DE4017412C2

DE4017412C2 - Prüfeinrichtung und deren Verwendung in einer Vorrichtung zum Messen von s-Parametern eines Prüflings

Info

Publication number: DE4017412C2
Application number: DE4017412A
Authority: DE
Inventors: Joel P Dunsmore
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1989-06-29
Filing date: 1990-05-30
Publication date: 1994-03-24
Anticipated expiration: 2010-05-31
Also published as: GB2233464B; US4962359A; GB9012527D0; JPH0339663A; DE4017412A1; JP2947885B2; GB2233464A

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein das Gebiet von Instrumenten zur Netzwerkanalyse und insbesondere eine Prüfeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie die Verwendung einer derartigen Prüfeinrichtung in einer Vorrichtung zum Messen von S-Parametern eines Prüflings gemäß dem jeweiligen Oberbegriff des Anspruchs 13 und des Anspruchs 15.

Netzwerkanalysatoren sind Instrumente, die die Übertragungs- und/oder Impedanzfunktionen von Netzwerken messen. Eine Sinuswellensignalquelle regt den Prüfling an. Da die Übertragungs- und Impedanzfunktionen Verhältnisse von verschiedenen Spannungen und Strömen sind, ist eine Einrichtung zum Trennen der interessierenden Signale von den Meßanschlüssen des Prüflings erforderlich. Der Netzwerkanalysator erfaßt die abgetrennten Signale, bildet die erwünschten Signalverhältnisse und zeigt die Ergebnisse an. Das Messen von Spannungen und Strömen ist bei hohen Frequenzen schwierig. Das Verhalten bei Hochfrequenznetzwerken wird am besten unter Verwendung der Übertragungsleitungstheorie beschrieben. Streuparameter oder S-Parameter wurden entwickelt, um Netzwerke bei hohen Frequenzen zu kennzeichnen. Die S-Parameter legen die an den Netzwerkanschlüssen gemessenen Verhältnisse von reflektierten und übertragenen Wanderwellen fest. Um die S-Parameter zu messen, ist es erforderlich, das übertragene oder eingegebene Signal und das von dem Prüfling erhaltene Signal zu trennen. Eine als Prüfeinrichtung bekannte Einrichtung wird verwendet, um die Prüfsignalquelle, den Prüfling und den Netzwerkanalysator miteinander zu verbinden. Beispielsweise liefert im Falle von Reflexionsmessungen die Prüfeinrichtung ein Prüfsignal an den Prüfling und trennt die eingegebenen und reflektierten Signale zur Messung und Analyse durch den Netzwerkanalysator voneinander. Die Prüfeinrichtung liefert eine Darstellung des eingegebenen Signals an einen Bezugsanschluß und eine Darstellung des reflektierten Signals an einen Meßanschluß.

Eine S-Parameter-Prüfeinrichtung nach dem Stand der Technik, die S-Parameter-Prüfeinrichtung Modell HP 85047 A, hergestellt von der Hewlett-Packard Company, verwendet eine erste Richtungsbrücke zur Überwachung des eingegebenen Signals an den Bezugsanschluß und eine zweite Richtungsbrücke zur Überwachung des reflektierten Signals. Die Brücken sind angepaßt, wodurch ein verbesserter Gleichlauf vorliegt. Ferner ist jede Brücke asymmetrisch und weist lediglich einen Verlust von 1,5 dB auf, d. h. einen Gesamtverlust von 3 dB an dem Prüfanschluß. Ein erster Nachteil dieser bekannten S-Parameter-Prüfeinrichtung liegt in dessen begrenzten Frequenzbereich. Ein weiterer Nachteil dieser Einrichtung ergibt sich daraus, daß dessen Brücken in getrennten Hf-Gehäusen untergebracht sind. Während die Prüfeinrichtung, welche zwei Brücken verwendet, eine verbesserte Arbeitsweise im Vergleich mit der Prüfeinrichtung, die einen Leistungsteiler verwendet, besitzt, weist sie mehrere Begrenzungen auf. Die zwei Brücken sind relativ kostspielig, da zwei präzisionsgedrehte Gehäuse benötigt werden. Ferner besitzen die beiden Brückenkonstruktionen ein relativ großes Volumen und sind für kompakte Produkte nicht gut geeignet. Die Trennung der Brücken durch ein langes Hf-Kabel bewirkt eine schlechte Anpassung wegen der Welligkeitsfaktorwechselwirkung. Da sich die zwei Brücken in unterschiedlichen Gehäusen befinden, können Temperaturgradienten bei ihnen bewirken, daß sich die Kopplung mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ändert.

