DE102014200517B4 - Verfahren, Kalibriereinheit und System zur Ermittlung von Systemfehlern und Leistungswerten für die Kalibrierung eines Netzwerkanalysators - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Ermittlung von Systemfehlern und Leistungswerten zur Kalibrierung eines zumindest ein Messtor (11,...,1i,1j, ...,1n) aufweisenden Netzwerkanalysators (2), wobei ein Leistungsdetektor (5) sowohl zur Leistungsmessung als auch als Kalibrierabschlusswiderstand verwendet wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Kalibriereinheit und ein System zur Ermittlung von Systemfehlern und Leistungswerten für die Kalibrierung eines Netzwerkanalysators.
• Die Charakterisierung von hochfrequenztechnischen Komponenten, Baugruppen und Systemen mithilfe eines vektoriellen Netzwerkanalysators wird durch intermittierende Systemfehler der Messeranordnung, beispielsweise durch abweichende Impedanzen der Messleitungen hervorgerufene Systemfehler, verfälscht. Zur Korrektur dieser Systemfehler ist eine Systemfehlerkalibrierung der Messanordnung erforderlich. Hierzu wird z.B., wie in der DE 198 49 580 A1 dargestellt ist, das Messtor des Netzwerkanalysators sequenziell mit einem Leerlauf-Kalibrierstandard, einem Kurzschluss-Kalibrierstandard und einem angepassten Last-Kalibrierstandard verbunden und nach Anregung des jeweiligen Kalibrierstandards mit einem vom Netzwerkanalysator gemessenen Anregungssignal das vom jeweiligen Kalibrierstandard reflektierte Signal vom Netzwerkanalysator gemessen. Aus den Messgrößen werden die Systemfehler des Netzwerkanalysators mit einem gängigen Kalibrierverfahren ermittelt. Die hierbei ermittelten Systemfehler gehen in die Korrektur der Messgrößen des mit dem vektoriellen Netzwerkanalysator verbundenen Messobjekts ein.
• Ferner zeigt die DE 197 57 675 A1 ein Verfahren zum Kalibrieren eines vektoriellen Netzwerkanalysators. Dabei werden mehrere Kalibrierstandards nacheinander in gewünschter Reihenfolge an Klemmenpaare angeschlossen. Für die so gewonnenen Kalibrierwerte werden Korrekturwerte berechnet. Die Klemmenpaare werden mit einem Kalibrierverfahren zur Reflexionsmessung kalibriert, und anstelle des üblichen Kalibrierverfahrens werden an den Paaren Leistungsmessungen mit Transmissionsnormalen oder reziproken Normalen durchgeführt.
• Weiterhin offenbart das Dokument DE 198 49 580 A1 ein Verfahren sowie eine Anordnung zum Messen der verfügbaren Wirkleistung und/oder des Quellreflexionsfaktors eines Signalgenerators. Zum Messen der an einer Bezugsimpedanz verfügbaren Wirkleistung und/oder des auf eine Bezugsimpedanz bezogenen Quellreflexionsfaktors eines Signalgenerators werden mittels eines kalibrierten komplexwertigen Leistungsmessers durch Anschalten von mehreren unterschiedlichen Lasten mindestens drei Lastreflexionsfaktoren des Leistungsmessers und die jeweils abgegebene Wirkleistung des Signalgenerators gemessen und daraus wird dann die verfügbare Wirkleistung und/oder der Quellreflexionsfaktor des Signalgenerators berechnet.
• Außerdem beschreibt die DE 10 2005 005 887 A1 ein Verfahren und eine Anordnung zur Korrektur der Rückwirkung elektrischer Messwandler auf das Messobjekt. Zur Korrektur der Rückwirkung elektrischer Messwandler auf das Messobjekt bei Messungen im HF- bzw. Mikrowellenbereich werden nacheinander mindestens drei aufeinander folgende Messungen mit jeweils unterschiedlichen Eingangsimpedanzen des Messwandlers durchgeführt und daraus wird dann der rückwirkungsfreie Messwert berechnet. Dazu ist dem Messwandler eine Einrichtung zum Umschalten der Eingangsimpedanz auf mindestens drei unterschiedliche Eingangsimpedanzwerte zugeordnet.
• Des Weiteren betrifft die DE 10 2007 028 725 A1 ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Kalibrierung von Netzwerkanalysatoren mit einem Kammgenerator. Ein vektorieller Netzwerkanalysator verfügt über n Messtore. Bei Anschluss mehrerer unterschiedlicher Kalibrierstandards an die Messtore werden mehrere Kalibriermessungen durchgeführt. Zur Kalibrierung werden verschiedene Messungen durchgeführt. Zunächst wird in n Kalibriermessungen ein Kammgeneratorsignal über eine direkte Verbindung nacheinander allen n Messtoren zugeführt. Mittels einer Messstelle am Ausgang des Kammgenerators und die dem jeweiligen Messtor zugehörige Messstelle werden Phasenmessungen an sämtlichen das Kammgeneratorsignal bildenden Frequenzen durchgeführt. Aus den Phasenmessungen wird ein frequenzabhängier Phasenversatz bestimmt. Weiterhin werden bei mindestens einer Messung alle n Messtore nacheinander mittels jeweils bekannter, innerhalb einer Messung identischer Eingangsimpedanzen beliebiger Transmissionseigenschaften abgeschlossen, wobei nacheinander alle n Messtore mittels eines Sendeoszillators nacheinander mit sämtlichen Frequenzen des Kammgeneratorsignals angeregt werden.
• Ferner sei auf den folgenden Anwendungshinweis bzw. die folgenden Firmenschrift hingewiesen: Roeder, T.; Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG: Using S-Parameters with R&S® NRP-Z Power Sensors - Application Note, 24.07.2012. In diesem Anwendungshinweis werden die Grundlagen der Verwendung von S-Parametern erläutert und einige gängige Anwendungen besprochen, bei denen eine S-Parameter-Korrektur nützlich ist. Außerdem wird ein Kommandozeilen-Tool zum Aktualisieren von S-Parameter-Daten in benutzerdefinierten Anwendungen oder in automatisierten Testaufbauten vorgestellt.
