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Netzwerkanalyse Grundlagen und Impedanzmessungen Ihr Spezialist für Mess- und Prüfgeräte Agenda Arten der Leistungsmessung über der Frequenz Physikalische Grundlagen der HF Übertragung Messbare Parameter Aufbau des Network Analyzers Modellüberblick TDR Messungen Impedanzmessung 2 © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen Netzwerkanalyse ist nicht … Router Bridge Repeater Hub Your IEEE 802.3 X.25 ISDN switched-packet data stream is running at 147 MBPS with -9 a BER of 1.523 X 10 . . . …es ist: HF Baugruppen und Komponententest 3 © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen Messmöglichkeiten Leistung über Frequenz • Misst Amplitude über Zeit • Berechnet f (FFT) mit sehr begrenzter Ampl.auflösung • f-Auflösung <=> Speichertiefe • • • • Nur breitbandige Messung Keine Selektivität Eingeschränkte Dynamik (Ampl.) Keine Phase Power Meter Oszilloskop Network Analyzer • • • • 4 -> hochgenaue Relativmessung Kann messen was er erzeugt Nur schmalbandige Messung Keine Signal-Inhaltsanalyse Phase ! Spectrum Analyzer • • • • • Kann auch Summenleistung in Band Spektrum & Signal(-inhalts)analyse Grosse Dynamik Exzellente Selektivität Keine Phase © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen Analogie des Lichts zur HF Energie Incident Reflected Transmitted Strahlen Optik DUT 5 © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen Warum überhaupt Komponenten messen? Einhaltung der Spezifikationen von sog. “building blocks” Störungsfreie Übertragung von Nutz-/Kommunikationssignalen Überprüfung grundlegender Eigneschaften linear: nonlinear: constant amplitude, linear phase / constant group delay harmonics, intermodulation, compression, AM-to-PM conversion Impedanzanpassung (Effizienz!) Einhaltung von EMV Vorgaben KPWR 6 © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen FM 97 Signalübertragung - Grundlagen Niedere Frequenzen + I Wellenlänge >> Kabellänge Strom (I) läuft entlang der Leitung , effiziente Übertragung bei niedrigem ohmschen Widerstand, sonst keine speziellen Anforderungen Gemessene Spannung und Strom nicht direkt ortsabhängig Hohe Frequenzen 7 Wellenlänge » oder << Länge des Ausbreitungsmediums Effiziente Übertragung bedarf “Leitung” mit ganz speziellen Eigenschaften Impedanzanpassung (Zo) ist sehr wichtig für geringe Reflexion und maximale Leistungsübertragung Die gemessene Spannung (Hüllkurve) schwankt stark mit dem Ort © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen - Transmission line: Zo (charakteristische Impedanz) Zo bestimmt Beziehung zwischen Strom- und Spannungswelle Zo ist eine Funktion der physikalischen Dimensionen und εr Zo ist normalerweise rein real, kein Imaginärteil (oft 50 oder 75 Ohm) 1.5 attenuation is lowest at 77 ohms 1.4 Twisted-pair 1.3 Waveguide a b Coaxial εr h normalized values 1.2 h w1 w2 Coplanar 1.1 50 ohm standard 1.0 0.9 0.8 0.7 power handling capacity peaks at 30 ohms 0.6 w Microstrip 0.5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 characteristic impedance for coaxial airlines (ohms) 8 © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen Charakterisierung der HF Übertragung Incident Transmitted R B Reflected A TRANSMISSION REFLECTION Reflected Incident = (V)S WR S-Parameters S11, S22 9 Reflection Coefficient Γ, ρ A Transmitted R Incident Return Loss Impedance, Admittance R+jX, G+jB = B R Group Delay Gain / Loss S-Parameters S21, S12 © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen Transmission Coefficient Τ,τ Insertion Phase Voraussetzung für unverzerrte Übertragung LINEARITÄT Linear phase over bandwidth of interest Constant amplitude over bandwidth of interest Phase Magnitude Frequency Frequency 10 © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen Gruppenlaufzeit (Group Delay) statt Phase Group delay ripple Frequency ∆ω Phase to φ ∆φ Frequency