PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102006035827A1 20.09.2007
Titel Verfahren und Vorrichtung zur vektoriellen Messung der Streuparameter von frequenzumsetzenden Schaltungen
Anmelder Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG, 81671 München, DE
Erfinder Bednorz, Thilo, 85435 Erding, DE;
Simon, Jochen, Dr., 82515 Wolfratshausen, DE
Vertreter Mitscherlich & Partner, Patent- und Rechtsanwälte, 80331 München
DE-Anmeldedatum 01.08.2006
DE-Aktenzeichen 102006035827
Offenlegungstag 20.09.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.09.2007
IPC-Hauptklasse G01R 27/28(2006.01)A, F, I, 20060801, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01R 35/00(2006.01)A, L, I, 20060801, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Streuparametern einer frequenzumsetzenden Schaltung (503), welche eine erste Frequenz an ihrem ersten Tor (502) in eine zweite Frequenz an ihrem zweiten Tor (506) umsetzt. Das Verfahren benutzt einen vektoriellen Netzwerkanalysator (501), wobei zur Gewinnung von Rohmesswerten das erste Tor (502) und das zweite Tor (506) der frequenzumsetzenden Schaltung (503) nacheinander angeregt werden und dabei die zum angeregten Tor (502) hinlaufende Welle und die von dem angeregten Tor (502) rücklaufende Welle sowie die zum anderen Tor (506) hinlaufende Welle und die vom anderen Tor (506) rücklaufende Welle trotz unterschiedlicher Frequenzen phasenkohärent und systemfehlerkorrigiert gemessen werden.

Beschreibung[de]

In der Nachrichtentechnik ist es häufig erforderlich, ein Signal von einer Frequenz auf eine andere umzusetzen. Dazu werden frequenzumsetzende Schaltungen (FUS), wie etwa Mischer oder Frequenzkonverter verwendet. Bei der Entwicklung von Systemen, in denen frequenzumsetzende Schaltungen zum Einsatz kommen, müssen deren elektrischen Eigenschaften bekannt sein. Sofern es nicht möglich ist, diese Eigenschaften durch Berechnung zu ermitteln, besteht also die Aufgabe, sie mit größtmöglicher Genauigkeit zu messen. Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Messverfahren gelöst.

1 zeigt als Beispiel für eine frequenzumsetzende Schaltung einen Mischer mit drei elektrischen Anschlüssen für Hochfrequenzsignal HF, Zwischenfrequenzsignal ZF und Lokaloszillatorsignal LO. Elektrische Anschlüsse werden im Folgenden als Tore bezeichnet. Näherungsweise kann der Mischer als Multiplizierer betrachtet werden, der das Eingangssignal mit dem LO-Signal multipliziert. Dadurch entstehen als Ausgangssignal Mischprodukte bei Summe und Differenz von Eingangs-Frequenz fHF und der LO-Frequenz fLO. Betreibt man den Mischer als Abwärtsmischer, so speist man am HF-Tor das Eingangssignal auf der Frequenz fHF ein. In diesem Fall ist das ZF-Ausgangssignal bei der Differenzfrequenz fHF – fLO von Interesse. Bei Aufwärtsmischung wird hingegen das Eingangssignal am ZF-Tor eingespeist, am HF-Tor greift man dann die Summenfrequenz fHF + fLO ab. Wenn der Pegel des Eingangssignals viel kleiner ist als der des Lokaloszillators, verhält sich der Mischer linear. In diesem Fall lassen sich die elektrischen Eigenschaften des Mischers durch eine komplexe Streumatrix beschreiben, wie sie von nicht frequenzumsetzenden Schaltungen her bekannt ist.

Sind aHF, bHF und aZF, bZF die zum Mischer hinlaufenden bzw. von dort kommenden Wellen, so gilt für die Streumatrix SM:

Die Matrix SM hat folgende Elemente:

&Ggr;HF und &Ggr;ZF bezeichnen die Reflexionsfaktoren am HF- bzw. ZF-Tor. Der Mischverlust bei Abwärtsmischung (vom HF-Tor zum ZF-Tor) wird mit LZFHF bezeichnet, der bei Aufwärtsmischung (vom ZF-Tor zum HF-Tor) mit LHFZF. Ist der Mischer reziprok, so gilt: LZFHF = LHFZF.

Ein bekanntes Verfahren zur näherungsweisen Bestimmung der Elemente der Matrix SM besteht darin, mit einem vektoriellen Netzwerkanalysator (VNA) die Reflexionsfaktoren &Ggr;HF und &Ggr;ZF zu messen. Übliche vektorielle Netzwerkanalysatoren können auch die Mischverluste LZFHF und LHFZF zumindest betragsmäßig erfassen. Durch Eintor-Systemfehlerkalibrierungen für die Reflexionsfaktormessung und Generator- und Empfängerpegelkalibrierungen für die Messung der Mischverluste kann die Messunsicherheit reduziert werden. Dabei werden jedoch Unsicherheiten durch Fehlanpassung zwischen Mess- und Mischertoren nicht berücksichtigt, und man hat keine Information über die Phase der Transmissionsfaktoren LZFHF und LHFZF.

