DE102013213296A1 - Method and measuring device for characterizing an emitting test object - Google Patents

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Abstract

Das Messgerät (20) dient zum Charakterisieren eines Messobjekts (4), welches auf zumindest einer Emissionsfrequenz (ωDUT) ein Emissionssignal aussendet. Das Messgerät (20) umfasst einem Signalgenerator (22), der ein Injektionssignal auf einer zu der Emissionsfrequenz (ωDUT) des Messobjekts (4) benachbarten Injektionsfrequenz (ωDUT + Δω) in das Messobjekt (4) so injiziert, dass das Emissionssignal und das Injektionssignal zur Überlagerung gebracht werden. Das Messgerät (20) weist ferne eine Auswerteeinheit (50) auf, die das dabei entstehende Überlagerungssignal hinsichtlich aller Frequenzkomponenten sowohl bezüglich der Amplitude als auch bezüglich der Phase auswertet.The measuring device (20) is used to characterize a measurement object (4) which sends out an emission signal on at least one emission frequency (ωDUT). The measuring device (20) comprises a signal generator (22) which injects an injection signal at an injection frequency (ωDUT + Δω) adjacent to the emission frequency (ωDUT) of the device under test (4) into the device under test (4) so that the emission signal and the injection signal are brought to superposition. The measuring device (20) also has an evaluation unit (50) which evaluates the resulting superimposed signal with regard to all frequency components, both with regard to amplitude and with regard to phase.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Messgerät zum Charakterisieren eines Messobjekts, welches selbst ein Signal emittiert und deshalb nur schwer vermessen werden kann. Das Verfahren dient insbesondere zur Bestimmung des Reflexionskoeffizienten des Messobjekts insbesondere an bzw. in der Nähe der Frequenz seines Emissionssignals.The invention relates to a method and a measuring device for characterizing a measurement object which itself emits a signal and therefore can only be measured with difficulty. The method is used in particular for determining the reflection coefficient of the measurement object, in particular at or in the vicinity of the frequency of its emission signal.

Das Reflexionsverhalten von Hochfrequenz- und Mikrowellenschaltungen wird durch ihren Reflexionskoeffizienten beschrieben. Der Reflexionskoeffizient ist das Verhältnis von reflektierter zu einfallender Welle und kann sowohl in skalarer Notation, d. h. als Verhältnis der Amplituden, als auch komplex unter Einbeziehung der Phasendrehung dargestellt werden. Reflexionskoeffizienten sind in der Regel frequenzabhängig, das gilt insbesondere für ihren Phasenwinkel. Deswegen sind Messwerte durch die Messfrequenz zu ergänzen, oder es ist im Rahmen von Spezifikationen auf den zugehörigen Frequenzbereich hinzuweisen. Reflexionsmessungen erfolgen heute vorwiegend mit vektoriellen Netzwerkanalysatoren (VNA), welche sowohl das Stimulussignal bereitstellen als auch die Messung des komplexen Wellenverhältnisses vornehmen.The reflection behavior of high-frequency and microwave circuits is described by their reflection coefficient. The reflection coefficient is the ratio of reflected to incident wave and can be expressed in scalar notation, i. H. represented as a ratio of the amplitudes, as well as complex involving the phase rotation. Reflection coefficients are usually frequency-dependent, this applies in particular to their phase angle. For this reason, measured values must be supplemented by the measuring frequency or, within the scope of specifications, reference must be made to the associated frequency range. Reflection measurements today are predominantly performed with vectorial network analyzers (VNA), which both provide the stimulus signal and measure the complex wave ratio.

Reflexionskoeffizienten sind für Ein- und Ausgänge definiert, allerdings kann die messtechnische Erfassung an Ausgängen erhebliche Schwierigkeiten bereiten. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn das normale, d. h. auch ohne Stimulus vorhandene Ausgangssignal nicht abgeschaltet werden kann oder bewusst eingeschaltet bleiben soll, z. B. um das Reflexionsverhalten unter Betriebsbedingungen zu messen.Reflection coefficients are defined for inputs and outputs, but the metrological detection at outputs can cause considerable difficulties. This is especially the case when the normal, d. H. Even without stimulus existing output signal can not be switched off or deliberately remain switched on, z. B. to measure the reflection behavior under operating conditions.

Für diese Fälle gibt es zwei prinzipielle Vorgehensweisen, wobei die Messung immer nur bei oder in unmittelbarer Nähe der Frequenz des Ausgangssignals erfolgt:
Eine Möglichkeit ist die Belastung des Ausgangs der Quelle mit unterschiedlichen Impedanzen, und Messung der sich ändernden Ausgangsleistung. Abhängig von der Art, wie die Laständerung herbeigeführt wird und wie die Leistungsmessung erfolgt, kann der Reflexionskoeffizient der Quelle entweder skalar oder vektoriell bestimmt werden. Nach diesem grundsätzlichen Prinzip arbeitet z. B. das in der US 7,868,624 B2 beschriebene vektorielle Verfahren.
For these cases there are two basic procedures, whereby the measurement always takes place only at or in the immediate vicinity of the frequency of the output signal:
One possibility is to load the output of the source with different impedances, and measure the changing output power. Depending on how the load change is made and how the power measurement is made, the reflection coefficient of the source can be determined either scalar or vectorially. After this fundamental principle z. B. in the US 7,868,624 B2 described vectorial method.

Eine andere Möglichkeit ist die Injektion eines Stimulussignals mit einem geringen Frequenzversatz zur Ausgangsfrequenz in den Ausgang der Signalquelle und die Auswertung der Hüllkurve der resultierend austretenden Welle im Zeitbereich. Nach diesem Prinzip arbeitet die in Förster, H.-J.: ”Measurement of source match for broadband synthesizers and amps”, Microwave Eningering Europe, Ausgabe Dezember/Januar 1993, Seiten 41–46 , beschriebene skalare Schwebungs-Methode, welche zu den Frequenzoffset-Verfahren gehört.Another possibility is the injection of a stimulus signal with a low frequency offset to the output frequency in the output of the signal source and the evaluation of the envelope of the resulting emergent wave in the time domain. According to this principle works in Förster, H.-J .: "Measurement of source match for broadband synthesizers and amps", Microwave Eningering Europe, December / January 1993, pages 41-46 , described scalar beat method, which belongs to the frequency offset method.

Andere Frequenzoffset-Verfahren, welche das Ausgangssignal der Signalquelle im Frequenzbereich auswerten, sei es skalar mit einem Spektrumanalysator oder vektoriell mit einem Netzwerkanalysator (Hot S-Parameter-Messung herkömmlicher Art), versagen bei Messungen an pegelgeregelten Quellen. Pegelgeregelte Quellen antworten nämlich auf die Injektion eines Stimulus-Signals nicht nur mit einem reflektierten Signal bei dieser Frequenz, sondern auch mit einem Spiegelsignal bei ωDUT – Δω (ωDUT: Frequenz des normalen Ausgangssignals; Δω: Frequenzversatz des Stimulus-Signals). Wie später zu zeigen sein wird, müssen alle drei Frequenzkomponenten des Ausgangssignals phasenrichtig berücksichtigt werden, wenn der Reflexionskoeffizient einer pegelgeregelten Quelle im Frequenzbereich bestimmt werden soll. Wegen der fehlenden Möglichkeit, Phasenwinkel zu messen, scheiden Spektrumanalysatoren grundsätzlich aus. Bei Netzwerkanalysatoren wurde diese Möglichkeit bisher nicht genutzt, wohl auch wegen Unkenntnis über das andere Seitenband.Other frequency offset methods which evaluate the output of the signal source in the frequency domain, be it scalar with a spectrum analyzer or vectorially with a network analyzer (conventional hot S-parameter measurement), fail to measure at level controlled sources. Namely, level-controlled sources respond to the injection of a stimulus signal not only with a reflected signal at that frequency but also with a mirror signal at ω DUT -Δω (ω DUT : frequency of the normal output signal; Δω: frequency offset of the stimulus signal). As will be shown later, all three frequency components of the output signal must be considered in-phase, if the reflection coefficient of a level-controlled source in the frequency domain is to be determined. Because of the lack of ability to measure phase angles, spectrum analyzers are basically ruled out. For network analyzers this possibility has not been used, probably because of ignorance of the other sideband.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Messgerät zum Charakterisieren eines Messobjekts, welches selbst ein Emissionssignal aussendet, zu schaffen, insbesondere zur Bestimmung des Reflexionskoeffizienten des Messobjekts an bzw. in der Nähe seiner Emissionsfrequenz.The object of the invention is to provide a method and a measuring device for characterizing a test object which itself emits an emission signal, in particular for determining the reflection coefficient of the test object at or in the vicinity of its emission frequency.

Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich des Messgeräts durch die Merkmale des Anspruchs 11 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.The object is achieved with respect to the method by the features of claim 1 and with respect to the measuring device by the features of claim 11. The dependent claims contain advantageous developments of the invention.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine genaue Charakterisierung des Messobjekts in der Nähe seiner Emissionsfrequenz, insbesondere eine genaue Bestimmung des Reflexionskoeffizienten in der Nähe der Emissionsfrequenz, nur möglich ist, wenn bei Verwendung der Frequenzoffsetmethode eine Auswertung aller relevanten Frequenzkomponenten nach Betrag und Phase erfolgt. Die aus dem Stand der Technik bekannte rein skalare Auswertung des Schwebungssignals, d. h. die alleinige Messung der Amplitudenmaxima und -minima ist zu ungenau.The invention is based on the finding that an accurate characterization of the measurement object in the vicinity of its emission frequency, in particular an accurate determination of the reflection coefficient in the vicinity of the emission frequency, is only possible if an evaluation of all relevant frequency components takes place according to amount and phase when using the frequency offset method , The purely scalar evaluation of the beat signal known from the prior art, d. H. the sole measurement of the amplitude maxima and minima is too inaccurate.