Group Delay (tg) = −d φ dω φ ω φ = −1 360 o * dφ df in radians group-delay ripple indicates phase distortion average delay indicates electrical length of DUT aperture of measurement is very important in radians/sec in degrees f in Hertz (ω = 2 π f) 11 © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen Warum gerade S-Parameter messsen? S 21 Incident Transmitted a1 b2 S 11 DUT Reflected Port 2 Port 1 b1 S 22 Reflected a2 Transmitted Incident S 12 b 1 = S 11 a 1 + S 12 a 2 b 2 = S 21 a 1 + S 22 a 2 S 22 = S 12 = 12 © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen Reflected Incident Transmitted Incident b2 = a 2 b a1 = 0 1 = a 2 a1 = 0 Vereinfachtes Blockschaltbild Source A R1 Bias-tee Port 1 13 R2 B © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen Bias-tee Port 2 Systematischer Messfehler R Crosstalk (Übersprechen) Directivity A (Richtschärfe) B DUT Frequenzgang reflection tracking (A/R = Reflexion) transmission tracking (B/R = Übetragung) Source Mismatch (Quellenanpassung) Load Mismatch (Lastanpassung) Sechs Fehlerterme für “vorwärts”und ebensoviele für “rückwärts” -12 error terms für Prüflinge mit 2 Toren 14 © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen Was ist Vector Error Correction? Prozess zur Characterisierung systematischer Fehlerterme Messung bekannter Standards Korrektur der gemessenen Effekte von nachfolgenden Messungen 1-port Calibration (bei der Reflexionsmessung = “CAL light”) nur 3 systematische Fehlerterme werden erfasst: directivity, source match, and reflection tracking Full 2-port calibration (für Reflexions- und Transmissionsmessung) 12 systematische Fehlerterme erfasst Bedarf12 Messungen an vier bekannten Standards (“SOLT” = short, open, load, through) Standards werden in einer “cal kit definition” Datei abgelegt Network Analyzer kennen die Definition der käuflichen (Agilent-) CALKits Bei der Messung muss auch die richtige Definition benutzt werden! Andere Standards lassen sich als “User-defined” Cal-Kit abspeichern 15 © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen Two-Port Error Correction Reverse model Forward model Port 1 EX Port 1 a1 ED b1 ES S21A S11A E RT S22 ETT A EL b2 a2 S 12 EL = fwd load match ETT = fwd transmission tracking EX = fwd isolation E D' = rev directivity E S' = rev source match E RT' = rev reflection tracking EL' = rev load match ETT' = rev transmission tracking EX' = rev isolation 16 S21 a1 E L' b1 E TT' A ED = fwd directivity E S = fwd source match ERT = fwd reflection tracking Port 2 Port 2 Jeder korrigierte S-Parameter ist eine Funktion von allen 4 gemessenen SParametern Analyzer muss abwechslend Vorwärts- und Rückwärts-Betrieb machen Die Lösung des Gleichungssystems übernimmt der Analyzer!!! © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen S11 A A S22 S12 A EX' E RT' A E S' ED' b2 a2 Agilent Network Analyzers Überblick PNA-X, NVNA rm o f r e P Test Accessories ENA-L”B” Affordable Specialized VNA 5 Hz to 3.0 GHz W NE W NE ! ce n a PNA Industry-leading performance 10 MHz to 13.5, 26.5, 43.5, 50 GHz Banded mm-wave to 2 THz Performance VNA 10 MHz to 20, 40, 50, 67, 110 GHz Banded mm-wave to 2 THz PNA-L ! World’s most capable value VNA 300 kHz to 6, 13.5, 20 GHz 10 MHz to 40, 50 GHz ENA World’s most popular economy VNA 9 kHz to 4.5, 8.5 GHz 300 kHz to 20.0 GHz Mm-wave solutions Up to 2 THz FieldFox RF Analyzer 5 Hz to 4/6 GHz 17 ENA-L Low cost VNA 300 kHz to 1.5/3.0 GHz © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen PNA-X receiver 8530A replacement High Power NWA E5072A Jeder Testport am Netzwerkanalysator mit einer “configurable test set option” hat 6 SMA Anschlüsse. Dadurch gibt es einen direkten Zugang zu den internen Quellen und Empfängern, so das durch eine geschickte Außenbeschaltung Messungen mit hoher Leistung möglich sind. © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen S11 Messung am