Darüber hinaus sind Verfahren bekannt, die eine komplexwertige Messung der Matrix SM erlauben. Die Patentschriften US 5,937,006 und US 6,064,694 beschreiben ein Verfahren gemäß 2, bei dem ein Zweitor-VNA 201 verwendet wird. Dieser misst die Streuparameter des nicht frequenzumsetzenden Messobjekts zwischen den Messtoren 202 und 206. Dieses Messobjekt besteht im Wesentlichen aus dem FUS-Paar 203 und 207. Den beiden frequenzumsetzenden Schaltungen wird derselbe Lokaloszillator (LO) 204 zugeführt. Daher heben sie sich in ihrer Umsetzwirkung auf. Wenn die erste frequenzumsetzende Schaltung 203 abwärts mischt, setzt die zweite frequenzumsetzende Schaltung 207 das herabgemischte Signal wieder auf die Messfrequenz des vektoriellen Netzwerkanalysators 201 hoch. Wenn umgekehrt die erste frequenzumsetzende Schaltung 207 das Messsignal aufwärts mischt, wird es in der zweiten frequenzumsetzenden Schaltung 204 wieder auf die VNA-Frequenz zurückgesetzt. Der besondere Vorteil dieses Messprinzips besteht darin, dass sich die Phase des gemeinsamen Lokaloszillators 204 heraushebt. Daher ist keine Phasenkohärenz von LO-Quelle 204 und Signalquellen des vektoriellen Netzwerkanalysators 201 erforderlich.

Zusätzlich zu der zu vermessenden frequenzumsetzenden Schaltung werden noch zwei weitere a priori unbekannte frequenzumsetzende Schaltungen benötigt, die denselben Frequenzbereich abdecken, und von denen eine reziprok ist (d.h. LZFHF = LHFZF). Die drei frequenzumsetzenden Schaltungen werden in drei Paaren vermessen. Das Filter 205 zwischen den frequenzumsetzenden Schaltungen 203 und 207 dient zur Unterdrückung des unerwünschten Mischprodukts bei der Frequenz fHF + fLO sowie des von beiden Mischern durch mangelnde HF-ZF-Isolation nichtumsetzend transmittierten Signals.

3 zeigt die Lage der beteiligten Frequenzen zueinander sowie die Durchlasskurve 301 eines als Filter 205 geeigneten Tiefpasses. Aus den gemessenen Transmissionsfaktoren von drei nicht frequenzumsetzenden FUS-Paaren 203, 207 können die komplexen umsetzenden Transmissionsfaktoren der einzelnen frequenzumsetzenden Schaltungen ermittelt werden. In die LO-Zweige der frequenzumsetzenden Schaltungen kann man Isolatoren 211, 212 einfügen, um das unerwünschte Übersprechen über den LO-Leistungsteiler 210 zu reduzieren.

Jede zu messende frequenzumsetzende Schaltung muss in mindestens zwei Anschlusskonfigurationen vermessen werden. Neben dem dadurch bedingten hohen Aufwand hat dieses Verfahren den Nachteil, dass die jeweils dem Filter 205 zugewandten Reflexionen nicht berücksichtigt werden. Um deren Einfluss zu minimieren, kann man Dämpfungsglieder 208, 209 verwenden, die jedoch die Messdynamik reduzieren.

Die o.g. Nachteile werden durch das in der Patentschrift US 6,690,722 offenbarte Verfahren nach 4 vermieden, das allerdings auf reziproke frequenzumsetzende Schaltungen beschränkt ist. Es wird ein vektorieller Eintor-Netzwerkanalysator 401 verwendet, der den am Messtor 402 anliegenden Reflexionsfaktor misst. Das Messobjekt besteht im Wesentlichen aus der zu vermessenden frequenzumsetzenden Schaltung 403, deren Ausgang am Tor 406 mit unterschiedlichen Eintoren belastet werden kann. Die Quelle 404 liefert das LO-Signal. Die vom vektoriellen Netzwerkanalysator 401 erzeugte Messfrequenz wird von der frequenzumsetzenden Schaltung 403 umgesetzt. Durch das Filter 405 wird das gewünschte Mischprodukt selektiert. Dieses Signal wird dann von dem an Tor 406 angeschlossenen Eintor reflektiert und läuft über das Filter 405 zurück zur frequenzumsetzenden Schaltung 403, wo es wieder auf die VNA-Frequenz zurückgesetzt wird. Aus den mit drei bekannten Eintoren 407, 408 und 409 gewonnenen Reflexionsfaktoren können die Zweitor-Streuparameter der frequenzumsetzenden Schaltung 403 durch eine Korrekturrechnung ähnlich der für die Systemfehlerkorrektur von Eintor-VNA ermittelt werden.

Die hauptsächlichen Nachteile dieses Verfahrens sind Folgende: Erstens ist das notwendige Filter 405 Bestandteil des Messobjekts. Daher ist ein zusätzlicher Deembedding-Schritt zur Isolierung der reinen FUS-Parameter erforderlich. Zweitens weist das Verfahren prinzipbedingt eine hohe Messunsicherheit auf. Es beruht nämlich auf der Auswertung des am Tor 406 reflektierten Signals. Dem ist ein systematisches, vom Messobjekt unabhängiges Störsignal überlagert, das durch VNA-Rohdirektivität, Eingangsreflexion der frequenzumsetzenden Schaltung und Reflexion des unerwünschten Mischprodukts am Filter 405 verursacht wird. Da das auszuwertende Signal den Mischer in Vor- und Rückwärtsrichtung durchläuft, wird sein Pegel um die doppelte Transmissionsdämpfung der frequenzumsetzenden Schaltung reduziert, bei einem passiven Mischer also etwa um 10 dB...20 dB. Damit hat das Messsignal in der Regel etwa denselben Pegel wie das Störsignal. Geringfügige Änderungen der komplexen Störsignalamplitude, wie sie etwa durch thermische Drift der Komponenten oder durch die Reproduzierbarkeit von Steckverbindungen verursacht werden, haben somit starken Einfluss auf das Messergebnis.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermessung frequenzumsetzender Schaltungen aufzuzeigen, welches bzw. welche obige Nachteile nicht hat und mit niedrigem Aufwand eine hohe Messgenauigkeit ermöglicht.

Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 8 gelöst. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Weiterbildungen.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die hin- und rücklaufenden Wellen an den Toren der frequenzumsetzenden Schaltung trotz unterschiedlichen Frequenzenphasen kohärent zu messen und dabei den Prüfling von beiden Seiten anzuregen. Das erfindungsgemäße Verfahren weist sämtliche o.g. Nachteile nicht auf.

Dabei werden vorteilhaft die Frequenzen der internen Lokaleoszillatoren des Netzwerkanalysators so eingestellt, dass in den beiden Empfangs-Mischern beider Empfangskanäle die gleiche interne Zwischenfrequenz erzeugt wird.

Zur Gewinnung von Korrekturwerten kann eine vollständige Zweitor-Systemfehlerkalibrierung mit Hilfe von bekannten reziproken Eintor-Standards und einer nicht zwingend bekannten frequenzumsetzenden Zweitor-Kalibrierschaltung durchgeführt werden. Allerdings sollte die frequenzumsetzende Kalibrierschaltung ein nicht dispersives Transmissionsverhalten haben. Die durch die zweiseitige Anregung gewonnen Rohmesswerte können dann mit den durch die Zweitor-Systemkalibrierung gewonnenen Korrekturwerten korrigiert werden.

Als Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens eignet sich ein Netzwerkanalysator, bei welchem für die einzelnen Messtore unterschiedliche interne Oszillatoren vorhanden sind, so dass die Messtore auf unterschiedlichen Frequenzen empfangen können: Zum einen auf der Anregungsfrequenz und zum anderen auf der durch den frequenzumsetzenden Prüfling umgesetzten Frequenz. Ein solcher hierfür geeigneter Netzwerkanalysator ist beispielsweise aus der DE 102 46 700 A1 bekannt. Erfindungsgemäß ist es aber auch möglich und vorteilhaft, Netzwerkanalysatoren mit nur einem internen Lokaloszillator zu verwenden, wenn gemäß Anspruch 7 die Messvorrichtung mindestens einen Umsetz-Mischer aufweist, der den Empfangs-Mischern an demjenigen Messtor vorgeschaltet ist, an welchem die von dem Prüfling umgesetzte Frequenz empfangen werden soll und der den Frequenzversatz bei der Umsetzung an dem Prüfling für den Empfänger des Netzwerkanalysators ausgleicht.

Hierzu stehen mehrere Möglichkeiten zur Verfügung: Es kann für die Messstelle für die einlaufende Welle und die andere Messstelle für die auslaufende Welle jeweils ein Umsetz-Mischer verwendet werden, der dem Empfangs-Mischer vorgeschaltet ist, und bei welchem die Überlagerung zwischen dem Messsignal und dem Lokaloszillatorsignal des zu messenden Mischers stattfindet und welcher nach Art eines Konverters das Messsignal auf die Empfangsfrequenz des an der Messstelle nachgeschalteten Empfangs-Mischers heruntermischt. Alternativ kann die interne Lokaloszillatorfrequenz des Netzwerkanalysators in dann nur einem benötigten Umsetz-Mischer um das Maß des Frequenzversatzes des Prüflings abgesenkt bzw. angehoben werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

1: einen Mischer als Beispiel für eine frequenzumsetzende Schaltung;

2: eine Messanordnung mit Zweitor-VNA zur vektoriellen Mischermessung nach dem Stand der Technik;

3: Frequenzen und Durchlasskurve des Filters in einem Messaufbau nach 2;

4: eine Messanordnung mit Eintor-VNA zur vektoriellen Mischermessung nach dem Stand der Technik

5: ein erstes Ausführungsbeispiel einer Messanordnung mit Zweitor-VNA nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;

6: ein zweites Ausführungsbeispiel einer Messanordnung mit Zweitor-VNA nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;

7: ein drittes Ausführungsbeispiel einer Messanordnung mit Zweitor-VNA nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;

8: Kalibrierstandards für das UOSM-Verfahren, das im Rahmen der Erfindung verwendbar ist;

9A: den mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemessenen Streuparameter S11 eines handelsüblichen Mischers;

9B: den mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemessenen Streuparameter S13 eines handelsüblichen Mischers;

9C: den mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemessenen Streuparameter S31 eines handelsüblichen Mischers, und

9D: den mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemessenen Streuparameter S33 eines handelsüblichen Mischers.

5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines zur Anwendung des Verfahrens geeigneten Messaufbaus. Der vektorielle Netzwerkanalysator 501 hat zwei Messtore M1 und M2. An dem Messtor M1 befindet sich eine erste Signaltrennschaltung 514, beispielsweise ein Richtkoppler. Die durch das Messtor M1 einlaufende Welle wird über die Signaltrennschaltung 514 dem ersten Empfangs-Mischer 522 zugeführt, der Bestandteil einer ersten Messstelle 518 ist. An den Empfangs-Mischer 522 schließt sich eine erste Auswertungsschaltung 526 auf Zwischenfrequenzebene an, die üblicherweise aus einem Digital/Analog-Wandler und einer nachgeschalteten digitalen Signalverarbeitung besteht. Zur Erfassung der durch das Messtor M1 auslaufenden Welle ist ein zweiter Empfangs-Mischer 523 an einer zweiten Messstelle 519 vorhanden, der ebenfalls an der Signaltrennschaltung 514 angeschlossen ist. An diesen schließt sich eine zweite Auswertungsschaltung 527 an.