Die Auswertung des Reflexionskoeffizienten erfolgt bevorzugt durch Messung des Verhältnisses der von dem Messobjekt emittierten und der in das Messobjekt injizierten Wellen sowohl bei der Injektionsfrequenz als auch bei einer Spiegelfrequenz, welche die Injektionsfrequenz an der Emissionsfrequenz spiegelt. Die Auswerteformel enthält dann noch einen zunächst unbestimmten Transformationsfaktor, welcher bestimmt werden kann, wenn zusätzlich die bei der Emissionsfrequenz des Messobjekts empfangene Welle ausgewertet wird. The evaluation of the reflection coefficient is preferably carried out by measuring the ratio of the waves emitted by the measurement object and the waves injected into the measurement object both at the injection frequency and at an image frequency which mirrors the injection frequency at the emission frequency. The evaluation formula then also contains an initially indeterminate transformation factor, which can be determined if, in addition, the wave received at the emission frequency of the measurement object is evaluated.

Eine höhere Genauigkeit erreicht man, wenn die Tatsache berücksichtigt wird, dass Teile der vom Messobjekt emittierten Wellen im Messgerät reflektiert und von dort zusätzlich in das Messobjekt injiziert werden. Dort erfolgt eine weitere Reflexion und damit eine Veränderung der vom Messobjekt ursprünglich emittierten Wellen. Misst man also die gesamten injizierten Wellen, d. h. insbesondere unter zusätzlicher Berücksichtigung der bei der Spiegelfrequenz injizierten Anteile, wird die Genauigkeit in einer bevorzugten Ausgestaltung weiter erhöht.Higher accuracy can be achieved by taking into account the fact that parts of the waves emitted by the test object are reflected in the measuring instrument and additionally injected into the test object. There, a further reflection and thus a change in the originally emitted by the measurement object waves. So if you measure the total injected waves, d. H. In particular, with additional consideration of the portions injected at the image frequency, the accuracy is further increased in a preferred embodiment.

Die Auswertung erfolgt bevorzugt im Basisband. Es wird später noch gezeigt, dass die Auswertung im Basisband einer Auswertung in Hochfrequenzlage äquivalent ist.The evaluation is preferably carried out in the baseband. It will be shown later that the evaluation in the baseband is equivalent to a high-frequency evaluation.

Durch Variation des Abstands der Injektionsfrequenz, bei welcher das Messgerät sein Signal in das Messobjekt injiziert, von der Emissionsfrequenz, bei welcher das Messobjekt emittiert, kann sowohl die Regelbandbreite eines in dem Messobjekt vorhandenen Reglers als auch dessen zeitliches Einschwingverhalten bestimmt werden.By varying the distance of the injection frequency at which the measuring device injects its signal into the measurement object from the emission frequency at which the measurement object emits, both the control bandwidth of a controller present in the measurement object and its temporal transient response can be determined.

Für die einzelnen Messfrequenzen sind bevorzugt separate Filter und Detektoren vorgesehen und über entsprechende Mischer erfolgt ein Frequenzversatz, so dass jeweils nur die jeweilige Welle an dem entsprechenden Detektor ausgewertet wird. Nachdem die Auswertung bevorzugt im Basisband erfolgt, erfolgt sie weiter bevorzugt nach der Analog/Digital-Wandlung. Die entsprechenden Oszillatoren, Mischer, Filter und Detektoren können deshalb digital ausgebildet sein, d. h. die Oszillatoren sind nummerische Oszillatoren und die Mischer sind bevorzugt entsprechende Multiplizier, während die Filter bevorzugt entsprechende digitale FIR-Filter oder IIR-Filter sind.Separate filters and detectors are preferably provided for the individual measuring frequencies, and a frequency offset takes place via corresponding mixers, so that in each case only the respective wave is evaluated at the corresponding detector. After the evaluation preferably takes place in the baseband, it is preferably carried out after the analog / digital conversion. The corresponding oscillators, mixers, filters and detectors may therefore be digitally designed, i. H. the oscillators are numerical oscillators and the mixers are preferably corresponding multipliers, while the filters are preferably respective digital FIR filters or IIR filters.

Die erfindungsgemäße Methode bietet den großen Vorteil, dass jetzt vektorielle Anpassungsmessungen an pegelgeregelten Quellen mit einem Standard-Messgerät, dem vektoriellen Netzwerkanalysator, möglich sind. Alle anderen Verfahren haben nämlich den Nachteil, dass spezielles Equipment und vor allem entsprechendes Know How erforderlich ist, um diese Messaufgabe erfolgreich durchzuführen.The advantage of the method according to the invention is that vectorial adaptation measurements on level-controlled sources are now possible with a standard measuring device, the vectorial network analyzer. All other methods have the disadvantage that special equipment and above all appropriate know-how is required to successfully perform this measuring task.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielhaft und vereinfachend beschrieben. In der Zeichnung zeigen:Preferred embodiments of the invention will be described below by way of example and with reference to the drawings. In the drawing show:

1 ein Blockschaltbild eines Beispiels eines zu vermessenden emittierenden Messobjekts, welches eine Pegelregelung hat; 1 a block diagram of an example of an emissive measuring object to be measured, which has a level control;

2a ein Diagramm zur Erläuterung der Komponenten, welche den Reflexionskoeffizienten des Messobjekts und des Messgeräts bestimmen; 2a a diagram for explaining the components which determine the reflection coefficient of the measuring object and the measuring device;

2b ein Diagramm zur Erläuterung der Komponenten, welche den Reflexionskoeffizienten des Messobjekts und des Messgeräts des Messobjekts bestimmen. 2 B a diagram for explaining the components which determine the reflection coefficient of the measurement object and the measuring device of the measurement object.

3 ein Diagramm zur Erläuterung der Frequenzlage der einzelnen Signalkomponenten; 3 a diagram for explaining the frequency position of the individual signal components;

4 ein Diagramm zur Erläuterung der Phasenlage einzelner Signalkomponenten bei eingeschwungenem Pegelregler des Messobjekts; 4 a diagram for explaining the phase position of individual signal components at steady level controller of the measurement object;

5 ein Diagramm zur Erläuterung der Phasenlage einzelner Signalkomponenten nach dem Start des Regelvorgangs des Pegelreglers des Messobjekts; 5 a diagram for explaining the phase position of individual signal components after the start of the control process of the level controller of the measuring object;

6 ein Diagramm zur Erläuterung der Frequenzlage einzelner Signalkomponenten; 6 a diagram for explaining the frequency position of individual signal components;

7 ein Diagramm zur Erläuterung der Korrektur der Wellengrößen; 7 a diagram for explaining the correction of the wave sizes;

8 ein Blockdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Messgeräts in Form eines vektoriellen Netzwerkanalysators und 8th a block diagram of a preferred embodiment of the measuring device in the form of a vector network analyzer and

9 ein Diagramm zur Erläuterung der Vorgehensweise bei der Auswertung der Regelbandbreite des in dem Messobjekt vorhandenen Pegelreglers. 9 a diagram for explaining the procedure in the evaluation of the control bandwidth of the present in the measurement object level controller.

In 1 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild eines typischen zu vermessenden Messobjekts 4 dargestellt. Das auch als DUT (device under test) bezeichnete Messobjekt hat einen Signalgenerator 5 und einen einstellbaren Abschwächer 6 bzw. einen einstellbaren Verstärker. Dieser ist mit dem Ausgangstor 7 über einen Pegelabgriff 8 verbunden. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Richtkoppler handeln. Dieser hat das Eingangstor 1, das Ausgangstor 2 und das Pegelabgriffs-Tor 3. Das an dem Pegelabgriff 8 abgegriffene Signal wird einem Detektor 9 zugeführt, welcher den Pegel des Ausgangssignals detektiert. Das detektierte Signal wird einem Regelverstärker 10 zugeführt, der im Ausführungsbeispiel als I (integrierender) Regler ausgeführt ist. Der Regelverstärker 10 umfasst im Ausführungsbeispiel einen Differenzverstärker 11, beispielsweise einen Operationsverstärker. Das Regelsignal ist dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 11 über den Widerstand 12 zugeführt, während dem nicht invertierenden Eingang die Führungsgröße, nämlich der Sollwert der Detektor-Ausgangsspannung, in Form einer gegenüber dem Bezugspotential 13 angeschlossenen Spannungsquelle Usoll zugeführt wird. Zwischen dem Ausgang des Differenzverstärkers 11 und seinem invertierenden Eingang befindet sich ein Kondensator 14, der zusammen mit dem Widerstand 12 die Zeitkonstante des Reglers und damit die Regelbandbreite definiert. Das Ausgangssignal wird dem Steuereingang 15 des einstellbaren Abschwächers 6 zugeführt. Insgesamt verfügt das Messobjekt 11 somit über eine Regelschleife bzw. Regeleinrichtung 16.In 1 is a simplified block diagram of a typical DUT to be measured 4 shown. The DUT (device under test) called DUT has a signal generator 5 and an adjustable attenuator 6 or an adjustable amplifier. This is with the exit gate 7 via a level tap 8th connected. This may be, for example, a directional coupler. This one has the entrance gate 1 , the exit gate 2 and the level tap gate 3 , The at the level tap 8th tapped signal becomes a detector 9 supplied, which detects the level of the output signal. The detected signal becomes a control amplifier 10 supplied, which is designed in the embodiment as an I (integrating) controller. The control amplifier 10 includes in the embodiment a differential amplifier 11 , for example, an operational amplifier. The control signal is the inverting input of the differential amplifier 11 about the resistance 12 supplied during the non-inverting input, the reference variable, namely the desired value of the detector output voltage, in the form of a relative to the reference potential 13 connected voltage source U is to be supplied. Between the output of the differential amplifier 11 and its inverting input is a capacitor 14 that together with the resistance 12 Defines the time constant of the controller and thus the control bandwidth. The output signal becomes the control input 15 adjustable attenuator 6 fed. Overall, the measurement object has 11 thus via a control loop or control device 16 ,

Die Messaufgabe besteht insbesondere darin, den komplexen Reflexionskoeffizienten ΓG an dem Tor 7 zu ermitteln. Dies ist bei passiven Messobjekten der komplexe Quotient aus der aufgrund von Reflexion an dem Messobjekt 4 emittierten Welle bG zu der in das Messobjekt 4 injizierten Welle aG, Bei aktiven Messobjekten, wie einer pegelgeregelten Quelle, sind die Verhältnisse komplexer, weil das Messobjekt immer eine Welle emittiert. Das wird durch die 2a und 2b beschrieben.The measuring task consists in particular of the complex reflection coefficient Γ G at the gate 7 to investigate. In the case of passive measuring objects, this is the complex quotient of the due to reflection on the measuring object 4 emitted wave b G to the in the test object 4 injected wave a G In active DUTs, such as a level-regulated source, are the conditions more complex because the measurement object always emits a wave. That is through the 2a and 2 B described.