• Weiterhin offenbart die US 2005 / 0 264 301 A1 Kalibrierungssystem und -verfahren, das die Größen von Wanderwellen in einer nichtkoaxialen Ebene einer Streuparameter-Messvorrichtung bestimmt, die eine Adapterverbindung zwischen der nichtkoaxialen Ebene und einer koaxialen Ebene umfasst. An einer Schnittstelle zwischen der Adapterverbindung und der koaxialen Ebene wird eine Kalibrierung durchgeführt, um koaxiale Fehlerterme für das S-Parameter-Messgerät abzuleiten. Darüber hinaus wird eine Leistungsmessung an der koaxialen Ebene durchgeführt, um mit Hilfe der koaxialen Fehlerterme Leistungswellenmessungen zu erhalten. Eine Kalibrierung wird auch an einer Schnittstelle zwischen der Adapterverbindung und der nichtkoaxialen Ebene durchgeführt, um nichtkoaxiale Fehlerterme für das S-Parameter-Messgerät abzuleiten. Die Leistungswellenmessungen, die koaxialen Fehlerbedingungen und die nichtkoaxialen Fehlerbedingungen werden zur Berechnung der Größe einer der Wanderwellen in der nichtkoaxialen Ebene verwendet.
• Des Weiteren sei auf das folgende Papier hingewiesen:
• SCOTT, J.B.; BLOCKLEY, P.S.; PARKER, A.E.: A new instrument architecture for millimetre-wave time-domain signal analysis. In: ARFTG 63rd Conference, Spring 2004.
• Fort Worth, TX, USA : IEEE, 2004 - ISBN 9780780383715, S. 47-52. Dieses Papier geht davon aus, dass Abtastoszilloskope der aktuellen Generation bzw. zum Zeitpunkt der Veröffentlichung dieses Papiers zwar durch Verluste und Diskontinuitäten in Übertragungsleitungen, Steckern und Adaptern begrenzt sind, aber nicht durch die native Bandbreite des Abtastgatters. Das vorgenannte Papier schlägt eine entsprechende Architektur, Methode und einen Algorithmus vor, die die nächste Generation von Zeitbereichsmessgeräten ermöglichen könnten.
• Ferner zeigt die US 2015 / 0 177 357 A1 ein Kalibriermodul mit einem Substrat, das mindestens einen auf dem Substrat integrierten Hochfrequenzanschluss vorsieht, der jeweils mit einem zugeordneten, auf dem Substrat integrierten Schaltelement mit einem von mehreren zugeordneten Kalibriernormalen oder mit einem zugeordneten Leistungsdetektor verbunden werden kann. Die Kalibriernormale und der Leistungsdetektor sind zudem auf dem Substrat integriert.
• Außerdem betrifft die US 2014 / 0 095 947 A1 ein Speicher-Subsystem, das eine mit einem Speicher-Controller gekoppelte Test-Engine enthält, die unter Umgehung eines Speicheradressendecoders Speicherzugriffstransaktionen an den Speicher-Controller liefern kann. Die Hardware der Test-Engine ist für verschiedene Tests konfigurierbar. Die Test-Engine identifiziert einen Adressbereich, durch den eine Testsequenz iteriert wird, wenn sie einen Softwarebefehl erhält, der einen durchzuführenden Test angibt. Für jede Iteration des Tests erzeugt die Test-Engine über die ausgewählte Hardware eine Speicherzugriffstransaktion, wählt eine Adresse aus dem Bereich aus und sendet die Transaktion an den Speicher-Controller. Der Speicher-Controller plant die Befehle der Speichervorrichtung als Reaktion auf die Transaktion, was die Speichervorrichtung veranlasst, Operationen auszuführen, um die Transaktion auszuführen.
• Neben der oben genannten Systemfehlerkalibrierung kann in Netzwerkanalysatoren eine Pegel- oder Leistungswertkalibrierung erfolgen, mit deren Hilfe die Messgrößen des Messobjekts, die normierte Wellengrößen darstellen, zur Darstellung auf einer Anzeigeeinrichtung in absolute physikalische Messgrößen transformiert werden. Hierzu werden beispielsweise die einzelnen Messtore des Netzwerkanalysators jeweils mit einem Leistungsdetektor verbunden, der den Leistungswert des am jeweiligen Messtor generierten Anregungssignals erfasst und dem Netzwerkanalysator zur Leistungswertkalibrierung zur Verfügung stellt.
• Die gleichzeitige Durchführung einer Systemfehlerkalibrierung und einer Leistungswertkalibrierung erfordert nachteilig ein zahlreiches und damit zeitaufwändiges Verbinden der einzelnen Messtore des Netzwerkanalysators mit den einzelnen Kalibrierstandards bzw. dem Leistungsdetektor. Da hierbei jedes Mal unterschiedliche Messtore des Netzwerkanalysators mit unterschiedlichen Kalibrierstandards bzw. einem Leistungsdetektor über Schraubverbindungen miteinander kontaktiert werden müssen, ergeben sich jeweils unterschiedliche Verbindungsübergänge, die insbesondere bei höheren Messfrequenzen eine zusätzliche Messunsicherheit darstellen.
• Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren, eine Kalibriereinheit und ein System zur Ermittlung von Systemfehlern und Pegelwerten für die Systemfehler- und Leistungswertkalibrierung einer einen Netzwerkanalysator enthaltenden Messanordnung zu schaffen, die durch einen minimierten Verbindungssaufwand und durch eine minimierte Messunsicherheit charakterisiert sind.
• Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Ermittlung von Systemfehlern und Leistungswerten für die Kalibrierung eines Netzwerkanalysators mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Kalibriereinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und durch ein System zur Ermittlung von Systemfehlern und Leistungswerten für die Kalibrierung eines Netzwerkanalysators mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte technische Weiterbildungen sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen angegeben.
• Erfindungsgemäß wird der Leistungsdetektor sowohl zur Leistungsmessung als auch als Kalibrierabschlusswiderstand verwendet. Dies erspart einen umständlichen Wechsel vom Kalibrierstandard zum Leistungsdetektor.
• Vorzugsweise wird jedes Messtor des Netzwerkanalysators sequenziell jeweils einzeln mit zwei Kalibrierstandards, insbesondere einem Leerlauf-Kalibrierstandard und einem Kurzschluss-Kalibrierstandard, und mit einem Leistungsdetektor verbunden. Nach Anregung des jeweiligen Messtores mit einem vom Netzwerkanalysator gemessenen Anregungssignal wird das zugehörige vom Kalibrierstandard, insbesondere vom Leerlauf-Kalibrierstandard und vom Kurzschluss-Kalibrierstandard, sowie vom Leistungsdetektor jeweils reflektierte Signal vom Netzwerkanalysator gemessen. Der Leistungsdetektor mit seiner Eingangsimpedanz übernimmt hierbei die Aufgabe des angepassten Last-Kalibrierstandards.