Andere S-Parameter-Prüfeinrichtungen nach dem Stand der Technik haben eine Richtungsbrücke zur Trennung des eingegebenen Signals und des reflektierten Signals verwendet. Bei einer Prüfeinrichtung nach dem Stand der Technik, der S-Parameter- Prüfeinrichtung Modell HP 85046 A/B der Hewlett- Packard Company, wird das einfallende Signal zu dem Bezugsanschluß über einen Leistungsteiler geliefert, und eine symmetrische Wheatstonesche-Brücke wird verwendet, um die eingegebenen und reflektierten Signale zu trennen und das reflektierte Signal dem Meßanschluß zuzuführen. Während diese Einrichtung im allgemeinen eine zufriedenstellende Arbeitsweise zeigt, weist sie gewisse Begrenzungen auf. Der Leistungsteiler und die Richtungsbrücke überstreichen wegen ihrer unterschiedlichen Strukturen keinen breiten Frequenzbereich. Die Brücke und der Leistungsteiler weisen jeweils einen Verlust von 6 dB auf, was einen Verlust von 12 dB an dem Prüfanschluß ergibt. Infolgedessen ist die für den Prüfling zur Verfügung stehende Leistung begrenzt. Andere Begrenzungen umfassen eine Quellenfehlanpassung wegen eines langen Hf-Kabels, das den Leistungsteiler und die Brücke miteinander verbindet, und eine beeinträchtigte Arbeitsweise am oberen und unteren Ende des Frequenzbereiches.

Dem soeben gewürdigten Stand der Technik entspricht die US-PS 4 588 970.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Prüfeinrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß sie über einen breiten Frequenzbereich betrieben werden kann.

Die erstgenannte Aufgabe wird durch eine Prüfeinrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Prüfeinrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß sie über einen breiten Frequenzbereich betrieben werden kann, und daß sie in einer Vorrichtung zum Messen von S-Parametern eines Prüflings verwendet wird.

Diese zweitgenannte Aufgabe wird durch die Verwendung dieser Prüfeinrichtung gemäß Patentanspruch 13 und Patentanspruch 15 gelöst.

Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung und ihre Verwendung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Prüfeinrichtung nach der Erfindung, welche die Verbindung mit einer Hf-Signalquelle und einem Prüfling darstellt,

Fig. 1A ein Blockdiagramm, das eine Ausgestaltung einer S-Parametermessung in zwei Richtungen darstellt,

Fig. 2A ein schematisches Diagramm, welches den Betrieb einer Richtungsbrücke für ein einlaufendes Signal darstellt,

Fig. 2B ein schematisches Diagramm, welches die Betriebsweise der Richtungsbrücke für ein reflektiertes Signal darstellt,

Fig. 3 ein schematisches Diagramm, bei dem die Elemente der Prüfeinrichtung als eine Schaltung aus konzentrierten idealen Elementen gebildet ist,

Fig. 4 eine Draufsicht auf den Prüfeinrichtungszusammenbau, wobei die Abdeckung teilweise weggebrochen ist,

Fig. 5 eine Querschnittsdarstellung längs der Linie 5-5 der Fig. 4,

Fig. 6 eine Längsschnittdarstellung längs der Linie 6-6 der Fig. 5,

Fig. 7 eine Teilschnittdarstellung in Längsrichtung längs der Linie 7-7 der Fig. 6,

Fig. 8 eine Teilquerschnittsdarstellung längs der Linie 8-8 der Fig. 6,

Fig. 9 eine Teillängsschnittdarstellung längs der Linie 9-9 der Fig. 7 und

Fig. 10A bis 10D graphische Darstellungen der Arbeitsweise einer Prüfeinrichtung nach der Erfindung.

Ein Blockdiagramm einer Netzwerkanalyseanordnung, bei der eine Prüfeinrichtung nach der Erfindung verwendet wird, ist in Fig. 1 dargestellt. Eine Prüfeinrichtung 10 besitzt einen Quellenanschluß 12, der an eine Hf-Signalquelle 14 angeschlossen ist, und einen Prüfanschluß 16, der an den Anschluß 1 eines Prüflings angeschlossen ist. Ein Prüfsignal von der Hf-Signalquelle 14 ist über die Prüfeinrichtung 10 an den Prüfling 18 angeschlossen. Die Prüfeinrichtung 10 umfaßt ferner einen Bezugsanschluß 20 und einen Meßanschluß 22. Der Bezugsanschluß 20 und der Meßanschluß 22 sind jeweils an einen Abtaster in dem Netzwerk eines Analysegeräts (nicht dargestellt) angeschlossen. Der Bezugsanschluß 20 liefert die Darstellung eines Prüfsignals oder einlaufenden Signals, welches dem Prüfling 18 zugeführt wird. Ein Anschluß 2 des Prüflings 18 kann an einen Abtaster in dem Netzwerkanalyseinstrument für Übertragungsmessungen angeschlossen werden.

Die Prüfeinrichtung 10 umfaßt einen Dual-Symmetrierübertrager 30, eine zweite Richtungsbrücke 32 und eine erste Richtungsbrücke 34. Der Dual-Symmetrierübertrager 30 besitzt unsymmetrische Verbindungen zu dem Quellenanschluß 12 und dem Prüfanschluß 16, und symmetrische Verbindungen zu der zweiten Richtungsbrücke 32 und der ersten Richtungsbrücke 34. Die zweite Richtungsbrücke 32 besitzt eine unsymmetrische Verbindung mit dem Bezugsanschluß 20, und die erste Richtungsbrücke 34 besitzt eine unsymmetrische Verbindung mit dem Meßanschluß 22.

