grundlagen nwa (für emv graz, gleißner, r&s)
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Vektorielle Netzwerkanalyse
Grundlagen&
Anwendungen im Bereich EMV
April, 2009 | Grundlagen Netzwerkanalyse
Inhalt
l Vektorieller Netzwerkanalysatorl Prinzipielle Definition eines vektoriellen Netzwerkanalysatorsl Hardware Konzept & Aufbau, S-Parameterl Symmetrische Messungen
l Kalibrierungl Systemfehlerkorrekturl Ergänzende Verfahren
l Anwendungen in der EMV
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Definition Netzwerkanalysatorl Untersuchung des Responses von RF/HF Netzwerken
l Anlegen des Stimulus-Signales und Messung von Reflektion(Return loss) und Transmission (insertion loss)
l Interne Generatoren und Empfängerl Amplitude & Phase (vektorieller NWA)l Frequenzbereich direkt: kHz bis ~50 GHzl Mit zusätzlichen Konvertern: 325 GHzl Heterodynes Konzept
(Umsetzung auf konstanze ZF, typ. 20 kHz, 15 MHz, 30 MHz)l Diskretes Punkterasterl ZF-Filter (digital), typisch:
IFBW= 10 Hz bis 500 kHz / 1 MHz / 30 MHz
f
MagφGD…
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Schematischer Aufbau eines NWAl Heterodyn-Prinzip: Mischung auf konstante ZFl Typisch: 4 Empfangskanäle (2 Meß-, 2 Referenzkanäle)
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Reflexion und TransmissionSuperposition und VSWR (SWR)
R' L'
C'
G'
( )∞≤≤
==−+
=
sII
UU
rrs
111
min
max
min
max
Stehende Welle-VSWR
Bsp.: kurzgeschlossene Leitung Stehende Welle (W + W')läuft weder vorwärts noch rückwärts
"Umax"
VSWR: s
"Umin"λ 0/4
λ 0/2
|stehende Welle|
x, d
vorlaufende Welle: W Kurzschluß
/R
eflektor
|E|
x= 0l =0
E
rücklaufende Welle: W 'a 1
a 1
Z ZZ Z−
Γ =+
Impedanzsprung-Reflexion
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S-ParameterLeitungstheorie und Wellengrößen
x
vorlaufend rücklaufend
AbschlussUf
Ur
Ir
If
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )
f r
f r
U z U z U z
I z I z I z
= +
= +
ff L
L
U I Z a vorlaufende WelleZ
= ⋅ =
L L
f rL
f rZ Z
U (z) U (z)ZI (z) I (z)
⋅
= =
rr L
L
U I Z b rückwärts laufende WelleZ
= − ⋅ =
a, b – Größen:• Maß für Leistung• (absolute) Leistung• Verhältnisse (ratios)• S-Parameter
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Inhalt
l Vektorieller Netzwerkanalysatorl Prinzipielle Definition eines vektoriellen Netzwerkanalysatorsl Hardware Konzept & Aufbau, S-Parameterl Symmetrische Messungen
l Kalibrierungl Systemfehlerkorrekturl Ergänzende Verfahren
l Anwendungen in der EMV
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a1
a2
b1
b2
S11
S22
S12S21
S-ParameterWellengrößen und S-Parameter
DUT Beispiel:Koaxiales Dämpfungsglied
Beschreibung mit 2 Gleichungen:
1 11 1 12 2
2 21 1 22 2
b S a S ab S a S a= ⋅ + ⋅= ⋅ + ⋅
S-Parameter verknüpfen dieVorlaufende Welle mit derRücklaufenden Welle
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S-ParameterDefinition 1/2
Z0 2-port Z0
Eingangsreflexionsfaktor: S11
01
111 2== aa
bs
Z0 2-port Z0
Ausgangsreflexionsfaktor: S22
02
222 1== aa
bs
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S-ParameterDefinition 2/2
Z0 2-port Z0
Vorwärtstransmissionfaktor: S21
01
221 2== aa
bs
Z0 2-port Z0
Rückwärtstransmissionfaktor: S12
02
112 1== aa
bs
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Realisierung: Messung der S-Parameter Konzept-Beispiele
DUTPort 1 Port 2
Receivers
Generator Display
b2b1
test set
power splitteroder directional
coupler
directionalcoupler oder
VSWR bridge
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Messung der S-ParameterVektor-Receiver-Konzepts
“Vector” Empfänger zum Generieren der Phaseninformation
Umess
( )MM tu ϕω −⋅cos
( )( )
M REF
M REF
2cos tMischsignale
2sin tω −ϕ − ω −ϕ
( )Realteil
M REFu cos⋅ ϕ −ϕ644474448
( )M REF
Imaginärteil
u sin⋅ ϕ −ϕ144424443
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l Vektorieller Netzwerkanalysatorl Prinzipielle Definition eines vektoriellen Netzwerkanalysatorsl Hardware Konzept & Aufbau, S-Parameterl Symmetrische Messungen
l Kalibrierungl Systemfehlerkorrekturl Ergänzende Verfahren
l Anwendungen in der EMV
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Ideale balancierte Meßobjekte transmittieren nur das differentielle Signal und unterdrücken common-mode Signale.