2a beschreibt die Zusammenhänge für die Signalkomponenten eines aktiven Messobjekts bei der Emissionsfrequenz ωDUT im eingeschwungenen Zustand, d. h. bei aktivem und ausgeregeltem Regelkreis im Falle einer pegelgeregelten Quelle. Die Welle bs ist dabei die bei Anpassung am Ausgang des Messobjekts austretende Welle, ΓT beschreibt das Reflexionsverhalten der Last. Wie unmittelbar ersichtlich, ist das Verhältnis bG/aG kein unmittelbares Maß für den Reflexionskoeffizienten ΓG der Signalquelle, weil dieses Verhältnis nicht nur vom Reflexionskoeffizienten ΓG des Messobjekts, sondern vor allem vom Reflexionskoeffizienten ΓT der Last abhängt. Messverfahren für ΓG, welche zur Messung den Ausgang des Messobjekts mit unterschiedlichen Reflexionskoeffizienten ΓT belasten (z. B. das in der Patentschrift US 7,868,624 B2 beschriebene Verfahren), machen sich diesen Sachverhalt zunutze. 2a describes the relationships for the signal components of an active device under test at the emission frequency ω DUT in the steady state, ie with active and closed-loop control in the case of a level-controlled source. The wave b s is the wave emerging from the output of the object to be measured, Γ T describes the reflection behavior of the load. As can be seen immediately, the ratio b G / a G is not an immediate measure of the reflection coefficient Γ G of the signal source, because this ratio depends not only on the reflection coefficient Γ G of the DUT, but above all on the reflection coefficient Γ T of the load. Measuring method for Γ G , which load the output of the measurement object with different reflection coefficients Γ T for the measurement (for example, that in the patent US 7,868,624 B2 described method) take advantage of this fact.

Um mit einem stimulierenden Messgerät, z. B. einem Netzwerkanalysator, den Reflexionskoeffizienten ΓG zu messen, muss die Stimulusfrequenz etwas von der Emissionsfrequenz abweichen. Dies beschreibt die 2b für die Signalkomponenten eines aktiven, aber nicht pegelgeregelten Messobjekts in unmittelbarer Nähe der Emissionsfrequenz ωDUT, und zwar bei der Frequenz ωDUT + Δω des Injektionssignals. Wegen des geringen Frequenzabstands zur Emissionsfrequenz kann angenommen werden, dass der Reflexionskoeffizient des Messobjekts identisch zum Reflexionskoeffizienten ΓG bei der Emissionsfrequenz ist. Wie unmittelbar ersichtlich, kann der gesuchte Reflexionskoeffizient ΓG als komplexes Verhältnis bG/aG von reflektierter Welle bG zu injizierter Welle aG gemessen werden (Hot S-Parameter Messung).To use with a stimulating meter, z. As a network analyzer to measure the reflection coefficient Γ G , the stimulus frequency must deviate slightly from the emission frequency. This describes the 2 B for the signal components of an active, but not level-controlled measurement object in the immediate vicinity of the emission frequency ω DUT , specifically at the frequency ω DUT + Δω of the injection signal. Because of the small frequency separation from the emission frequency, it can be assumed that the reflection coefficient of the measurement object is identical to the reflection coefficient Γ G at the emission frequency. As is readily apparent, the sought reflection coefficient Γ G can be measured as a complex ratio b G / a G of reflected wave b G to injected wave a G (Hot S-parameter measurement).

Auf pegelgeregelte Quellen ist 2b nicht unmittelbar anwendbar, und zwar kann der bei der Stimulusfrequenz ωDUT + Δω messbare komplexe Quotient bG/aG teilweise erheblich vom tatsächlichen Reflexionskoeffizienten ΓG abweichen. Das liegt daran, dass ein Teil der erwarteten Reflexion bG nicht bei der Stimulusfrequenz ωDUT + Δω, sondern bei der Spiegelfrequenz ωDUT – Δω erfolgt. Man muss also auch diese Signalkomponente messen und (nach entsprechender Transformation) zum Anteil bei der Stimulusfrequenz addieren, bevor der Quotient bG/aG ausgewertet werden kann.On level controlled sources is 2 B not directly applicable, and although the complex quotient b G / a G measurable at the stimulus frequency ω DUT + Δω may in some cases deviate considerably from the actual reflection coefficient Γ G. This is because part of the expected reflection b G is not at the stimulus frequency ω DUT + Δω, but at the image frequency ω DUT - Δω. So you also have to measure this signal component and add (after appropriate transformation) to the proportion of the stimulus frequency before the quotient b G / a G can be evaluated.

Das Spiegelsignal entsteht deswegen, weil eine durch das Stellglied 6 vorgenommene Modulation des Signalpegels die Signalphase unverändert lässt, was wiederum nur durch zwei symmetrische Seitenbänder darstellbar ist.The mirror signal arises because one through the actuator 6 made modulation of the signal level leaves the signal phase unchanged, which in turn can only be represented by two symmetrical sidebands.

Zur Unterscheidung vom Reflexionskoeffizienten des Ausgangstors 7 ohne Regelungseinsatz, zum Beispiel bei einem Frequenzversatz Δω weit außerhalb der Regelungsbandbreite, wird der unter Einwirkung der Pegelregelung messbare Reflexionskoeffizient ΓG auch als äquivalenter Reflexionskoeffizient bezeichnet. To distinguish from the reflection coefficient of the output gate 7 without control input, for example, at a frequency offset Δω far outside the control bandwidth, the reflection coefficient Γ G measurable under the action of the level control is also referred to as the equivalent reflection coefficient.

Erfindungsgemäß wird zur Bestimmung der Impedanz das Erregungssignal (Injektionssignal) mit einem Frequenzversatz auf das Messobjekt 4 gegeben. Der Pegeldetektor 9 des Messobjekts 4 sieht nun als Eingangsgröße die Überlagerung des eigenen Generatorsignals und des Erregungssignals. Die Amplitude dieses Signals, einer Schwebung, ist nicht konstant, sondern ändert sich periodisch entsprechend dem Frequenzversatz Δω. Wenn das Erregungssignal klein ist im Verhältnis zum Generatorsignal, hat die Hüllkurve der Schwebung dieselbe Form wie eine Amplitudenmodulation, zusätzlich ist aber die Phase moduliert.According to the invention, to determine the impedance, the excitation signal (injection signal) with a frequency offset to the measurement object 4 given. The level detector 9 of the measurement object 4 now sees as input the superposition of the own generator signal and the excitation signal. The amplitude of this signal, a beat, is not constant, but changes periodically according to the frequency offset Δω. If the excitation signal is small in relation to the generator signal, the envelope of the beat has the same shape as an amplitude modulation, but in addition the phase is modulated.

Wird nun die Regelung 16 aktiviert, versucht der integrierende Regler, das Ausgangssignal des Pegeldetektors so groß zu machen wie die Führungsgröße Usoll, d. h. die Pegelschwankungen zu kompensieren. Bei diesem Vorgang kommt es zur Modulation des Generatorsignals, und zwar zu einer Amplitudenmodulation mit zwei Seitenlinien, wenn das Erregungssignal klein ist im Vergleich zum Generatorsignal. Bei größerem Signalpegel entstehen weitere Seitenlinien. Dies wird in 3 veranschaulicht. 5 zeigt den Beginn des Regelvorgangs. Der Vorgang ist abgeschlossen, sobald die beiden Seitenlinien eine solche Amplitude haben, dass durch die Überlagerung mit dem Erregungssignal und dem Signal bei der Mittenfrequenz ωDUT eine frequenzmodulierte Schwingung mit zeitunabhängiger Amplitude entstanden ist.Will now the scheme 16 is activated, the integrating controller attempts to make the output signal of the level detector as large as the reference variable U soll , ie to compensate the level fluctuations. In this process, modulation of the generator signal occurs, namely amplitude modulation with two side lines, when the excitation signal is small compared to the generator signal. With a larger signal level, further side lines are created. This will be in 3 illustrated. 5 shows the beginning of the control process. The process is completed as soon as the two side lines have such an amplitude that a frequency-modulated oscillation having a time-independent amplitude is produced by the superposition with the excitation signal and the signal at the center frequency ω DUT .

4 zeigt diese Situation mit eingeschwungener Regelung als Vektordiagramm. Wenn der Pegel des Erregungs-Signals klein im Vergleich zum Generatorsignal gewählt ist, entsteht eine schmalbandige Frequenzmodulation mit nur zwei Seitenlinien. Bei größerer Aussteuerung entstehen Seitenlinien bei ganzzahligen Vielfachen des Frequenzoffsets Δω. Das ist in 3 am Beispiel des amplitudenmodulierten Generatorsignals dargestellt. 4 shows this situation with stabilized control as a vector diagram. If the level of the excitation signal is small compared to the generator signal, narrow band frequency modulation with only two sidelines results. With larger modulation, side lines are produced at integer multiples of the frequency offset Δω. Is in 3 shown on the example of the amplitude-modulated generator signal.