Beim Betrieb wird ein Prüfsignal durch die Hf-Signalquelle 14 über den Quellenanschluß 12 zugeführt. Das Prüfsignal wird über den Dual-Symmetrierübertrager 30 zu dem Prüfling 18 übertragen. Ein Teil des Prüfsignals wird von dem Prüfling 18 über den Prüfanschluß 16 zu der Prüfeinrichtung 10 reflektiert. Die zweite Richtungsbrücke 32 ist derart ausgelegt, daß ein Teil des Prüfsignals durch die zweite Richtungsbrücke 32 zu dem Bezugsanschluß 20 hindurchgeht, während das reflektierte Signal von der zweiten Richtungsbrücke 32 gesperrt wird. Die erste Richtungsbrücke 34 ist so ausgelegt, daß das Prüfsignal gesperrt wird, den Meßanschluß 22 zu erreichen, während ein Anteil des reflektierten Signals durch die erste Richtungsbrücke 34 zu dem Meßanschluß 22 hindurchgeht. Somit sind das Prüfsignal und das reflektierte Signal an dem Bezugsanschluß 20 bzw. dem Meßanschluß 22 getrennt. Ein Anteil des Prüfsignals wird durch den Prüfling 18 von dem Anschluß 1 zu dem Anschluß 2 übertragen und kann gemessen werden. Die Konstruktion und die Arbeitsweise der Prüfeinrichtung 10 werden im einzelnen nachfolgend beschrieben.

Eine Ausgestaltung für S-Parameter-Messungen in zwei Richtungen ist in Fig. 1A dargestellt. Die erste Prüfeinrichtung 10 besitzt einen Prüfanschluß 16, der an den Anschluß 1 eines Prüflings 18 angeschlossen ist, wie bei der Fig. 1. Die zweite Prüfeinrichtung 10′ besitzt einen Prüfanschluß 16′, der an den Anschluß 2 des Prüflings 18 angeschlossen ist. Eine Hf-Signalquelle 16 ist mit einem zweipoligen Doppelumschalter 24 verbunden. In einer Stellung des Schalters 24 wird die Hf-Signalquelle 14 mit dem Quellenanschluß 12 der Prüfeinrichtung 10 verbunden, und ein Abschlußwiderstand 26 von typischerweise 50 Ohm wird mit dem Anschluß 12′ der Prüfeinrichtung 10′ verbunden. In der anderen Stellung des Schalters 24 ist die HF-Signalquelle 14 mit dem Quellenanschluß 12′ der Prüfeinrichtung 10′ verbunden und ein Abschlußwiderstand 26 ist mit dem Quellenanschluß 12 der Prüfeinrichtung 10 verbunden.

Bei einer Ausgestaltung sind der Bezugsanschluß 20, der Meßanschluß 22, der Bezugsanschluß 20′ und der Meßanschluß 22′ einzeln mit Abtastern (R_A, A, R_B, B) in dem Netzwerkanalyseinstrument verbunden. Ein Beispiel einer vier Abtaster enthaltenden Einheit ist ein von Hewlett-Packard-Company hergestelltes Modell 8511. Das Modell 8511 wird in Verbindung mit einem Modell 8510 verwendet.

Bei einer anderen Ausgestaltung sind der Bezugsanschluß 20 und der Bezugsanschluß 20′ über einen Schalter 28 mit einem einzigen Bezugsabtaster in dem Netzanalyseinstrument verbunden, und die Meßanschlüsse 22 und 22′ sind einzeln mit Abtastern verbunden. Ein Beispiel einer drei Abtaster enthaltenden Einheit ist das Modell 8753 eines Netzwerkanalysators, der von der Hewlett-Packard-Company hergestellt wird.

Die in Fig. 1A gezeigte Ausgestaltung kann verwendet werden, um sowohl die S-Parameter für die Reflexion als auch die Übertragung am Anschluß 1 und am Anschluß 2 des Prüflings zu messen. Wenn die Hf-Signalquelle 14 durch den Schalter 24 mit dem Quellenanschluß 12 verbunden wird, wird das von dem Anschluß 1 des Prüflings 18 reflektierte Signal an dem Meßanschluß 22 gemessen, das übertragene Signal wird an dem Meßanschluß 22′ gemessen, und das Prüfsignal wird an dem Bezugsanschluß 20 gemessen. Wenn die Hf-Signalquelle 14 durch den Schalter 24 mit dem Quellenanschluß 12′ verbunden wird, wird das von dem Anschluß 2 des Prüflings 18 reflektierte Signal an dem Meßanschluß 22′ gemessen, das übertragene Signal wird an dem Meßanschluß 22 und das Prüfsignal an dem Bezugsanschluß 20′ gemessen.

Eine Richtungsbrücke ist in den Fig. 2A und 2B dargestellt. Ein Hf-Prüfsignal wird von einem Hf-Eingangsanschluß über eine Koaxialleitung 40 und einen Symmetrierübertrager 42 angeschlossen, welcher einen symmetrischen Eingang zu einer Brücke 44 liefert. Eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R1 und einem Kondensator C1 bildet einen Arm der Brücke 44. Die Widerstände R2 und R3 bilden den zweiten bzw. dritten Arm der Brücke 44, und ein Prüfanschluß 46 ist als vierter Arm der Brücke 44 verbunden. Der Prüfanschluß 46 besitzt eine Impedanz Z_p. Ein Meßanschluß 48 ist über die Nullpunkte der Brücke 44 in Bezug auf den Hf-Eingangsanschluß verbunden. Der Kondensator C1 wird als Gleichstrom-Sperrkondensator verwendet und besitzt eine vernachlässigbare Impedanz bei den hier interessierenden Frequenzen. Unter der Bedingung R1/R2=Z_p/R3 besteht ein Nullzustand und das Prüfsignal, welches durch die Pfeile L und D dargestellt ist, erreicht nicht den Meßanschluß 48.