Charakterisierung Balancierter SystemeIdeales Verhalten (“Differential” / “Common” Mode)
Differentielles Signal
Common-mode signal
(EMI oder Rauschen)
Gain = 1
Symmetrisch –single ended
Differentielles Signal
Common-mode signal(EMI oder Rauschen)
Gain = 1
Symmetrisch-symmetrisch
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DUTbalanced
Charakterisierung Balancierter SystemeMeßaufbau mit Baluns
Jede Kombination zwischenbalancierten und single-ended Toren muß für kompletteCharakterisierung einzelnvermessen werden.
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Charakterisierung Balancierter SystemePort-Konfiguration & Modal Decomposition Methode
Physikalische Tore (1-4) Logische Tor 1 & 2 Bestimmung aller 16 single ended S-Parameter Mixed-Mode S-Parameter per Rechnung
Port 3 Port 1 Port 4 Port 2 Physicalische Tore
Logische Tore
Port 1 Port 2
DUT
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Naming Convention: S mode res., mode stim., port res., port stim.
Port 1 Port 1Port 2 Port 2
Differential-Mode stimulus
Common-Mode stimulus
Differential-mode
Response
Port 1
Port 2
Port 1
Port 2
Common-mode
Response
DUT
Logical Port 1 Logical Port 2
dd11 dd12 dc11 dc12
dd 21 dd 22 dc 21 dc 22
cd11 cd12 cc11 cc12
cd 21 cd 22 cc 21 cc 22
S S S SS S S SS S S SS S S S
Charakterisierung Balancierter SystemeMixed Mode S-Parameter Matrix
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Charakterisierung Balancierter SystemeTrue Differential Model Anregung mit “echten” Gegen- und Gleichtakt-Signalenl Zwei interne phasengekoppelte Quellenl Systemfehler-korrigiert, Pegelkorrektur
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Inhalt
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l Kalibrierungl Systemfehlerkorrekturl Ergänzende Verfahren
l Anwendungen in der EMV
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Meßunsicherheit bei Reflektionsmessung
D
r
0,01
0,056
0,046
0,066
1.Fehlerterm durch DirektivitätZVx
GeneratorZVx
Empfänger
Ideale Anpassung
Meßsignal r
Directivität D
DUT
2.Fehlerterm durch Meßtoranpassung
l „Full One Port“ Kalibrierung (OSM)l Nur Reflektion S11 wird kalibriert / gemessen
l 3 Fehlerterme:l D := Directivitätl T := Transmissionsdämpfungl Γ := Meßtoranpassung
ZVxQuelle
ZVxEmpfänger
Short oder Open
Meßsignal r
DUT
Meßtor-Anpassung Γ
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Meßunsicherheit bei ReflektionsmessungVolle Eintor-Kalibrierung, Fehlermodell
1 23
2 1 2
b T D a T b rb a b S r
= ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅= + ⋅ ⋅
⋅Γ−
+⋅==r
rDTabr
1'
1
3
Zusammenhang: Ideal (korrigiert) r’ (S11’)
und unkorrigiert r (S11)
r
error two port ofthe SWR bridge
1
T
S
a1
b3
b2
a2
TD
DUT
idealreflectometer
NWA
Γ
Γ
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Prinzip der Systemfehlerkorrektur1. Mathematisches „Fehlermodell“ beschreibt den Zusammenhang zwischen
2. Definition der Kalibrierstandards im NWA („Bekannte DUTs“ ⇒ Scorr )3. Bestimmung der Fehlerterme (erri) mittels der Sytemfehlerkorrektur
Messungen an den Kalibrierstandards Scorr bekannt aus Definition der Kalibrierstandards Smeas(unc.) aus Messung Fehlermodell bestimmt Zahl der Fehlerterme
⇒ Zahl der erforderlichen Kalibrierstandards(z.B: 3 Fehlerterme → 3 Gleichungen → 3 Standards (OSM)
4. Messung: Korrektur der rohen S-Parameter mit den bekannten Fehlertermen (erri)
Fehlerterme, berechnet per Systemfehlerkorrektur
),...3,2,1 errerrerr
Unkorrogierte („rohe“)S-Parameter
( ,.)(11
f S uncmeas
KorrigierteS-Parameter
11Scorr =
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Modellierung von Kalibrierstandards
l Detailliertes R&S Ersatzschaltbildl Nicht-ideale Matches möglichl V.a. On-wafer Applikationen
l S-Parameter Modelll Definition von Ein- und Zwei-Tor Kalibrierstandards mittels
*.s1p bzw *.s2p S-parameter Filesl “Beliebige” Standards liefern hohe Genauigkeit nach sorgfältiger Vermessungl Individuelle Standards liefern hochgenaue Ergebnisse
SHORT
50 Ω
OPEN MATCH
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Terme zur Meßunsicherheit bei Transmissionsmessungen
Vorwärtsrichtung:• T1* T2 Transmissions-Verlust• D1Directivität Port 1• Γ1 Quelltoranpassung Port1• D2Directivität Port 2 • Γ2 Meßtoranpassung Port 2• XFÜbersprechen
Rückwärtsrichtung:• Gleiche Terme• Unterschiedliche Werte
Σ= 12 Terme (bidirektionale Messung)
Vernachlässigung von XF: 10 Fehlerterme TOSM „liefert“ 10 Messungen
(Gleichungen)
et
er1
er2
er3
ex
S 21
S 12
S 11 S 22
a 1
b 1
a ´1
b 2
a 2
b 2
DUTΓ1
T1 T2
Γ2 D2D1
XF
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Kalibrierverfahren
l Normierungl Transmission, Reflektion, Transmission & Reflektion
l One Path Two Port (OSM + Normierung)l Für unidirektionale Aufbauten (z.B Vorverstärker)
l Full One Port Calibration (OSM)l Für Reflektionmessungen (S11, S22)
l Full Two Port (n-port) Kalibrierungl Bidirektional, korrigiert alle Fehlerterme einzelnl Alle n² S-Parameter eines n-Tores meßbarl Höchste Genauigkeit
Gen
auig
keit
Ein
fach
eH
andh
abun
g
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• TOM, TRL/LRL, TRM, TNA, erfordern 4-Empfänger Geräte
• TOM, TRM, TNA patentiert für R&S.
