DE10065644A1 - Kalibrieranordnung mit Kalibrierstandards gleicher Einfügungslänge bei unterschiedlicher Leitungslänge zur Kalibrierung vektorieller Netzwerkanalysatoren - Google Patents

Abstract

Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht für Verfahren zur Kalibrierung vektorieller Netzwerkanalysatoren mit unterschiedlich langen Kalibrierleitungsnormalen, wie beispielsweise dem TRL-Verfahren, eine Anordnung zu schaffen, bei der alle Kalibrierstandards die gleiche Gesamtlänge aufweisen. Eine Realisierung beispielsweise auf Mikrostreifenleitungsbasis führt auf eine Kalibrierschaltung mit identischer Längenabmessung für alle Kalibrierstandards, die in einer Messvorrichtung verschoben werden kann, ohne die Stecker und Messkabel während der Kalibrierung seitlich verschieben zu müssen. Dadurch reduzieren sich die Anforderungen an die Phasenmessgenauigkeit der Messkabel und an die Komplexität der Messvorrichtung. DOLLAR A Die erfindungsgemäße Anordnung basiert auf der Strukturierung der Kalibrierleitungen mit Hilfe von Winkelelementen, die in mehreren Stufen hintereinander positioniert werden. Die Strukturen der einzelnen Stufen sind für die verschiedenen Kalibrierleitungen in ihren Abmessungen identisch, unterscheiden sich aber bezüglich ihrer Ausrichtung und können damit die Längendifferenzen der verschiedenen Kalibrierstandards ausgleichen. Da die Kalibrierstrukturen im Bereich der Winkelanordnungen das gleiche Reflexions- und Transmissionsverhalten besitzten, sind die Voraussetzungen für die Einsetzbarkeit der Kalibrierstrukturen in Kalibrierverfahren erfüllt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kalibrierung vektorieller 4-Messstellen-Netz­ werkanalysatoren laut Oberbegriff des Hauptanspruches.

Netzwerkanalysatoren zur Vermessung hochfrequenter Streuparameter von Ein- und Zwei­ toren weisen Systemfehler, wie etwa fehlangepasste Messtore, unvollkommene Richtkopp­ ler und frequenzabhängige nichtideale Mischer und Verstärker auf. Zur Bestimmung der systemfehlerkorrigierten Streuparameter eines Messobjektes ist es erforderlich, die Sy­ stemfehler in einem Fehlermodell zu erfassen und die Fehlerparameter im Rahmen einer Kalibrierung zu bestimmen. In Abb. 1 ist ein für den 4-Messstellen-Netzwerkanaly­ sator bekanntes Blockschaltbild gemäß dem sogenannten 7-Term-Modell dargestellt. Das Blockschaltbild besteht aus der Hintereinanderschaltung der beiden Fehlerzweitore G und H zur Erfassung der Systemfehler sowie dem Messobjektzweitor (MO), [1]. Die mit m₁ bis m₄ bezeichneten Messgrößen, sind den auf die Messstellen zulaufenden Wellen pro­ portional. Die Größen a₁, a₂, b₁ und b₂ entsprechen den von den Systemfehlern befreiten Wellengrößen hinter den Fehlerzweitoren, die mit den gesuchten Messobjektstreuparame­ tern wie folgt zusammenhängen:

Bei der Kalibrierung des Netzwerkanalysators lassen sich die unbekannten Fehlerzweito­ re G und H nur bis auf einen Vorfaktor bestimmen, so dass ein Fehlerzweitorparame­ ter frei gewählt werden kann, wie beispielsweise H₂₂ = 1. Damit sind im Rahmen der Kalibrierung sieben unbekannte Fehlerzweitorparameter zu berechnen, was sich in der Bezeichnung als 7-Term-Modell wiederspiegelt. Neben Kalibrierverfahren mit vollständig bekannten Kalibrierstandards existieren die sogenannten Selbstkalibrierverfahren mit teil­ weise unbekannten Standards. Bei den Selbstkalibrierverfahren werden zusätzlich zu den Fehlerzweitoren G und H die unbekannten Parameter der Kalibrierstandards im Rahmen einer Selbstkalibrierung bestimmt.

