Versuchsumdruck Netzwerkanalysator

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Aschaffenburg
STUDIENGANG Wirtschaftsingenieurwesen
Prof. Dr.-Ing. U. Bochtler, Armin Huth
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Versuch 4
Version 1.1 vom 03.05.2001
Versuchsumdruck
Netzwerkanalysator - Grundlagen und Einstieg
Inhalt
1 Einführung, Grundlagen ................................................................................................2
1.1 Anwendung .............................................................................................................2
1.2 Messgrößen ............................................................................................................2
1.3 Betriebs-Dämpfung und Reflexionsfaktor, Messgrößen..........................................3
1.4 Reflexionsfaktor, Stehwellenverhältnis, Eingangsimpedanz ...................................4
1.5 Wiederholung deziBel .............................................................................................5
1.6 Phase, Gruppenlaufzeit, Phasenlaufzeit .................................................................6
1.7 Time Domain Darstellung........................................................................................6
2 Aufbau eines Netzwerkanalysators ...............................................................................7
2.1 Blockdiagramm .......................................................................................................7
2.2 Frequenzaufbereitung, Pegelsender .......................................................................8
2.2.1 Sweeper ........................................................................................................8
2.2.2 Synthesizer....................................................................................................8
2.3 Pegelmessung ......................................................................................................11
2.4 Zerstörung des Netzwerkanalysators durch Überlastung......................................11
2.5 Skalare und vektorielle Netzwerkanalysatoren......................................................11
3 Erstes Kennenlernen des Geräts..........................................................................11
4 Messungen mit dem Netzwerkanalysator....................................................................12
4.1 Messungen zum Gerät ..........................................................................................13
4.2 Kabel-Messungen .................................................................................................13
4.3 Eingangsimpedanz eines Monopols......................................................................15
4.4 Filter ......................................................................................................................15
4.4.1 Bandpassfilter 434 MHz ..............................................................................15
4.4.2 Tiefpassfilter 70 MHz ..................................................................................15
4.5 Messungen mit dem Smithdiagramm....................................................................15
Anhang............................................................................................................................16
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1 Einführung, Grundlagen
1.1 Anwendung
Netzwerkanalysatoren kommen überall dort zum Einsatz, wo Eigenschaften von Vieroder Zweipolen erfasst und dokumentiert werden sollen. Diese Messungen finden
sowohl im Entwicklungsbereich statt, als auch im Rahmen von Stückprüfungen im
Produktionsablauf. Der betrachtete Frequenzbereich beginnt bei Audioanwendungen
und endet im hohen Mikrowellenbereich.
1.2 Messgrößen
Als primäre Größen werden bei einem Netzwerkanalysator immer Spannungen über der
Zeit erfasst. Die daraus ableitbaren bzw. darstellbaren Größen sind:
Spannungs-Übertragungsverhalten über der Frequenz (Dämpfung, Verstärkung),
Reflexionsfaktor (komplex),
Impedanzen in Abhängigkeit der Frequenz,
Phasenbeziehung zwischen Ein- und Ausgang sowie
Laufzeit zwischen Ein- und Ausgang.
Bild 1.2-1: Reflexion und Transmission bei Messungen
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Bild 1.2-2: Schema einer Messung
1.3 Betriebs-Dämpfung und Reflexionsfaktor, Messgrößen
Netzwerk- und Spektrumanalysatoren arbeiten mit festgelegten Ein- und Ausgangsimpedanzen. Für Hochfrequenz- und Mikrowellenanwendungen sind dies im Regelfall
50 Ω, während bei Messungen in der Video- bzw. Fernsehverteiltechnik auf einem
Impedanzniveau von 75 Ohm gearbeitet wird.
Diese Impedanzvorgaben haben zur Folge, dass Übertragungsfaktoren als sogenannte
“Betriebsübertragungsfaktoren" definiert werden:
Betriebsdämpfung = Spannung am Ausgang bezogen auf die maximal verfügbare Spannung am Eingang. Die maximal verfügbare Spannung beträgt bei Impedanzanpassung
U0/2, wenn die leerlaufende Quelle die Spannung U0 besitzt.