Entsprechend ist an dem zweiten Messtor M2 eine zweite Signaltrennschaltung 515, vorzugsweise ebenfalls ein Richtkoppler, vorhanden. Die über das zweite Messtor M2 auslaufende Welle wird an einem ersten vorgeschaltenen Umsetz-Mischer 507 dem gleichen Frequenzversatz unterworfen, wie ihn auch der zu vermessende Prüfling 503 vornimmt. Das entsprechende konvertierte Signal gelangt dann an den dritten Empfangs-Mischer 524 an der dritten Messstelle 520, welcher eine dritte Auswertungsschaltung 528 nachgeschaltet ist. Die an dem zweiten Messtor M2 einlaufende Welle gelangt über die Signaltrennschaltung 515 und einen zweiten vorgeschaltenen Umsetz-Mischer 508, der den gleichen Frequenzversatz vornimmt, wie der erste Umsetz-Mischer 507, an einen vierten Empfangs-Mischer 525 an einer vierten Messstelle 521. Diesem ist die vierte Auswertungsschaltung 529 nachgeschaltet.

Alle Empfangs-Mischer 522, 523, 524, 525 sind über ein Signal-Verteiler 531 mit einem gemeinsamen üblicherweise aber nicht zwingend internen Empfangs-Oszillator 530 des vektoriellen Netzwerkanalysators 501 verbunden. Zur Anregung der zu vermessenden frequenzumsetzenden Schaltung (DUT) 503, die sich zwischen den beiden Referenzebenen 502 und 506 befindet, ist ein Signalgenerator 509 vorhanden, der über eine Umschaltvorrichtung 540 entweder mit dem ersten Messtor M1 oder mit dem zweiten Messtor M2 verbindbar ist. In der in 5 dargestellten Schaltstellung ist der Signalgenerator 509 mit dem ersten Messtor M1 und somit über die erste Referenzebene 502 mit dem Prüfling 503 verbunden. Das jeweils andere Messtor, in der in 5 dargestellten Schaltstellung das zweite Messtor M2, ist mit einem Abschlusswiderstand 541 verbunden, der die Leitung wellenwiderstandsrichtig, beispielsweise mit 50 Ohm, abschließt.

In dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein vorzugsweise aber nicht zwingend externer Lokaloszillator 504 vorhanden, welcher die zu vermessende frequenzumsetzende Schaltung 503 über einen Signalverteiler 510 und eine Entkopplungseinrichtung, beispielsweise einem Isolator 511, mit dem Lokaloszillatoreingang der zu vermessenden frequenzumsetzenden Schaltung 503 verbindet. Der Lokaloszillator 504 kann sich aber auch intern in dem vektoriellen Netzwerkanalysator 501 befinden. Verfügt beispielsweise jedes Messtor über einen eigenen Anregungsgenerator, wie dies in der DE 102 46 700 A1 vorgeschlagen wird, so kann der zweite Anregungsoszillator, der bei der in 5 dargestellten Konfiguration nicht benötigt wird, als Lokaloszillator 504 verwendet werden. Die vorgeschalteten Umsetz-Mischer 507 und 508 sind über entsprechende Entkopplungseinrichtungen 512 und 513 ebenfalls mit dem Signalverteiler 510 verbunden.

Zwischen der zu vermessenden frequenzumsetzenden Schaltung 503 und dem zweiten Messtor M2 befindet sich bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ein Tiefpassfilter, das entsprechend 3 so konfiguriert ist, dass es die Anregungsfrequenz fHF und die Summenfrequenz fHF + fLO unterdrückt.

Die Bezugsebenen für die zu messende Streumatrix SM liegen an den Stellen 502 und 506. Über den Signalwegumschalter 540 kann die Messsignalquelle 509 des vektoriellen Netzwerkanalysators 501 auf eines der beiden Messtore M1 oder M2 geschaltet werden. In der in 5 dargestellten Schalterstellung liefert die Quelle 509 ein Signal auf der HF-Frequenz fHF und speist damit das HF-Tor HF der frequenzumsetzenden Schaltung 503. Zur Erfassung der vor- und rücklaufenden Wellen an den Messtoren verfügt der vektorielle Netzwerkanalysator 501 an beiden Messtoren wie bereits erwähnt über je eine Signaltrennschaltung 514, 515, an die jeweils zwei komplexwertige Messstellen 518, 519 bzw. 520, 521 angeschlossen sind.

Bei einem breitbandigen vektoriellen Netzwerkanalysator besteht eine derartige Messstelle (z.B. 518) in der Regel aus einer breitbandigen Mischstufe 522, die das Messsignal auf die VNA-interne ZF-Frequenz fZFint umsetzt, und einer komplexwertigen ZF-Auswertungsschaltung 526. Letztere kann z.B. als Analog/Digitalwandler mit nachgeschaltetem digitalem Signalprozessor ausgeführt sein. Im Folgenden wird zur Vereinfachung angenommen, dass fZFint für alle Auswertungsschaltungen gleich ist. Aus technischen Gründen kann es jedoch erforderlich sein, unterschiedliche fZFint zu verwenden. Auch solche Messanordnungen werden von der Erfindung abgedeckt. In der in 5 gezeigten Messanordnung wird allen komplexen Messstellen 518 bis 521 dasselbe VNA-interne LO-Signal der Quelle 530 zugeführt. Die Frequenz fLOint dieser Quelle 530 wird so eingestellt, dass die Empfangsfrequenz aller Messstellen 518 bis 521 gleich der HF-Frequenz fHF ist.

