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In
der Nachrichtentechnik ist es häufig
erforderlich, ein Signal von einer Frequenz auf eine andere umzusetzen.
Dazu werden frequenzumsetzende Schaltungen (FUS), wie etwa Mischer
oder Frequenzkonverter verwendet. Bei der Entwicklung von Systemen,
in denen frequenzumsetzende Schaltungen zum Einsatz kommen, müssen deren
elektrischen Eigenschaften bekannt sein. Sofern es nicht möglich ist,
diese Eigenschaften durch Berechnung zu ermitteln, besteht also
die Aufgabe, sie mit größtmöglicher
Genauigkeit zu messen. Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Messverfahren gelöst.
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1 zeigt als Beispiel für eine frequenzumsetzende
Schaltung einen Mischer mit drei elektrischen Anschlüssen für Hochfrequenzsignal
HF, Zwischenfrequenzsignal ZF und Lokaloszillatorsignal LO. Elektrische
Anschlüsse
werden im Folgenden als Tore bezeichnet. Näherungsweise kann der Mischer als
Multiplizierer betrachtet werden, der das Eingangssignal mit dem
LO-Signal multipliziert. Dadurch entstehen als Ausgangssignal Mischprodukte
bei Summe und Differenz von Eingangs-Frequenz fHF und
der LO-Frequenz fLO. Betreibt man den Mischer als
Abwärtsmischer,
so speist man am HF-Tor das Eingangssignal auf der Frequenz fHF ein. In diesem Fall ist das ZF-Ausgangssignal
bei der Differenzfrequenz fHF – fLO von Interesse. Bei Aufwärtsmischung wird
hingegen das Eingangssignal am ZF-Tor eingespeist, am HF-Tor greift man
dann die Summenfrequenz fHF + fLO ab.
Wenn der Pegel des Eingangssignals viel kleiner ist als der des
Lokaloszillators, verhält
sich der Mischer linear. In diesem Fall lassen sich die elektrischen
Eigenschaften des Mischers durch eine komplexe Streumatrix beschreiben,
wie sie von nicht frequenzumsetzenden Schaltungen her bekannt ist.
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Sind
a
HF, b
HF und a
ZF, b
ZF die zum Mischer hinlaufenden
bzw. von dort kommenden Wellen, so gilt für die Streumatrix S
M:
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Die
Matrix S
M hat folgende Elemente:
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ΓHF und ΓZF bezeichnen
die Reflexionsfaktoren am HF- bzw. ZF-Tor. Der Mischverlust bei
Abwärtsmischung
(vom HF-Tor zum ZF-Tor) wird mit LZFHF bezeichnet,
der bei Aufwärtsmischung
(vom ZF-Tor zum HF-Tor) mit LHFZF. Ist der
Mischer reziprok, so gilt: LZFHF = LHFZF.
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Ein
bekanntes Verfahren zur näherungsweisen
Bestimmung der Elemente der Matrix SM besteht darin,
mit einem vektoriellen Netzwerkanalysator (VNA) die Reflexionsfaktoren ΓHF und ΓZF zu
messen. Übliche
vektorielle Netzwerkanalysatoren können auch die Mischverluste
LZFHF und LHFZF zumindest
betragsmäßig erfassen.
Durch Eintor-Systemfehlerkalibrierungen für die Reflexionsfaktormessung
und Generator- und Empfängerpegelkalibrierungen
für die Messung
der Mischverluste kann die Messunsicherheit reduziert werden. Dabei
werden jedoch Unsicherheiten durch Fehlanpassung zwischen Mess- und
Mischertoren nicht berücksichtigt,
und man hat keine Information über
die Phase der Transmissionsfaktoren LZFHF und
LHFZF.
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Darüber hinaus
sind Verfahren bekannt, die eine komplexwertige Messung der Matrix
S
M erlauben. Die Patentschriften
US 5,937,006 und
US 6,064,694 beschreiben
ein Verfahren gemäß
2, bei dem ein Zweitor-VNA
201 verwendet
wird. Dieser misst die Streuparameter des nicht frequenzumsetzenden
Messobjekts zwischen den Messtoren
202 und
206.
Dieses Messobjekt besteht im Wesentlichen aus dem FUS-Paar
203 und
207.
Den beiden frequenzumsetzenden Schaltungen wird derselbe Lokaloszillator
(LO)
204 zugeführt.