• Aus den gemessenen Signalen ermittelt der Netzwerkanalysator bevorzugt die einzelnen Systemfehler, die bei Verbindung eines zu vermessenden Messobjekts mit den jeweiligen Messtoren des Netzwerkanalysators zur Systemfehlerkorrektur der an den einzelnen Messtoren des Netzwerkanalysators gemessenen ein- und austretenden Wellengrößen verwendet werden. Nach der Ermittlung der einzelnen Systemfehler wird in einer zweiten Messung in mindestens einem mit einem Messtor jeweils verbundenen Leistungsdetektor der Leistungswert des am jeweiligen Messtor anliegenden Anregungssignals gemessen und dem Netzwerkanalysator zugeführt.
• Durch die gleichzeitige Verwendung des Leistungsdetektors als angepassten Last-Kalibrierstandard für die Systemfehlerkalibrierung und als Leistungwertmesser für die Leistungswertkalibrierung wird vorteilhaft ein erneutes zeitaufwändiges Verbinden des jeweiligen Messtores mit einem angepassten Last-Kalibrierstandard, eine zusätzliche Messunsicherheit durch einen neuen Verbindungsübergang - nämlich dem Verbindungsübergang zwischen den jeweiligen Messtor und einem angepassten Last-Kalibrierstandard - unterbunden und die teure Anschaffung eines angepassten, breitbandigen Last-Kalibrierstandards vermieden.
• Um den Leistungsdetektor gleichzeitig als angepassten Last-Kalibrierstandard verwenden zu können, ist die Eingangsimpedanz des Leistungsdetektors vorzugsweise an die Eingangsimpedanz der Messtore des Netzwerkanalysators, die typischerweise 50 Ohm beträgt, angepasst. Ist die Eingangsimpedanz des Leistungsdetektors fertigungsbedingt nicht exakt über den gesamten Frequenzgang angepasst, so sind bevorzugt entsprechende Korrekturwerte erforderlich, die eine Korrektur der fehlerhaft mit dem nichtangepassten Leistungsdetektor ermittelten Systemfehler durchführen. Diese Korrekturwerte werden am Ende der Fertigung des Leistungsdetektors ermittelt, im Leistungsdetektor hinterlegt und dem Netzwerkanalysator zur Anpassungskorrektur zugeführt.
• Da der spektrale Verlauf der Eingangsimpedanz des Leistungsdetektors typischerweise temperaturabhängig ist, ist bevorzugt ein Temperatursensor im Innern des Leistungsdetektors vorgesehen, der den aktuellen Eigentemperaturwert des Leistungsdetektors erfasst und dem Netzwerkanalysator für eine Temperaturkompensation zur Verfügung stellt.
• Während die Verwendung des Leistungsdetektors als angepasster Last-Kalibrierstandard das Verbinden jedes Messtores des Netzwerkanalysators mit dem Leistungsdetektor und das Messen des vom Leistungsdetektor bei Anregung reflektierten Signals am jeweiligen Messtor erforderlich macht, ist die Leistungswertmessung durch den Leistungsdetektor bevorzugt nur an dem Messtor des Netzwerkanalysators erforderlich, an dem das Anregungssignal erzeugt wird. Für die Leistungswertkalibrierung der an allen Messtoren jeweils ein- und auslaufenden Signalwellen bei Anregung an einzigen Messtor ist hierzu im ermittelten Systemfehlermodell das anregende Messtor mit einem weiteren Messtor durch eine Through(T)-Verbindung (deutsch: Durchgangsverbindung), bevorzugt über eine Durchgangsverbindung ohne Transmissionsdämpfung, zu verbinden und die am weiteren Messtor des Systemfehlermodells einlaufende Signalwelle zu ermitteln.
• Die Verwendung des Leerlauf-Kalibrierstandards, des Kurzschluss-Kalibrierstandards und des Leistungsdetektors als Kalibrierstandard ermöglicht bevorzugt die Verwendung eines zusätzlichen vierten Kalibrierstandards. Mit diesem zusätzlichen vierten Kalibrierstandard, der bevorzugt als reflektierender Kalibrierstandard realisiert ist, wird jeweils nacheinander ein Messtor des Netzwerkanalysators verbunden. Bei Anregung an jeweils einem dieser Messtore mit einem Anregungssignal und Messen des durch den zusätzlichen vierten Kalibrierstandard reflektierten Anregungssignals kann bei bekanntem Reflexionsverhalten des zusätzlichen vierten Kalibrierstandards die Korrektheit der durchgeführten Systemfehlerkalibrierung verifiziert werden.
• Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens der erfindungsgemäßen Kalibriereinheit und des erfindungsgemäßen Systems zur Ermittlung von Systemfehlern und Leistungswerten für die Kalibrierung eines Netzwerkanalysators werden im Folgenden anhand der Zeichnung im Detail erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen:
• 1 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems mit der erfindungsgemäßen Kalibriereinheit zur Ermittlung von Systemfehlern und Leistungswerten für die Kalibrierung eines Netzwerkanalysators und
• 2 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung von Systemfehlern und Leistungswerten für die Kalibrierung eines Netzwerkanalysators.
• Bevor das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung von Systemfehlern und Leistungswerten für die Kalibrierung eines Netzwerkanalysators, der erfindungsgemäßen Kalibriereinheit und des erfindungsgemäßen Systems zur Ermittlung von Systemfehlern und Leistungswerten für die Kalibrierung eines Netzwerkanalysators im Detail erläutert werden, werden im Folgenden die für das Verständnis der Bestimmung der Leistungswerte relevanten mathematischen Zusammenhänge erläutert:
• Ganz allgemein ergibt sich der für die Leistungswertkalibrierung einer an einem Tor i auslaufenden Signalwelle a_ii erforderliche Korrekturfaktor K_i gemäß Gleichung (1) aus dem Verhältnis der am Tor i mit einem Leistungsdetektor leistungswertkorrekt gemessenen auslaufenden Signalwelle $a_{ii}^k$
  