Das entstehende Spektrum am Ausgangstor 7 ist in 6 dargestellt.The resulting spectrum at the exit gate 7 is in 6 shown.

Am Ausgangstor 7 des Messobjekts werden folgende Signalkomponenten emittiert:

  • – das amplitudenmodulierte Generatorsignal mit mindestens drei Frequenzkomponenten, und zwar bei der Mittenfrequenz ωDUT und den Seitenbandfrequenzen ωDUT – Δω und ωDUT + Δω.
  • – der vom Messobjekt reflektierte Anteil des Erregungs-Signals bei der Frequenz ωDUT + Δω.
At the exit gate 7 of the DUT, the following signal components are emitted:
  • - The amplitude-modulated generator signal having at least three frequency components, namely at the center frequency ω DUT and the side band frequencies ω DUT - Δω and ω DUT + Δω.
  • - The proportion of the excitation signal reflected by the measured object at the frequency ω DUT + Δω.

Weil die Zusammensetzung des Signals am Ausgangstor in der Regel anders ist als am Pegeldetektor, wird es Charakteristika einer Amplituden- und einer Frequenzmodulation aufweisen.Because the composition of the signal at the output port is typically different than at the level detector, it will have characteristics of amplitude and frequency modulation.

Das auf das Ausgangstor 7 auftreffende Signal wird in erster Linie das Erregungs-Signal enthalten. Die Höhe der anderen Frequenzkomponenten richtet sich danach, wie stark die vom Messobjekt emittierten Signale innerhalb des Messgeräts zurückreflektiert werden (Reflexionskoeffizient ΓT).That on the exit gate 7 incident signal will primarily contain the excitation signal. The height of the other frequency components depends on how much the signals emitted by the measuring object are reflected back inside the measuring device (reflection coefficient Γ T ).

Um den äquivalenten Quellenreflexionsfaktor ΓG messen zu können, müssen die Wellengrößen natürlich simultan und systemfehlerkorrigiert in der Bezugsebene erfasst werden. Eine sequentielle Messung ist nicht möglich, da dies zum Verlust der Phasenbeziehung führt. Die Systemfehlerkorrektur erfolgt in üblicher Weise und basiert auf dem bekannten Modell eines vektoriellen Netzwerkanalysators mit einem Messtor, welches in 7 veranschaulicht ist. 7 zeigt, wie die gesuchten Wellengrößen â und b ^ mit den gemessenen Rohwellengrößen a und b verknüpft sind.To be able to measure the equivalent source reflection factor Γ G , of course, the wave quantities must be detected simultaneously and system-corrected in the reference plane. A sequential measurement is not possible, as this leads to the loss of the phase relationship. The system error correction takes place in the usual way and is based on the known model of a vectorial network analyzer with a measuring port, which in 7 is illustrated. 7 shows how the sought wave sizes â and b ^ are linked to the measured raw wave quantities a and b.

8 zeigt das Blockschaltbild eines als erfindungsgemäßes Messgerät 20 ausgebildeten vektoriellen Netzwerkanalysators VNA. Das Messobjekt 4 ist mit seinem Ausgangstor Tor 7 in der Bezugsebene 21 angeschlossen. Ein Signalgenerator 22 ist über einen Richtkoppler 23 mit dem Messobjekt 4 verbunden. Eine Probe des von dem Signalgenerator 22 erzeugten Signals steht an dem Ausgang 24 des Richtkopplers 23 zur Verfügung und wird über einen Mischer 25 ins Basisband bzw. in eine Zwischenfrequenz-Lage gemischt und dort über einen Analog/Digital-Wandler 26 digitalisiert. Das von dem Messobjekt 4 empfangene Signal steht an dem Ausgang 27 des Richtkopplers 23 zur Verfügung und wird über den Mischer 28 ins Basisband bzw. in die Zwischenfrequenz-Lage gemischt und dort über den Analog/Digital-Wandler 29 digitalisiert. Um die nötige Phasenkohärenz zu erreichen, werden beide Mischer 25 und 28 des ersten Signalpfads 31 und des zweiten Signalpfads 30 bevorzugt über einen gemeinsamen lokalen Oszillator 32 versorgt. 8th shows the block diagram of a device according to the invention as a meter 20 trained vectorial network analyzer VNA. The measurement object 4 is with his exit goal 7 in the reference plane 21 connected. A signal generator 22 is via a directional coupler 23 with the measurement object 4 connected. A sample from the signal generator 22 generated signal is at the output 24 of the directional coupler 23 available and will have a mixer 25 mixed into baseband or in an intermediate frequency position and there via an analog / digital converter 26 digitized. That of the measurement object 4 received signal is at the output 27 of the directional coupler 23 available and will be over the mixer 28 mixed into baseband or in the intermediate frequency position and there via the analog / digital converter 29 digitized. To achieve the necessary phase coherence, both mixers 25 and 28 the first signal path 31 and the second signal path 30 preferably via a common local oscillator 32 provided.

Ein erster beispielsweise als Multiplizierer ausgebildeter digitaler Mischer 33, der im ersten Signalpfad 31 angeordnet ist, empfängt das Ausgangssignal des Analog/Digital-Wandlers 29 und das Signal eines ersten digitalen Oszillators 34, der beispielsweise als nummerisch gesteuerter Oszillator (NCO1) ausgebildet sein kann. An seinem Ausgang befindet sich ein erster Filter- und Detektor-Block 35. Die Frequenz des ersten Oszillators 34 ist dabei so eingestellt, dass die bei der Injektionsfrequenz ωDUT + Δω empfangene und ins Basisband transferierte Welle (in 8 b ^(f1), in der nachfolgenden mathematischen Betrachtung b ~2_Δω) detektiert wird.A first example designed as a multiplier digital mixer 33 in the first signal path 31 is arranged, receives the output signal of the analog / digital converter 29 and the signal of a first digital oscillator 34 , which may be formed, for example, as a numerically controlled oscillator (NCO1). At its output is a first filter and detector block 35 , The frequency of the first oscillator 34 is set in such a way that the wave received at the injection frequency ω DUT + Δω and transferred to the baseband (in 8th b ^ (f 1 ), in the following mathematical consideration b ~ 2_Δω ) is detected.

Ein zweiter vorzugsweise ebenfalls als Multiplizierer ausgebildeter digitaler Mischer 36, der im ersten Signalpfad 31 angeordnet ist, empfängt auch das Ausgangssignal des Analog/Digital-Wandlers 29 und das Signal eines zweiten digitalen Oszillators 37, der ebenfalls als nummerisch gesteuerter Oszillator (NCO3) ausgebildet sein kann. An seinem Ausgang befindet sich ein zweiter Filter- und Detektor-Block 38. Die Frequenz des zweiten Oszillators 37 ist dabei so eingestellt, dass die bei der Spiegelfrequenz ωDUT – Δω empfangene und ins Basisband transferierte Welle (in 8 b ^(f3), in der nachfolgenden mathematischen Betrachtung b ~2_–Δω) detektiert wird.A second preferably also as a multiplier trained digital mixer 36 in the first signal path 31 is arranged, also receives the output signal of the analog / digital converter 29 and the signal of a second digital oscillator 37 , which can also be designed as a numerically controlled oscillator (NCO3). At its exit is a second filter and detector block 38 , The frequency of the second oscillator 37 is set so that the wave received at the image frequency ω DUT -Δω and transferred to the baseband (in 8th b ^ (f 3 ), in the following mathematical consideration b ~ 2_-Δω ) is detected.

Ein dritter vorzugsweise ebenfalls als Multiplizierer ausgebildeter digitaler Mischer 39, der im ersten Signalpfad 31 angeordnet ist, empfängt auch das Ausgangssignal des Analog/Digital-Wandlers 39 und das Signal eines dritten digitalen Oszillators 40, der ebenfalls als nummerisch gesteuerter Oszillator (NCO2) ausgebildet sein kann. An seinem Ausgang befindet sich ein dritter Filter- und Detektor-Block 41. Die Frequenz des dritten Oszillators 40 ist dabei so eingestellt, dass die bei der Emissionsfrequenz ωDUT des Messobjekts 4 empfangene und ins Basisband transferierte Welle (in 8 b ^(f2), in der nachfolgenden mathematischen Betrachtung

Figure DE102013213296A1_0002
) detektiert wird.A third preferably likewise designed as a multiplier digital mixer 39 in the first signal path 31 is arranged, also receives the output signal of the analog / digital converter 39 and the signal of a third digital oscillator 40 , which can also be designed as a numerically controlled oscillator (NCO2). At its exit is a third filter and detector block 41 , The frequency of the third oscillator 40 is set so that the at the emission frequency ω DUT of the measurement object 4 received and transferred to baseband wave (in 8th b ^ (f 2 ), in the following mathematical consideration
Figure DE102013213296A1_0002
) is detected.

In dem zweiten Signalpfad 30 befindet sich ein vierter digitaler Mischer 42, der mit dem Ausgang des Analog/Digital-Wandlers 26 verbunden ist und das Signal des vierten digitalen Oszillators 43 (NCO1) empfängt. Der Ausgang des vierten Mischers 42 ist mit dem vierten Filter- und Detektor-Block 44 verbunden. Die Durchlassbandbreite des vierten Filters 44 ist so ausgelegt, dass der zugehörige Detektor 44 das von dem Signalgenerator 22 in das Messobjekt 4 injizierte Signal bei der Frequenz ωDUT + Δω (in 8 a ^(f1), in der nachfolgenden mathematischen Betrachtung a ~2_Δω) detektiert.In the second signal path 30 there is a fourth digital mixer 42 connected to the output of the analogue to digital converter 26 is connected and the signal of the fourth digital oscillator 43 (NCO1) receives. The output of the fourth mixer 42 is with the fourth filter and detector block 44 connected. The passband width of the fourth filter 44 is designed so that the associated detector 44 that from the signal generator 22 into the measurement object 4 injected signal at the frequency ω DUT + Δω (in 8th a ^ (f 1 ), in the following mathematical consideration a ~ 2_Δω ).

