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Vektorielle
Netzwerkanalysatoren (im Folgenden auch kurz VNA) dienen primär der Messung von
Streuparametern nach Betrag und Phase. Diese Streuparameter sind
definiert als Quotienten von Wellengrößen unter der Randbedingung,
dass sämtliche
Tore des Messobjekts mit ihrer jeweiligen Bezugsimpedanz abgeschlossen
sind.
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Bisher übliche Konzepte
von Netzwerkanalysatoren mit 2 bzw. n Messtoren weisen zwei oder mehr
parallel arbeitende vektorielle Messstellen zur Messung der Zähler- und
Nennerwellengrößen der Streuparameter
auf. 1 zeigt als Beispiel
einen Zweitor-VNA mit 3 Messstellen. Das von der Signalquelle 101 erzeugte
Signal wird im Signalteiler 102 in einen Referenz- und
Messzweig aufgeteilt. Das Referenzsignal wird von der vektoriellen
Messstelle 103 nach Betrag und Phase erfasst. Im Messzweig
kann das Signal über
den Umschalter 104 und die Signaltrennschaltungen 106 und 107 wahlweise
auf Tor 1 oder Tor 2 des Messobjekts 105 geleitet werden.
Die Ausgänge
der Signaltrennschaltungen 106 und 107, die üblicherweise
als Reflexionsfaktormessbrücke oder
als Leitungskoppler realisiert werden, sind jeweils an eine weitere
vektorielle Messstelle 108 bzw. 109 angeschlossen.
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Ein ähnliches
Konzept, aber mit zwei Signalquellen ist aus der
DE 199 26 454 A1 bekannt.
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Durch
die gleichzeitige Messung von Zähler- und
Nennerwellengrößen ist
sichergestellt, dass sich bei aufeinanderfolgenden Messungen des
selben Streuparameters eine Drehung der Absolutphase des Generatorsignals
oder eine durch Verschiebung des Abtastzeitpunkts bedingte gleiche
Phasendrehung der Wellen herauskürzt.
Ebenso werden zwischenzeitliche Amplitudenänderungen des Signalgenerators
eliminiert.
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Allerdings
erfordert jede der drei vektoriellen Messstellen 103, 108, 109,
die in der Regel als heterodyner Überlagerungsempfänger mit
nachgeschaltetem A/D-Wandler und anschließender digitaler Signalverarbeitungsstufe
realisiert sind, einen hohen Schaltungsaufwand. Damit sind in der
Regel auch hohe Kosten verbunden.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen vektoriellen Netzwerkanalysator
zu schaffen, der mit einem geringeren Schaltungsaufwand auskommt
und daher kostengünstiger
hergestellt werden kann.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die
Unteransprüche
enthalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist nur
ein einziger Messempfänger
vorhanden, was den Schaltungsaufwand erheblich reduziert. Eine Schalteinrichtung
sorgt dafür,
dass der Messempfänger
zwischen dem Signalgenerator und den Toren des Messobjekts umgeschaltet
werden kann.
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Entsprechend
einer vorteilhaften Weiterbildung ist auch nur ein einziger Signalgenerator
vorhanden, wobei eine zweite Schalteinrichtung dafür sorgt,
dass der Signalgenerator zwischen den Toren des Messobjekts umgeschaltet
werden kann.
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Verschiedene
Mischer des Signalgenerators und des Messempfängers können vorteilhaft mit einem
gemeinsamen Oszillator verbunden sein, um den Signalgenerator und
den Messempfänger
phasenstarr miteinander zu synchronisieren. Eine andere Möglichkeit
besteht darin, bei der Frequenzaufbereitung in dem Signalgenerator
und dem Messempfänger
auf einen gemeinsamen Referenz-Oszillator zuzugreifen, der beispielsweise
als Referenz für
einen nach dem PLL-Prinzip (Phase Locked Loop = geschlossene Phasenschleife)
arbeitenden Synthesizer dient.
