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Das
Phasenrauschen von Oszillatoren ist eine wichtige Kenngröße, die
maßgeblich
die elektrischen Eigenschaften eines komplexen elektronischen Gesamtsystems
determiniert. Dabei kann ein Oszillator schaltungstechnisch als
ein Eintor angesehen werden, der sein generiertes Signal an seinem Ausgangstor
den weiteren elektronischen Baugruppen zur Verfügung stellt. Zusätzlich kann
das Phasenrauschen jedoch auch durch weitere elektronische Baugruppen
in einer elektronischen Schaltung erhöht bzw. erzeugt werden. So
kann beispielsweise bei Frequenzteilern (durch den Jitter), bei
frequenzumsetzenden elektronischen Bausteinen (z. B. durch den verwendeten
Referenzoszillator bei Mischern), bei Phasenregelschleifen und bei
nichtlinearen Verstärkern
das ursprünglich
phasenrauscharme Signal einer vorgeschalteten Quelle signifikant
verschlechtert werden. Diese elektronischen Bausteine sind in der
Regel als Zweitore oder im allgemeinen Fall sogar als Mehrtore (Mischer
als Dreitor: Zwei Signaleingänge,
ein Ausgang für
die gemischten Signale) zu betrachten.
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Die
quantitative Erfassung des von solchen elektronischen Baugruppen
zusätzlich
verursachten Phasenrauschens erfolgt bisher dadurch, dass dem Eingang
des zu vermessenden Bausteins ein phasenrauscharmes Signal aus einer
Quelle zugeführt wird
und dann am Ausgang des elektronischen Bausteins das resultierende
Phasenrauschen gemessen wird. Aus der Differenz des resultierenden
Phasenrauschens und dem ursprünglichen
Phasenrauschen des Signals der Quelle kann dann das von solchen elektronischen
Baugruppen zusätzlich
verursachte Phasenrauschen messtechnisch ermittelt werden.
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Die
direkte Messung des Phasenrauschens von durch Oszillatoren erzeugten
Hochfrequenzsignalen kann mit Hilfe eines Spektrumanalysators erfolgen.
Allerdings stößt man hier
wegen des begrenzten Dynamikbereiches des Spektrumanalysators rasch
an messtechnische Grenzen. Daher sind zahlreiche Verfahren entwickelt
worden, um das Problem des begrenzten Dynamikbereiches von Spektrumanalysatoren
zu umgehen. Eine oft angewandte Methode ist die Messung mit einem
Referenzoszillator und einem Phasendetektor wie in der Druckschrift Rhode & Schwarz: Messung
des Phasenrauschens mit den Spektrumanalysatoren der FSE-Familie,
Application Note 1EPAN 16D vom 02.10.1995 angegeben. Dabei wird
das Hochfrequenzsignal des Referenzoszillators durch eine Phasenregelschleife
mit sehr niedriger Regelbandbreite auf das Hochfrequenzsignal des
zu vermessenden Oszillators synchronisiert. Durch die Phasenregelschleife
wird die Phasenlage des Hochfrequenzsignals der beiden Oszillatoren
auf 90 Grad Phasendifferenz eingestellt. Innerhalb der Regelbandbreite
wird das Phasenrauschen des Messobjektes ausgeregelt. Außerhalb
der Regelbandbreite erscheint am Ausgang des Phasendetektors die
Summe der Rauschleistungen des Referenz- und des zu vermessenden
Oszillators. Dieses wird in einem rauscharmen Verstärker verstärkt und
an einem Spektrumanalysator dargestellt. Die Vorteile dieser Anordnung
sind ein sehr hoher Dynamikbereich für die Messung, vorausgesetzt
der Referenzoszillator liefert ein spektral sehr sauberes Hochfrequenzsignal.
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Eine
weitere Einrichtung und weiteres Verfahren zum Messen von Phasenrauschen
ist von Clifford W. Meyers und Rancho Palos Verdes (Raytheon Co.)
aus der Druckschrift
DE
694 32 212 T2 und der Druckschrift
EP 0 660 124 B1 bekannt.