In dem zweiten Signalpfad 30 befindet sich auch ein fünfter digitaler Mischer 45, der auch mit dem Ausgang des Analog/Digital-Wandlers 26 verbunden ist und das Signal des fünften digitalen Oszillators 46 (NCO3) empfängt. Der Ausgang des fünften Mischers 45 ist mit dem fünften Filter- und Detektor-Block 47 verbunden. Die Durchlassbandbreite des fünften Filters 47 ist so ausgelegt, dass der zugehörige Detektor 47 das an dem Signalgenerator 22 reflektierte und wieder in das Messobjekt 4 reinjizierte Spiegelfrequenz-Signal bei der Frequenz ωDUT – Δω (in 8 a ^(f3), in der nachfolgenden mathematischen Betrachtung a ~2_–Δω) detektiert.In the second signal path 30 there is also a fifth digital mixer 45 that also connected to the output of the analog to digital converter 26 is connected and the signal of the fifth digital oscillator 46 (NCO3) receives. The output of the fifth mixer 45 is with the fifth filter and detector block 47 connected. The passband width of the fifth filter 47 is designed so that the associated detector 47 that at the signal generator 22 reflected and returned to the measurement object 4 reinjected image frequency signal at the frequency ω DUT - Δω (in 8th a ^ (f 3 ), in the following mathematical consideration a ~ 2_-Δω ) detected.

Die detektierten Signalkomponenten b ^(f1), b ^(f2), b ^(f3), a ^(f1) und a ^(f3) werden in einer Auswerteinheit 50, beispielsweise eine CPU oder ein FPGA oder ein ASIC, ausgewertet, so dass zunächst ein Transformationsfaktor γ ~ und schließlich der gesuchte Reflexionskoeffizient berechnet wird. Wie wird in der mathematischen Betrachtung weiter unten gezeigt.The detected signal components b ^ (f 1 ), b ^ (f 2 ), b ^ (f 3 ), a ^ (f 1 ) and a ^ (f 3 ) are in an evaluation unit 50 , For example, a CPU or an FPGA or an ASIC, evaluated, so that first a transformation factor γ ~ and finally the sought reflection coefficient is calculated. As shown in the mathematical analysis below.

9 veranschaulicht die Möglichkeit, durch eine unterschiedliche Wahl des Frequenzabstands Δω von der Emissionsfrequenz ωDUT des Messobjekts 4 den Frequenzgang der in dem Messobjekt 4 vorhandenen Regeleinrichtung 16 zu ermitteln. Gemessen wird jeweils bei der entsprechenden Spiegelfrequenz ωDUT – Δω die zugehörige empfangene Wellengröße b ^. In 9 ist dies anhand von vier verschiedenen Frequenzversätzen veranschaulicht. In der Praxis wird natürlich typischerweise an wesentlich mehr Messstellen gemessen. Bestimmt wird dabei der Amplitudenabfall um den Faktor 0,7, was die üblichen Definition der Bandbreite an 3 dB entspricht. Durch eine entsprechende Fourier-Transformation der gemessenen komplexen Wellengrößen b ^ lassen sich auch Rückschlüsse über das Zeitverhalten der Regeleinrichtung 16, d. h. über das Einschwingverhalten der Regeleinrichtung 16, vornehmen. 9 illustrates the possibility by a different choice of the frequency spacing Δω of the emission frequency ω DUT of the measurement object 4 the frequency response of the measured object 4 existing control device 16 to investigate. In each case, at the corresponding image frequency ω DUT -Δω, the associated received wave quantity b 1 is measured. In 9 this is illustrated by four different frequency offsets. In practice, of course, is typically measured at significantly more measuring points. It determines the amplitude drop by a factor of 0.7, which corresponds to the usual definition of the bandwidth at 3 dB. By means of a corresponding Fourier transformation of the measured complex wave quantities b 1, it is also possible to draw conclusions about the time behavior of the control device 16 , ie on the transient response of the control device 16 , make.

Nachfolgend wird die Auswerteformel für die Messung des äquivalenten Reflexionskoeffizienten ΓG hergeleitet und es werden verschiedene Vereinfachungen diskutiert. Bei der nachfolgenden mathematischen Darstellung werden folgende Symbole verwendet:
ax auf Tor x (1, 2, 3) des Pegelabgriffs 8 einfallende Welle
ax_Q Komponente, welche auf das Quellensignal bQ zurückgeführt werden kann
a ~x_Q Komponente im Basisband
ax_T Komponente, welche auf das Quellensignal bT zurückgeführt werden kann
a ~x_T Komponente im Basisband
a2_±Δω auf Tor 2 des Pegelabgriffs 8 bei der Frequenz ωTEST = ωDUT ± Δω einfallende Welle
a ~2_±Δω Komponente im Basisband
a ⁀2_±Δω Komponente ohne Phasenterm ej...
bQ aus der an Tor 1 des Pegelabgriffs 8 angeschlossenen Quelle bei Anpassung austretende Welle (Generatorsignal)
bT aus der an Tor 2 des Pegelabgriffs 8 angeschlossenen Quelle bei Anpassung austretende Welle (Stimulus-/Testsignal)
bx aus Tor x (1, 2, 3) des Pegelabgriffs 8 austretende Welle
bx_Q Komponente, welche auf das Quellensignal bQ zurückgeführt werden kann
b ~x_Q Komponente im Basisband
bx_T Komponente, welche auf das Quellensignal bT zurückgeführt werden kann
b ~x_T Komponente im Basisband
b2_±Δω aus Tor 2 des Pegelabgriffs 8 bei der Frequenz ωDUT ± Δω austretende Welle
b ~2_±Δω Komponente im Basisband
b ⁀2_±Δω Komponente ohne Phasenterm ej...

Figure DE102013213296A1_0003
aus Tor 2 des Pegelabgriffs 8 bei der Signalfrequenz ωDUT austretende Welle
Figure DE102013213296A1_0004
Komponente im Basisband
Figure DE102013213296A1_0005
Komponente ohne Phasenterm ej...
F(Δω) Übertragungsfunktion der Pegelregelschleife
γ Transformationsfaktor
γ ~ Komponente im Basisband
ΓG äquivalenter Reflexionskoeffizient an Tor 2 des Pegelabgriffs 8
Γ ^G Schätzwert für ΓG
ΓQ Reflexionskoeffizient der inneren Signalquelle (an Tor 1 des Pegelabgriffs 8 angeschlossen)
ΓT Reflexionskoeffizient der Testquelle (an Tor 2 des Pegelabgriffs 8 angeschlossen)
Sxy S-Parameter des Dreitors (bx/ay)
sc Seitenband des Quellensignals bei der Stimulusfrequenz
sm Seitenband des Quellensignals bei der Spiegelfrequenz zum Stimulussignal
ωg (Kreis-)Grenzfrequenz der Pegelregelschleife
x* zu x konjugiert komplexe ZahlIn the following, the evaluation formula for the measurement of the equivalent reflection coefficient Γ G is derived and various simplifications are discussed. The following symbols are used in the following mathematical representation:
a x on gate x ( 1 . 2 . 3 ) of the level tap 8th incident wave
a x_Q component, which can be attributed to the source signal b Q
a ~ x_Q component in baseband
a x_T component, which can be attributed to the source signal b T
a ~ x_T component in baseband
a 2_ ± Δω on goal 2 the level tap 8th at the frequency ω TEST = ω DUT ± Δω incident wave
a ~ 2_ ± Δω component in baseband
a ⁀ 2_ ± Δω component without phase term e j ...
b Q from the at gate 1 the level tap 8th connected source when adapting outgoing wave (generator signal)
b T out of the gate 2 the level tap 8th connected source when adapting outgoing wave (stimulus / test signal)
b x from port x ( 1 . 2 . 3 ) of the level tap 8th emerging wave
b x_Q component which can be attributed to the source signal b Q
b ~ x_Q component in baseband
b x_T component, which can be traced back to the source signal b T
b ~ x_T component in baseband
b 2_ ± Δω out of gate 2 the level tap 8th at the frequency ω DUT ± Δω emerging wave
b ~ 2_ ± Δω component in baseband
b ⁀ 2_ ± Δω component without phase term e j ...
Figure DE102013213296A1_0003
out of gate 2 the level tap 8th at the signal frequency ω DUT emerging wave
Figure DE102013213296A1_0004
Component in the baseband
Figure DE102013213296A1_0005
Component without phase term e j ...
F (Δω) transfer function of the level control loop
γ transformation factor
γ ~ component in baseband
Γ G equivalent reflection coefficient at gate 2 the level tap 8th
Γ ^ G estimate for Γ G
Γ Q Reflection coefficient of the internal signal source (at gate 1 the level tap 8th connected)
Γ T Reflection coefficient of the test source (at Tor 2 the level tap 8th connected)
S xy S parameters of the three-port (b x / a y )
s c sideband of the source signal at the stimulus frequency
s m sideband of the source signal at the image frequency to the stimulus signal
ω g (circular) limit frequency of the level control loop
x * complex conjugate to x

Der Reflexionskoeffizient einer pegelgeregelten Quelle gemäß 1 ist ausschließlich eine Funktion der S-Parameter des Dreitors (1, 2, 3) zum Pegelabgriff: ΓG = S22 – S32 S₂₁ / S₃₁ (1) The reflection coefficient of a level-controlled source according to 1 is exclusively a function of the S-parameters of the three-door ( 1 . 2 . 3 ) to the level tap: Γ G = S 22 - S 32 S ₂₁ / S ₃₁ (1)

Das gilt für alle Regelungen mit integrierendem Verhalten, d. h. ohne Regelrest am Eingang des Pegeldetektors. Zur Unterscheidung von jenem Reflexionskoeffizienten, der am Ausgangstor (2) ohne Regelungseinsatz gemessen würde, wird häufig der Begriff des ”äquivalenten” Reflexionskoeffizienten verwendet.This applies to all controllers with integrating behavior, ie without a control remainder at the input of the level detector. To distinguish it from the reflection coefficient at the exit gate ( 2 ) without control input, the term "equivalent" reflection coefficient is often used.