In Fig. 2B ist derselbe Schaltkreis, wie er in Fig. 2A dargestellt ist, erneut gezeichnet, um die Entkopplung eines reflektierten Signals von dem Prüfanschluß 46 darzustellen. In Bezug auf den Prüfanschluß 46 stellt der Meßanschluß 48 einen Arm der Brücke dar. Somit erreicht reflektierte Energie, die durch die Pfeile C und L dargestellt ist, den Meßanschluß 48. Im symmetrischen Zustand der Brücke fließt kein reflektierter Strom durch den Widerstand R2. Ein Anteil des reflektierten Signals kehrt auch zu dem Hf-Eingangsanschluß 40 zurück. Somit wird das Prüfsignal von dem reflektierten Signal derart getrennt, daß nur das reflektierte Signal den Meßanschluß 48 erreicht.

Ein Modell aus konzentrierten idealen Elementen der Prüfeinrichtung 10 ist in schematischer Form in Fig. 3 gezeigt. Der Dual-Symmetrierübertrager 30 umfaßt eine koaxiale Übertragungsleitung 50 mit einem ersten Symmetrierübertragerabschnitt 52 und einem zweiten Symmetrierübertragerabschnitt 54. Ein Außenleiter 50a der koaxialen Übertragungsleitung 50 ist wirkungsvoll mit Masse an einem mittleren Punkt zwischen den Symmetrierübertragerabschnitten 52 und 54 verbunden. Wie im folgenden beschrieben wird, sind Ferritperlen auf den Abschnitten 52 und 54 der koaxialen Übertragungsleitung 50 angebracht. Die Impedanz der Ferritperlen auf dem zweiten Symmetrierübertragerabschnitt 54 ist durch eine Induktivität 56 und einen Widerstand 58 dargestellt. Die Impedanz der Ferritperlen auf dem ersten Symmetrierübertragerabschnitt 52 ist durch eine Induktivität 60 und einen Widerstand 62 dargestellt. Eine funktionale Erdung des Außenleiters 50a ist durch die Masse 64 angegeben. Die äußeren Verbindungen des Dual-Symmetrierübertrageres 30 sind an dem Mittelleiter 70 und dem Außenleiter 72 des zweiten Symmetrierübertragerabschnittes 54 und dem Mittelleiter 74 und dem Außenleiter 76 des ersten Symmetrierübertragerabschnittes 52 vorgenommen.

Der Quellenanschluß 12 ist über eine Übertragungsleitung 80 mit dem Mittelleiter 70 des Symmetrierübertragerabschnittes 54 verbunden. Der Bezugsanschluß 20 ist über eine Übertragungsleitung 82 mit einem Knoten 84 verbunden. Ein Widerstand 86 und ein Kondensator 88 sind in Reihe zwischen dem Mittelleiter 70 und dem Knoten 84 verbunden. Ein Widerstand 90 ist zwischen dem Knoten 84 und dem Außenleiter 72 des Symmetrierübertragerabschnittes 54 verbunden. Ein Widerstand 92 ist zwischen dem Außenleiter 72 und der Hf-Masse verbunden. Widerstände 86, 90 und 92 entsprechen den Widerständen R1, R2 bzw. R3 in den Fig. 2A und 2B und bilden die Widerstandselemente der zweiten Richtungsbrücke 32. Der Kondensator 88 entspricht dem Kondensator C1 in den Fig. 2A und 2B.

Der Prüfanschluß 16 ist über eine Übertragungsleitung 102 mit dem Mittelleiter 74 des Symmetrierübertragerabschnittes 52 verbunden. Der Meßanschluß 22 ist über eine Übertragungsleitung 104 mit einem Knoten 106 verbunden. Ein Widerstand 108 und ein Kondensator 110 sind in Reihe zwischen dem Mittelleiter 74 und einem Knoten 106 verbunden. Ein Kondensator 108a und eine Induktivität 108b stellen Störkapazitäten bzw. -Induktivitäten des Widerstands 108 dar. Ein Widerstand 112 ist zwischen dem Außenleiter 76 des Symmetrierübertragerabschnittes 52 und dem Knoten 106 verbunden. Ein Kondensator 112a und eine Induktivität 112b stellen die Störkapazität bzw. -Induktivität des Widerstandes 112 dar. Ein Widerstand 114 ist zwischen dem Außenleiter 76 und der Hf-Masse verbunden. Ein Kondensator 114a und eine Induktivität 114b stellen die Störkapazität bzw. -Induktivität des Widerstands 114 dar. Die Widerstände 108, 112 und 114 entsprechen den Widerständen R1, R2 bzw. R3 in den Fig. 2A und 2B und bilden die Widerstandselemente der ersten Richtungsbrücke 34. Der Kondensator 110 entspricht dem Kondensator C1 in den Fig. 2A und 2B. Ein Kondensator 116 stellt eine Störkapazität zwischen dem Mittelleiter 74 und der Hf-Masse dar.