Zu den Selbstkalibrierverfahren zählt das TRL-Verfahren, [2] [3]. Dabei steht T (engl. Through) für eine Durchverbindung, R (engl. Reflect) für einen Reflexionsstandard und L (engl. Line) für eine Leitung mit einer bestimmten Differenzlänge bezogen auf die Durch­ verbindung. Zur Durchführung der Systemfehlerkorrektur ist die Vermessung der drei Kalibrierstandards erforderlich. Aufgrund der unterschiedlichen Längen der Kalibrier­ standards ist es allerdings nötig, die Messkabel während der Kalibrierung zu verschieben. Das wirkt sich nachteilig auf die Messgenauigkeit aus, da die Messanordnung bezüglich der Phasenmessgenauigkeit empfindlich gegen derartige Verschiebungen ist. Insbesondere erhöhen sich dadurch die Anforderungen an die Phasenstabilität der Messkabel und die Komplexität der Messvorrichtung nimmt zu.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, für Ka­ librierverfahren mit unterschiedlich langen Kalibrierleitungsnormalen, wie beispielsweise dem TRL-Verfahren, eine Anordnung zu schaffen, bei der die Kalibrierschaltung für al­ le Kalibrierstandards die gleiche Länge aufweist, so dass die Stecker und Messkabel der Messvorrichtung fest positioniert werden können und die Kalibrierschaltung zur Kon­ taktierung der verschiedenen Standards in der Messvorrichtung verschoben wird, ohne dabei die Messkabel und Stecker in ihrer Lage zu verändern. Die seitlichen Anschlüsse der Kalibrierstandards können gegenüberliegend auf gleicher Höhe kontaktiert werden. Die erfindungsgemäßen Anordnungen lassen sich beispielsweise als Mikrostreifenleitungs­ schaltungen realisieren und ermöglichen, die Anforderungen an die Messvorrichtung zu reduzieren.

Die erfindungsgemäße Anordnung basiert auf der Strukturierung der Kalibrierleitungen mit Hilfe von Winkelelementen, durch die in die Kalibrierleitungen Störstellen in Form von Knicken eingefügt werden. Die im Knickbereich auftretenden Feld- und Stromlinien­ verzerrungen, die sich in einer Stromlinienkonzentration an der inneren Ecke und einem elektrischem Streufeld an der äußeren Ecke äußern, [4], können durch eine Eckanschrägung breitbandig kompensiert werden. Bei der Hintereinanderschaltung mehrer Winkelelemente ist darauf zu achten, dass die Abstände zwischen den Elementen hinreichend groß gewählt werden, so dass sich die durch die Knickstellen verursachten Störungen auf den Verbin­ dungsleitungsstücken egalisieren können, bevor ein weiteres Winkelelement, eine Kali­ brierstruktur oder die seitlichen Stecker zur äußeren Kontaktierung folgen. Unter diesen Voraussetzungen lassen sich mehrere Winkelelemente in Stufen hintereinander positionie­ ren, wobei die Strukturen der einzelnen Stufen für die verschiedenen Kalibrierleitungen in ihren Abmessungen identisch zu wählen sind, sich aber bezüglich ihrer rechts- oder links­ schwenkenden Ausrichtung unterscheiden dürfen, so dass die Gesamtstrukturen jeweils die gleichen elektrischen Eigenschaften besitzen. Es lassen sich auf diese Weise Schaltungsto­ pologien realisieren, die es ermöglichen, die Längendifferenzen der Kalibrierstandards so auszugleichen, dass die Gesamtlänge der Kalibrierschaltung für alle Standards identisch ist. Diese Eigenschaft der Kalibrierschaltung ermöglicht, dass die Stecker und Messkabel zum Netzwerkanalysator nicht seitlich verschoben werden müssen. Die Kalibrierstruktu­ ren besitzen das gleiche Reflexions- und Transmissionsverhalten zwischen den äußeren Anschlüssen und einer Bezugsebene hinter den eingefügten Winkelstrukturen, womit die Voraussetzungen für die Einsetzbarkeit der erfindungsgemäßen Kalibrierstrukturen in den Kalibrierverfahren mit unterschiedlich langen Kalibrierleitungen erfüllt sind.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Kalibrierstandards als 135°-Winkel­ strukturen mit kompensierten Eckanschrägungen auszubilden, um steile Abwinkelungen für eine möglichst breitbandige Anpassung zu vermeiden und dabei gleichzeitig den Platz­ bedarf zu optimieren. Im Prinzip könnten aber auch Strukturen mit kompensierten 90°- Winkeln beziehungsweise beliebigen Winkeln oder abgerundeten Ecken eingesetzt werden. Bei der Abrundung der Ecken ist allerdings zu berücksichtigen, dass diese Struktur nur eine sehr geringe Kompensationswirkung besitzt.

