einem Netzwerkanalysator gemäß 1 wird bei ausgeschalteter Rauschquelle 6 der Meßwert PMessOFF am ersten messenden Tor (Port) 3 des Netzwerkanalysators 4 gemäß Gleichung (11) gemessen. Analog wird bei eingeschalteter Rauschquelle 6 der Meßwert PMessON am ersten messenden Tor (Port) 4 des Netzwerkanalysators 3 gemäß Gleichung (12) gemessen.

Mit den beiden gemessenen und zwischengespeicherten Meßwerten PMessOFF und PMessON wird im nächsten Verfahrensschritt S20 die Ungenauigkeit k und das Eigenrauschen NNWA des Netzwerkanalysators 4 gemäß der Gleichungen (14) und (15) berechnet und zwischengespeichert.

Anschließend wird die Kalibrierungsanordnung in eine Meßanordnung gemäß 3 umgebaut, in der das zweite Tor 5 des Meßobjekts 2 mit dem zweiten Tor (Port) 7 des Netzwerkanalysators 4 verbunden wird.

In dieser Meßanordnung gemäß 3 werden die einzelnen S-Parameter des Meßobjekts 2 mit dem Netzwerkanalysator 4 nach bekannten Verfahren in Verfahrensschritt S30 ermittelt und aus dem gemessenen Vorwärtsübertragungsfaktor S21 die Leistungsverstärkung GDUT des Meßobjekts 2 gemäß Gleichung (7) bestimmt und zwischengespeichert. Falls der Eingangsimpedanz am ersten Tor (Port) 3 des Netzwerkanalysators 4 nicht auf den Wert 50 &OHgr; angepaßt ist, wird der Ausgangsreflexionsfaktor S22 des Meßobjekts 2 mit einem Fehlanpassungsfaktor M gemäß Gleichung (8) multipliziert, um auf diese Weise eine Anpassung der Meßanordnung zu erzielen.

Während das mit dem zweiten Tor (Port) 7 des Netzwerkanalysators 4 verbundene zweite Tor 5 des Meßobjekts 2 vom Netzwerkanalysator 4 nicht mit einem Generatorsignal in Form eines Rauschsignals angeregt wird, wird in Verfahrensschritt S40 am ersten Tor (Port) 3 des Netzwerkanalysators 4 der Meßwert PMess = der am ersten Tor (Port) 1 des Meßobjekts 2 anliegenden Ausgangsrauschleistung gemessen.

Mit dem im vorherigen Verfahrensschritt S40 ermittelten Meßwert PMess der am ersten Tor (Port) 1 des Meßobjekts 2 anliegenden Ausgangsrauschleistung, dem in Verfahrensschritt S30 bestimmten Leistungsverstärkung GDUT des Meßobjekts 2, den beiden in den Verfahrensschritten S10 und S20 ermittelten und berechneten Kenngrössen – Ungenauigkeit k und Eigenrauschen NNWA – des Netzwerkanalysators 4 und der standardisierten Kenngrösse des thermischen Rauschens N0 eines 50&OHgr;-Widerstand-Systems wird in dem abschließenden Verfahrensschritt S50 die Rauschzahl FDUT gemäß Gleichung (16) berechnet.


Anspruch[de]
Verfahren zur Messung der Rauschzahl (FDUT) eines Meßobjekts (2) einzig mit einem Netzwerkanalysator (4) aus dem in einem Kalibriervorgang ermittelten Eigenrauschen (NNWA) des Netzwerkanalysators (4), der durch Messung der S-Parameter des Meßobjekts (2) ermittelten Leistungsverstärkung (GDUT) des Meßobjekts (2) und dem Meßwert (PNOISE) der ohne Anregung des Meßobjekts (2) mit einem Rauschsignal an einem ersten Tor (1) des Meßobjekts (2) anliegenden Ausgangsrauschleistung (NNWA). Verfahren zur Messung der Rauschzahl eines Meßobjekts nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsimpedanz des die am ersten Tor (1) des Meßobjekts (2) anliegende Ausgangsrauschleistung (NNWA) messenden ersten Tors (3) des Netzwerkanalysators (4) 50 &OHgr; bei einer Raumtemperatur von 290 K beträgt. Verfahren zur Messung der Rauschzahl eines Meßobjekts nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Rauschzahl FDUT des Meßobjekts (2) nach folgender Formel berechnet: , wobei