  und der vom Detektor des Netzwerkanalysator am Tor i nicht-leistungswertkorrekt gemessenen und bereits systemfehlerbereinigten auslaufenden Signalwelle $a_{ii}^f$
  
  .
$$K_i=\frac{a_{ii}^k}{a_{ii}^f}$$

• Wird das Tor i des Netzwerkanalysators, an dem das Anregungssignal erzeugt wird, über eine Durchgangsverbindung ohne Transmissionsdämpfung mit einem Tor j verbunden, so entspricht die vom Detektor des Netzwerkanalysators an diesem Tor j nicht-leistungswertkorrekt gemessene einlaufende Signalwelle $b_{ji}^f$

  

  gemäß Gleichung (2) der vom Detektor des Netzwerkanalysator am Tor i nicht-leistungswertkorrekt gemessenen auslaufenden Signalwelle $a_{ii}^f,$

  

  sofern beide Messgrößen systemfehlerbereinigt sind. $$a_{ii}^f=b_{ji}^f$$

  
• Gemäß Gleichung (3) gilt diese Identität auch für die korrespondierenden leistungswertkorrekten Signalwellen $a_{ii}^k$

  

  und $b_{ji}^f$

  

  . $$a_{ii}^k=b_{ji}^k$$

  
• Aufgrund der in den Gleichungen (2) und (3) dargestellten Identitäten kann für die Leistungswertkalibrierung der an einem Tor j nicht-leistungswertkorrekt gemessenen einlaufenden Signalwelle $b_{ji}^f$

  

  bei Anregung am Tor i wie auch für die Leistungswertkalibrierung der am Tor i auslaufenden nicht-leistungswertkorrekt gemessenen Signalwelle $a_{ii}^f$

  

  der zu Gleichung (1) identische Korrekturfaktor K_i gemäß Gleichung (4) verwendet werden. $$K_i=\frac{a_{ii}^k}{b_{ji}^f}$$

  
• Die hierfür erforderliche Messung der an einem Tor j nicht-leistungswertkorrekt gemessenen einlaufenden Signalwelle $b_{ji}^f$

  

  kann bereits nach der Ermittlung der Systemfehler durchgeführt werden, indem im somit ermittelten Systemfehlermodell das Tor i mit einem beliebig gewählten Tor j über eine Durchgangsverbindung ohne Transmissionsdämpfung verbunden wird und das Systemfehlermodell am Tor i angeregt wird und die Signalwelle $b_{ji}^f$

  

  am Tor j vor Durchführung der Leistungswertkalibrierung gemessen wird.
• Über den Source-Match-Faktor (deutsch: Quelle-Anpassungsfaktor) Γ_Si ergibt sich die am Tor i nicht-leistungswertkorrekt gemessene einlaufende Signalwelle $b_{ii}^f$

  

  bei Erzeugung des Anregungssignals am Tor i gemäß Gleichung (5) aus der am Tor i nicht-leistungswertkorrekt gemessenen auslaufenden Signalwelle $a_{ii}^f:$

  

  $$b_{ii}^f=\frac{a_{ii}^f}{{\mathrm{\Gamma }}_{Si}}$$

  
• Da der Source-Match-Faktor Γ_Si am Tor i bereits in der Systemfehlerkalibrierung ermittelt wird und bei der Systemfehlerbereinigung der gemessenen Signalwellen berücksichtigt ist, kann für die Leistungswertkalibrierung der am Tor i nicht-leistungswertkorrekt gemessenen einlaufenden Signalwelle $b_{ii}^f$

  

  derselbe Korrekturfaktor K_i gemäß Gleichung (4) wie bei der Leistungswertkalibrierung der am Tor i nicht-leistungswertkorrekt gemessenen auslaufenden Signalwelle $a_{ii}^f$

  

  verwendet werden, sofern die am Tor i nicht-leistungswertkorrekt gemessene einlaufende Signalwelle $b_{ii}^f$

  

  vor der Leistungswertkalibrierung mit dem Korrekturfaktor K_i noch mit dem inversen, bei der Systemfehlerkalibrierung ermittelten Source-Match-Faktor 1/Γ_Si am Tor i gewichtet wird.
• Über den Load-Match-Faktor (deutsch: Last-Anpassungsfaktor) Γ_Lj ergibt sich die am Tor j nicht-leistungswertkorrekt gemessene auslaufenden Signalwelle $a_{ji}^f$

  

  bei Erzeugung des Anregungssignals am Tor i gemäß Gleichung (6) aus der am Tor j nicht-leistungswertkorrekt gemessenen auslaufenden Signalwelle $b_{ji}^f:$

  

  $$a_{ji}^f=b_{ji}^f\cdot {\mathrm{\Gamma }}_{Lj}$$

  
• Da der Load-Match-Faktor Γ_Lj am Tor j ebenfalls bereits in der Systemfehlerkalibrierung ermittelt wurde und bei der Systemfehlerbereinigung der gemessenen Signalwellen berücksichtigt ist, kann für die Leistungswertkalibrierung der am Tor j nicht-leistungswertkorrekt gemessenen auslaufenden Signalwelle $a_{ji}^f$

  

  ebenfalls derselbe Korrekturfaktor K_i gemäß Gleichung (4) wie bei der Leistungswertkalibrierung der am Tor j nicht-leistungswertkorrekt gemessenen einlaufenden Signalwelle $b_{ji}^f$