Dabei wird das zu vermessende Signal einer primären Signalquelle mit Hilfe
einer zweiten und einer dritten Signalquelle und mindestens zwei
Mischern gemischt, um verschiedene Differenzsignale zu erzeugen,
die geeignet elektronisch weiterverarbeitet werden. Durch die Bildung
der Autokorrelationsfunktion und von Kreuzkorrelationsfunktionen
kann das Phasenrauschen einer primären Signalquelle sehr exakt
ermittelt werden. Dieses Verfahren ist jedoch sehr aufwendig und
kann nur das Phasenrauschen von Eintor-Signalquellen ermitteln.
Das von Zweitoren oder Mehrtoren verursachte Phasenrauschen kann
mit diesem Verfahren nicht gemessen werden. Ein Verfahren und eine
Apparatur zur Messung von Phasenrauschen ist von Bessho, Masski,
Kobe, Hyogo, Ugawa und Hiroaki (Agilent Technologies) in der nächstkommenden
Druckschrift
DE
10 2005 017 217 A1 gegeben. Dabei wird das zu vermessende
Hochfrequenzsignal einer Signalquelle mit Hilfe eines Leistungsteilers
aufgeteilt und mit der Hilfe von zwei Mischern und Phasenregelschleifen
weiterverarbeitet, schließlich
einer Korrelationsvorrichtung zugeführt und mit aufwendigen elektronischen
Maßnahmen
exakt ausgewertet. Auch dieses Verfahren ist jedoch sehr aufwendig
und kann nur das Phasenrauschen von Eintor-Signalquellen ermitteln.
Insbesondere kann das von Zweitoren oder Mehrtoren verursachte Phasenrauschen
mit diesem Verfahren auch nicht gemessen werden.
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Ein
anderes Verfahren zur quantitative Erfassung des von Zweitoren oder
Mehrtoren zusätzlich verursachten
Phasenrauschens – außer dem
oben geschilderten – ist
nicht bekannt.
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Das
oben geschilderte Verfahren zur quantitative Erfassung des von Zweitoren
oder Mehrtoren zusätzlich
verursachten Phasenrauschens, wobei dem Eingang des Bausteins ein
phasenrauscharmes Signal aus einer Quelle zugeführt wird und dann am Ausgang
des elektronischen Bausteins das resultierende Phasenrauschen gemessen
wird, um aus der Differenz des resultierenden Phasenrauschens und dem
ursprünglichen
Phasenrauschen des Signals der Quelle dann das von solchen elektronischen
Baugruppen zusätzlich
verursachte Phasenrauschen messtechnisch zu ermitteln, hat den Nachteil,
dass die das phasenrauscharme Signal generierende Quelle hinsichtlich
der Phasenrauscheigenschaften signifikant besser sein muss, als
das zu charakterisierende Objekt. Bei nichtlinearen Verstärkern, Frequenz
umsetzenden Objekten (Mischern) oder Frequenzteilern ist dieses
häufig
aber eine enorme Anforderung an die das phasenrauscharme Signal
generierende Quelle, die mit standardgemäßen Laborquellen meist nicht
erfüllt
werden kann, sondern es bedarf dann sehr teurer und aufwendiger
Sonderanfertigungen an geeigneten Quellen.
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Der
im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde,
auf einfache Weise Zweitormessungen mit preiswerten Standardquellen,
deren Phasenrauschen signifikant höher sein kann, als das Phasenrauschen
der zu vermessenden elektronischen Baugruppen, hinreichend exakt
durchzuführen.
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Dieses
Problem wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass die das zur Messung erforderliche Signal generierende Quelle,
ohne Einschränkung
der Genauigkeit der Messung, ein signifikant höheres Phasenrauschen besitzen
darf, als die jeweils zu vermessenden Baugruppen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird anhand der 1 bis 4 erläutert. Es
zeigen:
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1 den
prinzipiellen schaltungstechnischen Aufbau der Messanordnung,
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2 den
prinzipiellen schaltungstechnischen Aufbau der Messanordnung mit
zusätzlichem Verstärker zur
Anhebung des Pegels,
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3 beispielhaft
die Anwendung des Verfahrens auf zu vermessende Verstärker und
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4 beispielhaft
die Anwendung des Verfahrens auf zu vermessende Mischer.