Der Lokaloszillator 504 für die frequenzumsetzende Schaltungen 503 ist entweder ein separater Signalgenerator, oder, insbesondere wenn der Netzwerkanalysator 501 mehr als zwei Messtore hat, ein bisher nicht benutzter interner Signalgenerator. Mit dem Lokaloszillator 504 bei der Frequenz fLO wird das HF-Signal in der frequenzumsetzenden Schaltung 503 auf die ZF-Frequenz fZF = fHF – fLO an deren ZF-Tor ZF heruntergemischt. Das Filter 505 wird so gewählt, dass es die in 3 gezeigten unerwünschten Frequenzen unterdrückt.

Die Signaltrennschaltung 515 liefert im Referenzkanal 516 ein Signal, das als Maß für die zur Referenzebene 506 hinlaufende ZF-Welle dienen kann. Ebenso wird im Messkanal 517 ein Maß für die vom ZF-Messtor M2 kommende Welle bereitgestellt. Um diese Signale auf der Frequenz fZF mit den auf die Empfangsfrequenz fHF eingestellten Messstellen 520 und 521 messen zu können, müssen sie mit Hilfe der vorzugsweise aber nicht zwingend externen Umsetz-Mischer 507 und 508 auf fHF rückumgesetzt werden. An der Signaltrennschaltung 514 des HF-Messtors M1, wo die Frequenz nicht umgesetzt wird, sind die entsprechenden externen Referenz- und Messkanaltore durchverbunden. Wie bereits erwähnt, hebt sich die Phase des Lokaloszillators 504 durch das gleichzeitige Ab- und Aufwärtsmischen heraus.

Nachdem für die gezeigte Stellung des Signalwegumschalters 540 alle vier komplexen Messwerte aHF, bHF, aZF und bZF gleichzeitig aufgenommen wurden, wird der Schalter 540 in die andere Stellung gebracht. Außerdem ändert sich die Frequenz der Signalquelle 509 auf fZF. Nun wird die frequenzumsetzende Schaltung 503 am ZF-Tor gespeist und als Aufwärtsmischer betrieben. Die Frequenz des Ausgangssignals am HF-Tor ist fHF. Nachdem die Frequenzen an den FUS-Toren die selben wir in der ersten Schalterstellung sind, lassen sich auch in diesem Fall die vor- und rücklaufenden Wellen an HF- und ZF-Tor mit Hilfe der komplexen Messstellen 518 bis 521 erfassen. Die Messwerte der Wellengrößen werden zur Unterscheidung von der ersten Schalterstellung mit aHF', bHF' und aZF', bZF' bezeichnet.

Alternativ zu dem in 5 gezeigten Messaufbau könnte man auch fZF als einheitliche Empfangsfrequenz verwenden, dann müssten externe Mischer in die Mess- und Referenzsignalpfade des HF-Tors anstelle des ZF-Tors eingeschleift werden.

Ein zweites Ausführungsbeispiel der Messanordnung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 6 dargestellt. Bereits anhand von 5 beschriebene Elemente sind mit korrespondierenden Bezugszeichen versehen, wobei die Bezugszeichen der 6 um 100 gegenüber den Bezugszeichen der 5 erhöht sind. Insoweit erübrigt sich eine wiederholende Beschreibung.

Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach 5 ist im Ausführungsbeispiel der 6 nur ein einziger Umsetz-Mischer 632 vorhanden, der über den Signalverteiler 610 mit dem Lokaloszillator 604 in Verbindung steht. Der Umsetz-Mischer 632 empfängt jedoch im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach 5 nicht unmittelbar die ausgekoppelte einlaufende bzw. auslaufende Welle, sondern setzt nun das Oszillatorsignal des Lokaloszillators 604entsprechend dem Frequenzversatz der zu vermessenden frequenzumsetzenden Schaltung 603 um, so dass an den Empfangsmischern 624 und 625 auf die gleiche interne Zwischenfrequenzebene fZFint gemischt wird, wie an den Empfangs-Mischern 622 und 623. Dazu empfangen die Empfangs-Mischer 624 und 625 des Messtors M2 eine entsprechend herabgesetzte Lokaloszillator-Frequenz fLO-fLOint, die sich als Differenz zwischen der Oszillatorfrequenz fLO des Lokaloszillators 604 und der internen Oszillatorfrequenz fLOint des internen Oszillators 630 ergibt. Diese Differenzfrequenz fLO-fLOint ergibt sich an dem Umsetz-Mischer 632, dessen zweiter Eingang über den Signalverteiler 631 mit dem internen Lokaloszillator 630 in Verbindung steht, welcher auch die Empfangs-Mischer 622 und 623 des ersten Messtors M1 versorgt. Der Ausgang des Umsetz-Mischers 632 kann über ein Filter 633, insbesondere ein Tiefpassfilter 633, einen Verstärker 634 und einen Signalverteiler 635, wie in 6 gezeigt, mit den Empfangs-Mischer 624 und 625 verbunden sein. Das Filter 633 verhindert den Empfang über die unerwünschte LO-Frequenz fLOint+fLO. Der Verstärker 634 gleicht Verluste des Mischers und der Leitungen aus. Das Filter 633 und der Verstärker 634 sind jedoch optional und nicht immer zwingend notwendig.

