Netzwerk Analyzer

Netzanalysator

Vektor-Netzwerkanalyse (VNA) wird häufig bei HF- und Mikrowellenmessungen eingesetzt. mw-headline" id="Prinzip">Prinzip[Bearbeiten | < Quelltext bearbeiten] Zur Messung der streuenden Parameter (S-Parameter), d.h. der Wellenlänge von Reflektion und Übertragung an elektronischen Gates in Abhängigkeit von der Häufigkeit, wird ein Netzanalysator (NWA, VNA oder NA) in der Elektroni k, Telekommunikation und insbesondere in der HF-Technik verwendet. Netzanalysatoren werden im Rahmen der Entwicklung von Stromkreisen und als Testgeräte in der Fertigung verwendet.

Die Anwendungsbereiche von Netzanalysatoren reichen von der Bestimmung der Übertragungscharakteristik von Filter oder Verstärker bis hin zur Erfassung von komplexen Übertragungswegen. Aufgrund des allgemeinen Charakters der Messungen können Netzanalysatoren in Verbindung mit geeigneten Antennensystemen und entsprechender Auswertesoftware auch als einfacher Synthetic Aperture Radar (SAR) eingesetzt werden, z.B. im materialwissenschaftlichen Umfeld, um Fremdinklusionen in Werkstoffproben zu erkennen.

Ein wesentliches Merkmal eines Netzwerkanalysators ist, dass das zu testende Objekt (MO oder Prüfling), z.B. ein Elektronikmodul wie ein Filtern, von in den Netzanalysator eingebauten Messgebern (Sendern) versorgt wird und die dabei auftretenden Signalveränderungen von Prüfempfängern im Netzanalysator aufgezeichnet werden. Ein Netzanalysator lässt das zu messende Objekt daher nicht in der beabsichtigten oder üblichen Anwendungsumgebung zurück und führt dort verschiedene Messvorgänge mit einem so passiven wie möglich durch, wie es z.B. bei einem Spektralanalysator der Fall ist.

Aus diesem Grund gehören Netzanalysatoren zu den umfassendsten Messinstrumenten im Umfeld der EMSR. Im einfachen Anwendungsfall generiert der Netzanalysator über seinen Prüfgenerator ein Sinus-Prüfsignal, der Frequenzbereich erstreckt sich über mehrere Jahrzehnte und erstreckt sich über nahezu alle technologisch verwendeten Funkfrequenzbereiche zwischen 10 und 100 GO. Aus dem erzeugten Prüfsignal bei einer gewissen Häufigkeit resultiert für lineare Prüflinge (DUT) eine Sinusantwort, die sich in Bezug auf Breite und Phase vom Prüfgenerator im Allgemeinen abweicht.

Eine skalare Netzwerkanalysevorrichtung (SNA) - diese Vorrichtungen werden heute kaum noch als Messgerät eingesetzt - erfasst nur noch die verschiedenen Signalamplituden des Testsignals und des vom Prüfling gelieferten Reaktionssignals und ist so konzipiert, dass sie simpel ist. Der Vector Network Analyzer (VNA) - in der Regel und auch im nachfolgenden Abschnitt wird nur der Vector Network Analyzer von einem Netzanalysator interpretiert - fängt die Schwingweite und Phasenposition als Komplexgröße ein und kann daher auch die SG-Parameter als komplexwertvoll darstellen.

Jede Art von Netzanalysator mißt sowohl das von ihm generierte Prüfsignal als auch das vom Prüfling modifizierte Reaktionssignal und korreliert diese dann. Die vektoriellen Netzanalysatoren zeichnen sich durch einige prinzipielle Vorzüge aus: Sie zeichnen sich durch eine hohe Zuverlässigkeit aus: Systemfehlerkorrekturen während der Kalibration sind nur bei komplexer Datenverarbeitung möglich. Gängige Darstellungen wie das Smith-Diagramm sind nur dann unmissverständlich, wenn die Meßdaten komplex sind.