  

  bei Anregung am Tor i verwendet werden, sofern die am Tor j nicht-leistungswertkorrekt gemessene auslaufende Signalwelle $a_{ji}^f$

  

  vor der Leistungswertkalibrierung mit dem Korrekturfaktor K_i zuvor noch mit bei der Systemfehlerkalibrierung ermittelten Load-Match-Faktor Γ_Lj am Tor j gewichtet wird.
• Dieses Prozedere bei der Bestimmung eines Korrekturfaktors K_i ist für jedes Tor i, an dem jeweils ein Anregungssignal erzeugt wird, separat durchzuführen. Zusammenfassend ergibt sich die Matrix A^k mit leistungswertkalibrierten, an den einzelnen Toren des Netzwerkanalysators jeweils auslaufenden Signalwellen gemäß Gleichung (7A) aus der Gewichtung der Matrix A^f mit nichtleistungswertkalibrierten, an den einzelnen Toren des Netzwerkanalysators jeweils auslaufenden Signalwellen mit der die einzelnen Korrekturfaktoren K₁,...,K_n enthaltenden Korrekturmatrix K gemäß Gleichung (7C). Äquivalent ergibt sich die Matrix B^k mit leistungswertkalibrierten, an den einzelnen Toren des Netzwerkanalysators jeweils einlaufenden Signalwellen gemäß Gleichung (7B) aus der Gewichtung der Matrix B^f mit nichtleistungswertkalibrierten, an den einzelnen Toren des Netzwerkanalysators jeweils einlaufenden Signalwellen mit der die einzelnen Korrekturfaktoren K₁,...,K_n enthaltenden Korrekturmatrix K. $$A^k=A^f\cdot K$$

  

  $$B^k=B^{ƒ}\cdot K$$

  

  $$K=\left[\begin{array}{ccc}{K}_1& \dots & 0\\ ⋮& & ⋮\\ 0& \dots & K_n\end{array}\right]=E\cdot \left[\begin{array}{c}{K}_1\\ ⋮\\ K_n\end{array}\right]$$

  
• Bei Verwendung einer Durchgangsverbindung mit Transmissionsdämpfung wird im Rahmen der Systemfehlerkalibrierung die exakte Transmissionsdämpfung S_21Durch der Durchgangsverbindung ermittelt. Die vom Detektor des Netzwerkanalysators am Tor j nicht-leistungswertkorrekt gemessene einlaufende Signalwelle $b_{ji}{}^{ƒ}$

  

  steht folglich gemäß Gleichung (8) über die ermittelte Transmissionsdämpfung S_21Durch der Durchgangsverbindung mit der vom Detektor des Netzwerkanalysators am Tor i nicht-leistungswertkorrekt gemessenen auslaufenden Signalwelle $a_{ii}{}^{ƒ}$

  

  in Beziehung. Sie wird ermittelt, indem im somit ermittelten Systemfehlermodell das Tor i mit einem beliebig gewählten Tor j über eine Durchgangsverbindung mit der ermittelten Transmissionsdämpfung S_21Durch verbunden wird und das Systemfehlermodell am Tor i angeregt wird und die einlaufende Signalwelle $b_{ji}{}^{ƒ}$

  

  am Tor j bei Anregung am Tor i gemessen wird. $$b_{ji}{}^{ƒ}=a_{ii}{}^{ƒ}\cdot S_{12Durch}$$

  
• Die einzelnen Korrekturfaktoren K₁,...,K_n stellen jeweils nicht-normierte Größen dar. Eine Normierung dieser Korrekturfaktoren K₁,...,K_n ist im Hinblick auf eine einfachere verarbeitungstechnische Umsetzung der Leistungswertkalibrierung auf beispielsweise einem Mikroprozessor möglich, wie im Folgenden gezeigt wird.
• Da das bei Anregung und Leistungswertmessung am Tor i auslaufende leistungswertkorrekte Wellensignal $a_{ii}{}^k$

  

  gemäß Gleichung (9) sehr viel größer als die an den übrigen Toren j jeweils auslaufenden leistungswertkorrekten Wellensignale $a_{ji}{}^k$

  

  ist, wird das bei Anregung und Leistungswertmessung am Tor i auslaufende Wellensignal $a_{ii}{}^k$

  

  als Normierungsgröße verwendet. Das bei Anregung und Leistungswertmessung am Tor i auslaufende nichtleistungswertkorrekte Wellensignal $a_{ii}{}^{ƒ}$

  

  scheidet hierbei als Normierungsgröße aus, da sie keine nichtnormierte Größe ist. $$a_{ii}{}^k>>a_{ji}^k\forall j\ne i$$

  
• Ausgehend vom generellen Zusammenhang zwischen der leistungswertkalibrierten Matrix A mit den einzelnen leistungswertkorrekten auslaufenden Signalwellen und der leistungswertkalibrierten Matrix B mit den einzelnen leistungswertkorrekten einlaufenden Signalwellen über die Streumatrix S gemäß Gleichung (10) ergibt ein gemäß Gleichung (11) ein Zusammenhang für den normierten Korrekturfaktor K_i. $$A\cdot K=S\cdot B\cdot K$$

  

  $$\left[\begin{array}{cccc}{b}_{11}& b_{12}& \dots & b_{1n}\\ b_{21}& b_{22}& \dots & b_{2n}\\ ⋮& ⋮& & ⋮\\ b_{n1}& b_{n2}& \cdots & b_{nn}\end{array}\right]\cdot K=\left[\begin{array}{cccc}{S}_{11}& S_{12}& \dots & S_{1n}\\ S_{21}& S_{22}& \dots & S_{2n}\\ ⋮& ⋮& & ⋮\\ S_{n1}& S_{n2}& \cdots & S_{nn}\end{array}\right]\cdot \left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& \dots & a_{1n}\\ a_{21}& a_{22}& \dots & a_{2n}\\ ⋮& ⋮& & ⋮\\ a_{n1}& a_{n2}& \cdots & a_{nn}\end{array}\right]\cdot K$$