Wie bereits erwähnt ist hier das interne LO-Signal aus dem vektoriellen Netzwerkanalysator 601 herausgeführt und wird über die externe frequenzumsetzende Schaltung 632, deren lokaler Oszillator von der externen LO-Quelle 604 kommt, so in der Frequenz umgesetzt, dass die Messstellen 620 und 621 auf fZF empfangen. Das Filter 633 selektiert das richtige Mischprodukt der frequenzumsetzenden Schaltung 632, im vorliegenden Fall die Differenzfrequenz fLO-fLoint. Ggf. wird dessen Pegel mit dem Verstärker 634 auf das für den LO-Eingang der Mischstufen 624 und 625 erforderliche Maß erhöht. Der Vorteil der Anordnung nach 6 gegenüber der nach 5 besteht darin, dass neben der zu vermessenden frequenzumsetzenden Schaltung 603 nicht mehr zwei, sondern nur noch eine zusätzliche externe frequenzumsetzende Schaltung 632 erforderlich ist. Auch bei dieser Variante hebt sich die Phase des Lokaloszillators 604 heraus.

7 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Messanordnung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Alle bereits anhand von 5 beschriebenen Elemente sind mit korrespondierenden Bezugszeichen versehen, die gegenüber 5 um 200 angehoben sind. Insoweit erübrigt sich eine wiederholende Beschreibung. Ein erster interner Lokaloszillator 730 des Netzwerkanalysators 701 ist über einen ersten Signalverteiler 731 mit den beiden Empfangs-Mischern 722 und 723 des ersten Messtors M1 verbunden. Dagegen ist ein separater zweiter Lokaloszillator 732 des Netzwerkanalysators 701 über einen zweiten Signalverteiler 733 mit den beiden Empfangs-Mischern 724 und 725 des zweiten Messtors M2 verbunden.

Hier werden die Messstellen 718, 719 für Mess- und Referenzkanal des HF-Tors und 720, 721 für Mess- und Referenzkanal des ZF-Tors mit jeweils eigenen LO-Quellen 730 und 732 betrieben. Diese laufen auf unterschiedlichen Frequenzen, damit die zugeordneten Messstellen die Signalfrequenz am jeweiligen Tor empfangen können. Auf externe frequenzumsetzende Schaltungen kann dann ganz verzichtet werden. Es ist jedoch erforderlich, dass sich die gegenseitigen Phasendifferenzen der VNA-internen Signalquellen 709, 730 und 732 reproduzierbar einstellen lassen.

Unter der Annahme, dass die gemessenen Wellengrößen die tatsächlich an der zu vermessenden frequenzumsetzenden Schaltung anliegenden Wellen repräsentieren, könnte man mit der oben beschriebenen Messanordnung die Streumatrix Sm aus der Definitionsgleichung (1) heraus wie folgt berechnen:

Wegen der durch Leitungslängen, Dämpfung, endliche Richtschärfe der Signaltrennschaltungen und Fehlanpassungen gegebenen praktischen Unvollkommenheit des vektoriellen Netzwerkanalysators und des Messaufbaus stellen die gemessenen Wellengrößen jedoch nur ein Maß für die tatsächlichen Wellen dar. Diese Unvollkommenheit kann durch eine Korrekturrechnung beseitigt werden, die wiederum eine vorherige Systemfehlerkalibrierung erfordert.

Bei dem üblicherweise angewandten TOSM- oder SOLT-Kalibrierverfahren mit zehn Fehlertermen werden an beiden Messtoren drei bekannte Eintorstandards vermessen. Außerdem werden die Messwerte einer bekannten Durchverbindung zwischen den Toren benötigt. Dieses Verfahren kann hier jedoch nicht eingesetzt werden, da die Durchverbindung keine Frequenzumsetzung bewirkt. Eine Weiterentwicklung des TOSM-Verfahrens für vektorielle Netzwerkanalysatoren mit vier komplexen Messstellen ist das im Folgenden mit UOSM bezeichnete Kalibrierverfahren, das in A. Ferrero et al.: "Two-Port Network Analyzer Calibration Using an Unknown Thru", IEEE Microwave and Guided Wave Letters, Vol. 2, No. 12, Dec. 1992, beschrieben ist, bei dem die vollständig bekannte Durchverbindung durch ein reziprokes, ansonsten jedoch unbekanntes Zweitor ersetzt wird. Bei geeigneter Auslegung verhalten sich passive Mischer zumindest über einem bestimmten Frequenzbereich reziprok, d.h. der komplexe Transmissionsfaktor für die Abwärtsmischung ist gleich dem für die Aufwärtsmischung.

8 zeigt die für eine UOSM-Systemfehlerkalibrierung der erfindungsgemäßen Messanordnungen nach den 5 bis 7 anzuschließenden Kalibrierstandards. Aus Vereinfachungsgründen wurde der externe Lokaloszillator weggelassen. Ein für den gewünschten Frequenzbereich geeigneter reziproker Mischer 810, der sonst nicht weiter charakterisiert sein muss, dient als unbekanntes Zweitor. Die bekannten Eintorstandards müssen über die jeweiligen Torfrequenzen vermessen werden. So werden die üblicherweise verwendeten Standards Leerlauf 803, Kurzschluss 804 und wellenwiderstandsrichtiger Abschluss 805 am HF-Messtor 802 über den HF-Frequenzbereich und die entsprechenden oder gleichen Standards Leerlauf 807, Kurzschluss 808 und Abschluss 809 am ZF-Messtor 606 über den ZF-Bereich gemessen.

Im Verlauf des UOSM-Kalibrieralgorithmus tritt eine Vorzeichenunsicherheit auf. Diese kann jedoch unter der für passive Mischer meist zutreffenden Annahme der Dispersionsfreiheit, d.h. dass die Phase des Transmissionsfaktors in Anhängigkeit von der Frequenz eine bei 0° beginnende Gerade ist, leicht behoben werden.