U0/2
U2
Bild 1.3-1: Betriebsdämpfung
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1.4 Reflexionsfaktor, Stehwellenverhältnis, Eingangsimpedanz
Die Zusammenhänge zwischen den Größen “Reflexionsfaktor“, “Stehwellenverhältnis“
und “Eingangswiderstand“ seien im folgenden nochmals kurz dargestellt.
Reflexionsfaktor: Wie bereits weiter oben erwähnt, beschreibt der Reflexionsfaktor das
Verhältnis zwischen der vor- und rücklaufenden Spannungswelle an einem Tor eines
Vierpols:
r = (Zein-ZL)/(Zein+ZL)
Die Eingangsimpedanz ist der komplexe Widerstand, der in ein Tor eines Vierpols
„hineingesehen“ wird.
Zein = R + jX
VSWR Voltage Standing Wave Ratio: Diese im deutschen unter dem Namen „Stehwellenverhältnis“ bekannte Größe beschreibt das Verhältnis zwischen Maximum und
Minimum einer stehenden Welle, die auf einer Leitung gemessen werden kann, wenn
diese durch eine Impedanz (z.B. eine Antenne, ein Messgerät oder einen Sensor)
abgeschlossen ist.
Umrechnung zwischen den Größen
VSWR = s = Umax/Umin
s = (1+r)/(1-r)
r = (s-1)/(s+1)
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1.5 Wiederholung deziBel
Dezibel – dB – werden überall dort verwendet, wo große Faktoren (1 .. 100000) auftreten, die durch zweistellige Zahlen charakterisiert werden sollen. Unterschieden wird
bei der Definition in spannungsbasierte und leistungsbasierte Größen.
Spannungsdämpfung/Verstärkung
a = 20 lg (U2/(U0/2)) [dB]
Während bei Messungen mit dem Netzwerkanalysator nur Spannungsverhältnisse auftreten, wird die dB-Darstellung auch für die Charakterisierung von absoluten Feldstärken
oder Leistungen verwendet. Beispiele:
dBm kennzeichnet die Bezugsleistung 1 mW (über 10 lg (P/1mW) )
also
0 dBm = 1 mW
3 dBm = 2 mW
10 dBm = 10 mW
dBµV kennzeichnet die Bezugsspannung 1 µV (Vorsicht jetzt 20 mal Logarithmus!)
also
0 dBµV = 1 µV
6 dBµV = 2 µV
20 dBµV = 10 µV
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1.6 Phase, Gruppenlaufzeit, Phasenlaufzeit
Neben den Pegelverhältnissen spielen Laufzeiten bei nachrichtentechnischen Systemen
- vor allem bei Videoanwendungen - eine wichtige Rolle (Farbverschiebungen). Auch bei
der Dimensionierung von rückgekoppelten Breitbandverstärkern spielt die Phasenlage
des rückgeführten Signals (insbesondere wenn sie in die Größenordnung von 180 Grad
kommt ) für die Schwingneigung eines Systems eine bedeutende Rolle.
Gemessen wird dabei im einfachsten Fall die Verschiebung eines Nulldurchgangs einer
Sinuskurve beim Durchlaufen des Vierpols.
1.7 Time Domain Darstellung
Bei umfangreicheren teureren Geräten steht meist die nötige Rechnerleistung zur Verfügung, die es erlaubt, die im Frequenzbereich dargestellten Pegel- und Phasenverläufe
in den Zeitbereich (engl. Time Domain) zurückzurechnen. Diese Zeitbereichsdarstellung
bietet sich insbesondere bei der Qualifikation von Kabel- oder Leitungsübergängen an,
da hier direkt ermittelt werden kann, in welcher Entfernung auf der Leitung sich eine
Inhomogenität oder Störung befindet.