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Der
in 1 dargestellte prinzipielle schaltungstechnische
Aufbau einer erfindungsgemäßen Messanordnung
dient der Erläuterung
des Verfahrens zur Messung des Phasenrauschens von Mehrtoren. Die
Grundidee der Erfindung besteht darin, dass die Messung des von
Mehrtoren verursachten Phasenrauschens unabhängig von den Phasenrauscheigenschaften
der zur Messung erforderlichen Signalquelle erfolgt. Dabei können die
Rauschquellen der gesamten Anordnung als teilkorrelierte Rauschquellen
angesehen werden, wobei das auszuwertende Signal in einen vollständig korrelierten
und einen vollständig
unkorrelierten Anteil zerlegt wird. Durch die Wahl der Phasenlage
wird der vollkorrelierte Anteil vollständig aufgehoben. Der unkorrelierte
Anteil der voneinander unabhängigen
Rauschquellen wird ausgewertet (die Rauschleistungen addieren sich).
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Ein
Generator (1) liefert ein Hochfrequenzsignal als Referenz
für die
Messung des Phasenrauschens. Wegen der technischen Beschränkungen bei
der Erzeugung von solchen Signalen ist in diesem Signal bereits
ein nicht zu vernachlässigender
Anteil an Phasenrauschen enthalten. Über eine Hochfrequenzleitung
(2) ist der Generator (1) mit dem Eingang (a)
eines Leistungsteilers (3) (power splitter) verbunden.
Es handelt sich bei dem Leistungsteiler (3) um einen solchen
(symmetrischen) Typ, der die am Eingang (a) zur Verfügung stehende
Eingangsleistung zu jeweils gleichen Anteilen ohne Phasendifferenz
auf die beiden Ausgänge
(b) und (c) des Leistungsteilers (3) aufteilt. Somit steht
also jeweils die halbe Signalleistung (–3 dB) des Generators (1)
an den beiden Ausgängen
(b) und (c) des Leistungsteilers (3) zur weiteren Verwendung
zur Verfügung.
Die Phasendifferenz zwischen den aufgeteilten Signalen an den beiden
Ausgängen
(b) und (c) des Leistungsteilers (3) beträgt 0 Grad.
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Für die Messung
des von den zu vermessenden elektronischen Bausteinen verursachten
Phasenrauschens sind jeweils zwei Testobjekte (Device Under Test:
DUT) (4) und (5) mit gleichen elektrischen Eigenschaften
erforderlich. Der Eingang (d) des ersten Testobjektes (4)
wird mit einer Hochfrequenzleitung (2) mit dem Ausgang
(b) des Leistungsteilers (3) verbunden. Der Eingang (e)
des zweiten Testobjektes (5) wird mit einer Hochfrequenzleitung (2)
mit dem Ausgang (c) des Leistungsteilers (3) verbunden.
Des weiteren werden die mit zusätzlichem Phasenrauschen
behafteten Ausgangssignale der beiden Testobjekte (4) und
(5) einem umgedreht betriebenen Leistungsteiler (6)
zugeführt,
der somit als Leistungszusammenführer
(power combiner) betrieben wird. Es handelt sich bei dem Leistungsteiler
(6) um einen solchen (unsymmetrischen) Typ, der die am
Tor (k) zur Verfügung
stehende Eingangsleistung zwar zu jeweils gleichen Anteilen jedoch
mit einer Phasendifferenz von 180 Grad auf die beiden Tore (h) und
(i) des Leistungsteilers (6) aufteilt. Somit steht also
jeweils die halbe Signalleistung (–3 dB) des am Tor (k) eingespeisten
Signals an den beiden Toren (h) und (i) des Leistungsteilers (6)
zur Verfügung.
Die Phasendifferenz zwischen den aufgeteilten Signalen an den beiden
Toren (h) und (i) des Leistungsteilers (6) beträgt 180 Grad.