Zur Vereinfachung der Herleitung, aber ohne Einschränkung der Allgemeinheit des Verfahrens, sei angenommen, dass Tor 3 des Pegelabgriffs 8 reflexionsfrei abgeschlossen sein möge, d. h. dass es nicht auf den Rest der Schaltung zurückwirke.To simplify the derivation, but without limiting the generality of the procedure, it is assumed that Tor 3 the level tap 8th may be completed without reflections, ie that it does not affect the rest of the circuit.

Das in Tor 1 injizierte Generatorsignal a1_Q wird an den Toren 2 und 3 die folgenden Wellenkomponenten erzeugen: b2_Q = S21a1_Q + S22ΓTb2_Q (2) b3_Q = S31a1_Q + S32ΓTb2_Q (3) That in goal 1 injected generator signal a 1_Q is at the gates 2 and 3 generate the following wave components: b 2_Q = S 21 a 1_Q + S 22 Γ T b 2_Q (2) b 3_Q = S 31 a 1_Q + S 32 Γ T b 2_Q (3)

Durch Eliminieren von a1_Q und Einsetzen von (1) erhält man nach einigen Umformungen

Figure DE102013213296A1_0006
By eliminating a 1_Q and inserting (1) one obtains after some transformations
Figure DE102013213296A1_0006

Das in Tor 2 injizierte Stimulussignal a2_T wird an den Toren 2 und 3 die folgenden Wellenkomponenten erzeugen: b2_T = S21a1_T + S22a2_T (5) b3_T = S31a1_T + S32a2_T (6) That in goal 2 injected stimulus signal a 2_T is at the gates 2 and 3 generate the following wave components: b 2_T = S 21 a 1_T + S 22 a 2_T (5) b 3_T = S 31 a 1_T + S 32 a 2_T (6)

Mit a1_T = ΓQb1_T (7) und b1_T = S12a2_T + S11ΓQb1_T (8) erhält man nach Eliminieren von a1_T und b1_T

Figure DE102013213296A1_0007
und nach Eliminieren von a2_T
Figure DE102013213296A1_0008
With a 1_T = Γ Q b 1_T (7) and b 1_T = S 12 a 2_T + S 11 Γ Q b 1_T (8) obtained after eliminating a 1_T and b 1_T
Figure DE102013213296A1_0007
and after eliminating a 2_T
Figure DE102013213296A1_0008

Der Signalgenerator 5 möge am Pegeldetektor ein sinusförmiges HF-Signal mit der Amplitude 1 und der Kreisfrequenz ωDUT erzeugen, dem ein Testsignal vom Signalgenerator 22 mit der Amplitude k ∊ R (11) und der Kreisfrequenz ωTEST = ωDUT + Δω (12) überlagert sei:

Figure DE102013213296A1_0009
The signal generator 5 At the level detector, let's take a sinusoidal RF signal with the amplitude 1 and the angular frequency ω DUT generate, which is a test signal from the signal generator 22 with the amplitude k ∈ R (11) and the angular frequency ω TEST = ω DUT + Δω (12) superimposed:
Figure DE102013213296A1_0009

Das entstehende Schwebungssignal wird die Regelschleife dazu veranlassen, die Signalquelle in der Amplitude zu modulieren, was wiederum die Höhe der Schwebung reduziert. Der Einschwingvorgang kommt zum Abschluss, wenn aus der Überlagerung des amplitudenmodulierten Quellensignals und dem Testsignal eine rein phasenmodulierte Schwingung geworden ist, was ein üblicher Pegeldetektor nicht von einem kontinuierlichen, monofrequenten Signal unterscheiden kann. Für die phasenmodulierte Schwingung muss gelten:

Figure DE102013213296A1_0010
The resulting beat signal will cause the control loop to amplitude modulate the signal source, which in turn reduces the amount of beat. The transient process comes to an end when the superimposition of the amplitude-modulated source signal and the test signal has become a purely phase-modulated oscillation, which a conventional level detector can not distinguish from a continuous, monofrequency signal. For the phase-modulated oscillation must apply:
Figure DE102013213296A1_0010

Nach Subtraktion des Testsignals, das ja weiter präsent ist, erhält man wiederum das Quellensignal, welches für m = k/2 eine reine Amplitudenmodulation aufweist, also tatsächlich von der Quelle erzeugt werden kann:

Figure DE102013213296A1_0011
After subtracting the test signal, which is still present, the source signal is again obtained, which has a pure amplitude modulation for m = k / 2, ie can actually be generated by the source:
Figure DE102013213296A1_0011

Es sei zunächst k << 1 angenommen, so dass keine Seitenbänder bei Vielfachen der Schwebungsfrequenz Δω berücksichtigt werden müssen. Let k << 1 be assumed, so that no sidebands at multiples of the beat frequency Δω have to be taken into account.

Wie am Pegeldetektor, so werden auch am Ausgangstor (2) Signalkomponenten bei allen drei Frequenzen, d. h. ωDUT, ωDUT – Δω und ωDUT + Δω vorhanden sein. Im Folgenden werden diese Komponenten ermittelt:
Die Komponente bei der Frequenz ωDUT kann aus (13) und (4) berechnet werden:

Figure DE102013213296A1_0012
As at the level detector, so also at the output gate ( 2 ) Signal components at all three frequencies, ie ω DUT , ω DUT - Δω and ω DUT + Δω be present. These components are determined below:
The component at the frequency ω DUT can be calculated from (13) and (4):
Figure DE102013213296A1_0012

Für die Komponente bei der Spiegelfrequenz des Testsignals (ωDUT – Δω) gilt analog dazu:

Figure DE102013213296A1_0013
For the component at the image frequency of the test signal (ω DUT - Δω), the following applies analogously:
Figure DE102013213296A1_0013

Die Komponente bei der Frequenz des Testsignals setzt sich aus zwei Anteilen zusammen: der Reflexion des Stimulussignals a2_T, d. h.

Figure DE102013213296A1_0014
berechnet aus (10) und (13), und dem Seitenband der Signalquelle bei ωDUT + Δω, berechnet aus (4) und (13). In Summe erhält man
Figure DE102013213296A1_0015
The component at the frequency of the test signal is composed of two parts: the reflection of the stimulus signal a 2_T , ie
Figure DE102013213296A1_0014
calculated from (10) and (13), and the sideband of the signal source at ω DUT + Δω, calculated from (4) and (13). In total you get
Figure DE102013213296A1_0015

Die an Tor 2 einfallende Welle des Testsignals, welche als Bezugsgröße für die Reflexionsmessung benötigt wird, setzt sich ebenfalls aus zwei Komponenten bei der Testfrequenz und einer Komponente bei der Spiegelfrequenz zusammen. Für das Stimulussignal bei der Testfrequenz folgt aus (9) und (18):

Figure DE102013213296A1_0016
The at Tor 2 incident wave of the test signal, which is needed as a reference for the reflection measurement, also consists of two components at the test frequency and a component at the image frequency together. For the stimulus signal at the test frequency, it follows from (9) and (18):
Figure DE102013213296A1_0016

Dazu addiert sich das an ΓT reflektierte Seitenband des Quellensignals bei ωDUT + Δω, das aus den Gleichungen (4) und (13) unter Berücksichtigung des Reflexionskoeffizienten ΓT berechnet wird:

Figure DE102013213296A1_0017
For this, the sideband of the source signal reflected at Γ T is added at ω DUT + Δω, which is calculated from equations (4) and (13) taking into account the reflection coefficient Γ T :
Figure DE102013213296A1_0017

Nach einigen Umformungen erhält manAfter a few transformations you get

Figure DE102013213296A1_0018
Figure DE102013213296A1_0018

Für die Komponente bei der Spiegelfrequenz des Testsignals (ωDUT – Δω) erhält man aus (17):

Figure DE102013213296A1_0019
For the component at the image frequency of the test signal (ω DUT - Δω), one obtains from (17):
Figure DE102013213296A1_0019

Um die Seitenbänder b2_–Δω und a2_–Δω verarbeiten zu können, müssen diese auf die Frequenz ωDUT + Δω umgesetzt werden. Dies soll zunächst rein formal mit dem Faktor γ = ej2(Δωt+ϕ) (24) geschehen:

Figure DE102013213296A1_0020
In order to be able to process the sidebands b 2_-Δω and a 2_-Δω , these must be converted to the frequency ω DUT + Δω. This is initially purely formal with the factor γ = e j2 (Δωt + φ) (24) happened:
Figure DE102013213296A1_0020

Es werde nun ein Schätzwert für den gesuchten Reflexionskoeffizienten ΓG wie folgt definiert:

Figure DE102013213296A1_0021
An estimate for the sought reflection coefficient Γ G is now defined as follows:
Figure DE102013213296A1_0021

Für den Zähler erhält man

Figure DE102013213296A1_0022
und für den Nenner
Figure DE102013213296A1_0023
For the counter you get
Figure DE102013213296A1_0022
and for the denominator
Figure DE102013213296A1_0023

Nach einigen Umformungen unter Verwendung von Gleichung (1) ergibt sich Γ ^G = ΓG, (30) d. h. das gesuchte Messergebnis ist fehlerfrei aus den Wellen am Messtor ermittelbar. After a few transformations using equation (1), this yields Γ ^ G = Γ G , (30) ie the desired measurement result can be determined without error from the waves at the test port.