Beim vorliegenden Gerät ist diese Option nicht vorhanden.
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2 Aufbau eines Netzwerkanalysators
2.1 Blockdiagramm
Das nachfolgend gezeigte Blockdiagramm gibt einen ersten Überblick über die im Netzwerkanalysator enthaltenen Einzelbaugruppen. Die wesentlichen Hauptmodule sind der
Frequenzgenerator und die Signalerfassung.
Bild 2.1-1: Schematischer Aufbau eines Netzwerkanalysators
Bild 2.1-2: Blockschaltbild des Netzwerkanalysators
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2.2 Frequenzaufbereitung
2.2.1 Sweeper
Unter einem Sweep-Generator (deutsch: Wobbelgenerator) versteht man einen spannungsgesteuerten Oszillator, der ein vorgegebenes Frequenzband aufgrund einer
Sägezahnspannung durchläuft. Der Vorteil eines Sweep-Generators besteht in der
Einfachheit seines Aufbaus und damit seinen geringen Kosten. Nachteilig sind alle
Nichtlinearitäten in der ansteuernden Sägezahnspannung und der nachfolgenden
Oszillatorkennlinie. Diese Nichtlinearitäten führen dann letztendlich zu einem Fehler bzw.
Versatz im Frequenzbereich.
kontinuierlicher Durchlauf
Frequenz
Steuerspannung des VCOs
Zeit
Bild 2.2-1: Prinzip eines Wobbelgenerators
2.2.2 Synthesizer (hier verwendeter Generatortyp)
Im Gegensatz zum Sweep-Generator handelt es sich beim Synthesizer um ein frequenzgeregeltes System, bei dem jede einzeln eingestellte Frequenz über Teilerbausteine und
eine
Phasenregelschleife
(PLL:
Phase-Locked
Loop)
an
einen
hochgenauen
Referenzoszillator angebunden ist. Damit ist gewährleistet, dass jede eingestellte
Frequenz dieselbe Genauigkeit besitzt, wie die vorgegebene Referenzfrequenz. Diese
kann je nach Gerätetyp auch von einem hochgenauen, externen an eine Funkreferenz
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angebundenen Oszillator gespeist werden.
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Frequenz rastet auf fest vorgegebene Werte ein,
die durch die Teilerfaktoren vorgegeben sind
Frequenz
Bild 2.2-2: Prinzip eines Synthesizers
Phasenregelschleifen dienen zur flexiblen Anbindung eines hochfrequenten Oszillators
an eine stabile Quarzreferenz. Der HF-Oszillator wird über einen Frequenzteiler im
Rückkopplungszweig an eine wesentlich niedrigere Referenzfrequenz gekoppelt. Damit
wird die Frequenz des VCOs stabilisiert. Das nachfolgende Bild zeigt das typische PLLBlockschaltbild, das aus einer Referenzfrequenzquelle, einem Phasenvergleicher, dem
Schleifentiefpaß, einem spannungsgesteuerten Oszillator und einem Teiler im Rückführungszweig besteht.
Bild 2.2-3 Blockschaltbild PLL
Bild 2.2-4: Blockschaltbild
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2.3 Pegelmessung
Auf der Empfängerseite liegt die Hauptaufgabe in einer Messung eines empfangenen
Pegels. Diese Messung findet im Netzwerkanalysator mit Hilfe eines Peakdetektors statt.
Nach mehrfachem Mischen in höhere und tiefere Zwischenfrequenzniveaus wird das
Signal gleichgerichtet und abgetastet. Der einfachste Aufbau eines Spitzenwertgleichrichters kann mit einer Diode und einem RC-Glied beschrieben werden. Ein
nachfolgender A/D-Konverter wandelt das Signal für die weitere Verarbeitung mit dem
messgerätinternen Rechner.