Der Dual-Symmetrierübertrager 30 ist ein einziger Symmetrierübertrager, welcher einen symmetrischen Eingang zu der zweiten Richtungsbrücke 32 auf dem Mittelleiter 70 und dem Außenleiter 72 liefert, und einen symmetrischen Eingang zu der ersten Richtungsbrücke 34 auf dem Mittelleiter 74 und dem Außenleiter 76. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Brückenelemente die folgenden Werte auf:

Komponente
Wert
Widerstand 86\|265 Ohm
Kondensator 88	4700 Picofarad
Widerstand 90	50 Ohm
Widerstand 92	10 Ohm
Widerstand 108	261 Ohm
Kondensator 110	6800 Picofarad
Widerstand 112	50 Ohm
Widerstand 114	10 Ohm

Diese Werte liefern einen symmetrischen Betrieb für eine Impedanz von 50 Ohm an jedem der Anschlüsse der Prüfeinrichtung 10.

Das niederfrequente Verhalten der Prüfeinrichtung wird dadurch verbessert, daß der Wert des Sperrkondensators 88 an die Induktivität 56 der Ferritperlen auf dem Symmetrierübertragerabschnitt 54 und der Wert des Sperrkondensators 110 auf die Induktivität 60 der Ferritperlen auf dem Symmetrierübertragerabschnitt 52 angepaßt wird. Es wird erneut auf die Fig. 2A Bezug genommen, in der die Induktivität der Ferritperlen durch L3 dargestellt ist. Es kann gezeigt werden, daß, wenn L3/C1=R1×R3 gilt, die Brücke bei allen Frequenzen abgeglichen ist. Als Ergebnis hiervon wird die Arbeitsweise bei niederen Frequenzen stark verbessert.

Eine bevorzugte Prüfeinrichtungsausbildung nach der Erfindung ist in den Fig. 4 bis 9 dargestellt. Der in Fig. 3 gezeigte und oben beschriebene Schaltkreis wird in einem Hf-Metallgehäuse 140 untergebracht, in das ein länglicher Hf-Hohlraum 142 gefräst worden ist. An dem Gehäuse 140 angebrachte Hf-Anschlußteile bilden den Quellenanschluß 12, den Bezugsanschluß 20, den Meßanschluß 22 und den Prüfanschluß 16.

Der Brückenwiderstand 92 der zweiten Richtungsbrücke 32 ist auf einem Substrat 144 und der Brückenwiderstand 114 der ersten Richtungsbrücke 34 ist auf einem Substrat 146 gebildet. Die hier verwendeten Widerstände sind Dünnschichtwiderstände. Das Substrat 144 ist in einer Ausnehmung 148 in dem Gehäuse 140 angebracht, wie es in Fig. 9 gezeigt ist. Das Substrat 146 ist einer Ausnehmung 150 in dem Gehäuse 140 angebracht. Eine Seite des Widerstands 92 ist durch eine leitende Zunge und ein Goldband 152 mit dem Gehäuse 140 verbunden, wodurch eine Verbindung zwischen dem Widerstand 92 und Masse gebildet wird. Die andere Seite des Widerstands 92 ist mit einer leitenden Zunge 154 auf dem Substrat 144 verbunden. Ähnlich ist eine Seite des Widerstands 114 über eine leitende Zunge und ein Goldband 156 mit dem Gehäus 140 verbunden. Die andere Seite des Widerstands 114 ist mit einer leitenden Zunge 158 auf dem Substrat 146 verbunden. Die Befestigungspositionen der Substrate 144 und 146 sind in den Fig. 7 und 9 gezeigt. Die Substrate 144 und 146 sind mit einem Klebemittel im Gehäuse 140 angebracht.

Ein Dünnschichtschaltkreis 160, der die übrigen Elemente der zweiten Richtungsbrücke 32 enthält, ist in Fig. 6 dargestellt. Ein Mittelleiter 80a der Übertragungsleitung 80 und ein Mittelleiter 82a der Übertragungsleitung 82 sind als leitende Streifen auf einem Substrat 162 gebildet. Dünnschichtwiderstände 86 und 90 sind auf dem Substrat 162 ausgebildet, und der Kondensator 88 in der Form eines Chips ist zwischen dem Mittelleiter 82a der Übertragungsleitung 82 und einer leitenden Zunge 163 mit dem Widerstand 86 verbunden. Ähnlich enthält der Dünnschichtschaltkreis 170 die übrigen Elemente der ersten Richtungsbrücke 34 und ist in Fig. 6 gezeigt. Ein Mittelleiter 102a der Übertragungsleitung 102 und ein Mittelleiter 104a der Übertragungsleitung 104 sind auf einem Substrat 172 gebildet. Dünnschichtwiderstände 108 und 112 sind auf dem Substrat 172 gebildet, und der Widerstand 110 in der Form eines Chips ist zwischen dem Mittelleiter 104a und der Übertragungsleitung 104 und einer leitenden Zunge 173 mit dem Widerstand 108 verbunden. Die Substrate 162 und 172 umfassen Kerben 164 bzw. 174 zur Aufnahme der Enden der koaxialen Übertragungsleitung 50 des Dual-Symmetrierübertragers 30, wie es im nachfolgenden gezeigt und beschrieben wird.