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Über geeignete
Entkopplungs-Einrichtungen, beispielsweise Isolationsverstärker, können der Signalgenerator
und der Messempfänger
von den Schalteinrichtungen entkoppelt werden. Durch weitere Entkopplungs-Einrichtungen
können
die Schalteinrichtungen wiederum von dem Messobjekt entkoppelt werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnung erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 einen
Zweitor-VNA mit 3 vektoriellen Messstellen nach dem Stand der Technik;
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2 einen
Eintor-VNA mit nur einer vektoriellen Messstelle;
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3 einen
erfindungsgemäßen Zweitor-VNA
mit nur einer vektoriellen Messstelle;
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4 die Stellungen der Signalwegschalter zur
Messung der 4 Streuparameter eines Zweitor-Messobjekts und
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5 einen
erfindunsgemäßen n-Tor-VNA mit
nur einer vektoriellen Messstelle.
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2 zeigt
eine Vorüberlegung
der Erfindung für
ein Reflektometer, also einen Eintor-Netzwerkanalysator. Ein Reflektometer
besteht in der Regel aus einem Generator 200 für die Messfrequenz, einer
Signaltrennschaltung (Testset) 210 zum Anschluss des Messobjekts 105,
sowie des vektoriellen Messempfängers 220,
der im Rahmen dieser Anmeldung auch als Messstelle bezeichnet wird.
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In
dem Messsignalgenerator 200 ist ein Festfrequenzgenerator 201 vorhanden,
dem ein Mischer 202 nachgeschaltet ist. Ein Ausgang des
Mischers 202 steht mit dem Tiefpass 203 in Verbindung,
während
ein zweiter Eingang des Mischers 202 mit einem wobbelbaren
Lokaloszillator 230 verbunden ist.
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In
dem Testset 210 ist ein Signalteiler 211 vorhanden,
dessen Eingang mit dem Ausgang des Messsignalgenerators 200 verbunden
ist. Ein Ausgang des Signalteilers 211 ist mit einer Entkopplungs-Einrichtung 213 verbunden,
deren Ausgang mit einer Signaltrennschaltung 214 verbunden
ist. Der zweite Ausgang des Signalteilers 211 ist über eine
Entkopplungs-Einrichtung 212 mit einem ersten Eingang einer
Schalteinrichtung 117 verbunden. Das Messobjekt 215 steht
mit der Signaltrennschaltung 214 bidirektional in Verbindung.
Ein Ausgang der Signaltrennschaltung 214 ist mit einer
weiteren Entkopplungs-Einrichtung 216 verbunden, deren
Ausgang mit einem zweiten Eingang der Schalteinrichtung 214 verbunden
ist.
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Ein
erster Mischer 221 des Messempfängers 220 ist mit
dem Ausgang der Schalteinrichtung 217 verbunden und steht
andererseits mit dem wobbelbaren Lokaloszillator 230 in
Verbindung. Der Ausgang des ersten Mischers 221 ist über ein
Zwischenfrequenz-Filter 222 mit einem Eingang eines zweiten Mischers 223 verbunden,
der ein Oszillatorsignal von einem ersten Oszillator 224 des
Messempfängers 220 erhält. Der
Ausgang des zweiten Mischers 223 ist über einen Analog/Digital-Wandler 225 mit
einem Eingang eines dritten, digitalen Mischers 226 verbunden,
der wiederum mit einem digitalen, numerischen Oszillator 227 verbunden
ist. Am Ausgang des dritten Mischers 226 kann das Messsignal
M abgegriffen werden.
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Der
Oszillator 201 des Signalgenerators 200 und die
beiden Oszillatoren 224 und 227 des Messempfängers 220 stehen
mit einem gemeinsamen Referenz-Oszillator 240 in Verbindung.
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Im
Messsignalgenerator 200 erzeugt der Festfrequenzgenerator 201 ein
Signal, dessen Frequenz fIF1 oberhalb des
Messfrequenzbereichs des VNA liegt. Mit Hilfe des wobbelbaren Lokaloszillators 230,
dessen Frequenz fLO1 gleich der Summe aus
gewünschter
Messfrequenz fM und Festfrequenz fIF1 ist, wird dieses Signal im Mischer 202 auf
die Messfrequenz fM herabgemischt. Der Tiefpass 203 unterdrückt das
im Mischer 202 ebenfalls entstehende Signal bei der Summenfrequenz
fLO1 + fIF1.