2.4 Zerstörung des Netzwerkanalysators durch Überlastung
Die dauerhafte Schädigung eines Netzwerkanalysators erfolgt im Regelfall durch Anlegen einer zu hohen Spannung am Ein- oder Ausgang. Bei passiven Schaltungen stellt
dies kein Problem dar, während bei der Entwicklung von aktiven Modulen durchaus die
Versorgungsspannung bei Fehlen oder Überbrückung der Entkoppelkondensatoren an
Ein- und Ausgang der Schaltung den Netzwerkanalysator zerstören kann
2.5 Skalare und vektorielle Netzwerkanalysatoren
Netzwerkanalysatoren werden in skalare und vektorielle Geräte unterschieden. Vektorielle Analysatoren sind mit Phasenmesseinrichtungen ausgestattet und können neben
betragsmäßigen Größen auch Winkelbeziehungen der Einzelsignale darstellen.
Vektorielle Analysatoren zeigen dann zum Beispiel die Eingangsimpedanz in der SmithDiagrammdarstellung an.
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3 Erstes Kennenlernen des Geräts
(Gerätetyp: 8712 ET 0,3-1,3 GHz, without Attenuator)
Aufgabe 3.1:
Schauen Sie sich das Gerät von vorne und hinten an.
Welche Buchsen sind erkennbar (Aufzählung)?
Aufgabe 3.2:
Wie hoch ist die mit dem Gerät maximal erzielbare Dynamik in dB (siehe mitgelieferten
technischen Dokumentation S.9-22)?
Aufgabe 3.3:
Ermitteln Sie die folgenden Größen anhand der techn. Dokumentation (S.9-14 bis S.9-18)
Frequenzbereich/Range:
Genauigkeit der Frequenz im CW (Dauer-) Betrieb:
Outputpower (min und max):
Genauigkeit Power über der Frequenz:
Spectral Purity:
Harmonics
Spurious
Möglichkeit des Powersweeps?
Aufgabe 3.4:
Welche Maximaltemperaturen sind für Transport und Lagerung zugelassen, welche
Luftfeuchtigkeit darf nicht überschritten werden? (siehe S.9-32)
Aufgabe 3.5:
Entnehmen Sie der technischen Dokumentation, bei welchen Maximalspannungen (DC
und HF) das Gerät zerstört wird! (siehe S.9-20 damage level)
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4 Messungen mit dem Netzwerkanalysator
4.1 Messungen zum Gerät
Aufgabe 4.1-1: (ohne Kalibration)
Verbinden Sie Ein- und Ausgang des Geräts! Welchen Reflexionsfaktor messen Sie
zwischen 300 kHz und 1300 MHz? Wieviel Prozent der eingespeisten Spannungswelle
wird im ungünstigsten Fall reflektiert?
Messung über:
MEAS 1
>
REFLECTION > MARKER (über Drehknopf)
Aufgabe 4.1-2:
Wie hoch ist im ungünstigsten Fall das Stehwellenverhältnis VSWR ?
Messung über:
FORMAT
>
SWR
Aufgabe 4.1-3:
Wie würde eine Darstellung im Smithdiagramm aussehen?
Messung über: MEAS 1
>
REFLECTION > FORMAT > SMITH CHART
Aufgabe 4.1-4:
Wie sieht der Transmissionsfaktor in o.g. Frequenzbereich aus?
Messung über: MEAS 1
>
TRANSMISSION > SCALE > SCALE/DIV
4.2 Kabel-Messungen
Bei dieser Messung sollen unterschiedliche Verbindungskabel gemessen werden und
mit Hilfe des Bildschirmspeichers eine entsprechende Kalibration vorgenommen werden.
Wichtig: Jede Änderung am Frequenzbereich erfordert eine neuerliche Kalibration!!!
Display-Kalibration:
DISPLAY > DATA/MEM > DATA→MEM
Erfolgt bei: - Relexionsmessung mit offenem Anschluss RF OUT
- Transmissionsmessung durch Kurzschluss der Anschlüsse RF IN und RF OUT
mit der für die Messung verwendeten Leitung
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Aufgabe 4.2-1:
Wie hoch ist das Grundrauschen des Geräts (Transmissions-Messung mit offenen
Buchsen)?