Es wird nun auf die Fig. 6 Bezug genommen in der die Dünnschichtschaltkreis 160 und 170 in dem Gehäuse 140 angebracht gezeigt sind. Der Dünnschichtschaltkreis 160 ist oberhalb des Substrates 144 und der Dünnschichtschaltkreis 170 ist oberhalb des Substrates 146 angebracht. Wie vorhergehend angegeben wurde, ist das Substrat 144 in der Ausnehmung 148 und das Substrat 146 in der Ausnehmung 150 angebracht. Die Dünnschichtschaltkreise 160 und 170 werden durch Befestigungszungen 180 und Befestigungsschrauben 182 gehalten.

Die strukturellen Einzelheiten des Dual-Symmetrierübertragers 30 sind in Fig. 4 dargestellt. Die koaxiale Übertragungsleitung 50 erstreckt sich von dem Dünnschichtschaltkreis 160 zu dem Dünnschichtschaltkreis 170. Der erste Symmetrierübertragerabschnitt 52 der Übertragungsleitung 50 umfaßt Ferritperlen 183, 184, 185 und 186, die auf dem Außenleiter 50a angebracht sind. Der zweite Symmetrierübertragerabschnitt 54 der Übertragungsleitung 50 umfaßt Ferritperlen 187, 188 und 189. Jede der Ferritperlen 183 bis 189 ist ringförmig und auf die koaxiale Übertragungsleitung 50 aufgefädelt. An einem Zwischenpunkt der Übertragungsleitung 50 zwischen den Abschnitten 52 und 54 ist der Außenleiter 50a über eine Klammer 190 und die Klammer festhaltende Schrauben 192 an Masse gelegt. Vorzugsweise ist die koaxiale Übertragungsleitung 50 ein Koaxialkabel Nr. UT47 der Mikro Coax Company oder ein ähnliches, und die Ferritperlen sind die mit der Nummer 21-110-B und der Nummer 21-110-F der Feronics-Company oder Äquivalente.

Die Einzelheiten der Verbindungen zwischen der koaxialen Übertragungsleitung 50, den Dünnschichtschaltkreisen 160 und 170 und den Substraten 144 und 146 sind in den vergrößerten Abschnitten der Fig. 6 dargestellt. Der Mittelleiter 70 des Symmetrierübertragerabschnittes 54 ist mit dem Mittelleiter 80a der Übertragungsleitung 80 über ein Goldband 194 verbunden. Der Außenleiter 72 des Symmetrierübertragerabschnittes 54 ist mit dem Widerstand 90 über ein Goldband 196 verbunden, welches zwischen dem Außenleiter 72 und einer leitenden Zunge auf den Dünnschichtschaltkreis 160 gelötet ist. Der Außenleiter 72 ist mit dem Widerstand 92 auf dem Substrat 144 (Fig. 9) durch eine Lötperle 198 zwischen dem Außenleiter 72 und der leitenden Zunge 154 auf dem darunterliegenden Substrat 144 verbunden.

Der Mittelleiter 74 des Symmetrierübertragerabschnittes 52 ist dem Mittelleiter 102a der Übertragungsleitung 102 verlötet. Der Außenleiter 76 des Symmetrierübertragerabschnittes 52 ist mit dem Widerstand 112 durch ein Goldband 202 verbunden, welches zwischen dem Außenleiter 76 und einer leitenden Zunge auf den Dünnschichtschaltkreis 170 gelötet ist. Der Außenleiter 76 ist mit dem Widerstand 114 auf dem 146 (Fig. 9) mittels einer Lötverbindung 204 zwischen dem Außenleiter 76 und einer leitenden Zunge 158 auf dem darunterliegenden Substrat 146 verbunden.

Die Ferritperlen 183 bis 189 sind durch ein Klebemittel 193 in fester Lage gehalten. Das Gehäuse 140 umfaßt einen Deckel 141, der den Hf-Hohlraum 142 abschließt. Eine gemäß der hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsform konstruierten Prüfeinrichtung weist die folgenden Spezifikationen auf:

Betriebsfrequenzbereich = 300 kHz bis 3,0 GHz,
Einfügungsverlust = 3 db +- 0,3 db pro GHz,
Richtfähigkeit = 40 dB,
Quellenanpassung: besser als 30 dB bis 1,3 GHz, besser als 20 dB bis 3,0 GHz,
Kopplung = 16 dB +- 0,3 dB.