Komplexe Netzanalysatoren beruhen auf dem Heterodyne-Prinzip, bei dem der Elektronikeinsatz für den Prüfgenerator von den Elektronikeinsätzen in den Einzelempfängern, den so genannten Lososzillatoren, abgetrennt ist und eine stärkere Abweichung der Messwerte ermöglicht. Eine Netzwerkanalysevorrichtung umfasst zwei oder mehr Anschlüsse, die auch als Testport bekannt sind.

Diese sind im Schema am Prüfling mit P1 und P2 gekennzeichnet. Herkömmliche Netzanalysatoren haben daher zwei, grössere Einheiten mit vier oder mehr Gates, um mehrere Gates ohne zeitaufwendiges Nachstecken messen zu können. Jeder Prüfanschluss eines Standard-Netzwerkanalysators kann sowohl als Transmitter als auch als Receiver verwendet werden; die Prüfanschlüsse sind asymmetrisch ausgeführt und besitzen je eine eigene, im NA integrierte Prüfanschlussleitung.

Der ankommende Schall (reflektiert am Prüfling) wird entkoppelt und unmittelbar an einen dem Gate zugewiesenen Prüfempfänger weitergeleitet, der im Blockdiagramm als RX-Test bekannt ist. Das eine Teil wird dem zweiten Prüfempfänger, im Blockdiagramm als RX-Ref bekannt, zugeführt, das andere Teil dient der Zuführung des Prüflings. 1 Empfängerstrahler ( "RX-Test") zur Erfassung des am Ausgang ankommenden externen Signales und 1 Empfänger ( "RX-Ref") zur Erfassung des Erregersignals.

Abhängig vom Geräteumfang verfügt die NA, wie in der Abbildung gezeigt, nur über einen schaltbaren Prüfgenerator, der auf einen der AusgÃ??nge umgeschaltet werden kann. In der Regel kann die Schwingweite jedes Prüfgenerators auch über ein nachgeordnetes, verstellbares Abschwächerglied verändert werden. Darüber hinaus bietet der Einsatz umfangreicherer Netzanalysatoren weitere Optionen, um die Einzelanschlüsse im Prüfportkreis durch nach aussen gerichtete Kalibrierleitungen zu scheiden.

Der einzelne Prüfempfänger - vier Prüfempfänger werden für einen Netzanalysator mit zwei symetrischen Anschlüssen benötigt, wie im Blockdiagramm gezeigt - verfügt über einen vom Prüfgenerator unabhängigen lokalen Oszillator, der vom Prüfgenerator austauschbar ist und die Empfangssignale in die Zwischenfrequenzposition ("IF") umwandelt. Zur Bestimmung aller vier Kenngrößen des zweipoligen wird der Prüfgenerator mit dem Schalter Switch S1 auf den anderen Anschluss geschaltet.

Für Netzanalysatoren mit eigenem Prüfgenerator pro Port ist der Schaltvorgang nicht erforderlich. Durch die großen Mengen an Daten sind nahezu alle Netzanalysatoren in der Lage, Messwerte auf Datenträger zu hinterlegen oder über eine Datenverbindung wie z.B. LAN-Verbindung zu übermitteln. Als gängiges Austauschformat für Netzanalysatoren dient das Touchstone Dateiformat, das auch in vielen Schaltungssimulationsprogrammen als Datenset gelesen und weiterverarbeitet werden kann.

Netzanalysatoren mit integriertem Display stellen die Messparameter als Amplituden- oder Phasenverlauf in Abhängigkeit von der Häufigkeit oder als komplexe Repräsentation in einem Smith-Diagramm dar. Für die Eingangs- und Ausgangsreflexion im Smith-Diagramm ist die Repräsentation von Bedeutung (S11 und S22). Bei einigen Netzanalysatoren gibt es auch andere Anzeigeoptionen, wie z.B. die Gruppenverzögerung über die Zeit.