Die Variante im Patentanspruch 2 geht davon aus, dass anstelle von Mikrostreifenleitun­ gen andere Leitungen verwendet werden, wie beispielsweise Koplanar-Leitungen, Schlitz­ leitungen, Hohlleitungen, dielektrische Leitungen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. In Abb. 2 ist ein Beispiel einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung exemplarisch für eine Realisierung der Kalibrierstandards als Mikrostreifenleitungsschal­ tung gemäß dem TRL-Verfahren dargestellt. Dabei ist mit 1 die Durchverbindung T, mit 2 die Leitung L und mit 3 der Reflexionsstandard R gezeigt. Zusätzlich ist eine Leitung mit Anschlusspads 4 zur Kontaktierung eines Messobjektes wie beispielswei­ se eines Transistors dargestellt, um die Durchführung einer Messobjektvermessung zu verdeutlichen. In den Bereichen zwischen den äußeren Kontakten 5 und den gestrichelt eingezeichneten Bezugsebenen 6 setzen sich die Kalibrierstandards aus der Hintereinan­ derschaltung gleichförmiger kompensierter 135°-Winkelelemente zusammen, die sich in ihrer rechts- oder linksschwenkenden Ausrichtung unterscheiden. Die Kalibrierstandards besitzen in den eingezeichneten Bereichen identische Reflexions- und Transmissionseigen­ schaften, was sich anhand der in den Abb. 3 und 4 dargestellten Strukturen verdeutlichen lässt. In Abb. 3 sind zwei 135°-Winkelelemente mit in unterschied­ liche Richtungen zeigenden Leitungsabwinkelungen aufgeführt. Die bereits erwähnten im Knickbereich auftretenden Feld- und Stromlinienverzerrungen, werden durch die darge­ stellten Eckanschrägungen breitbandig kompensiert. Zusätzlich ist aufgrund der hinrei­ chend langen Abstände zwischen den Abwinkelungen und den äußeren Leitungsenden gewährleistet, dass sich die durch die Knickstellen verursachten Störungen auf den Zu­ leitungsstücken egalisieren können. Die vorliegende Erfindung basiert wesentlich auf der Tatsache, dass die beiden in Abb. 3 dargestellten rechts- oder linksschwenkenden Strukturen zwischen den äußeren Anschlüssen das gleiche elektrische Verhalten aufweisen. Ergänzt man die Strukturen aus Abb. 3 durch eine weitere Stufe kompensierter Winkelelemente mit hinreichend langen Abständen zwischen den Knickstellen zur Ega­ lisierung der im Knickbereich verursachten Störungen wie in Abb. 4, so besitzen die beiden aufgeführten Strukturen trotz der unterschiedlichen Ausrichtungen das gleiche elektrische Verhalten an den äußeren Klemmen. Damit lässt sich die Gleichheit der in Abb. 2 gezeigten Strukturen in den markierten Bereichen 5 und 6 begründen.