Aufgabe 4.2-2:
Messen Sie das RGB-Kabel, das für Videoverbindungen zwischen Workstations und
Monitoren eingesetzt wird. Wie hoch ist die Entkopplung (Transmissionsmessung)
zwischen zwei “Adern“ (z.B. grün auf RF IN und blau auf FR OUT) in logarithmischer
Darstellung (welchen Parameter messen Sie?) im Frequenzbereich 300 kHz bis 1300
MHz? Berechnen Sie den Wert der Spannung am Ende der grünen Koaxverbindung
wenn auf “Blau“ 1 V eingespeist wird!
Aufgabe 4.2-3:
Wie hoch ist die Kabeldämpfung (Transmissionsmessung) in logarithmischer Darstellung
(mit der Gleichen Ader RF IN und RF OUT verbinden)?
Was ist aus der Kurve zu erkennen ?
Aufgabe 4.2-4:
Messen
Sie
die
Eingangsimpedanz des RGB-Kabels (Reflexionsmessung) im
Smithdiagramm im Frequenzbereich 40 MHz bis 70 MHz! Interpretieren Sie die
Messung.?
Aufgabe 4.2-5:
Messen Sie im Vergleich zum Koaxkabel eine verdrillte Zweidrahtleitung (Twisted Pair)
insbesondere die Transmission zwischen zwei Adern (und denken Sie hierbei an die
Folgen bei einer Schaltschrankverkabelung, Hausverkabelung oder den Kabelbaum in
Ihrem Kraftfahrzeug).
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4.3 Eingangsimpedanz eines Monopols
Aufgabe 4.3-1:
Bei welcher Frequenz arbeitet der Monopol als λ/4-Resonator (Berechnung)? Messen Sie die
Eingangsimpedanz (Reflexionsmessung) des vorgegeben Monopols (selbstgebaute Antenne)
über einer leitenden Ebene! Interpretieren Sie Ihre Messung.
Aufgabe 4.3-2:
Bauen Sie zwei Monopole auf und prüfen Sie das Übertragungsverhalten (Transmissionsmessung) in Abhängigkeit der Entfernung (0,25m , 1m , 2m). Interpretieren Sie Ihre Messung.
4.4 Filter
4.4.1 Bandpassfilter 434 MHz
Das nachfolgend betrachtete Filter wird als Bandfilter bei der Datenübertragung eines
Bombenentschärfungsroboters eingesetzt. Es soll Störungen, die außerhalb des Nutzbandes liegen, unterdrücken.
Aufgabe 4.4.1-1:
Messen Sie Transmissions- und Reflexionsfaktor in den Frequenzbereichen 100 MHz
bis 1000 MHz sowie direkt im Übertragungsband (400 MHz bis 450 MHz). Führen Sie
jeweils vor der Messung eine Bildschirm-Kalibration durch. Wie ist das Sperrverhalten in
Richtung höherer Frequenzen?
4.4.2 Tiefpassfilter 70 MHz
Aufgabe 4.4.2-1:
Machen Sie dieselben Messungen wie unter 4.4.1-1!
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4.4 Messungen mit dem Smithdiagramm
In zwei Gehäusen sind unbekannte Bauelemente untergebracht.
Aufgabe 4.5-1:
Finden Sie durch Messungen mit dem Netzwerkanalysator heraus, um welche Bauteile es
sich handelt? Messen Sie im Frequenzbereich 0,3 MHz – 100 MHz (siehe Aufgabe 4.1-3)
Liegt das jeweilige Bauelement in Serie oder Parallel?
Verwenden Sie das Smithdiagramm und interpretieren Sie dieses!
Aufgabe 4.5-2:
Schalten Sie beide Elemente in Serie!
Welche Darstellung ergibt sich im Smithdiagramm?
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