Zur Berechnung des Transformationsterms γ werden die Ausgangssignale an Tor 2 bei den Frequenzen ωDUT und ωDUT – Δω benötigt. Wie man leicht nachvollziehen kann, gilt

Figure DE102013213296A1_0024
und wegen k ∊ RTo calculate the transformation term γ, the output signals to Tor 2 at the frequencies ω DUT and ω DUT - Δω needed. As you can easily understand, is true
Figure DE102013213296A1_0024
and because of k ε R

Figure DE102013213296A1_0025
Figure DE102013213296A1_0025

Wie 8 zeigt, werden die Signale bei den drei unterschiedlichen Frequenzen am einfachsten so gewonnen, dass die Digitalwerte der heruntergemischten Summensignale b2 und a2 (b und a in 8) mit NCOs ins Basisband umgesetzt werden. Sie werden dort durch komplexe Zahlenfolgen zi repräsentiert. Wenn die LO-Frequenzen der NCOs exakt den tatsächlichen Frequenzen entsprechen würden, wären die Basisbandsignale zeitunabhängig. Das ist zwar für die Basisbandkomponente von ωTEST, der Stimulusfrequenz des VNA, erfüllt, aber in der Regel nicht für die Basisbandkomponenten von ωDUT und ωDUT – Δω. Das kann daran liegen, dass die Differenzfrequenz Δω zur Signalquelle entweder nicht genau bekannt ist oder sich nicht genau genug einstellen lässt. Trotzdem lässt sich ein zeitunabhängiges Messergebnis erzielen, wie weiter unten gezeigt wird.As 8th 1, the signals at the three different frequencies are most easily obtained such that the digital values of the downsampled sum signals b 2 and a 2 (b and a in FIG 8th ) are converted into baseband with NCOs. They are represented there by complex number sequences z i . If the LO frequencies of the NCOs were exactly equal to the actual frequencies, the baseband signals would be time independent. While this is true for the baseband component of ω TEST , the stimulus frequency of the VNA, it is typically not for the baseband components of ω DUT and ω DUT - Δω. This may be because the difference frequency Δω to the signal source is either not known exactly or can not be set accurately enough. Nevertheless, a time-independent measurement result can be achieved, as shown below.

Die numerisch gesteuerten Oszillatoren (NCOs) sollen die Eingangssignale mit den folgenden Funktionen umsetzen, wobei aus Gründen der Einfachheit auf eine Berücksichtigung der ersten Mischstufe und eine zeitliche Diskretisierung der Signale verzichtet wird:

Figure DE102013213296A1_0026
mit t' = t + Δt (34) The numerically controlled oscillators (NCOs) are designed to implement the input signals with the following functions, for the sake of simplicity, taking into account the first mixer stage and a temporal discretization of the signals:
Figure DE102013213296A1_0026
With t '= t + Δt (34)

Der Zeitparameter Δt soll den zeitlichen Offset zwischen der Systemzeit t' und der früher eingeführten Zeit t darstellen.The time parameter .DELTA.t should represent the time offset between the system time t 'and the earlier introduced time t.

Figure DE102013213296A1_0027
Figure DE102013213296A1_0027

Der Term δω beschreibt den Schätz- bzw. Einstellfehler für die LO-Frequenz dieses NCO.The term δω describes the estimation error for the LO frequency of this NCO.

Figure DE102013213296A1_0028
Figure DE102013213296A1_0028

Es ist für die Funktion der erfindungsgemäßen Schaltung essenziell, dass der Frequenzversatz zwischen NCO3 und NCO1 exakt doppelt so groß gewählt wird wie jener zwischen NCO2 und NCO1.It is essential for the function of the circuit according to the invention that the frequency offset between NCO3 and NCO1 be selected exactly twice as large as that between NCO2 and NCO1.

Im Folgenden werden die mit den NCOs ins Basisband gemischten Signale betrachtet (zum Beispiel entspreche b ~2_+Δω der Basisbandkomponente von b2_+Δω):

Figure DE102013213296A1_0029
In the following, the signals mixed with the NCOs into the baseband are considered (for example, b ~ 2_ + Δω corresponds to the baseband component of b 2_ + Δω ):
Figure DE102013213296A1_0029

Mit der Definition für den Transformationsfaktor γ ~

Figure DE102013213296A1_0030
erhält man aus (39) und (41) sowie unter Verwendung von (31)
Figure DE102013213296A1_0031
With the definition of the transformation factor γ ~
Figure DE102013213296A1_0030
obtained from (39) and (41) and using (31)
Figure DE102013213296A1_0031

Damit gilt

Figure DE102013213296A1_0032
So that applies
Figure DE102013213296A1_0032

Wenn die Auswertevorschrift (27) auf die Signale des Basisbands übertragen wird, ergibt sich erwartungsgemäß die folgende genaue Auswerteformel für den Reflexionskoeffizienten ΓG:

Figure DE102013213296A1_0033
If the evaluation instruction (27) is transmitted to the signals of the baseband, the following exact evaluation formula for the reflection coefficient Γ G results as expected:
Figure DE102013213296A1_0033

Wenn ein Frequenzfehler δω ≠ 0 vorhanden ist, werden die Terme γ ~, b ~2_–Δω und a ~2_–Δω zeitabhängig. Diese Zeitabhängigkeit ist im Endergebnis, dem Reflexionskoeffizient ΓG, natürlich nicht mehr vorhanden. Das setzt allerdings voraus, dass die Abtastwerte der Basisbandsignale b ~2_–Δω, a ~2_–Δω und

Figure DE102013213296A1_0034
zu gleichen Zeitpunkten aufgenommen und nur isotemporale Samples miteinander verrechnet werden.When there is a frequency error δω ≠ 0, the terms γ ~, b ~ 2_-Δω and a ~ 2_-Δω become time-dependent. Of course, this time dependence is no longer present in the final result, the reflection coefficient Γ G. However, this assumes that the samples of the baseband signals b ~ 2_-Δω , a ~ 2_-Δω and
Figure DE102013213296A1_0034
recorded at the same time points and only isotemporal samples are offset against each other.

Der mit den Berechnungsvorschriften (27) bzw. (45) bestimmte Rohwert des Reflexionskoeffizienten ΓG wird wegen interner Fehler des Netzwerkanalysators vom tatsächlichen Wert ΓG abweichen. Diese Fehler bewirken, dass das Verhältnis von einfallender zu austretender Welle nicht exakt bestimmt wird. Allerdings dürfen auch hier die bekannten Korrekturverfahren, welche auf den drei Fehlertermen Direktivität, Quelltoranpassung und Reflexionsgleichlauf, sowie dem rohen Wellenverhältnis beruhen, in gewohnter Weise angewendet werden. Im Endergebnis verbleiben dann nur sehr kleine Restfehler von seiten des VNA.The raw value of the reflection coefficient Γ G determined with the calculation specifications (27) or (45) will deviate from the actual value Γ G due to internal errors of the network analyzer. These errors cause the ratio of incident to outgoing wave is not determined exactly. However, the known correction methods, which are based on the three error terms directivity, source gate adaptation and reflection tracking, as well as the raw wave ratio, may also be used in the usual way. The final result leaves only very small residual errors on the part of the VNA.

Die Messung kann vereinfacht werden. Dabei tritt in Verbindung mit der Anpassung des VNA ein kleiner Messfehler auf. Der Unterschied besteht darin, dass die Welle a2_–Δω unberücksichtigt bleibt. Da der Fehler relativ klein ist, dessen Beseitigung aber mit einem vierten Messkanal verbunden ist, wird die geringere Genauigkeit häufig in Kauf genommen. The measurement can be simplified. In this case, a small measurement error occurs in connection with the adaptation of the VNA. The difference is that the wave a 2_-Δω is disregarded. Since the error is relatively small, but its elimination is associated with a fourth measurement channel, the lower accuracy is often accepted.

In Auswertegleichung (45) für die Basisbandsignale und in der entsprechenden Gleichung (27) für die Hochfrequenz-Signale wird der entsprechende Term einfach fallengelassen. In der Hochfrequenz-Ebene gilt dann:

Figure DE102013213296A1_0035
In evaluation equation (45) for the baseband signals and in the corresponding equation (27) for the high-frequency signals, the corresponding term is simply dropped. In the high-frequency level, then:
Figure DE102013213296A1_0035

Daraus folgt

Figure DE102013213296A1_0036
oder in guter Näherung
Figure DE102013213296A1_0037
It follows
Figure DE102013213296A1_0036
or in a good approximation
Figure DE102013213296A1_0037

Für viele praktische Belange spielt der Fehlterm β keine Rolle. So erhält man mit T| ≤ 0,25 für übliche Netzwerkanalysatoren und |S32S21/S31| ≤ 0,25 QS12S21| ≤ 0,06 für Signalquellen mit einem Power Splitter als Pegelabgriff einen Relativfehler β von unter 4%, was für viele Anwendungen völlig ausreichend ist.For many practical concerns, the absence of β plays no role. How to get along with | Γ T | ≤ 0.25 for common network analyzers and | S 32 S 21 / S 31 | ≤ 0.25 | Γ Q S 12 S 21 | ≤ 0.06 for signal sources with a power splitter as the level tap a relative error β of less than 4%, which is quite sufficient for many applications.