Leistungsverstärker Das eingekoppelte Signal wird im Receiver R1 nach dem Leistungsverstärker gemessen, um Temperatureffekte des Verstärkers zu kompensieren. Das reflektierte Signal vom DUT wird im Receiver A gemessen, ohne dabei Abstriche im S/N Verhältnis zu machen S11 (=A/R1). Konfiguration Block Diagram vom Netzwerk Analysator R1 R2 A B Booster amplifier High-power couplers Port 1 © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen Port 2 TDR Time Domain Reflectometry Technology •OSCILLOSCOPE 2t Trigger Chan 1 t STEP / SNAP GENERATOR DIRECTIONAL COUPLER UNKNOWN © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen VNA-TDR Theory and Measurement Correlation Frequency response Sine wave sweep DUT f 0 VNA FFT IFFT Impulse input f 0 FFT IFFT Impulse response t 0 Integration DUT 0 Integration Derivation t Derivation TDR oscilloscope •Step input •Step response DUT 0 t © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen 0 t Time Domain S-Response vom Semi-rigid Coax Kabel ρ Time © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen Wer braucht welchen Network Analyzer (NWA)? Wer braucht einen Spektrum Analysator? • im Prinzip jedes Elektronik-Labor Wer braucht einen Network Analyzer? • jeder, der HF-Übertragungs- oder Sperreigenschaften erwartet von ... – Einzelnen Bauteilen (Drosseln, Kondensatoren, Piezo‘s…) – Baugruppen (OP-Verstärker, Filter, Antennen, Kabel …) – Geräten/Einschüben (DC-Supplies, Wandler, Schirmdämpfung v. Gehäusen …) – Materialien (Induktionskerne, Substrate, Dielektrika …) – Usw. Alles aber ausschließlich << 1 MHz ?? Wir haben auch LCR Meter !!! 23 © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen Impedanz Impedanz Ebene L XL= 2π πfL = ωL Spule R C Kondensator jXL 1 1 = 2π πfc ωC -jXC R Z jXL XC = R θ δ δ θ -jXC R (a) Inductive vector represented on impedance plane Q= 24 1 D = 1 tan δ = XL R Z (b) Capacitive vector represented on impedance plane = XC R © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen = BL G = BC G Parasitäre Elemente am Bauteil Es gibt kein pures R, C, oder L Jedes Bauteil ist eine Kombination von R, C und L Elementen Die unerwünschten Elemente nennt man Parasitics (parasitäre Elemente). Intrinsic C Unerwünschtes R und L der Anschlussdrähte Unerwünschtes R und C vom Dielektrikum Kondensator Ersatzschaltbild Capacitor Equivalent Circuit 25 © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen Kondensator Ersatzschaltbild Kapazitätsmodell Rs, Ls, Rp, Cp ? Serien Modell Rs Cs Low-Impedance Device (Large C, Small L; |Z| < 10 Ω) 26 © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen Parallel Modell Rp Cp High-Impedance Device (Small C, Large L; |Z| > 10 kΩ Ω) Welches Modell ist korrekt? Rp Rs Cs ? Serien Modell Cp Parallel Modell Beide sind richtig Cs = Cp (1 + D2) 27 Eines von beiden beschreibt das Bauteil jeweils besser für hohe Q oder kleine D Bauteile gilt: CS ≈ CP © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen Parasitäre Elemente: Es gibt kein reines R, C oder L What do instruments measure, calculate or approximate? Measured Vector Voltmeter Method I, V Z= Direct Calculations Z = R+jX, V I I-V Probe Method I, V Reflection Coefficient Method x,y θ = ATAN(X/R) 1+ 1- Z = Zo Y = 1/Z, Y = G +j B Model-based Approximations Ls , Lp, Cs, Cp, Rs or ESR, Rp, D, Q DUT 28 R s Cs © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen ? Rp Messmethoden (a) Auto-Balancing Bridge (b) RF I-V (c) Network Analysis (Reflection Coefficient) Weitere: Bridge Resonant (Q-adapter/Q-meter) I-V (Probe) 29 © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen Messmethoden a) Auto-Balancing Bridge Method Virtual ground Theory of Operation H Rr L DUT I V1 Ir I = Ir + V2 = -Ir Rr Z= 30 V1 Ir = V2 -V1 Rr V2 © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen Messmethoden (b) RF I-V Method Theory of Operation Current Detection Vi R R/2 Voltage