PNOISE der vom Netzwerkanalysator zu messende Meßwert der Ausgangsrauschleistung NNWA,

NNWA das Eigenrauschen des Netzwerkanalysators,

GDUT die Leistungsverstärkung des Meßobjekts und

N0 das thermische Rauschen eines 50&OHgr;-Widerstands bei einer Raumtemperatur von 290 K

sind.
Verfahren zur Messung der Rauschzahl eines Meßobjekts nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall einer Fehlanpassung der Eingangsimpedanz des die am ersten Tor (1) des Meßobjekts (2) anliegende Ausgangsrauschleistung (NNWA) messenden ersten Tors (3) der am ersten Tor (3) des Netzwerkanalysators (4) gemessene Ausgangsreflexionsfaktor S22 mit dem Fehlanpassungsfaktor M multipliziert wird, der sich nach folgender Formel berechnet: wobei

&Ggr;NWA der Eingangsreflexionsfaktor des Netzwerkanalysators

ist.
Verfahren zur Messung der Rauschzahl eines Meßobjekts nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der am ersten Tor (3) des Netzwerkanalysators (4) zu messende Meßwert PNOISE der am ersten Tor (1) des Meßobjekts (2) anliegenden Ausgangsrauschleistung (NNWA) durch Division eines vom Netzwerkanalysator (4) unkorrekt gemessenen Meßwerts PMess der am ersten Tor (1) des Meßobjekts (3) anliegenden Ausgangsrauschleistung (NNWA) mit einer durch Kalibrierung ermittelten Ungenauigkeit k des Netzwerkanalysators (4) gemäß folgender mathematischer Beziehung berechnet wird: Verfahren zur Messung der Rauschzahl eines Meßobjekts nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein am ersten Tor (3) des Netzwerkanalysators (4) unkorrekt gemessener Meßwert PMessOFF der am ersten Tor (1) des Meßobjekts (2) anliegenden Ausgangsrauschleistung NNWA in einem Kalibriervorgang mit einer ausgeschalteten und mit dem ersten Tor (3) des Netzwerkanalysators (4) verbundenen Rauschquelle (6) nach folgender Formel berechnet: PMessOFF = k·(NNWA + N0), wobei

N0 das thermische Rauschen eines 50&OHgr;-Widerstands bei einer Raumtemperatur von 280 K und

k eine Ungenauigkeit des Netzwerkanalysators (4)

sind.
Verfahren zur Messung der Rauschzahl eines Meßobjekts nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein am ersten Tor (3) des Netzwerkanalysators (4) unkorrekt gemessener Meßwert PMessON der am ersten Tor (1) des Meßobjekts (2) anliegenden Ausgangsrauschleistung NNWA in einem Kalibriervorgang mit einer eingeschalteten und mit dem ersten Tor (3) des Netzwerkanalysators (4) verbundenen Rauschquelle (6) nach folgender Formel berechnet: wobei

NNS das Zusatzrauschen der Rauschquelle und

ENR das Verhältnis des Zusatzrauschen der Rauschquelle zum thermischen Rauschen N0 eines 50&OHgr;-Widerstands bei 290 K Raumtemperatur

sind.
Verfahren zur Messung der Rauschzahl eines Meßobjekts nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ungenauigkeit (k) des Netzwerkanalysators (4) nach folgender Formel berechnet: Verfahren zur Messung der Rauschzahl eines Meßobjekts nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Eigenrauschen NNWA des Netzwerkanalysators (4) sich nach folgender Formel berechnet:






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