Wegen der Reziprozität
des Leistungsteilers (6) fungiert dieser, wenn er umgedreht
betrieben wird, als Leistungszusammenführer (power combiner). Würde man
zwei identische Signale an die Tore (h) und (i) des Leistungsteilers
(6) legen, so würde
am Tor (k) kein Signal festzustellen sein, da aufgrund der Phasendrehung
von 180 Grad sich die zwei identischen Signale gegenseitig auslöschen würden. Diese
Eigenschaft des Leistungsteilers (6) wird in dem hier vorgestellten
neuen Verfahren zur Zweitor-Messung
des Phasenrauschens elektronischer Bausteine essentiell ausgenutzt.
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Der
Ausgang (f) des ersten Testobjektes (4) wird mit einer
Hochfrequenzleitung (2) mit dem als Eingang verwendeten
Tor (h) des umgedreht betrieben Leistungsteilers (6) verbunden.
Der Ausgang (g) des zweiten Testobjektes (5) wird mit einer
Hochfrequenzleitung (2) mit dem als zweiten Eingang verwendeten
Tor (i) des umgedreht betrieben Leistungsteilers (6) verbunden.
Das als Ausgang verwendete Tor (k) des umgedreht betrieben Leistungsteilers
(6) wird schließlich
mit einer Hochfrequenzleitung (2) zur messtechnischen Erfassung
des von den beiden Testobjekten (4) und (5) verursachten
Phasenrauschens mit dem Spektrumanalysator (7) oder einem anderen
für die
Messung von Rauschpegeln geeigneten Gerät verbunden.
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Das
Referenzsignal wird vom Generator (1) kommend somit auf
zwei Pfade aufgeteilt und den beiden Testobjekten (4) und
(5) zugeführt.
Die Ausgangssignale beinhalten nun jeweils das Phasenrauschen des
Generators (1) sowie das zusätzliche Phasenrauschen verursacht
durch die beiden Testobjekte (4) und (5). Das
Phasenrauschen des Generators (1) ist in beiden Pfaden
gleich, insbesondere ist es also korreliert. Das zusätzliche
von den beiden Testobjekten (4) und (5) verursachte
Phasenrauschen ist aber nicht korreliert. Kombiniert man also die
beiden Ausgangssignale wieder mit 180° Phasenverschiebung bezogen
auf den Träger
des Referenzsignals, dann löscht
sich sowohl der Träger
des Referenzsignals selbst, als auch die korrelierten Phasenrauschanteile
des Referenzsignals des Generators (1) aus.
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Das
vom Generator (1) gelieferte Referenzsignal wird nach dem
Durchlaufen der beiden Testobjekte (4) und (5)
also durch die Wahl der Phasenlage des umgedreht betrieben Leistungsteilers
(6) an dem als Ausgang verwendeten Tor (k) des umgedreht
betrieben Leistungsteilers (6) ausgelöscht. Somit wird auch der vollkorrelierte
Anteil des Phasenrauschens des Generators (1) an dem als
Ausgang verwendeten Tor (k) des umgedreht betrieben Leistungsteilers (6)
vollständig
aufgehoben. Das von den beiden Testobjekten (4) und (5)
verursachten Phasenrauschens hingegen ist unkorreliert, weil die
beiden Testobjekte (4) und (5) voneinander unabhängige Rauschquellen darstellen.
Die Rauschleistungen der beiden Testobjekte (4) und (5)
addieren sich und können
mit Hilfe des Spektrumanalysators (7) oder einem anderen
für die
Messung von Rauschpegeln geeigneten Gerät direkt gemessen werden.
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Es
muss auf exakte Amplituden- und Phaseneinstellung geachtet werden,
d. h. es ist ein völlig symmetrischer
Aufbau der Messanordnung unter Verwendung gleichlanger und gleichartiger
Hochfrequenzleitung (2) zum Verbinden der jeweiligen Komponenten
erforderlich. Die Leistung des Trägers des vom Generator (1)
gelieferten Referenzsignals kann in der Praxis ohne Probleme um
etwa 40 dB unterdrückt
werden. Ähnliches
gilt dann auch für
die korrelierten Phasenrauschanteile nahe am Träger, da für diese die Korrelation am
höchsten
ist.
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2 zeigt
eine Modifikation der Messanordnung. Hierbei wird das als Ausgang
verwendete Tor (k) des umgedreht betrieben Leistungsteilers (6) nicht
direkt mit dem Spektrumanalysator (7) verbunden, sondern
es wird noch ein rauscharmer Messverstärker (34), dessen
Verstärkungsfaktor
einstellbar oder zumindest bekannt ist, zwischen dem als Ausgang
verwendeten Tor (k) des umgedreht betriebenen Leistungsteilers (6)
und dem Spektrumanalysator (7) oder ein anderes für die Messung
von Rauschpegeln geeignetes Gerät
geschaltet. Die Unterdrückung
des vom Generator (1) gelieferten Trägers des Referenzsignals hat
noch eine weitere, messtechnisch positive Auswirkung. Durch die
Verwendung von geeigneten rauscharmen Messverstärkern (34) kann nun
das verbleibende zu vermessende Phasenrauschen der beiden Testobjekte
(4) und (5), zur besseren Auswertung vom Pegel
her angehoben werden, ohne dass der Spektrumanalysator (7)
oder ein anderes für
die Messung von Rauschpegeln geeignetes Gerät in der Dynamik überlastet
wird.
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Unter
Kenntnis des jeweils verwendeten Verstärkungsfaktors des rauscharmen
Messverstärkers (34)
kann nun der absolute Rauschpegel pro Frequenzintervall exakt ermittelt
werden. Ansonsten gelten die gleichen Ausführungen, wie sie im Zusammenhang
mit der 1 bereits erläutert wurden.
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Das
in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt beispielhaft
die Anwendung des Verfahrens auf zu vermessende Verstärker (14)
und (15). Hierbei wird der Eingang (m) des ersten Verstärkers (14)
mit einer Hochfrequenzleitung (2) mit dem Ausgang (b) des
Leistungsteilers (3) verbunden. Der Eingang (n) des zweiten
Verstärkers
(15) wird mit einer Hochfrequenzleitung (2) mit
dem Ausgang (c) des Leistungsteilers (3) verbunden. Der
Ausgang (o) des ersten Verstärkers
(14) wird mit einer Hochfrequenzleitung (2) mit
dem als Eingang verwendeten Tor (h) des umgedreht betrieben Leistungsteilers
(6) verbunden. Der Ausgang (p) des zweiten Verstärkers (15) wird
mit einer Hochfrequenzleitung (2) mit dem als zweiten Eingang
verwendeten Tor (i) des umgedreht betrieben Leistungsteilers (6)
verbunden.
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Ansonsten
gelten die gleichen Ausführungen,
wie sie im Zusammenhang mit der 1 bereits erläutert wurden.
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4 zeigt
beispielhaft die Anwendung des Verfahrens auf zu vermessende Mischer.
Obwohl Mischer schaltungstechnisch gesehen Dreitore darstellen,
können
sie wie Zweitore vermessen werden, da das dritte Tor jeweils mit
dem zugehörigen
Lokaloszillator beschaltet ist. Der Lokaloszillator (10)
ist mit dem ersten Mischer (24) verbunden. Der Lokaloszillator
(11) ist mit dem zweiten Mischer (25) verbunden.
Zur Messung des von den Mischern verursachten Phasenrauschens wird
der Eingang (q) des ersten Mischers (24) mit einer Hochfrequenzleitung
(2) mit dem Ausgang (b) des Leistungsteilers (3)
verbunden. Der Eingang (r) des zweiten Mischers (25) wird mit
einer Hochfrequenzleitung (2) mit dem Ausgang (c) des Leistungsteilers
(3) verbunden. Der Ausgang (s) des ersten Mischers (24)
wird mit einer Hochfrequenzleitung (2) mit dem als Eingang
verwendeten Tor (h) des umgedreht betriebenen Leistungsteilers (6)
verbunden. Der Ausgang (t) des zweiten Mischers (25) wird
mit einer Hochfrequenzleitung (2) mit dem als zweiten Eingang
verwendeten Tor (i) des umgedreht betriebenen Leistungsteilers (6)
verbunden. Ansonsten gelten die gleichen Ausführungen, wie sie im Zusammenhang
mit der 1 bereits erläutert wurden.
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Dieses
Verfahren eignet sich für
sämtliche Mehrtore,
die in der Messanordnung hinsichtlich der Phasenrauschmessung als
Zweitore betrieben werden können.
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Die
beiden Leistungsteiler können
prinzipiell auch vertauscht werden. So kann der Leistungsteiler (6) – mit 180
Grad Phasendrehung anstelle des Leistungsteilers (3) – ohne Phasendrehung – zur Aufteilung
der Signalpfade verwendet werden, wenn gleichzeitig der Leistungsteiler
(6) mit 180 Grad Phasendrehung durch den Leistungsteilers
(3) ohne Phasendrehung zur Zusammenführung der Signalpfade ersetzt
wird. Wichtig ist nur, dass durch Aufteilung des Referenzsignals
und durch eine Zusammenführung,
bei der sich das ursprüngliche
Referenzsignal durch die Phasendifferenz von 180 Grad auslöscht, das
von dem Generator (1) verursachte Phasenrauschen im auszuwertenden
Messsignal nicht mehr enthalten ist.
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Ebenso
ist eine Anordnung möglich,
bei welcher der erste Leistungsteiler bei der Aufteilung der Signalpfade
eine Phasendifferenz von 90 Grad erzeugt und der zweite umgekehrt
betriebene Leistungsteiler bei der Zusammenführung der Signalpfade nochmals
eine Phasendifferenz von 90 Grad erzeugt, sodass sich insgesamt
wieder eine Phasendifferenz von 180 Grad hinsichtlich des Referenzsignals ergibt.
Wichtig ist nur, dass durch Aufteilung des Referenzsignals und durch
eine Zusammenführung,
bei der sich das ursprüngliche
Referenzsignal durch die Phasendifferenz von 180 Grad auslöscht, das
von dem Generator (1) verursachte Phasenrauschen im auszuwertenden
Messsignal nicht mehr enthalten ist.
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Ebenso
ist eine Anordnung möglich,
bei welcher der erste Leistungsteiler bei der Aufteilung der Signalpfade
durch einen Hochfrequenzkoppler und der zweite umgekehrt betriebene
Leistungsteiler bei der Zusammenführung der Signalpfade ebenfalls durch
einen Hochfrequenzkoppler mit jeweils den gleichen charakteristischen
elektrischen Eigenschaften wie die beschriebenen Leistungsteiler
verwendet werden. Wichtig ist nur, dass durch Aufteilung des Referenzsignals
und durch eine Zusammenführung, bei
der sich das ursprüngliche
Referenzsignal durch die Phasendifferenz von 180 Grad auslöscht, das
von dem Generator (1) verursachte Phasenrauschen im auszuwertenden
Messsignal nicht mehr enthalten ist.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
können
die technischen Anforderungen an den das Referenzsignal liefernden
Generator (1) im Vergleich zu den oben geschilderten bekannten
Verfahren deutlich reduziert werden. Die einzige Einschränkung ist lediglich
die Notwendigkeit von zwei Testobjekten mit gleichen elektrischen
Eigenschaften, d. h. es können mit
diesem Verfahren keine Unikate vermessen werden. Diese Forderung
ist bei den meisten heutigen Technologien (Massenproduktion) aber
kein Problem mehr.
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Erste
Testergebnisse mit Prototypen der Messanordnung haben bereits signifikante
Verbesserungen gezeigt. Der zur Messung verwendete preiswerte Generator
(1) ist charakterisiert durch ein Phasenrauschen von etwa –80 dBc/Hz
bei 1 kHz Abstand vom Träger
(Offset).
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird damit noch ohne Probleme ein verbleibendes Phasenrauschen der
Testobjekte von –125
dBc/Hz, ebenfalls bei 1 kHz Abstand vom Träger (Offset) gemessen.