Vv Detection V R I Zx DUT V Impedance Test Head 31 © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen R V Zx = I = 2 ( V v - 1) i Messmethoden (c) Network Analysis Method Theory of Operation VINC V V Vr Γ= Reflected signal OSC Directional bridge or coupler 32 Incident signal Vr VINC = ZX - Z0 ZX + Z0 VINC DUT ZX © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen Vr Messmethoden Vergleich der Methoden Auto-Balancing Bridge 10% 10%ofofthe the measurement measurement accuracy accuracyrange rangefor for each eachmethod method Impedance (Ω Ω) 100M 10M 1M 100K 10K 1K RF I-V 100 Network/Reflection 10 1 100m 10m 1m 1 10 100 1K 10K 100K 1M Frequency (Hz) 33 © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen 10M 100M1G 10G Messmethoden Measurement Method Agilent Product Auto-Balancing Bridge 4263B LCR Meter E4980A Precision LCR Meter 4285A Precision LCR Meter 4294A Precision Impedance Analyzer 100 Hz to 100 kHz spot 20 Hz to 2 MHz 75 kHz to 30 MHz 40 Hz to 110 MHz RF I-V 4291B Impedance/Material Analyzer 4287A RF LCR Meter E4991A Impedance/Material Analyzer 1 MHz to 1.8 GHz 1 MHz to 3 GHz 1 MHz to 3 GHz PNA Series Vector Network Analyzers 300 kHz to 500 GHz ENA Series Vector Network Analyzers 9 kHz to 20 GHz Network Analysis (Reflection Coefficient) Network Analysis (Transmission Coefficient) 34 ENA-LF Series Vector Network Analyzers © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen Frequency Range 5 Hz to 3 GHz Merkmale des ENA-LF: E5061B + E5062A ENA-L RF Network Analyzer 300 k to 3 GHz, 50 Ohm • Low Frequency (5 Hz~) • Wide dynamic range at LF • Features for LF applications (1 Mohm inputs, probe power, DC bias source, etc) Seamlessly integrated into smaller box without degrading excellent RF performance. E5061B-3L5 LF-RF Network Analyzer 5 Hz to 3 GHz 254 mm (= 90 mm shorter than E506xA) 35 © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen Überblick des E5061B • Low Frequency (5 Hz~) • Wide dynamic range at LF • Features for LF applications (1 Mohm inputs, probe power, DC bias source, etc) 10.4 inch LCD touch screen Probe power (Option 3L5 only) USB Zin = 1 MΩ / 50 Ω ATT = 20 dB / 0 dB T ATT Gain-phase test port (Option 3L5 only) - LF OUT (source) - R (1 MΩ/50 Ω) - T (1 MΩ/50 Ω) R Handler I/O ATT Zin Zin T R LF OUT Gain-phase test port (5 Hz to 30 MHz) 36 R1 R2 T1 T2 Port-1 GPIB USBTMC S-parameter test port (Option 2x5/ 2x7/3L5), or Transmission/Reflection test port (Option 1x5/1x7) Peripheral ports (USB, LAN, XGA output) Port-2 S-parameter test port (5 Hz to 3 GHz, 50 Ω ) © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen High stability freq. reference (Option 1E5) External trigger-IN/OUT Low-Z 1 mΩ ~ Reflection S-Parameter (5 Hz - 3 GHz) Series 1 kΩ ~ 100 kΩ Applicable Z-range S1 1 Mid 7-mm type fixtures S2 1 GP Series (T 50Ω, R 1MΩ) 1MΩ input TR Mid High Port 1-2 Shunt Shunt Gain-Phase (5 Hz - 30 MHz) 1Ω High-Z Port 1 Refl / Port 2 Refl Port 1-2 Series Configuration Test port Mid-Z S21 GP Shunt (T 50Ω, R 50Ω) Power splitter 4-Terminal Pair type fixtures Shunt Series TR Low Mid User fixtures are required 37 © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen 10% Messgenauigkeit 1n 100 kΩ 1p F E5061B (SPD) F S-Parameter, Series-thru H 1u 10 kΩ E5061B (SPD) 1 kΩ S-Parameter, Reflection 100 Ω H 1n 10 Ω 7 mm test fixture 1Ω H 1p 100 mΩ 10 mΩ E5061B (SPD) S-Parameter, Shuntthru 1 mΩ 10 Hz 38 100 Hz 1 kHz 10 kHz 100 kHz 1 MHz © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen 10 MHz 100 MHz 1 GHz 10% Messgenauigkeit 1n 100 kΩ 1p F F H 1u 10 kΩ E5061B (SPD) Gain-Phase, Series-thru 1 kΩ H 1n 100 Ω 4-terminal pair test fixture 10 Ω 1Ω H 1p 100 mΩ 10 mΩ E5061B (SPD) 1 mΩ Gain-Phase, Shuntthru 10 Hz 39 100 Hz 1 kHz 10 kHz 100 kHz 1 MHz © 2012 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen 10 MHz 100 MHz 1 GHz VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT.