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Herzlich Willkommen! Netzwerkanalyse Grundlagen und Anwendungsüberblick Page 1 2010 Agenda ¾ Arten der Leistungsmessung über der Frequenz • Physikalische Grundlagen der HF Übertragung • Charakterisierung der HF-Übertragung • Messbare Parameter • Aufbau des Network Analyzers • Modellüberblick • Applikationsbeispiele Page 2 2010 ‘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 . . . Page 3 2010 Messmöglichkeiten: Leistung über Frequenz • • • • • • • • • • • • • präzise Relativmessung Schmalbandig Keine Signalanalyse Phaseninformation! Breitbandig i.A. keine Selektion Begrenzter Dynamikbereich Aber hochpräzise!! Keine Phase Netzwerkanalysatoren Leistungsmesser Oszilloskope Spektrumanalysatoren Misst Amplitude über der Zeit Sehr breitbandig limitierte Amplituden Auflösung Berechnung von f durch FFT • • • • • • Absolute Amplitudenmessung über f Spektrum- & Signal Analyse Großer Dynamikbereich Große Amplitudenauflösung Excellente Selektivität Keine Phase Page 4 2010 Agenda • Arten der Leistungsmessung über der Frequenz ¾ Physikalische Grundlagen der HF Übertragung • Charakterisierung der HF-Übertragung • Messbare Parameter • Aufbau des Network Analyzers • Modellüberblick • Applikationsbeispiele Page 5 2010 Analogie des Lichts zur HF Energie Incident Reflected Transmitted Strahlen Optik DUT HF Page 6 2010 Warum überhaupt Komponenten messen? ¾ Die “building blocks” müssen Spezifikationen einhalten, damit ein komplexes HF-System funktioniert ¾ Störungsfreie Übertragung von Nutz-/Kommunikationssignalen ¾ Überprüfung grundlegender Eigenschaften linear: Amplitudengang, Phasengang, Gruppenlaufzeit Nicht-linear: Harmonische, Mischprodukte, Kompression, AM-to-PM conversion Page 7 ¾ Impedanzanpassung (Effizienz!) ¾ Einhaltung von EMV Vorgaben KPWR FM 97 Page 7 2010 Signalübetragung - Grundlagen Niedere Frequenzen + I l Wellenlänge >> Kabellänge l Strom (I) läuft entlang der Leitung , effiziente Übertragung bei niedrigem - ohmschen Widerstand, sonst keine speziellen Anforderungen l Gemessene Spannung und Strom nicht direkt ortsabhängig Hohe Frequenzen l Wellenlänge » oder << Länge des Ausbreitungsmediums l Effiziente Übertragung bedarf “Leitung” mit ganz speziellen Eigenschaften l Impedanzanpassung (Zo) ist sehr wichtig für geringe Reflexion und maximale Leistungsübertragung l Die gemessene Spannung (Hüllkurve) schwankt stark mit dem Ort Page 8 2010 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 Twisted-pair attenuation is lowest at 77 ohms 1.4 1.3 Waveguide normalized values 1.2 a b εr Coaxial h h 1.1 50 ohm standard 1.0 0.9 0.8 0.7 power handling capacity peaks at 30 ohms 0.6 w1 w2 Coplanar w 0.5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 characteristic impedance Microstrip for coaxial airlines (ohms) Page 9 2010 Agenda • Arten der Leistungsmessung über der Frequenz • Physikalische Grundlagen der HF Übertragung ¾ Charakterisierung der HF-Übertragung • Messbare Parameter • Aufbau des Network Analyzers • Modellüberblick • Applikationsbeispiele Page 10 2010 Charakterisierung der HF Übertragung Incident Transmitted R B Reflected A TRANSMISSION REFLECTION Reflected Incident = (V)S WR S-Parameters S11, S22 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 Transmission Coefficient Τ,τ Insertion Phase Page 11 2010 Voraussetzung für unverzerrte Übertragung LINEARITÄT Linear phase over bandwidth of interest Constant amplitude over bandwidth of interest Phase Magnitude Frequency Frequency Page 12 2010 Gruppenlaufzeit (Group Delay) statt Phase Frequencyω tg Group delay ripple Δω to φ Phase Δφ Frequency Group Delay (tg) = −d φ dω φ ω φ = −1 360 o * dφ df l group-delay ripple indicates phase distortion l average delay indicates electrical length of DUT l aperture of measurement is very important in radians in radians/sec in degrees f in Hertz (ω = 2 π f) Page 13 2010 Warum gerade S-Parameter messen? 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 = Reflected Incident Transmitted Incident b2 = a 2 b a1 = 0 1 = a 2 a1 = 0 Page 14 2010 Agenda • Arten der Leistungsmessung über der Frequenz • Physikalische Grundlagen der HF Übertragung ¾ Charakterisierung der HF-Übertragung • Messbare Parameter • Aufbau des Network Analyzers • Modellüberblick • Applikationsbeispiele Page 15 2010 Vereinfachtes Network Analyzer Blockschaltbild Incident Transmitted DUT SOURCE Reflected SIGNAL SEPARATION INCIDENT (R) REFLECTED TRANSMITTED (A) (B) RECEIVER / DETECTOR PROCESSOR / DISPLAY Page 16 2010 Network Analyzer mit eingebautem Test Set – verschiedene Optionen S-Parameter Test Set Transmission/Reflection Test Set Source Source Transfer switch R B A Port 1 l l B A Port 2 Fwd l R Fwd DUT HF kommt immer aus Port 1 Port 2 ist immer nur Empfänger Einfache Response CAL Port 2 Port 1 l l l DUT Rev HF kommt aus Port 1 oder Port 2 Kann vorwärts und rückwärts messen Page 17 Full-two-port CAL 2010 Systematische Messfehler Directivity R (Richtschä A rfe) Crosstalk (Übersprec hen) B DUT Frequenzgang l l reflection tracking (A/R = Reflexion) Source Mismatch (Quellenanpass ung) Load Mismatch (Lastanpassung) transmission tracking (B/R = Übetragung) Sechs Fehlerterme für “vorwärts”und ebensoviele für “rückwärts” -12 error terms für Prüflinge mit 2 Toren Page 18 2010 Was ist „Vector-Error Correction“? l 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-) CAL-Kits Bei der Messung muss auch die richtige Definition n n l n n l n n l n Page 19 2010 Two-Port Error Correction Reverse model Forward model Port 1 a1 ED ES b1 E RT Port 2 S21A 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 l l S21 a1 E L' b1 E TT' S11 A b2 A S22 A E S' ED' a2 S12 A EX' A ED = fwd directivity E S = fwd source match ERT = fwd reflection tracking l Port 2 E RT' EX S11A Port 1 Jeder korrigierte S-Parameter ist eine Funktion von allen 4 gemessenen S-Parametern Analyzer muss abwechslend Vorwärts- und Rückwärts-Betrieb machen Die Lösung des Gleichungssystems übernimmt der Analyzer!!! Page 20 2010 Agenda • Arten der Leistungsmessung über der Frequenz • Physikalische Grundlagen der HF Übertragung ¾ Charakterisierung der HF-Übertragung • Messbare Parameter • Aufbau des Network Analyzers • Modellüberblick • Applikationsbeispiele Page 21 2010 Agilent Network Analyzer Overview PNA PNA-X, NVNA Industry-leading performance 10 MHz to 13.5, 26.5, 43.5, 50 GHz Banded mm-wave to 2 THz Test Accessories rm o rf e P ce n a PNA Performance VNA 10 MHz to 20, 40, 50, 67, 110 GHz Banded mm-wave to 2 THz ENA-L”B” Affordable Specialized VNA 5 Hz to 3.0 GHz W NE W NE ! 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 ENA-L Low cost VNA 300 kHz to 1.5/3.0 GHz FieldFox RF Analyzer 5 Hz to 4/6 GHz Fokus der heutigen Veranstaltung Mm-wave solutions Up to 2 THz PNA-X receiver 8530A replacement Page 22 2010 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 ?? ÎÎ Wir haben auch LCR Meter !!! Page 23 2010 Agenda • Arten der Leistungsmessung über der Frequenz • Physikalische Grundlagen der HF Übertragung • Charakterisierung der HF-Übertragung • Messbare Parameter • Aufbau des Network Analyzers • Modellüberblick ¾ Applikationsbeispiele Page 24 2010 Demogerät ENA-L’B’: E5061B. Was macht diesen neuen LF-RF NWA so besonders ? + 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) Ultimate general-purpose Network Analyzer for every R&D engineers ! Page 25 2010 Schlüsseleigenschaften E5061B-3L5 5 Hz to 5 Hz to 30 simplified MHz block diagram Gain-phase S-parameter test port test port T R ATT ATT Zi n Zi n T R LF OUT DC bias source R1 R2 T1 T2 Gain-phase • 5 Hz to 3 GHz Frequenzbereich • S-Parameter Test Port 3 GHz Port-1 Port-2 S-parameter Misst den Prüfling von LF bis HF komplett (5 Hz to 3 GHz, 50Ω) • Gain-Phase Test Port (5 Hz to 30 MHz, 1 MOhm / 50 Ohm) Hohe Anschlussimpedanz für Messungen (DC-DC Konverter, Verstärker, etc) Gute Messgenauigkeit auch bei tiefen Frequenz • Grosser Dynamikbereich in der LF (DC-DC Konverter, Verstärker, etc) • Eingebaute DC Quelle für Vorspannung Ideal für Messungen mit (parametrisierter) (bis zu ±40 Vdc, max 100 mAdc, sweepable) DC-Vorspannung (Verstärker, MEMS, aktive Antennen, et Page 26 2010 Klassische S-Parameter Messungen DUT -120 dB -80 dB 100 Hz Bandpass Filter mit hoher Sperrwirkung (F0=1.09 GHz) 1 GHz Sehr breitbandige Messung der Durchgangsdämpfung S21 an einer Entkopplungsschaltung Page 27 2010 DC-DC Converter Theory of Operation On condition Feedback loop circuit Ton Toff Vd Ion Vin Vout L ON Load Vd Cout ON OFF ON OFF ON OFF Ion Off condition Feedback loop circuit Ioff Ioff Vin Vout L OFF Vd Load Cout Vout Time 9 On/off condition of the SW is controlled by the Feedback loop circuit 9 Vout level is determined by the pulse duty ratio 9 Repeating on/off operation while monitoring the Vout and adjusting pulse duty ratio, regulated DC voltage can be obtained Page 28 2010 28 Power Design Nov DC-DC Converter Simplified Block Diagram DC/DC converter IC Output LC filter MOSFET L Vin Cin Error Amp. Vref + C3 Vout Load PWM Vfeedback Cout Pulse Width Modulator R4 R3 C1 C2 R1 R2 9 Error Amplifier compares the reference voltage (Vref) and the feedback voltage (Vfeedback) 9 C1, C2, C3, R1, R2, R3, R4 adjusts the gain and phase delay of the error amplifier to improve the feedback loop stability 9 DC-DC converter can be regarded as a negative feedback control system Page 29 2010 29 Power Design Nov Gain-Phase Messungen (5 Hz to 30 MHz) Measuring control loop circuits (DC-DC converters/switching power supplies, and other servo loop circuits.) Loop gain |Aβ| Measures round transfer function of feedback loop, T/R = -Aβ E5061B-3L5 High-Z -+ DUT A 0 dB VT Phase High-Z 0 deg β Aβ VR Phase margin 50 Signal injection device (Transformer with resistor, or OP-amp summing circuit) 100 Hz 1 MHz DC-DC converter loop-gain measurement example Page 30 2010 Messungen an einem selbst gebauten Shunt (1 mOhm Widerstand) 2-resistor-type power splitter 1 mOhm DUT Messung an den S-Parameter Ports (50Ω) Messung an den Gain-Phase Ports (1 MOhm Eingang) Braucht Spulenkern zur Messung genau wie bei Messungen an Prüflingen mit sehr großer Dämpfung! Page 31 2010 Messergebnisse am Shunt (Vergleich) CH1: S-param. test ports with core 20*Log(|Z|) CH:2 Gain-phase test ports without core Source=10 dBm IFBW=Auto / 10 Hz-limit 20*Log(|Z|) Source=10 dBm Port-R: Zin=50 ohm, ATT=20 dB Port-T: Zin=50 ohm, ATT=0 dB IFBW=Auto / 10 Hz-limit 10 dB/div |Z|, linear scale |Z|, linear scale 500 uohm/div Beide Messungen ergeben korrekte Ergebnisse. Bei ganz tiefen Frequenzen ist die Gain-Phase Messung allerdings überlegen. Die Gain-phase Test Ports ermöglichen eine Messung auch von mOhm-Prüflingen ohne die Verwendung von Spulenkernen. Bei der S-Parameter Messung ist das Ergebnis sehr abhängig vom richtigen Aufbau und der Anzahl der Windungen und damit viel schwerer reproduzierbar. Page 32 2010 Flexible Schaltung der internen DC-Quelle (1) Überlagerung von DC-Bias Spannung und AC Test Signal Messungen von 5 Hz bis 3 GHz ohne externe Bias-T und Quelle. DC bias source • 0 to +-40 Vdc (max current 100 mAdc) • Resolution : 1mV (@ ~10Vdc) or 4 mV (@10~40 Vdc) • Voltage accy : 0.1%+-4 mV • Output-Z : 50 ohm • Sweepable T R Zin = 1 Mohm LF OUT AC+DC, R1 R2 T1 T2 Port-1 or Setup: DC Bias Port ….. LF OUT Meas. Port …….. Gain-Phase Port-2 AC+DC Setup: DC Bias Port ….. Port 1 Meas. Port …….. S-parameter Page 33 2010 Flexible Schaltung der internen DC-Quelle /Fortsetzung (2) Der niederfrequente LF out kann als reiner DC Ausgang genutzt werden während an S-Parameter Port-1 & 2 gemessen wird. Setup: DC Bias Port …. LF OUT Meas. Port ……. S-parameter T R R1 R2 T1 T2 CH1: Freq. vs. Gain DC bias source LF OUT CH2: Vtune vs. Gain (DC bias sweep) Vtune=3 Vdc (Data) Port-1 Port-2 AC DC 2 Vdc (Mem) 1 Vdc (Mem) DUT: z.B. HF-Verstärker, braucht ca. 3V Versorgungsspannung Was passiert wenn die geringer wird? 0 Vdc (Mem) 0 Vdc 3 Vdc Page 34 2010 Piezo-Transducer, Mikroaktuatoren (MEMS, piezo-ceramics, etc) Example: MEMS resonators / gyro sensors Freq response measurement with DC bias • onto AC test signal, or • separately at DC bias port of DUT Signal conditioning amplifier (Trans-impedance amp) Resonator response Amplifier response Total response S21 response of resonator Page 35 2010 Universelle Anwendungen in F&E (Automobil, Medizin, A&D, Kommuniksation, Industrielektronik etc) LF-to-RF network meas. needs in electronic equipment. Excellent RF performance Wireless Interfaces 5 Hz to 3 GHz coverage (Zigbee, Bluetooth, HF/UHF RFIDs, etc) S-parameters MHz to GHz range Wide dynamic range at LF DC-biased measurement 9 Sensor signals LF amplifiers Freq. responses, CMRR, & PSRR near-DC to 100 MHz 9 Antennas Transceivers Low/mid speed data bus A/D (CAN, FlexRay, etc) 9 MPUs/ MCUs Transceivers 9 Freq. resp. & impedanceWide 100 kHz to MHz range Oscillator circuits Freq. resp.(loop gain) MHz range Loop gain, milliohm-impedance, & S21 near-DC to GHz Filters dynamic range at MHz range 9 DC-DC (POL/VRM) DC-DC converters Wide dynamic range at LF 5 Hz to 3 GHz in single sweep PDNs (Power Delivery Networks) CMRR = Gleichtaktunterdrückung, PSRR = Netzstörunterdrückungsverhältnis (power supply rejection ratio) Page 36 2010 Programmend e Vielen Dank für Ihr Interesse an Netzwerk-Analysatoren! [email protected] Page 37 2010