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Im
Testset 210 teilt der Signalteiler 211 das Generatorsignal
auf in einen Referenzanteil, der im wesentlichen proportional zu
der zum Messobjekt 215 hinlaufenden Welle a ist und der über die
Entkopplungs-Einrichtung 212,
beispielsweise einen Isolationsverstärker, und den Schalter 217 direkt
zur komplexen Messstelle (Messempfänger) 220 läuft. Die
Entkopplungs-Einrichtungen
werden im Rahmen dieser Anmeldung auch als Isolatoren bezeichnet. Dieser
Signalweg wird im Folgenden als Referenzkanal bezeichnet. Der andere
Anteil wird über
den Isolator (Entkopplungs-Einrichtung) 213 und die Signaltrennschaltung 214 dem
Messobjekt 215 zugeführt. Am
Ausgang der Schaltung 214 liegt ein Signal an, das im wesentlichen
proportional zu der vom Messobjekt 215 reflektierten Welle
b ist. Über
den Isolator 216 und den Schalter 217 kann dieser
sogenannte Messkanal ebenfalls von der komplexen Messstelle (Messempfänger) 220 erfasst
werden. Die Isolatoren (Entkopplungs-Einrichtungen) 212 und 216 verhindern
eine Rückwirkung
der Stellung von Schalter 217 auf Quell- und Lastreflexionsfaktor
des Messtors. Somit ist die Annahme eines von der Schalterstellung unabhängigen Systemfehlermodells
zulässig.
Dies wiederum erlaubt es, für
die Systemfehlerkorrektur des VNA auf das bekannte 3-Term-(OSM-)
Verfahren zurückzugreifen.
Die Isolatoren 212, 216 sowie der optionale Isolator 213 lassen
sich beispielsweise in Form von Isolationsverstärkern oder Richtungsleitungen
realisieren.
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Die
komplexe Messstelle 220 ist üblicherweise als Überlagerungsempfänger ausgeführt. Es
sind hier jedoch auch andere Empfangstechniken denkbar, die eine
Vektorinformation liefern. Auch die Zahl der Mischstufen kann variieren,
im gezeigten Ausführungsbeispiel
sind zwei Stufen vorhanden. Zunächst wird
im Mischer 221 das gewobbelte Referenz- bzw. Messsignal
mit Hilfe desselben Lokaloszillators 230, mit dem im Signalgenerator
die Messfrequenz erzeugt wurde, wieder auf die Festfrequenz fIF1 hochgemischt. fIF1 ist
die erste Zwischenfrequenz des Messempfängers 220. Ein Bandpass 222 eliminiert
störende
Mischprodukte bei anderen Frequenzen. Für die weitere Verarbeitung
muss das Signal abgetastet und digitalisiert werden. Meist liegt
die Frequenz fIF1 jedoch so hoch, dass dies
nicht unmittelbar möglich ist.
Mit der weiteren Mischstufe 223 wird es daher auf eine
niedrigere Zwischenfrequenz fIF2 umgesetzt. Nach
Abtastung und Analog-Digital-Wandlung
im Analog/Digital-Konverter 225 werden die Abtastwerte im
Multiplizierer 226 mit dem numerischen Oszillator 227 auf
einen zeitunabhängigen
Ergebnisvektor M herabgemischt.
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Damit
M tatsächlich
unabhängig
vom Abtastzeitpunkt ist, müssen
alle Festfrequenzquellen 201, 224 und 227 über einen
gemeinsamen Referenzoszillator 240 phasenstarr miteinander
verkoppelt sein und ohne Änderung
der Phase kontinuierlich durchlaufen. Die jeweilige Phasendifferenz
der Quellen 201, 224 und 227 gegenüber dem
Referenzoszillator 240 ist dabei ohne Belang. Sie ergibt
sich zufällig
bei jedem erneuten Einschalten des VNA. Solange der VNA eingeschaltet
bleibt, liefern aufeinander folgende Messungen des Referenzkanal-Ergebnisvektors Ma bei einer Frequenz stets dieselbe Phase.