Bei einem Netzwerkanalysator sind die Einzelkomponenten in der Messstellenschaltung und die darüber hinaus eingesetzten Bauteile wie z.B. Messkabel defekt. Zufallsmessfehler, die z.B. im Zusammenhang mit Geräuschen auftauchen. Aus diesem Grund können diese Schwankungen nur in statistischer Form aufgezeichnet und mit der System-Fehlerkorrektur nicht reduziert werden. Bei der Kalibrierung des Netzanalysators wird diese Systemfehlermessung durchgeführt, in der Regel direkt vor der aktuellen Messaufgabe und mit einem physikalischen Setup, das dem tatsächlichen Mess-Setup so nah wie möglich ist.

Bei der Kalibrierung sind auch die später bei der tatsächlichen Vermessung verwendeten Bauteile, wie z. B. Koaxkabel, Steckverbinder oder weitere Abschwächer, zu erfassen. Dennoch können im Zuge langer Messreihen kleine Systemabweichungen entstehen, z.B. durch eine Änderung der Temperatur des Vorrichtungs. Weil die Merkmale der Kalibriernormale bereits im Zusammenhang mit einem bestimmten Fehler bekannt sind, sind die gemessenen Schwankungen eine Konsequenz der Systemabweichung.

In den nachfolgenden Messvorgängen werden die gewonnenen rohen Messwerte mit den bei der Kalibrierung bestimmten Error-Koeffizienten versetzt und damit die durch den Netzanalysator und den Setup gezielt hervorgerufenen Fehlerkompensation. Bei der Kalibrierung, bei der der Netzanalysator die Normen selbstständig ein- und ausschaltet, entfällt die manuellen Neuverdrahtungen.

Je nach den Einsatzmöglichkeiten des Netzanalysators, den Anforderungen an den Arbeitsaufwand und die Genauigkeit gibt es eine Vielzahl von verschiedenen Kalibriermethoden, die sich voneinander abheben. Beim Kalibrieren eines Zweitores entstehen in der Regel zwölf verschiedene Systemabweichungen, und im 12-terminalen Fehlermodell werden alle diese abgelesen. Nachfolgend werden einige der gängigen Kalibriernormale erläutert.

Berücksichtigt man die vielschichtigen Messdaten einer Reflektionsmessung an einem Gate des Netzanalysators im Smith-Diagramm, bestimmt das Öffnen den unendlichen Endpunkt auf derX-Achse. In der Smith-Karte legt der Kurzschluss den Nullpunkt auf der X-Achse fest. Wird der Prüfanschluss mit seinem charakteristischen Impedanz geschlossen, entstehen keine Spiegelungen, im Smith-Diagramm wird der erste Abgleichspunkt auf der X-Achse, d.h. der Mitte des Diagramms, durchlaufen.

In Verbindung mit Netzanalysatoren wird dieser Wert oft als Systemwiderstand oder Systemwiderstand bezeichne. Frequenzumwandelnde Messaufgaben können auch mit geeigneten Netzanalysatoren, zusätzlicher Software mit besonderen Kalibrierungsverfahren wie Without Thru und zwei weiteren Kalibriernormalen, einem Kamm-Generator und einem Leistungssensor, durchgeführt werden. Zusätzlich zu den vektorharmonischen Messverfahren sind auch geeichte Vektorintermodulationen und Mixermessungen möglich.

Mit den Vektorinformationen lassen sich nichtlineare Effekte und deren Lokalisation beschreiben. Zusätzlich kann dieses NWA als präzise Abtastoszilloskop verwendet werden, da die System-Fehlerkorrektur des Netzanalysators im Unterschied zu einem Oszilloskop Abweichungen zum Prüfling beseitigt. Dr. Michael Hiebel: Grundlagen der Vektornetzwerkanalyse. Die praktische Einführung in die Vektornetzanalyse erfolgt durch den beam-Verlag, Marburg 2011, ISBN 978-3-88976-159-0.

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