  

  $$\left[{\overrightarrow{b}}_1{\overrightarrow{b}}_2\dots {\overrightarrow{b}}_n\right]\cdot K=S\cdot \left[{\overrightarrow{a}}_1{\overrightarrow{a}}_2\dots {\overrightarrow{\text{a}}}_n\right]\cdot K$$

  

  $${\overrightarrow{b}}_i\cdot \frac{K}{a_{ii}{}^k}=S\cdot {\overrightarrow{a}}_i\cdot \frac{K_i}{a_{ii}{}^k}$$

  
• Auf der Basis dieser mathematischen Grundlagen wird im Folgenden das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung von Systemfehlern und Leistungswerten für die Kalibrierung eines Netzwerkanalysators anhand des Flussdiagrammes in 2 und des erfindungsgemäßen Systems zur Ermittlung von Systemfehlern und Leistungswerten für die Kalibrierung eines Netzwerkanalysators mit der erfindungsgemäßen Kalibriereinheit anhand des Blockdiagramms in 2 im Detail erläutert.
• Im ersten Verfahrensschritt S10 werden die einzelnen Messtore 1₁, ... , 1_i, 1_j,..., 1_n des Netzwerkanalysators 2 sequenziell jeweils mit einem Kurzschluss-Kalibrierstandard 3, einem Leerlauf-Kalibrierstandard 4 und einem Leistungsdetektors 5, wie in 1 angedeutet ist, über eine Hochfrequenzleitung 6 verbunden. Statt des Kurzschluss-Kalibrierstandards 3 und des Leerlauf-Kalibrierstandards 4 können auch andere, sich unterscheidende Kalibrierstandards, z. B. ein Nahezu-Kurzschluss-Kalibrierstandard und Nahezu-Leerlauf-Kalibrierstandard verwendet werden. Die verwendeten Kalibrierstandards sollten über den gesamten verwendeten Frequenzbereich einen möglichst großen Unterschied in Betrag und/oder Phase aufweisen.
• Der mit einem jeweiligen Messtor 1₁,..., 1_i, 1_j, ..., 1_n des Netzwerkanalysators 2 über eine Hochfrequenzleitung 6 jeweils verbundene Kurzschluss-Kalibrierstandard 3, Leerlauf-Kalibrierstandard 4 oder Leistungsdetektor 5 wird mit einem im Netzwerkanalysator 2 erzeugten und gemessenen Anregungssignal, das an das jeweilige Messtor 1₁, ... , 1_i, 1_j,...,1_n geführt wird, im nächsten Verfahrensschritt S20 angeregt. Das vom Kurzschluss-Kalibrierstandard 3, Leerlauf-Kalibrierstandard 4 oder Leistungsdetektors 5 hierbei reflektierte Signal wird im selben Verfahrensschritt S20 im Netzwerkanalysator 2 gemessen. Die Kalibrierstandards 3, 4 und 11 sowie der Leistungsdetektor sind bevorzugt in einer Kalibriereinheit 13 integriert.
• Ist die Eingangsimpedanz des Leistungsdetektors 5 nicht ganz ideal an die Eingangsimpedanz der einzelnen Messtore 1₁, ..., 1_i, 1_j,...,1_n von typischerweise 50 Ohm angepasst, so werden im nächsten optional durchgeführten Verfahrensschritt S30 Korrekturdaten zur Korrektur der bei einem fehlangepassten Leistungsdetektors 5 fehlerhaft ermittelten Systemfehler aus einem im Leistungsdetektor 5 enthaltenen Speicher 6 ausgelesen. Das Auslesen der Korrekturdaten aus dem Speicher 6 im Leistungsdetektors 5 erfolgt typischerweise über ein am Leistungsdetektor 5 bzw. an der Kalibriereinheit 13 zusätzlich angebrachten Datenanschluss 7, eine Datensignalleitung 8 und einen in Netzwerkanalysators 2 hierfür vorgesehenen Datenanschluss 9. Die Datenübermittlung ist auch drahtlos möglich. Die Korrekturdaten des fehlangepassten Leistungsdetektors 5 werden am Ende der Fertigung durch einen werksseitig am Leistungsdetektor 5 durchgeführten Mess- und Berechnungsschritt bestimmt und im Speicher 6 hinterlegt. Die Korrekturdaten sind vorzugsweise frequenzabhängig und/oder temperaturabhängig.
• Temperaturbedingte Änderungen der Eingangsimpedanz des Leistungsdetektors 5, insbesondere temperaturbedingte Änderungen der Frequenzabhängigkeit der Eingangsimpedanz des Leistungsdetektors 5, müssen im Hinblick auf eine Ermittlung von korrekten Systemfehlern ermittelt und kompensiert werden. Hierzu wird im nächsten optional durchgeführten Verfahrensschritt S40 die Eigentemperatur des Leistungsdetektors 5 mit einem geeigneten und im Innern des Leistungsdetektors 5 integrierten Temperatursensor 10 erfasst und beispielsweise über die Datensignalleitung 8 und den am Netzwerkanalysators 2 vorgesehenen Datenanschluss 9 vom Netzwerkanalysator 2 eingelesen.
• Im darauffolgenden Verfahrensschritt S50 werden die Systemfehler der den Netzwerkanalysator 2 enthaltenden Messanordnung aus den an dessen einzelnen Messtoren 1₁, ..., 1_i, 1_j,..., 1_n bei Verbindung mit dem Kurzschluss-Kalibrierstandard 3, Leerlauf-Kalibrierstandard 4 und Leistungsdetektor 5 jeweils gemessenen Anregungssignalen und reflektierten Signalen mit einem gängigen Kalibrierungsverfahren - beispielsweise dem Open-Short-Match(OSM)-Verfahren (deutsch: Leerlauf-Kurzschluss-Anpassung-Verfahren) ermittelt.
• Hierbei werden zusätzlich im Falle eines Leistungsdetektors 5 mit etwas fehlangepasster Eingangsimpedanz die durch das Kalibrierungsverfahren ermittelten und noch fehlerhaften Systemfehler mit den im Speicher 6 des Leistungsdetektors 5 hinterlegten Korrekturdaten zur Kompensation der durch die fehlangepasste Eingangsimpedanz des Leistungsdetektors 5 hervorgerufenen Verzerrung in den ursprünglich ermittelten Systemfehlern korrigiert.
• In ähnlicher Weise werden temperaturbedingte Veränderungen in der Eingangsimpedanz des Leistungsdetektors 5 mithilfe von Korrekturdaten, die sich aus der erfassten Eigentemperatur des Leistungsdetektors 5 ergeben und im Netzwerkanalysators 2 von der vom im Leistungsdetektor 5 integrierten Temperatursensor 10 übermittelten Eigentemperatur bestimmt werden, in den ermittelten Systemfehlern kompensiert.
• Im darauffolgenden Verfahrensschritt S60 wird der mit dem jeweiligen Messtor 1₁,..., 1_i, 1_j, ..., 1_n jeweils verbundene Leistungsdetektor 5 ein zweites Mal mit einem im Netzwerkanalysator 2 erzeugten Anregungssignal beaufschlagt. Der Leistungsdetektor 5 erfasst den Leistungswert des Anregungssignals und überträgt den erfassten Leistungswert beispielsweise über seinen Datenanschluss 7 und die Datensignalleitung 8 an den Datenanschluss 9 des Netzwerkanalysators 2.
• An jedem Messtor 1₁,...,1_i,1_j,...,1_n wird jeweils ein Leistungswert des Anregungssignals mit dem Leistungsdetektor 5 ermittelt. Mithilfe des beispielsweise am Messtor 1_i gemessenen Leistungswertes des Anregungssignals $a_{ii}{}^k$