Wenn sich der Reflexionsfaktor des Messobjekts 215 nicht ändert, gilt
dies auch für
den Messkanal-Ergebnisvektor Mb. Damit ist
natürlich
auch die Phase des Quotienten Mb/Ma, also des unkorrigierten Rohwerts des Reflexionsfaktors,
reproduzierbar.
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Schaltet
man den VNA aus und wieder ein, so ergeben sich zwar andere zufällige Phasenbeziehungen
zwischen den Festfrequenzquellen 201, 224 und 227 und
damit auch andere Phasen der rohen Einzelwellen Ma und
Mb. Der Phasen unterschied zur ersten Messung
ist aber für
beide Wellen gleich und fällt
daher bei der Quotientenbildung heraus. Es sei darauf hingewiesen,
dass die Phase des gewobbelten Lokaloszillators 230 keinen
Einfluss auf den Ergebnisvektor hat, da sie sich durch das Ab- und
anschließende
Aufwärtsmischen
in den Umsetzern 202 und 221 heraushebt. Amplitude
und Phase des Ergebnisvektors M unterliegen allerdings der thermischen
Drift der Komponenten im Signalweg, diese muss durch geeignete Schaltungsauslegung
minimiert werden.
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Beim
erfindungsgemäßen Netzwerkanalysator
wird das oben erläuterte
Prinzip auf die Messung der Streuparameter eines Messobjekts 215 mit
zwei oder mehr Toren erweitert. 3 zeigt
als Beispiel einen VNA für
Zweitor-Messobjekte.
Messsignalgenerator 300 und vektorieller Messempfänger 320 sind identisch
mit den Schaltungen 200 bzw. 220 aus 2.
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Der
Ausgang des Signalgenerators 300 steht mit dem Eingang
eines Signalteilers 311 in Verbindung, dessen erster Ausgang über eine
Entkopplungs-Einrichtung 351 mit einer Schalteinrichtung 318 verbunden
ist. Der andere Ausgang des Signalteilers 311 ist über eine
Entkopplungs-Einrichtung 312 mit
einem ersten Eingang einer Schalteinrichtung 317 verbunden.
Ein erster Ausgang der Schalteinrichtung 318 ist über eine
Entkopplungs-Einrichtung 313 mit
einer Signaltrennschaltung 314 verbunden, welche mit einem
ersten Tor des Messobjekts 315 bidirektional in Verbindung
steht. Ein Ausgang der Signaltrennschaltung 314 ist über eine
Entkopplungs-Einrichtung 316 mit
einem ersten Eingang der Signaltrennschaltung 319 verbunden.
Ein zweiter Ausgang der Schalteinrichtung 318 ist über eine
Entkopplungs-Einrichtung 353 mit
einer Signaltrennschaltung 354 verbunden, welche mit einem
zweiten Tor des Messobjekts 355 bidirektional in Verbindung steht.
Ein Ausgang der Signaltrennschaltung 354 ist über eine
Entkopplungs-Einrichtung 356 mit
einem zweiten Eingang der Signaltrennschaltung 359 verbunden.
Der Ausgang der Schalteinrichtung 319 steht mit einem zweiten
Eingang der Schalteinrichtung 317 in Verbindung, während der
Ausgang der Schalteinrichtung 317 mit dem Eingang der Messeinrichtung 320 verbunden
ist. Der Signalgenerator 300 und die Messeinrichtung 320 stehen
sowohl mit dem gemeinsamen wobbelbaren Lokaloszillator 330 als auch
mit dem gemeinsamen Referenz-Oszillator 340 in Verbindung.
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Auch
im Zweitor-Testset 310 können Signalteiler 311 und
Schalter 317 unverändert
vom Reflektometer-Testset 210 übernommen werden. Zusätzlich sind
jedoch zwei weitere Signalwegumschalter 318 und 319 vorhanden,
von denen sich einer, nämlich 318,
im Generatorpfad und der andere, nämlich 319, im Empfängerpfad
befindet. An jedem der beiden Messtore ist je eine Signaltrennschaltung 314, 354 vorgesehen.