Kalibrierverfahren“Full- Two-Port” Verfahren
5 “Inherente” Verifikation
Verfahren Zahl derKalibrierschritte Besonderheit
TRM
TNA
TRL
5 Testfassungen
4 Beste Direktivität, Streifenleitungen
3 Testfassungen
7 “Klassiches” Verfahren
UOSM 7Unbekannte Durchverbindung, Adapter zwischen Steckertypen, Komplexe Mischermessungen
TOM
TOSM
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Inhalt
l Vektorieller Netzwerkanalysatorl Prinzipielle Definition eines vektoriellen Netzwerkanalysatorsl Hardware Konzept & Aufbau, S-Parameterl Symmetrische Messungen
l Kalibrierungl Systemfehlerkorrekturl Ergänzende Verfahren
l Anwendungen in der EMV
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Kalibriertechnik UOSMl Wie TOSM, jedoch “U” := Unknown Throughl Durchverbindung muß nicht bekannt seinl “U” kann z.B: sein:
– “unbekannte”, d.h. unspezifizierte Durchverbindung– beliebiger Adapter (zB 3.5mm–N, coaxial-Hohleiter)– (Kalibrier)-Mischer
l Anwendung:l Erfüllt: “Adapter Removal”l Kalibrierung zwischen unterschiedlichen Steckertypen (z.B.: 3.5mm–N, 3.5mm – wave guide)l Kalibrierung für komplexe Msichermessungen
l Vorteile und Anmerkungenl Für jeden Steckertyp (N, 2.5mm,…) nur OPEN, SHORT, MATCH erforderlichl Jeder reziproke Adapter kann verwendet werdenl Nach der Kalibrierung ergibt sich automatisch die Vermessung des Adapters
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Ergänzende Korrekturverfahrenl (De)Embeddingl Einfügen und Korrektur von Netzwerken nach Kalibrierungl Vordefinierte (Anpass)Netzwerkel S21-Filesl Single-ended und differentielle Netzwerke
l AutoLength (& Loss)l Berechnung & Korrektur von Längen nach der Referenzebenel Berechnung über den (linearen) Phasenverlaufl Korrektur Längenoffset, Längenmessung, Phasenrippell Verlust-Berechnung
l Fixture Compensationl Normierung mittels OPEN, SHORT
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Inhalt
l Vektorieller Netzwerkanalysatorl Prinzipielle Definition eines vektoriellen Netzwerkanalysatorsl Hardware Konzept & Aufbau, S-Parameterl Symmetrische Messungen
l Kalibrierungl Systemfehlerkorrekturl Ergänzende Verfahren
l Anwendungen in der EMV
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Anwendungsgebiete eines NWA
l Überprüfung und Kalibrierung von Meßmittelnl Z.B. Kalibrierung & Verifizierung von Kabeln, (Koppel)Netzwerken, Baluns,
Spannungs- ud Stromproben, Antennen (Korrekturfaktoren), Meßzangen
l Meßplatzvalidierungl Z.B. Validierung von Testaufbauten bzgl Übereinstimmung mit
standardisiertem Equipment
l Vermessung von EMI Filternl CISPR 17
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Impedanz eines AMN V-Netzwerks
l Messung der Impedanz und des Spannungsteilungsfaktors (VDF)
l Wichtigste Parameter eines AMN V-Netzwerks:l Impedanz (komplex!)l Entkopplungsdämpfungl Spannungsteilungsmaß
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Spannungsteilungsfaktor eines AMN V-Netzwerksl Vergleich der Spannungen am EUT Port und RF Portl Übertragungsverhalten: Transmissionsmessung RF-EUT-Port
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Kalibrierung eines Y-Netzwerksfür Telekommunikations-Equipment
Balanzierte Messung mit 4-Tor NWA:l Impedanz (komplex!)l Entkopplungsdämpfungl Spannungsteilungsmaßl Common model “Differential Mode”
Unterdrückung