Es sei angemerkt, dass das UOSM-Verfahren ursprünglich für nicht frequenzumsetzende Zweitormessungen entwickelt und beschrieben wurde, die Anwendung auf frequenzumsetzende Messungen war bisher nicht bekannt. Dieses Verfahren erlaubt eine vollständige Zweitorkorrektur. Damit werden im Gegensatz zu dem bekannten Zweitorverfahren nach den US 5,937,006 und US 6,064,694 sämtliche durch Fehlanpassung bedingten Messunsicherheiten eliminiert. Da die Transmissionsparameter der frequenzumsetzenden Schaltung im Gegensatz zur US 6,690,722 vom Messsystem als Transmissions- und nicht als Reflexionsgrößen erfasst werden, ist bei sinnvoller Auslegung der Messanordnung nicht zu erwarten, dass der Pegel des Messsignals in der Größenordnung der Störsignale oder sogar darunter liegt und dass dadurch die Messung instabil wird. Für die Streumatrix der zu messenden frequenzumsetzenden Schaltung existieren nach Kalibrierung der Messanordnung keine Einschränkungen mehr. Insbesondere muss die zu messende frequenzumsetzende Schaltung selbst nicht reziprok sein.

Die 9A bis 9D zeigen die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemessenen Parameter der Streumatrix SM, hier aus technischen Gründen zwischen den VNA-Toren 1 und 3. fHF wurde im Bereich 3,001 GHz bis 4 GHz gewobbelt, fLO war fest auf 3 GHz eingestellt, so dass sich ein ZF-Frequenzbereich von 1 MHz bis 1 GHz ergab. 9A bzw. 9D zeigen S11 bzw. S33 im Smith-Diagramm, während 9B bzw. 9C S13 und S31 in einem kartesischen Diagramm zeigen. Im Messdiagramm dier 9C ist gut der lineare Verlauf der Phase über der Frequenz und die daraus resultierende nahezu konstante Gruppenlaufzeit zu erkennen.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. In vielen Fällen kann man bereits die zu messende frequenzumsetzende Schaltung selbst als reziproken Zweitorstandard verwenden. Wenn man diese als letzten UOSM-Standard anschließt, erhält man nach Abschluss der Kalibrierung unmittelbar die gewünschten Streuparameter. Sämtliche beschriebenen und gezeichneten Merkmale sind im Rahmen der Erfindung beliebig miteinander kombinierbar.


Anspruch[de]
Verfahren zur Messung von Streuparametern einer frequenzumsetzenden Schaltung (503; 603; 703), welche ein Signal mit einer ersten Frequenz (fHF) an ihrem ersten Tor (HF) in ein umgesetztes Signal mit einer zweiten Frequenz (fZF) an ihrem zweiten Tor (ZF) umsetzt, mittels eines vektoriellen Netzwerkanalysators (501; 601; 701),

wobei ein erstes Messtor (M1) des Netzwerkanalysators (501; 601; 701) mit dem ersten Tor (HF) der frequenzumsetzenden Schaltung (503; 603; 703) verbunden wird,

wobei ein zweites Tor (M2) des Netzwerkanalysators (501; 601; 701) mit dem zweiten Tor (ZF) der frequenzumsetzenden Schaltung (503; 603; 703) verbunden wird, und

wobei zur Gewinnung von Rohmesswerten das erste Tor (HF) und das zweite Tor (ZF) der frequenzumsetzenden Schaltung (503; 603; 703) nacheinander angeregt werden und dabei die zum angeregten Tor (HF; ZF) hinlaufende Welle (aHF; a'ZF) und die von dem angeregten Tor (HF; ZF) rücklaufende Welle (bHF; b'ZF) sowie die zum anderen Tor (ZF; HF) hinlaufende Welle (aZF; a'HF) und die vom anderen Tor (ZF; HF) rücklaufende Welle (bZF; b'HF) trotz unterschiedlicher Frequenzen phasenkohärent gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

dass die zu messende frequenzumsetzende Schaltung (503; 603; 703) mit einem Lokaloszillatorsignal versorgt wird, deren Frequenz in einer oder mehreren weiteren frequenzumsetzenden Schaltungen (507, 508; 632) umgesetzt

und zumindest einem Empfangs-Mischer (524, 525; 624, 625) des Netzwerkanalysators (501; 601) im umgesetzten Zustand zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

dass die zu vermessende frequenzumsetzende Schaltung (503; 603; 703) mit einem Lokaloszillatorsignal versorgt wird, das in einer oder mehreren frequenzumsetzenden Schaltungen (507; 508; 632) entweder selbst in der Frequenz umgesetzt wird oder zu messende Signale in der Frequenz umgesetzt,

und

dass die durch eine Umsetzung entstehenden Signale zumindest einem Empfangs-Mischer (524, 525; 624, 625) des Netzwerkanalysators (501; 601) zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Netzwerkanalysator (701) mindestens zwei interne Lokaloszillatoren (730; 732) hat, wobei zumindest ein erster Empfangs-Mischer (722; 723) mit einem ersten internen Lokaloszillator (730) und dem ersten Messtor (M1) und zumindest ein zweiter Empfangs-Mischer (724, 725) mit einem zweiten internen lokalen Oszillator (732) und dem zweiten Messtor (M2) in Verbindung stehen, und