  

  und der im Anschluss an die Systemfehlerkalibrierung am Messtor 1_j des Systemfehlermodells gemessenen nicht-leistungswertkorrekten einlaufenden Signalwelle $b_{ji}{}^{ƒ}$

  

  bei Anregung am Messtor 1_i des Systemfehlermodells und Verbinden des Messtores 1_i mit dem Messtor 1_j des Systemfehlermodells über eine Durchgangsverbindung ohne Transmissionsdämpfung wird der Korrekturfaktor K_i für alle nicht-leistungswertkorrekten ein- und auslaufenden Signalwellen ${\overrightarrow{a}}_i^{ƒ}$

  

  und ${\overrightarrow{b}}_i^{ƒ}$

  

  bei Anregung am Tor i gemäß Gleichung (4) ermittelt.
• Hierbei werden die am Messtor 1_i erzeugte und nicht-leistungswertkorrekt gemessene auslaufende Signalwelle $a_{ii}{}^{ƒ}$

  

  und alle an den übrigen Messtoren 1_j nicht-leistungswertkorrekt gemessenen einlaufenden Signalwellen $b_{ji}{}^{ƒ}$

  

  bei Anregung am Messtor 1_i direkt mit dem Korrekturfaktor K_i gewichtet. Die an den übrigen Messtoren 1_j jeweils nicht-leistungswertkorrekt gemessenen auslaufenden Signalwellen $a_{ji}{}^{ƒ}$

  

  werden vor der Korrektur mit dem Korrekturfaktor K_i noch mit dem bei der Systemfehlerkalibrierung ermittelten Load-Match-Faktor Γ_Lj am Messtor 1_j gewichtet. Die am Messtor 1_i nicht-leistungswertkorrekt gemessene einlaufende Signalwelle $b_{ii}{}^{ƒ}$

  

  wird vor der Korrektur mit dem Korrekturfaktor K_i noch mit dem inversen, bei der Systemfehlerkalibrierung ermittelten Source-Match-Faktor 1/Γ_Si am Meestor 1_i gewichtet.
• Wird bei der nicht-leistungswertkorrekten Messung einer an einem Messtor 1_j des Systemfehlermodells einlaufenden Signalwelle $b_{ji}{}^{ƒ}$

  

  bei Anregung am Messtor 1_i anstelle einer Durchgangsverbindung ohne Transmissionsdämpfung eine Durchgangsverbindung mit Transmissionsdämpfung verwendet, so ist die zugehörige Transmissionsdämpfung S_21Durch vorab mittels Kalibrierung zu ermitteln und zwischen den Messtoren 1_i und 1_j des Systemfehlermodells gemäß Gleichung (8) zu integrieren.
• Werden normierte Korrekturfaktoren verwendet, so ist für die Normierung des Korrekturfaktors K_i der mit dem Leistungsdetektor 5 gemessene Leistungspegel $a_{ii}{}^k$

  

  des Anregungssignals am Messtor 1i gemäß Gleichung (11) zu verwenden.
• Die für die an den einzelnen Messtoren 1₁, ..., 1_i, 1_j, ..., 1_n des Netzwerkanalysators 2 jeweils ein- und austretenden Signale ermittelten Leistungswerte werden für eine skalierte Darstellung dieser Signale auf einer Anzeigeeinrichtung 12 des Netzwerkanalysators 2 verwendet.
• Im abschließenden optional durchzuführenden Verfahrensschritt S80 wird die Korrektheit der Systemfehlerkalibrierung mithilfe eines zusätzlichen vierten Kalibrierstandards 11 verifiziert, der bevorzugt ein reflektierender Kalibrierstandard ist, also ein Leerlauf-Kalibrierstandard, ein Kurzschluss-Kalibrierstandard oder ein Last-Kalibrierstandard mit einer bestimmten Impedanz . Die exakten Kenngrößen - insbesondere der Impedanzwert - dieses vierten Kalibrierstandards 11 muss vorab bestimmt werden und dem Netzwerkanalysator 2 bekannt gemacht werden. Dieser zusätzliche vierte Kalibrierstandard 11 wird sequenziell an jedes der Messtore 1₁,...,1_i,1_j, ... , 1_n geschaltet und aus der Messung des am jeweiligen Messtor anliegenden Anregungssignals und des vom jeweiligen Kalibrierstandard reflektierten Anregungssignals wird die Korrektheit der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten Systemfehlerkalibrierung somit indirekt evaluiert.
• Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Mit der Erfindung sind insbesondere alle Kombinationen aller in den Patentansprüchen jeweils beanspruchten Merkmale, aller in der Beschreibung jeweils offenbarten Merkmale und aller in den Figuren der Zeichnung jeweils dargestellten Merkmale abgedeckt.