Unter Ausnutzung dieser Eigenschaften lassen sich weitere Anordnungen für die Hinterein­ anderschaltung von Winkelelementen angeben. Da der Vorteil der Erfindung insbesondere in dem Ausgleich der Längendifferenzen unterschiedlicher Kalibrierstandards liegt, werden im Folgenden verschiedene Möglichkeiten zur Strukturierung ungleich langer Leitungen angegeben. Die übrigen Kalibrierstandards wie etwa der Reflexionsstandard beim TRL- Verfahren lassen sich auf der Basis eines der beiden Leitungstypen einfach realisieren, was bereits in Abb. 2 gezeigt wurde und daher in der weiteren Darstellung nicht mehr berücksichtigt wird.

In Abb. 5 ist mit der ersten Struktur nochmals die Anordnung aus Abb. 2 für die beiden Leitungsstandards T und L gezeigt. Als weitere kompensierte 135°- Anordnung läßt sich die zweite Struktur angeben. Beide Anordnungen sind symmetrisch zu der in dem T-Standard angegebenen Bezugsebene. Ein Beispiel für eine asymmetrische, kompensierte 135°-Winkelanordnung stellt die Struktur in Abb. 6 dar. Beispiele von Ausführungen auf der Basis kompensierter 90°-Winkelelemente sind in der Abb. 7 gezeigt, wobei mit den ersten drei Strukturen symmetrische und mit der vierten bis sechsten Struktur asymmetrische Anordnungen aufgeführt sind. Die jeweiligen Längen­ differenzen zwischen den Leitungsstrukturen sind durch die gestrichelt eingezeichneten Bezugsebenen verdeutlicht.

Literatur

[1] Schiek, B., Grundlagen der Hochfrequenz-Messtechnik, Springer-Verlag, Berlin Hei­ delberg, 1999, pp. 154-167.
[2] Engen, G. F., Hoer, C. A., Thru-Reflect-Line: An improved technique for calibrating the dual six port automatic network analyzer, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT-27, Dec. 1979, pp. 987-993.
[3] Eul, H.-J., Schiek, B., A Generalized Theory and New Calibration Procedures für Network Analyzer Self-Calibration, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT- 39, April 1991, pp. 724-731.
[4] Hoffmann, R. K., Integrierte Mikrowellenschaltungen, Springer-Verlag, Berlin Heidel­ berg, 1983, pp. 290-297.

Claims (2)

1. Kalibrieranordnung mit Kalibrierstandards gleicher Einfügungslänge bei unter­ schiedlicher Leitungslänge zur Kalibrierung vektorieller Netzwerkanalysatoren, da­ durch gekennzeichnet, dass Kalibrierstandards unterschiedlicher Länge durch die Hintereinanderschaltung von Winkelelementen so realisiert werden, dass die Ge­ samtlänge der Kalibrierschaltung für alle Kalibrierstandards identisch ist. Für die Hintereinanderschaltung der Winkelelemente in mehreren Stufen gilt für die Winkel­ strukturen der einzelnen Stufen aller Kalibrierstandards, dass diese bezüglich ihrer Abmessungen und Abwinkelungen identisch zu wählen sind, sich aber in ihrer Aus­ richtung unterscheiden dürfen. Die Winkelelemente sind so zu dimensionieren, dass die im Knickbereich auftretenden Feld- und Stromlinienverzerrungen durch geeig­ nete Maßnahmen, wie beispielsweise Eckanschrägungen, zu kompensieren sind. Die Abstände zwischen verschiedenen Knickstellen sind so groß zu wählen, dass sich die durch die Knicke verursachten Störungen auf den Verbindungsleitungsstücken ega­ lisieren können. Die Kalibrieranordnungen lassen sich beispielsweise auf der Basis von Mikrostreifenleitungsschaltungen ätztechnisch realisieren.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle von Streifenlei­ tungen andere Leitungen verwendet werden, wie beispielsweise Koplanar-Leitungen, Schlitzleitungen, Hohlleitungen, dielektrische Leitungen.