dass die Frequenzen der internen Lokaloszillatoren (730, 732) so eingestellt werden, dass an allen Emfangs-Mischern (722725) die gleiche Mischfrequnz als interne Zwischenfrequenz (fZFint) des Netzwerkanalysators (701) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gewinnung von Korrekturwerten eine vollständige Zweitor-Systemfehlerkalibrierung mit Hilfe von bekannten Eintor-Kalibrierstandards (803 – 809) an dem ersten und zweiten Messtor des Netzwerkanalysators (801) sowie einer unbekannten frequenzumsetzenden und reziproken Kalibrierschaltung (810) zwischen dem ersten und dem zweiten Messtor des Netzwerkanalysators (801) durchgeführt wird. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die unbekannte frequenzumsetzende Kalibrierschaltung (810) so gewählt wird, dass sie ein nicht dispersives Transmissionsverhalten hat. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gewonnenen Rohmesswerte mit den durch die Zweitor-Systemfehlerkalibrierung gewonnen Korrekturwerten korrigiert werden. Messvorrichtung zur Messung von Streuparametern einer frequenzumsetzenden Schaltung (503; 603), welches ein Signal mit einer ersten Frequenz (fHF) an ihrem ersten Tor (HF) in ein umgesetztes Signal mit einer zweiten Frequenz (fZF) an ihrem zweiten Tor (ZF) umsetzt, mit

einem vektoriellen Netzwerkanalysator (501; 601) mit mindestestens zwei Messtoren (M1, M2), dessen erstes Messtor (M1) mit dem ersten Tor (HF) der zu vermessenden frequenzumsetzenden Schaltung (503; 603) und dessen zweites Messtor (M1) mit dem zweiten Tor (ZF) der zu vermessenden frequenzumsetzenden Schaltung (503; 603) verbunden ist, und mit mindestens einem Empfangs-Mischer (522, 523; 524, 525) an jedem Messtor (M1; M2),

einem Hilfs-Lokaloszillator (504; 604), dessen Oszillatorsignal einem dritten Tor der frequenzumsetzenden Schaltung (503, 603) eingespeist ist, und

mindestens einem Umsetz-Mischer (507, 508; 632), in den das Signal des Hilfs-Lokaloszillators (504; 604) zur Erzeugung eines umgesetzten Hilfs-Signals eingespeist ist,

wobei das umgesetzte Hilfs-Signal dem zumindest einen Empfangsmischer (524, 525; 624, 625) an einem der Messtore (M2) des vektoriellen Netzwerkanalysator (501; 601) zugeführt ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfs-Signal dem zumindest einen Empfangs-Mischer (524, 525; 624, 625) als Empfangssignal oder internes Lokaloszillatorsignal zugeführt ist. Messvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfs-Lokaloszillator (504; 604) extern außerhalb des Netzwerkanalysators (501; 601) angeordnet ist. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Messtor (M1, M2) zwei Empfangs-Mischer (522, 523, 524, 525; 622, 623, 624, 625) vorhanden sind, wobei jeweils ein Empfangs-Mischer (522, 525; 622, 625) an einer Messstelle (518, 521; 618, 621) zur Messung der an dem Messtor (M1; M2) einlaufenden Welle und jeweils ein Empfangs-Mischer (523, 524; 623, 624) an einer Messstelle (519, 520; 619, 620) zur Messung der an dem Messtor (M1; M2) auslaufenden Welle vorgesehen ist. Messvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Messtor (M2), welches das von der zu vermessenden frequenzumsetzenden Schaltung (503) umgesetzte Signal empfängt, beide Empfangs-Mischer (524,525) jeweils ein umgesetztes Hilfs-Signal erhalten. Messvorrichtung nach Anspruch 11 oder 12,

dadurch gekennzeichnet,

dass ein erster Umsetz-Mischer (507) vorhanden ist, der das Signal des Hilfs-Lokaloszillators (504) und die an dem zugehörigen Messtor (M2) auslaufende Welle empfängt und dessen Ausgang mit dem zugehörigen Empfangs-Mischer (524) verbunden ist, und

dass ein zweiter Umsetz-Mischer (508) vorhanden ist, der das Oszillatorsignal des Hilfs-Lokaloszillators (504) und die an dem zugehörigen Messtor (M2) einlaufende Welle empfängt und dessen Ausgang mit dem zugehörigen Empfangs-Mischer (525) verbunden ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfs-Lokaloszillator (504) über einen Signalverteiler (510) und/oder Entkopplungseinrichtungen (511, 512, 513) mit der zu vermessenden frequenzumsetzenden Schaltung (503), dem ersten Umsetz-Mischer (507) und dem zweiten Umsetz-Mischer (508) verbunden ist. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass alle Empfangs-Mischer (522, 523, 524, 525) aller Messtore (M1; M2) über einen Signalverteiler (531) mit einem gemeinsamen Empfangs-Lokaloszillator (530) verbunden sind. Messvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umsetz-Mischer (632) vorhanden ist, der das Signal des Hilfs-Lokaloszillators (604) und das Signal eines Empfangs-Lokaloszillators (630) empfängt und dessen Ausgang mit beiden Empfangs-Mischern (624, 625) des zugehörigen Messtors (M2) verbunden ist. Messvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfs-Lokaloszillator (604) über einen Signalverteiler (610) und/oder Entkopplungseinrichtungen mit der zu vermessenden frequenzumsetzenden Schaltung (603) und dem Umsetz-Mischer (632) verbunden ist. Messvorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Umsetz-Mischer (632) über ein Tiefpass-Filter (633) und/oder einen Verstärker (624) und/oder einen Signalverteiler (635) mit den beiden zugehörigen Empfangs-Mischern (624, 625) verbunden ist. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Umsetz-Mischer (632) und die Empfangs-Mischer (622, 623) des anderen Messtors (M1) über einen Signalverteiler (631) mit dem gemeinsamen Mischer-Lokaloszillator (630) verbunden sind.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com