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Die
Rückwirkung
der Signalwegumschalter im Empfängerpfad
auf Quell- und Lastreflexionsfaktor der VNA-Messtore kann durch
Isolatoren (Entkopplungs-Einrichtungen) 316, 356 am
Ausgang der Signaltrennschaltung minimiert werden. In ähnlicher Weise
dienen die Isolatoren (Entkopplungs-Einrichtungen) 312 und 351 der
Reduktion von Wechselwirkungen zwischen Mess- und Referenzkanal.
Dies erlaubt es, die Systemfehler mit Hilfe des bekannten 10-Term-(TOSM-) Modells zu
beschreiben. Um die Entkopplung der Messtore von den Schaltern noch weiter
zu verbessern, kann man zusätzlich
auch im Generatorpfad Isolatoren 313 und 353 vorsehen.
Für die
TOSM-Systemfehlerkalibrierung sind diese aber nicht unbedingt erforderlich,
da das Fehlermodell ohnehin unabhängige Terme für jede Speiserichtung des
Messobjekts vorsieht. Bei guter Entkopplung des Generator-Umschalters 318 vom
Referenzkanal muss die Referenzwelle a nur einmal pro Messpunkt gemessen
werden. Man kann sie dann als Nennergröße für alle Quotienten verwenden.
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Die 4A bis 4D zeigen
die zur Messung der 4 Streuparameter eines Zweitors erforderlichen
Stellungen der Signalwegschalter 318 und 319: 4A für die Messung
des Reflexionsfaktor in Vorwärtsrichtung
S11, 4B für die Messung
des Transmissionsfaktors in Vorwärtsrichtung
S21, 4C für die Messung
des Transmissionsfaktors in Rückwärtsrichtung
S12 und 4D für die Messung des
Reflexionsfaktors in Rückwärtsrichtung
S22.
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Das
erfindungsgemäße Prinzip
lässt sich auch
auf die Messung von Objekten mit beliebiger Toranzahl n erweitern. 5 zeigt
eine entsprechende Messanordnung.
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Bei
dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Signalgenerator 400 über den
Signalteiler 411 mit der Entkopplungs-Einrichtung 551 verbunden,
deren Ausgang mit der Schalteinrichtung 518 in Verbindung
steht. Jeweils ein Ausgang der Schalteinrichtung 518 ist über jeweils
eine Entkopplungs-Einrichtung 513, 553, 560 bzw. 561 mit
einer Signaltrennschaltung 514, 554, 555 bzw. 559 verbunden,
die mit jeweils einem Messtor des Messobjekts 515 jeweils
bidirektional in Verbindung steht. Der jeweils andere Ausgang der
Signaltrennschaltung 514, 554, 555 bzw. 559 ist
mit jeweils einem Eingang der Schalteinrichtung 519 verbunden.
Ein weiterer Eingang der Schalteinrichtung 519 steht über eine
weitere Entkopplungs-Einrichtung 412 mit dem anderen Ausgang
des Signalteilers 411 in Verbindung. Der Ausgang der Schalteinrichtung 519 ist
mit dem Messempfänger 420 verbunden.
Wie beim Ausführungsbeispiel
der 3 ist sowohl an dem Signalgenerator 400 als
auch an dem Messempfänger 420 jeweils
ein gemeinsamer wobbelbarer Lokaloszillator 430 und ein
gemeinsamer Referenz-Oszillator 440 angeschlossen.
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Gegenüber 3 sind
die 1-auf-2-Schalter 318 und 319 durch 1-auf-n-Schalter 518 und
einen 1-auf-n + 1-Schalter 519 ersetzt, und an jedem der
n Messtore ist je eine Signaltrennschaltung 514 mit zwei
Entkopplungs-Einrichtungen
(Isolationsverstärkern),
z.B. 513, 516 am Tor 1, vorhanden. Unter Berücksichtigung
der Referenzkanalmessung sind insgesamt n2 +
1 Messungen nacheinander durchzuführen. Bei entsprechender Rückwirkungsfreiheit
der Schalter 318 und 319 kann analog zum 10-Term-Fehlermodell
der Zweitormessung ein Modell mit n·(3 + 2·(n – 1)) Termen für die Systemfehlerkorrektur
angesetzt werden.