Die gemessene Arbeitsweise einer Prüfeinrichtung, welche nach der Erfindung konstruiert worden ist, ist in Fig. 10A bis 10D dargestellt. Die Fig. 10A bis 10D sind graphische Darstellungen von Prüfeinrichtungsbetriebsarten als eine Funktion der Frequenz. In jedem Fall ist ein Frequenzbereich von 0,3 MHz bis 3000 MHz auf der horizontalen Achse gezeigt und der logarithmische Wert des jeweiligen Parameters ist auf der vertikalen Achse dargestellt. Die Richtfähigkeit definiert als das Verhältnis des an dem Meßanschluß 22 auftretenden Signals mit perfekter Reflexion von dem Prüfanschluß 16 (offen) bezogen auf das Signal, welchen an dem Meßanschluß 22 mit keiner Reflexion von dem Prüfanschluß 16 (Last) auftritt, ist in Fig. 10A aufgezeichnet. Die vertikale Skala beträgt 10 dB pro Einheit. Die Quellenanpassung definiert als der Vektordurchschnitt des Signals, welches an dem Meßanschluß 22 bei offenen und kurzgeschlossenen Prüfanschluß 16 gemessen wird, ist in der Fig. 10B wiedergegeben. Die vertikale Skala beträgt 10 dB pro Einheit. Der Gleichlauf, definiert als die Änderung des Verhältnisses der Signale, die an dem Meßanschluß 22 gemessen werden, zu dem an dem Bezugsanschluß 20 gemessenen Signal, ist in Fig. 10C dargestellt. Die vertikale Skala weist 0,5 dB pro Unterteilung auf. Die Kopplung, definiert als das Verhältnis des an dem Prüfanschluß 16 gemessenen Signals zu dem an dem Meßanschluß 22 gemessenen Signal, ist in Fig. 10D wiedergegeben. Die vertikale Skala beträgt 0,2 dB pro Unterteilung.

Claims

1. Prüfeinrichtung (10) zur Verwendung beim Messen von S-Parametern mittels eines Netzwerkanalysators, mit
einem Quellenanschluß (12) zum Anschließen an eine ein Prüfsignal abgebende Hf-Signalquelle (14);
einem Prüfanschluß (16) zum Anschließen an einen Prüfling (18);
einem Bezugsanschluß (20) zum Überwachen des dem Prüfling (18) zugeführten Prüfsignals;
einem Meßanschluß (22) zum Überwachen des von dem Prüfling (18) reflektierten Anteils des Prüfsignals;
einer ersten Richtungsbrücke (34) zum Trennen des von dem Prüfling (18) reflektierten Anteils des Prüfsignals von dem Prüfsignal und zum Bereitstellen des von dem Prüfling (18) reflektierten Anteils des Prüfsignals an dem Meßanschluß (22); und
einer zweiten Richtungsbrücke (32) zum Trennen des Prüfsignals von dem von dem Prüfling (18) reflektierten Anteil des Prüfsignals und zum Bereitstellen des Prüfsignals an dem Bezugsanschluß (20);
gekennzeichnet durch
einen Dual-Symmetrierübertrager (30), der an seinem ersten und zweiten Ende je zwei Anschlüsse hat,
wobei der Quellenanschluß (12) über eine unsymmetrische Leitung an einen der Anschlüsse an dem ersten Ende des Dual-Symmetrierübertragers (30) angeschlossen ist und der Prüfanschluß (16) über eine weitere unsymmetrische Leitung an einen der Anschlüsse an dem zweiten Ende des Dual-Symmetrierübertragers (30) angeschlossen ist, und
wobei die erste Richtungsbrücke (34) über symmetrische Verbindungen an die Anschlüsse an dem zweiten Ende des Dual-Symmetrierübertragers (30) und die zweite Richtungsbrücke (32) über symmetrische Verbindungen an die Anschlüsse an dem ersten Ende des Dual-Symmetrierübertragers (30) angeschlossen ist.

2. Prüfeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dual-Symmetrierübertrager (30) folgende Merkmale aufweist:
eine koaxiale Übertragungsleitung (50) mit einem Mittelleiter (70, 74) und einem Außenleiter (50a) und einem ersten und einem zweiten Ende;
eine Einrichtung zum Anschließen des Außenleiters (50a) an Masse zwischen dem ersten und dem zweiten Ende, wodurch ein erster und ein zweiter Abschnitt (52, 54) der koaxialen Übertragungsleitung (50) festgelegt wird;
induktive Elemente (60, 56) an den Außenleitern des ersten und zweiten Abschnittes (52, 54) der koaxialen Übertragungsleitung (50);
eine erste Anschlußeinrichtung zum Anschließen des ersten Endes der koaxialen Übertragungsleitung (50) an die erste Richtungsbrücke (34); und
eine zweite Anschlußeinrichtung zum Anschließen des zweiten Endes der koaxialen Übertragungsleitung (50) an die zweite Richtungsbrücke (32).

3. Prüfeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die induktiven Elemente Ferritperlen (183 bis 189) umfassen.

4. Prüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hf-Gehäuse (140) vorgesehen ist, welches die erste und die zweite Richtungsbrücke (34, 32) und den Dual-Symmetrierübertrager (30) einschließt.

5. Prüfeinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet
daß die erste Richtungsbrücke (34) einen ersten Gleichstrom-Sperrkondensator (110) aufweist, und
daß der erste Gleichstrom-Sperrkondensator (110) so ausgewählt ist, daß folgende Beziehung erfüllt ist C1 = L3/(R1 × R3),wobei C1 die Kapazität des ersten Gleichstrom-Sperrkondensators (110), L3 die Induktivität der Ferritperlen (183, 184, 185, 186) an dem ersten Abschnitt (52) der koaxialen Übertragungsleitung (50), R1 und R3 Widerstandswerte von Widerständen der ersten Richtungsbrücke (34) bezeichnen, die in Reihe zu dem ersten Gleichstrom-Sperrkondensator C1 bzw. parallel zu der Induktivität L3 geschaltet sind.

6. Prüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Richtungsbrücke (32) einen zweiten Gleichstrom-Sperrkondensator (88) aufweist, und
daß der zweite Gleichstrom-Sperrkondensator (88) so ausgewählt ist, daß folgende Beziehung erfüllt ist C1 = L3/(R1 × R3),wobei C1 die Kapazität des zweiten Gleichstrom-Sperrkondensators (88), L3 die Induktivität der Ferritperlen (187, 188, 189) an dem zweiten Abschnitt (54) der koaxialen Übertragungsleitung (50), R1 und R3 Widerstandswerte von Widerständen der zweiten Richtungsbrücke (32) bezeichnen, die in Reihe zu dem zweiten Gleichstrom-Sperrkondensator C1 bzw. parallel zu der Induktivität L3 geschaltet sind.

7. Prüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Richtungsbrücke (34) eine erste Dünnschichtschaltkreiseinrichtung umfaßt, die nahe dem ersten Ende der koaxialen Übertragungsleitung (50) angebracht ist, und
daß die zweite Richtungsbrücke (32) eine zweite Dünnschichtschaltkreiseinrichtung umfaßt, die nahe dem zweiten Ende der koaxialen Übertragungsleitung (50) angebracht ist.

8. Prüfeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Dünnschichtschaltkreiseinrichtung und die zweite Dünnschichtschaltkreiseinrichtung jeweils einen oberen Dünnschichtschaltkreis und einen unteren Dünnschichtschaltkreis aufweisen, die eng benachbart zu der koaxialen Übertragungsleitung (50) angebracht sind, wobei jeweils der obere und untere Dünnschichtschaltkreis im wesentlichen parallel zueinander angebracht sind.

9. Prüfeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Prüfsignal von dem Quellenanschluß (12) an den Mittelleiter (70) der koaxialen Übertragungsleitung (50) an dessen zweitem Ende angeschlossen ist.

10. Prüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Prüfling (18) reflektierte Anteil des Prüfsignals von dem Prüfanschluß (16) an den Mittelleiter (74) der koaxialen Übertragungsleitung (50) an dessen erstem Ende angeschlossen ist.

11. Prüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Anschlußeinrichtung eine Verbindung zwischen dem Mittelleiter (74) und der ersten Richtungsbrücke (34) und eine Verbindung zwischen dem Außenleiter (50a) und der ersten Richtungsbrücke (34) an dem ersten Ende der koaxialen Übertragungsleitung (50) umfaßt.

12. Prüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Anschlußeinrichtung eine Verbindung zwischen dem Mittelleiter (70) und der zweiten Richtungsbrücke (32) und eine Verbindung zwischen dem Außenleiter (50a) und der zweiten Richtungsbrücke (32) an dem zweiten Ende der koaxialen Übertragungsleitung (50) umfaßt.

13. Verwendung einer Prüfeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einer Vorrichtung zum Messen von S-Parametern eines Prüflings (18),
gekennzeichnet durch
einen ersten Abtaster, der an den Bezugsanschluß (20) zum Messen des Prüfsignals angeschlossen ist; und
einen zweiten Abtaster, der an den Meßanschluß (22) zum Messen des von dem Prüfling (18) reflektierten Anteils des Prüfsignals angeschlossen ist.

14. Verwendung einer Prüfeinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ferner ein dritter Abtaster vorgesehen ist, der an einen zweiten Anschluß (2) des Prüflings (18) zum Messen eines durch den Prüfling übertragenen Anteils des Prüfsignals angeschlossen ist.

15. Verwendung einer ersten und zweiten Prüfeinrichtung (10, 10′) jeweils nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in einer Vorrichtung zum Messen von S-Parametern eines Prüflings,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Prüfanschluß (16) der ersten Prüfeinrichtung an einen ersten Anschluß (1) des Prüflings (18) angeschlossen ist,
daß der Prüfanschluß (16′) der zweiten Prüfeinrichtung an einen zweiten Anschluß (2) des Prüflings (18) angeschlossen ist, und
daß die Vorrichtung eine Schalteinrichtung (24), mittels der die Hf-Signalquelle (14) wahlweise an einen der Quellenanschlüsse (12, 12′) der ersten oder zweiten Prüfeinrichtung anschließbar ist, und eine Einrichtung zum Messen von Signalpegeln an den Bezugsanschlüssen (20, 20′) und an den Meßanschlüssen (22, 22′) aufweist.

16. Verwendung einer ersten und zweiten Prüfeinrichtung (10, 10′) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Messen von Signalpegeln vier Abtaster (R_A, A, R_B, B) umfaßt, die an den Bezugsanschlüssen (20, 20′) sowie an den Meßanschlüssen (22, 22′) angeschlossen sind.

17. Verwendung einer ersten und zweiten Prüfeinrichtung (10, 10′) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Messen von Signalpegeln je einen Abtaster (A, B), die an den Meßanschlüssen (22, 22′) angeschlossen sind, einen Bezugsanschluß-Abtaster (R′) und eine Schaltereinrichtung (28) zum Anschließen des Bezugsanschluß-Abtasters (R′) an einen der Bezugsanschlüsse (20, 20′) umfaßt.