Claims (14)

1. Verfahren zur Ermittlung von Systemfehlern und Leistungswerten zur Kalibrierung eines zumindest ein Messtor (1₁,...,1_i,1_j, ...,1_n) aufweisenden Netzwerkanalysators (2), wobei ein Leistungsdetektor (5) sowohl zur Leistungsmessung als auch als Kalibrierabschlusswiderstand verwendet wird.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: • sequentielles Verbinden der einzelnen Messtore (1₁, ..., 1_i, 1_j, ... , 1_n) mit jeweils zwei verschiedenen Kalibrierstandards (3, 4) sowie dem Leistungsdetektor (5), • Messen eines von den Kalibrierstandards (3, 4) und vom Leistungsdetektor (5) reflektierten Signals bei Anregung des jeweiligen Messtores mit einem gemessenen Anregungssignal, • Ermitteln von Systemfehlern für jedes Messtor (1₁, ..., 1_i, 1_j, ... , 1_n) aus dem jeweils gemessenen Anregungssignal und den jeweils gemessenen reflektierten Signalen und • Messen des Leistungswertes des Anregungssignals an mindestens einem Messtor (1₁, ..., 1_i, 1_j, ..., 1_n) durch den mit diesem Messtor (1₁, ...,1_i,1_j, ..., 1_n) jeweils verbundenen Leistungsdetektor (5).
3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsimpedanz des Leistungsdetektors (5) an die Eingangsimpedanz des zumindest einen Messtors (1₁, ..., 1_i,1_j,..., 1_n) des Netzwerkanalysators (2) angepasst ist.
4. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei nicht-idealer Anpassung der Eingangsimpedanz des Leistungsdetektors (5) an die Eingangsimpedanz des zumindest einen Messtors (1₁, ..., 1_i, 1_j, ..., 1_n) des Netzwerkanalysators (2) bei Fertigung des Leistungsdetektors (5) ermittelte Korrekturdaten des Leistungsdetektors (5) in einem Speicher (6) des Leistungsdetektors (5) hinterlegt werden, die bei der Kalibrierung berücksichtigt werden.
5. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eigentemperatur des Leistungsdetektors (5) gemessen und das Messergebnis der Eigentemperatur dem Netzwerkanalysator (2) zugeführt wird und das Messergebnis der Eigentemperatur bei der Kalibrierung berücksichtigt wird.
6. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nur am anregenden Messtor (1_i) des Netzwerkanalysators (2) die Messung des Leistungswertes des Anregungssignals durch den Leistungsdetektor (5) erfolgt.
7. Verfahren nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Kalibrierung der Leistungswerte der an allen Messtoren (1₁,..., 1_i, ..., 1_n) jeweils ein- und auslaufenden Signalwellen bei Anregung an einem Messtor (1_i) ein Korrekturfaktor (K_i) verwendet wird, der sich aus dem Verhältnis des am anregenden Messtor (1_i) gemessenen Leistungswertes des Anregungssignals und einer an einem weiteren Messtor (1_j) eines Systemfehlermodells gemessenen einlaufenden Signalwelle ergibt, wenn im Systemfehlermodell das anregende Messtor (1_i) mit dem weiteren Messtor (1_j) über eine Durchgangsverbindung verbunden ist.
8. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Messtor (1₁, ..., 1_i, 1_j, ..., 1_n) des Netzwerkanalysators (2) jeweils mit einem zusätzlichen vierten Kalibrierstandard (11) zur Verifizierung der Ergebnisse der Kalibrierung verbunden wird.
9. Kalibriereinheit (13) zur Ermittlung von Systemfehlern und mindestens eines Leistungswertes zur Kalibrierung eines Netzwerkanalysators (2) mit zumindest einem Messtor (1₁, ..., 1_i, 1_j, ..., 1_n), wobei die Kalibriereinheit (13) einen Leistungsdetektor (5) aufweist, wobei der Leistungsdetektor (5) sowohl zur Leistungsmessung als auch als Kalibrierabschlusswiderstand verwendet wird.
10. Kalibriereinheit nach Patentanspruch 9, gekennzeichnet durch zwei Kalibrierstandards (3, 4), die zusammen mit dem Leistungsdetektor (5) jeweils einzeln und sequentiell mit jedem einzelnen Messtor (1₁, ..., 1_i, 1_j, ..., 1_n) des Netzwerkanalysators (2) verbindbar sind.
11. Kalibriereinheit nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Innern des Leistungsdetektors (5) integrierter Temperatursensor (10) vorgesehen ist, der mit dem Netzwerkanalysator (2) verbindbar ist.
12. Kalibriereinheit nach einem der Patentansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher vierter Kalibrierstandard (11) zur Verifizierung der Ergebnisse der Kalibrierung sequentiell zu den Kalibrierstandards (3, 4) und zu dem Leistungsdetektor (5) mit jedem einzelnen Messtor (1₁, ..., 1_i, 1_j, ..., 1_n) des Netzwerkanalysators (2) verbindbar ist.
13. Kalibriereinheit nach einem der Patentansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsdetektor (5) einen Speicher (6) aufweist, auf dem sich bei der Fertigung ermittelte Korrekturdaten befinden, die die Abweichung der Eingangsimpedanz des Leistungsdetektors (5) von der Eingangsimpedanz des zumindest einen Messtors (1₁,...,1_i,1_j,...,1_n) des Netzwerkanalysators (5) kennzeichnen und die bei der Kalibrierung des Netzwerkanalysators berücksichtigt werden.
14. System zur Ermittlung von Systemfehlern und mindestens eines Leistungswertes zur Kalibrierung eines Netzwerkanalysators (2) mit einem zumindest ein Messtor (1₁, ..., 1_i, 1_j,..., 1_n) aufweisenden Netzwerkanalysator (2) und einem Leistungsdetektor (5), wobei der Leistungsdetektor (5) sowohl zur Leistungsmessung als auch als Kalibrierabschlusswiderstand verwendet wird.

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