Daher heben sie sich in ihrer Umsetzwirkung auf. Wenn die erste
frequenzumsetzende Schaltung
203 abwärts mischt, setzt die zweite
frequenzumsetzende Schaltung
207 das herabgemischte Signal
wieder auf die Messfrequenz des vektoriellen Netzwerkanalysators
201 hoch.
Wenn umgekehrt die erste frequenzumsetzende Schaltung
207 das
Messsignal aufwärts
mischt, wird es in der zweiten frequenzumsetzenden Schaltung
204 wieder
auf die VNA-Frequenz zurückgesetzt.
Der besondere Vorteil dieses Messprinzips besteht darin, dass sich
die Phase des gemeinsamen Lokaloszillators
204 heraushebt.
Daher ist keine Phasenkohärenz
von LO-Quelle
204 und Signalquellen des vektoriellen Netzwerkanalysators
201 erforderlich.
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Zusätzlich zu
der zu vermessenden frequenzumsetzenden Schaltung werden noch zwei
weitere a priori unbekannte frequenzumsetzende Schaltungen benötigt, die
denselben Frequenzbereich abdecken, und von denen eine reziprok
ist (d.h. LZFHF = LHFZF).
Die drei frequenzumsetzenden Schaltungen werden in drei Paaren vermessen.
Das Filter 205 zwischen den frequenzumsetzenden Schaltungen 203 und 207 dient
zur Unterdrückung
des unerwünschten Mischprodukts
bei der Frequenz fHF + fLO sowie
des von beiden Mischern durch mangelnde HF-ZF-Isolation nichtumsetzend
transmittierten Signals.
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3 zeigt die Lage der beteiligten
Frequenzen zueinander sowie die Durchlasskurve 301 eines als
Filter 205 geeigneten Tiefpasses. Aus den gemessenen Transmissionsfaktoren
von drei nicht frequenzumsetzenden FUS-Paaren 203, 207 können die
komplexen umsetzenden Transmissionsfaktoren der einzelnen frequenzumsetzenden
Schaltungen ermittelt werden. In die LO-Zweige der frequenzumsetzenden
Schaltungen kann man Isolatoren 211, 212 einfügen, um
das unerwünschte Übersprechen über den
LO-Leistungsteiler 210 zu reduzieren.
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Jede
zu messende frequenzumsetzende Schaltung muss in mindestens zwei
Anschlusskonfigurationen vermessen werden. Neben dem dadurch bedingten
hohen Aufwand hat dieses Verfahren den Nachteil, dass die jeweils
dem Filter 205 zugewandten Reflexionen nicht berücksichtigt
werden. Um deren Einfluss zu minimieren, kann man Dämpfungsglieder 208, 209 verwenden,
die jedoch die Messdynamik reduzieren.
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Die
o.g. Nachteile werden durch das in der Patentschrift
US 6,690,722 offenbarte Verfahren nach
4 vermieden, das allerdings
auf reziproke frequenzumsetzende Schaltungen beschränkt ist.
Es wird ein vektorieller Eintor-Netzwerkanalysator
401 verwendet,
der den am Messtor
402 anliegenden Reflexionsfaktor misst.
Das Messobjekt besteht im Wesentlichen aus der zu vermessenden frequenzumsetzenden
Schaltung
403, deren Ausgang am Tor
406 mit unterschiedlichen
Eintoren belastet werden kann. Die Quelle
404 liefert das
LO-Signal. Die vom vektoriellen Netzwerkanalysator
401 erzeugte
Messfrequenz wird von der frequenzumsetzenden Schaltung
403 umgesetzt.
Durch das Filter
405 wird das gewünschte Mischprodukt selektiert.
Dieses Signal wird dann von dem an Tor
406 angeschlossenen
Eintor reflektiert und läuft über das
Filter
405 zurück
zur frequenzumsetzenden Schaltung
403, wo es wieder auf die
VNA-Frequenz zurückgesetzt
wird. Aus den mit drei bekannten Eintoren
407,
408 und
409 gewonnenen
Reflexionsfaktoren können
die Zweitor-Streuparameter der frequenzumsetzenden Schaltung
403 durch
eine Korrekturrechnung ähnlich
der für
die Systemfehlerkorrektur von Eintor-VNA ermittelt werden.
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Die
hauptsächlichen
Nachteile dieses Verfahrens sind Folgende: Erstens ist das notwendige Filter 405 Bestandteil
des Messobjekts. Daher ist ein zusätzlicher Deembedding-Schritt
zur Isolierung der reinen FUS-Parameter
erforderlich. Zweitens weist das Verfahren prinzipbedingt eine hohe
Messunsicherheit auf. Es beruht nämlich auf der Auswertung des
am Tor 406 reflektierten Signals. Dem ist ein systematisches,
vom Messobjekt unabhängiges
Störsignal überlagert,
das durch VNA-Rohdirektivität, Eingangsreflexion
der frequenzumsetzenden Schaltung und Reflexion des unerwünschten
Mischprodukts am Filter 405 verursacht wird. Da das auszuwertende
Signal den Mischer in Vor- und Rückwärtsrichtung durchläuft, wird
sein Pegel um die doppelte Transmissionsdämpfung der frequenzumsetzenden
Schaltung reduziert, bei einem passiven Mischer also etwa um 10
dB...20 dB. Damit hat das Messsignal in der Regel etwa denselben
Pegel wie das Störsignal.
Geringfügige Änderungen
der komplexen Störsignalamplitude,
wie sie etwa durch thermische Drift der Komponenten oder durch die
Reproduzierbarkeit von Steckverbindungen verursacht werden, haben
somit starken Einfluss auf das Messergebnis.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Vermessung frequenzumsetzender Schaltungen aufzuzeigen,
welches bzw. welche obige Nachteile nicht hat und mit niedrigem
Aufwand eine hohe Messgenauigkeit ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird bezüglich
des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich der
Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 8 gelöst. Die
Unteransprüche
enthalten vorteilhafte Weiterbildungen.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen,
die hin- und rücklaufenden
Wellen an den Toren der frequenzumsetzenden Schaltung trotz unterschiedlichen
Frequenzenphasen kohärent
zu messen und dabei den Prüfling
von beiden Seiten anzuregen. Das erfindungsgemäße Verfahren weist sämtliche
o.g. Nachteile nicht auf.
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Dabei
werden vorteilhaft die Frequenzen der internen Lokaleoszillatoren
des Netzwerkanalysators so eingestellt, dass in den beiden Empfangs-Mischern
beider Empfangskanäle
die gleiche interne Zwischenfrequenz erzeugt wird.
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Zur
Gewinnung von Korrekturwerten kann eine vollständige Zweitor-Systemfehlerkalibrierung mit
Hilfe von bekannten reziproken Eintor-Standards und einer nicht
zwingend bekannten frequenzumsetzenden Zweitor-Kalibrierschaltung
durchgeführt
werden. Allerdings sollte die frequenzumsetzende Kalibrierschaltung
ein nicht dispersives Transmissionsverhalten haben. Die durch die
zweiseitige Anregung gewonnen Rohmesswerte können dann mit den durch die
Zweitor-Systemkalibrierung gewonnenen Korrekturwerten korrigiert
werden.
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Als
Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens eignet sich ein Netzwerkanalysator, bei welchem für die einzelnen
Messtore unterschiedliche interne Oszillatoren vorhanden sind, so
dass die Messtore auf unterschiedlichen Frequenzen empfangen können: Zum
einen auf der Anregungsfrequenz und zum anderen auf der durch den
frequenzumsetzenden Prüfling
umgesetzten Frequenz. Ein solcher hierfür geeigneter Netzwerkanalysator
ist beispielsweise aus der
DE
102 46 700 A1 bekannt. Erfindungsgemäß ist es aber auch möglich und
vorteilhaft, Netzwerkanalysatoren mit nur einem internen Lokaloszillator
zu verwenden, wenn gemäß Anspruch
7 die Messvorrichtung mindestens einen Umsetz-Mischer aufweist,
der den Empfangs-Mischern an demjenigen Messtor vorgeschaltet ist,
an welchem die von dem Prüfling
umgesetzte Frequenz empfangen werden soll und der den Frequenzversatz
bei der Umsetzung an dem Prüfling
für den
Empfänger
des Netzwerkanalysators ausgleicht.
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Hierzu
stehen mehrere Möglichkeiten
zur Verfügung:
Es kann für
die Messstelle für
die einlaufende Welle und die andere Messstelle für die auslaufende
Welle jeweils ein Umsetz-Mischer verwendet werden, der dem Empfangs-Mischer
vorgeschaltet ist, und bei welchem die Überlagerung zwischen dem Messsignal
und dem Lokaloszillatorsignal des zu messenden Mischers stattfindet
und welcher nach Art eines Konverters das Messsignal auf die Empfangsfrequenz
des an der Messstelle nachgeschalteten Empfangs-Mischers heruntermischt.
Alternativ kann die interne Lokaloszillatorfrequenz des Netzwerkanalysators
in dann nur einem benötigten
Umsetz-Mischer um das Maß des
Frequenzversatzes des Prüflings
abgesenkt bzw. angehoben werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
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1:
einen Mischer als Beispiel für
eine frequenzumsetzende Schaltung;
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2:
eine Messanordnung mit Zweitor-VNA zur vektoriellen Mischermessung
nach dem Stand der Technik;
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3:
Frequenzen und Durchlasskurve des Filters in einem Messaufbau nach 2;
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4:
eine Messanordnung mit Eintor-VNA zur vektoriellen Mischermessung
nach dem Stand der Technik
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5:
ein erstes Ausführungsbeispiel
einer Messanordnung mit Zweitor-VNA nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;
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6:
ein zweites Ausführungsbeispiel
einer Messanordnung mit Zweitor-VNA nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;
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7:
ein drittes Ausführungsbeispiel
einer Messanordnung mit Zweitor-VNA nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;
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8:
Kalibrierstandards für
das UOSM-Verfahren, das im Rahmen der Erfindung verwendbar ist;
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9A:
den mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
gemessenen Streuparameter S11 eines handelsüblichen Mischers;
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9B:
den mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
gemessenen Streuparameter S13 eines handelsüblichen Mischers;
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9C:
den mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
gemessenen Streuparameter S31 eines handelsüblichen Mischers, und
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9D:
den mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
gemessenen Streuparameter S33 eines handelsüblichen Mischers.
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5 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel eines
zur Anwendung des Verfahrens geeigneten Messaufbaus. Der vektorielle
Netzwerkanalysator 501 hat zwei Messtore M1 und M2. An
dem Messtor M1 befindet sich eine erste Signaltrennschaltung 514,
beispielsweise ein Richtkoppler. Die durch das Messtor M1 einlaufende
Welle wird über
die Signaltrennschaltung 514 dem ersten Empfangs-Mischer 522 zugeführt, der
Bestandteil einer ersten Messstelle 518 ist. An den Empfangs-Mischer 522 schließt sich
eine erste Auswertungsschaltung 526 auf Zwischenfrequenzebene
an, die üblicherweise
aus einem Digital/Analog-Wandler und einer nachgeschalteten digitalen
Signalverarbeitung besteht. Zur Erfassung der durch das Messtor
M1 auslaufenden Welle ist ein zweiter Empfangs-Mischer 523 an
einer zweiten Messstelle 519 vorhanden, der ebenfalls an
der Signaltrennschaltung 514 angeschlossen ist. An diesen
schließt
sich eine zweite Auswertungsschaltung 527 an.
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Entsprechend
ist an dem zweiten Messtor M2 eine zweite Signaltrennschaltung 515,
vorzugsweise ebenfalls ein Richtkoppler, vorhanden. Die über das
zweite Messtor M2 auslaufende Welle wird an einem ersten vorgeschaltenen
Umsetz-Mischer 507 dem gleichen Frequenzversatz unterworfen,
wie ihn auch der zu vermessende Prüfling 503 vornimmt. Das
entsprechende konvertierte Signal gelangt dann an den dritten Empfangs-Mischer 524 an
der dritten Messstelle 520, welcher eine dritte Auswertungsschaltung 528 nachgeschaltet
ist. Die an dem zweiten Messtor M2 einlaufende Welle gelangt über die Signaltrennschaltung 515 und
einen zweiten vorgeschaltenen Umsetz-Mischer 508, der den
gleichen Frequenzversatz vornimmt, wie der erste Umsetz-Mischer 507,
an einen vierten Empfangs-Mischer 525 an einer vierten
Messstelle 521. Diesem ist die vierte Auswertungsschaltung 529 nachgeschaltet.
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Alle
Empfangs-Mischer 522, 523, 524, 525 sind über ein
Signal-Verteiler 531 mit einem gemeinsamen üblicherweise
aber nicht zwingend internen Empfangs-Oszillator 530 des
vektoriellen Netzwerkanalysators 501 verbunden. Zur Anregung
der zu vermessenden frequenzumsetzenden Schaltung (DUT) 503,
die sich zwischen den beiden Referenzebenen 502 und 506 befindet,
ist ein Signalgenerator 509 vorhanden, der über eine
Umschaltvorrichtung 540 entweder mit dem ersten Messtor
M1 oder mit dem zweiten Messtor M2 verbindbar ist. In der in 5 dargestellten
Schaltstellung ist der Signalgenerator 509 mit dem ersten
Messtor M1 und somit über
die erste Referenzebene 502 mit dem Prüfling 503 verbunden.
Das jeweils andere Messtor, in der in 5 dargestellten
Schaltstellung das zweite Messtor M2, ist mit einem Abschlusswiderstand 541 verbunden, der
die Leitung wellenwiderstandsrichtig, beispielsweise mit 50 Ohm,
abschließt.
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In
dem in
5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein vorzugsweise
aber nicht zwingend externer Lokaloszillator
504 vorhanden,
welcher die zu vermessende frequenzumsetzende Schaltung
503 über einen
Signalverteiler
510 und eine Entkopplungseinrichtung, beispielsweise
einem Isolator
511, mit dem Lokaloszillatoreingang der
zu vermessenden frequenzumsetzenden Schaltung
503 verbindet. Der
Lokaloszillator
504 kann sich aber auch intern in dem vektoriellen
Netzwerkanalysator
501 befinden. Verfügt beispielsweise jedes Messtor über einen
eigenen Anregungsgenerator, wie dies in der
DE 102 46 700 A1 vorgeschlagen
wird, so kann der zweite Anregungsoszillator, der bei der in
5 dargestellten
Konfiguration nicht benötigt
wird, als Lokaloszillator
504 verwendet werden. Die vorgeschalteten
Umsetz-Mischer
507 und
508 sind über entsprechende Entkopplungseinrichtungen
512 und
513 ebenfalls mit
dem Signalverteiler
510 verbunden.
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Zwischen
der zu vermessenden frequenzumsetzenden Schaltung 503 und
dem zweiten Messtor M2 befindet sich bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel
ein Tiefpassfilter, das entsprechend 3 so konfiguriert
ist, dass es die Anregungsfrequenz fHF und
die Summenfrequenz fHF + fLO unterdrückt.
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Die
Bezugsebenen für
die zu messende Streumatrix SM liegen an
den Stellen 502 und 506. Über den Signalwegumschalter 540 kann
die Messsignalquelle 509 des vektoriellen Netzwerkanalysators 501 auf
eines der beiden Messtore M1 oder M2 geschaltet werden. In der in 5 dargestellten Schalterstellung
liefert die Quelle 509 ein Signal auf der HF-Frequenz fHF und speist damit das HF-Tor HF der frequenzumsetzenden
Schaltung 503. Zur Erfassung der vor- und rücklaufenden Wellen an den Messtoren
verfügt
der vektorielle Netzwerkanalysator 501 an beiden Messtoren
wie bereits erwähnt über je eine
Signaltrennschaltung 514, 515, an die jeweils zwei
komplexwertige Messstellen 518, 519 bzw. 520, 521 angeschlossen
sind.
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Bei
einem breitbandigen vektoriellen Netzwerkanalysator besteht eine
derartige Messstelle (z.B. 518) in der Regel aus einer
breitbandigen Mischstufe 522, die das Messsignal auf die
VNA-interne ZF-Frequenz fZFint umsetzt,
und einer komplexwertigen ZF-Auswertungsschaltung 526.
Letztere kann z.B. als Analog/Digitalwandler mit nachgeschaltetem
digitalem Signalprozessor ausgeführt
sein. Im Folgenden wird zur Vereinfachung angenommen, dass fZFint für
alle Auswertungsschaltungen gleich ist. Aus technischen Gründen kann
es jedoch erforderlich sein, unterschiedliche fZFint zu
verwenden. Auch solche Messanordnungen werden von der Erfindung abgedeckt.
In der in 5 gezeigten Messanordnung wird
allen komplexen Messstellen 518 bis 521 dasselbe
VNA-interne LO-Signal der Quelle 530 zugeführt. Die
Frequenz fLOint dieser Quelle 530 wird
so eingestellt, dass die Empfangsfrequenz aller Messstellen 518 bis 521 gleich
der HF-Frequenz fHF ist.
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Der
Lokaloszillator 504 für
die frequenzumsetzende Schaltungen 503 ist entweder ein
separater Signalgenerator, oder, insbesondere wenn der Netzwerkanalysator 501 mehr
als zwei Messtore hat, ein bisher nicht benutzter interner Signalgenerator.
Mit dem Lokaloszillator 504 bei der Frequenz fLO wird
das HF-Signal in
der frequenzumsetzenden Schaltung 503 auf die ZF-Frequenz
fZF = fHF – fLO an deren ZF-Tor ZF heruntergemischt. Das
Filter 505 wird so gewählt,
dass es die in 3 gezeigten unerwünschten
Frequenzen unterdrückt.
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Die
Signaltrennschaltung 515 liefert im Referenzkanal 516 ein
Signal, das als Maß für die zur
Referenzebene 506 hinlaufende ZF-Welle dienen kann. Ebenso
wird im Messkanal 517 ein Maß für die vom ZF-Messtor M2 kommende
Welle bereitgestellt. Um diese Signale auf der Frequenz fZF mit den auf die Empfangsfrequenz fHF eingestellten Messstellen 520 und 521 messen
zu können,
müssen
sie mit Hilfe der vorzugsweise aber nicht zwingend externen Umsetz-Mischer 507 und 508 auf
fHF rückumgesetzt
werden. An der Signaltrennschaltung 514 des HF-Messtors
M1, wo die Frequenz nicht umgesetzt wird, sind die entsprechenden
externen Referenz- und Messkanaltore durchverbunden. Wie bereits
erwähnt,
hebt sich die Phase des Lokaloszillators 504 durch das gleichzeitige
Ab- und Aufwärtsmischen
heraus.
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Nachdem
für die
gezeigte Stellung des Signalwegumschalters 540 alle vier
komplexen Messwerte aHF, bHF,
aZF und bZF gleichzeitig
aufgenommen wurden, wird der Schalter 540 in die andere
Stellung gebracht. Außerdem ändert sich
die Frequenz der Signalquelle 509 auf fZF.
Nun wird die frequenzumsetzende Schaltung 503 am ZF-Tor
gespeist und als Aufwärtsmischer
betrieben. Die Frequenz des Ausgangssignals am HF-Tor ist fHF. Nachdem die Frequenzen an den FUS-Toren
die selben wir in der ersten Schalterstellung sind, lassen sich
auch in diesem Fall die vor- und rücklaufenden Wellen an HF- und ZF-Tor
mit Hilfe der komplexen Messstellen 518 bis 521 erfassen.
Die Messwerte der Wellengrößen werden
zur Unterscheidung von der ersten Schalterstellung mit aHF',
bHF' und
aZF',
bZF' bezeichnet.
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Alternativ
zu dem in 5 gezeigten Messaufbau könnte man
auch fZF als einheitliche Empfangsfrequenz
verwenden, dann müssten
externe Mischer in die Mess- und Referenzsignalpfade des HF-Tors
anstelle des ZF-Tors eingeschleift werden.
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Ein
zweites Ausführungsbeispiel
der Messanordnung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist in 6 dargestellt. Bereits anhand von 5 beschriebene
Elemente sind mit korrespondierenden Bezugszeichen versehen, wobei
die Bezugszeichen der 6 um 100 gegenüber den Bezugszeichen
der 5 erhöht
sind. Insoweit erübrigt
sich eine wiederholende Beschreibung.
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Im
Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach 5 ist
im Ausführungsbeispiel
der 6 nur ein einziger Umsetz-Mischer 632 vorhanden, der über den
Signalverteiler 610 mit dem Lokaloszillator 604 in
Verbindung steht. Der Umsetz-Mischer 632 empfängt jedoch
im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel
nach 5 nicht unmittelbar die ausgekoppelte einlaufende
bzw. auslaufende Welle, sondern setzt nun das Oszillatorsignal des
Lokaloszillators 604 entsprechend dem Frequenzversatz der
zu vermessenden frequenzumsetzenden Schaltung 603 um, so dass
an den Empfangsmischern 624 und 625 auf die gleiche
interne Zwischenfrequenzebene fZFint gemischt
wird, wie an den Empfangs-Mischern 622 und 623.
Dazu empfangen die Empfangs-Mischer 624 und 625 des
Messtors M2 eine entsprechend herabgesetzte Lokaloszillator-Frequenz
fLO-fLOint, die sich als Differenz zwischen der
Oszillatorfrequenz fLO des Lokaloszillators 604 und
der internen Oszillatorfrequenz fLOint des
internen Oszillators 630 ergibt. Diese Differenzfrequenz
fLO-fLOint ergibt
sich an dem Umsetz-Mischer 632, dessen zweiter Eingang über den Signalverteiler 631 mit
dem internen Lokaloszillator 630 in Verbindung steht, welcher
auch die Empfangs-Mischer 622 und 623 des ersten
Messtors M1 versorgt. Der Ausgang des Umsetz-Mischers 632 kann über ein
Filter 633, insbesondere ein Tiefpassfilter 633,
einen Verstärker 634 und
einen Signalverteiler 635, wie in 6 gezeigt,
mit den Empfangs-Mischer 624 und 625 verbunden
sein. Das Filter 633 verhindert den Empfang über die
unerwünschte
LO-Frequenz fLOint+fLO. Der Verstärker 634 gleicht
Verluste des Mischers und der Leitungen aus. Das Filter 633 und
der Verstärker 634 sind
jedoch optional und nicht immer zwingend notwendig.
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Wie
bereits erwähnt
ist hier das interne LO-Signal aus dem vektoriellen Netzwerkanalysator 601 herausgeführt und
wird über
die externe frequenzumsetzende Schaltung 632, deren lokaler
Oszillator von der externen LO-Quelle 604 kommt, so in
der Frequenz umgesetzt, dass die Messstellen 620 und 621 auf
fZF empfangen. Das Filter 633 selektiert
das richtige Mischprodukt der frequenzumsetzenden Schaltung 632,
im vorliegenden Fall die Differenzfrequenz fLO-fLoint. Ggf. wird dessen Pegel mit dem Verstärker 634 auf
das für den
LO-Eingang der Mischstufen 624 und 625 erforderliche
Maß erhöht. Der Vorteil
der Anordnung nach 6 gegenüber der nach 5 besteht
darin, dass neben der zu vermessenden frequenzumsetzenden Schaltung 603 nicht mehr
zwei, sondern nur noch eine zusätzliche
externe frequenzumsetzende Schaltung 632 erforderlich ist.
Auch bei dieser Variante hebt sich die Phase des Lokaloszillators 604 heraus.
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7 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel der
Messanordnung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Alle bereits
anhand von 5 beschriebenen Elemente sind
mit korrespondierenden Bezugszeichen versehen, die gegenüber 5 um 200 angehoben
sind. Insoweit erübrigt
sich eine wiederholende Beschreibung. Ein erster interner Lokaloszillator 730 des
Netzwerkanalysators 701 ist über einen ersten Signalverteiler 731 mit
den beiden Empfangs-Mischern 722 und 723 des ersten
Messtors M1 verbunden. Dagegen ist ein separater zweiter Lokaloszillator 732 des
Netzwerkanalysators 701 über einen zweiten Signalverteiler 733 mit
den beiden Empfangs-Mischern 724 und 725 des zweiten Messtors
M2 verbunden.
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Hier
werden die Messstellen 718, 719 für Mess-
und Referenzkanal des HF-Tors und 720, 721 für Mess-
und Referenzkanal des ZF-Tors mit jeweils eigenen LO-Quellen 730 und 732 betrieben.
Diese laufen auf unterschiedlichen Frequenzen, damit die zugeordneten
Messstellen die Signalfrequenz am jeweiligen Tor empfangen können. Auf
externe frequenzumsetzende Schaltungen kann dann ganz verzichtet
werden. Es ist jedoch erforderlich, dass sich die gegenseitigen
Phasendifferenzen der VNA-internen Signalquellen 709, 730 und 732 reproduzierbar einstellen
lassen.
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Unter
der Annahme, dass die gemessenen Wellengrößen die tatsächlich an
der zu vermessenden frequenzumsetzenden Schaltung anliegenden Wellen
repräsentieren,
könnte
man mit der oben beschriebenen Messanordnung die Streumatrix S
m aus der Definitionsgleichung (1) heraus
wie folgt berechnen:
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Wegen
der durch Leitungslängen,
Dämpfung,
endliche Richtschärfe
der Signaltrennschaltungen und Fehlanpassungen gegebenen praktischen Unvollkommenheit
des vektoriellen Netzwerkanalysators und des Messaufbaus stellen
die gemessenen Wellengrößen jedoch
nur ein Maß für die tatsächlichen
Wellen dar. Diese Unvollkommenheit kann durch eine Korrekturrechnung
beseitigt werden, die wiederum eine vorherige Systemfehlerkalibrierung erfordert.
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Bei
dem üblicherweise
angewandten TOSM- oder SOLT-Kalibrierverfahren
mit zehn Fehlertermen werden an beiden Messtoren drei bekannte Eintorstandards
vermessen. Außerdem
werden die Messwerte einer bekannten Durchverbindung zwischen den
Toren benötigt.
Dieses Verfahren kann hier jedoch nicht eingesetzt werden, da die Durchverbindung
keine Frequenzumsetzung bewirkt. Eine Weiterentwicklung des TOSM-Verfahrens
für vektorielle Netzwerkanalysatoren
mit vier komplexen Messstellen ist das im Folgenden mit UOSM bezeichnete
Kalibrierverfahren, das in A. Ferrero et al.: "Two-Port Network Analyzer Calibration
Using an Unknown Thru",
IEEE Microwave and Guided Wave Letters, Vol. 2, No. 12, Dec. 1992,
beschrieben ist, bei dem die vollständig bekannte Durchverbindung
durch ein reziprokes, ansonsten jedoch unbekanntes Zweitor ersetzt
wird. Bei geeigneter Auslegung verhalten sich passive Mischer zumindest über einem
bestimmten Frequenzbereich reziprok, d.h. der komplexe Transmissionsfaktor
für die
Abwärtsmischung
ist gleich dem für
die Aufwärtsmischung.
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8 zeigt
die für
eine UOSM-Systemfehlerkalibrierung der erfindungsgemäßen Messanordnungen
nach den 5 bis 7 anzuschließenden Kalibrierstandards.
Aus Vereinfachungsgründen
wurde der externe Lokaloszillator weggelassen. Ein für den gewünschten
Frequenzbereich geeigneter reziproker Mischer 810, der
sonst nicht weiter charakterisiert sein muss, dient als unbekanntes
Zweitor. Die bekannten Eintorstandards müssen über die jeweiligen Torfrequenzen
vermessen werden. So werden die üblicherweise
verwendeten Standards Leerlauf 803, Kurzschluss 804 und
wellenwiderstandsrichtiger Abschluss 805 am HF-Messtor 802 über den
HF-Frequenzbereich und die entsprechenden oder gleichen Standards
Leerlauf 807, Kurzschluss 808 und Abschluss 809 am
ZF-Messtor 606 über
den ZF-Bereich gemessen.
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Im
Verlauf des UOSM-Kalibrieralgorithmus tritt eine Vorzeichenunsicherheit
auf. Diese kann jedoch unter der für passive Mischer meist zutreffenden
Annahme der Dispersionsfreiheit, d.h. dass die Phase des Transmissionsfaktors
in Anhängigkeit
von der Frequenz eine bei 0° beginnende
Gerade ist, leicht behoben werden.
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Es
sei angemerkt, dass das UOSM-Verfahren ursprünglich für nicht frequenzumsetzende
Zweitormessungen entwickelt und beschrieben wurde, die Anwendung
auf frequenzumsetzende Messungen war bisher nicht bekannt. Dieses
Verfahren erlaubt eine vollständige
Zweitorkorrektur. Damit werden im Gegensatz zu dem bekannten Zweitorverfahren
nach den
US 5,937,006 und
US 6,064,694 sämtliche
durch Fehlanpassung bedingten Messunsicherheiten eliminiert. Da
die Transmissionsparameter der frequenzumsetzenden Schaltung im
Gegensatz zur
US 6,690,722 vom
Messsystem als Transmissions- und nicht als Reflexionsgrößen erfasst
werden, ist bei sinnvoller Auslegung der Messanordnung nicht zu
erwarten, dass der Pegel des Messsignals in der Größenordnung
der Störsignale
oder sogar darunter liegt und dass dadurch die Messung instabil
wird. Für
die Streumatrix der zu messenden frequenzumsetzenden Schaltung existieren
nach Kalibrierung der Messanordnung keine Einschränkungen
mehr. Insbesondere muss die zu messende frequenzumsetzende Schaltung
selbst nicht reziprok sein.
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Die 9A bis 9D zeigen
die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
gemessenen Parameter der Streumatrix SM,
hier aus technischen Gründen
zwischen den VNA-Toren 1 und 3. fHF wurde
im Bereich 3,001 GHz bis 4 GHz gewobbelt, fLO war
fest auf 3 GHz eingestellt, so dass sich ein ZF-Frequenzbereich von 1 MHz bis 1 GHz
ergab. 9A bzw. 9D zeigen
S11 bzw. S33 im Smith-Diagramm, während 9B bzw. 9C S13
und S31 in einem kartesischen Diagramm zeigen. Im Messdiagramm dier 9C ist
gut der lineare Verlauf der Phase über der Frequenz und die daraus
resultierende nahezu konstante Gruppenlaufzeit zu erkennen.
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Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. In
vielen Fällen kann
man bereits die zu messende frequenzumsetzende Schaltung selbst
als reziproken Zweitorstandard verwenden. Wenn man diese als letzten UOSM-Standard
anschließt,
erhält
man nach Abschluss der Kalibrierung unmittelbar die gewünschten
Streuparameter. Sämtliche
beschriebenen und gezeichneten Merkmale sind im Rahmen der Erfindung
beliebig miteinander kombinierbar.