Die Pegelregelung wird normalerweise dafür sorgen, dass jegliche Hüllkurvenmodulation verschwindet, d. h. dass sich der resultierende Zeiger des Summensignals am Eingang des Pegeldetektors auf einem Kreisbogen bewegt. Insbesondere dann, wenn der Faktor k, der das Verhältnis des Test-/Stimulussignals zum Trägersignal am Eingang des Pegeldetektors beschreibt, den Wert von etwa 0,1 überschreitet, ist dies nur dadurch möglich, dass Seitenlinien auch bei ωDUT ± nΔω (n ≥ 2) entstehen. Für k = 1 erhielte man zum Beispiel die folgenden relativen (auf die unmodulierte Trägeramplitude) bezogenen Amplituden der Seitenlinien: n = 0 1 – k2/4 – 3/64k4 = 0,70 n = 1 k/2 = 0,50 n = 2 k2/8 + k4/32 = 0,16 n = 4 k4/64 = 0,016 Stimulus k = 1,00 The level control will normally cause any envelope modulation to disappear, ie the resulting sum signal pointer at the input of the level detector will move on a circular arc. In particular, when the factor k, which describes the ratio of the test / stimulus signal to the carrier signal at the input of the level detector, exceeds the value of about 0.1, this is only possible because side lines are also at ω DUT ± nΔω (n ≥ 2) arise. For k = 1, for example, one would obtain the following relative (on the unmodulated carrier amplitude) related amplitudes of the side lines: n = 0 1 - k 2/4 - 3 / 64k 4 = 0.70 n = 1 k / 2 = 0.50 n = 2 k2 / 8 + k 4/32 = 0.16 n = 4 k 4/64 = 0.016 stimulus k = 1.00

Bei der Messung mit Netzwerkanalysator nach dem beschriebenen Verfahren entstünden durch die höheren Seitenlinien keinerlei Messfehler, weil die Amplitude des Stimulussignals weiterhin im Verhältnis 2:1 zu der entsprechenden Seitenlinie der amplitudenmodulierten Trägerschwingung stehen würde (n = 0,50). Die Reduktion des Trägers (auf 70% des Ausgangswertes für k = 1) spielte auch keine Rolle, wie ja auch die Größe k im Endergebnis nicht auftaucht. In the network analyzer measurement according to the method described, the higher side lines would not produce any measurement errors because the amplitude of the stimulus signal would continue to be in the ratio 2: 1 to the corresponding side line of the amplitude-modulated carrier oscillation (n = 0.50). The reduction of the carrier (to 70% of the initial value for k = 1) also did not matter, as well as the size k does not appear in the end result.

Die skalare Schwebungs-Methode würde unter den geschilderten Verhältnissen ebenfalls fehlerfrei arbeiten, allerdings nur so lange, wie das Summensignal am Pegeldetektor ausschließlich phasenmoduliert wäre. In der Praxis würde es aber, zumindest bei der skalaren Schwebungs-Methode, die Regel sein, dass diese Bedingung eben nicht erfüllt ist: aus Unkenntnis über die Regelbandbreite und aus Unkenntnis über den Faktor k, der nur über eine spektrale Analyse aus dem Amplitudenverhältnis von Spiegel-Seitenband und Träger zu bestimmen wäre. Wenn also k zu klein abgeschätzt würde und dadurch signifikante Seitenlinien höherer Ordnung entstehen müssten, könnte dies durch eine zu geringe Regelbandbreite verhindert werden. Dann wäre die beobachtbare Schwebung verzerrt, was wiederum dazu führen würde, dass das Verhältnis von Maxima zu Minima verfälscht wäre. Wie groß dieser Fehler werden kann, lässt sich leicht abschätzen, wenn man im obigen Beispiel das Amplitudenverhältnis der Seitenlinien 2. Ordnung zu jener 1. Ordnung bildet: nämlich in der Größenordnung von 30% bis 40%.The scalar beat method would also work error free under the described conditions, but only as long as the sum signal at the level detector would be exclusively phase modulated. In practice, however, at least in the case of the scalar beat method, the rule would be that this condition is just not fulfilled: out of ignorance about the control bandwidth and out of ignorance about the factor k, which can only be determined by a spectral analysis of the amplitude ratio of Mirror sideband and carrier would be determined. Thus, if k were to be too small and significant side lines of higher order would have to arise, this could be prevented by a too small control bandwidth. Then the observable beat would be distorted, which in turn would cause the ratio of maxima to minima to be distorted. How big this error can be, can be easily estimated, if in the above example the amplitude ratio of the 2nd order sidelines to that 1st order forms: namely in the order of 30% to 40%.

Die Verhältnisse bei der erfindungsgemäßen Methode sind grundsätzlich anders. Relative Aussteuerung und Regelbandbreite lassen sich beide über den ohnehin anfallenden Proportionalitätsfaktor k und dessen Abhängigkeit vom Frequenzversatz Δω leicht bestimmen und so einstellen, dass die Regelung für die Seitenlinien 1. Ordnung eingeschwungen bleibt (immer notwendig) und die Generierung von Seitenlinien höherer Ordnung auf ein vernünftiges Maß begrenzt bleibt, z. B. mit k ≤ 1. Des Weiteren entstünde überhaupt kein Messfehler, wenn die Generierung von Seitenlinien höherer Ordnung auf Grund ungenügender Regelbandbreite unterbliebe, eben weil nicht die Hüllkurve, sondern nur die Seitenlinien 1. Ordnung und der Träger für die Phaseninformation in γ ausgewertet würden.The conditions in the method according to the invention are fundamentally different. Relative modulation and control bandwidth can both be easily determined via the proportionality factor k that arises anyway and its dependence on the frequency offset Δω and adjusted so that the control for the 1st order sidelines remains stable (always necessary) and the generation of higher order sidelines becomes reasonable Dimension remains limited, z. Furthermore, there would be no measurement error at all if the generation of higher-order side lines were omitted due to insufficient control bandwidth, precisely because the envelope, but only the first-order sidelines and the carrier for the phase information would be evaluated in γ ,

Bei üblichen Signalgeneratoren mit integrierten Stufenabschwächern wird die Pegelregelung über den größten Bereich der Ausgangsleistung kaum oder gar nicht zu spüren sein. Mathematisch gesprochen ist die Amplitude der bei der Spiegelfrequenz messbaren Seitenlinie sehr viel kleiner als jene bei der Testfrequenz. Das ist der Bereich, wo auch konventionelle Netzwerkanalysatoren einigermaßen richtig messen. Erfindungsgemäße Netzwerkanalysatoren tun dies auch, nur eben auch bei großer Spiegellinie. Mit anderen Worten, die Erfindung ist für alle Signalgeneratoren geeignet, ob nun die Pegelregelung stark, wenig oder gar nicht im Reflexionskoeffizienten des Ausgangs spürbar ist.In conventional signal generators with integrated Stufenabschwächern the level control over the largest range of output power will be barely felt or not at all. Mathematically, the amplitude of the lateral line measurable at the image frequency is much smaller than that at the test frequency. This is the area where conventional network analyzers measure reasonably well. Network analyzers according to the invention also do this, but only with a large mirror line. In other words, the invention is suitable for all signal generators, whether the level control is strong, little or not noticeable in the reflection coefficient of the output.

Nachfolgend wird noch auf die Auswirkung unzureichender Regelungsbandbreite eingegangen.The effect of insufficient control bandwidth will be discussed below.

Die erfolgreiche Anwendung des beschrieben Verfahrens setzt voraus, dass das Summensignal am Pegeldetektor des Messobjekts (Device under Test) DUT ausschließlich phasenmoduliert ist und keinerlei Hüllkurvenmodulation aufweist. Damit diese Bedingung erfüllt wird, muss der Frequenzversatz Δω zwischen der Stimulusfrequenz und der Signalfrequenz des DUT deutlich kleiner als die Bandbreite der Pegelregelung sein. Im Idealfall müsste er verschwindend klein gemacht werden, was entsprechend schmalbandig dimensionierte Tiefpässe hinter den NCOs erforderlich machen würde. Die resultierend langen Einschwingzeiten wären aber nicht akzeptabel. Deswegen sollte man bevorzugt den Frequenzversatz so groß machen, dass Tiefpässe mit ausreichend hohen Bandbreiten verwendet werden können, die dann wiederum schneller einschwingen. Die Tiefpässe nach den NCOs sind nötig, damit die jeweils nicht benötigten Frequenzkomponenten des Messsignals, welche im Basisband bei ±mΔω (m ∊ N) zu liegen kommen, ausreichend unterdrückt werden.The successful application of the method described requires that the sum signal at the level detector of the device under test (DUT) is exclusively phase-modulated and has no envelope modulation. For this condition to be fulfilled, the frequency offset Δω between the stimulus frequency and the signal frequency of the DUT must be significantly smaller than the bandwidth of the level control. Ideally, it would have to be made infinitesimally small, which would require accordingly narrowband sized low passes behind the NCOs. The resulting long settling times would not be acceptable. That's why you should preferably make the frequency offset so large that low passes with sufficiently high bandwidths can be used, which in turn then settle faster. The low-pass filters according to the NCOs are necessary so that the frequency components of the measurement signal which are not required in each case and which lie in the baseband at ± mΔω (m ∈ N) are sufficiently suppressed.

Das geschilderte Problem war bereits bei der skalaren Schwebungs-Methode vorhanden, jedoch sind die Auswirkungen auf die erfindungsgemäße Methode viel gravierender. Das hängt damit zusammen, dass sich die Regelungsbandbreite viel stärker in der Phase als im Betrag des Messergebnisses bemerkbar macht. Das soll im Folgenden näher erläutert werden.The described problem was already present in the scalar beat method, but the effects on the method according to the invention are much more serious. This is due to the fact that the control bandwidth is much more noticeable in the phase than in the amount of the measurement result. This will be explained in more detail below.

Eine Pegelregelung kann vereinfacht als Tiefpass 1. Ordnung betrachtet werden, eine Folge der integrierenden Regelstrecke, die eigentlich immer vorausgesetzt werden kann. Die Übertragungsfunktion des resultierenden Tiefpasses 1. Ordnung lässt durch die Gleichung

Figure DE102013213296A1_0038
beschreiben, woraus für den Amplitudengang
Figure DE102013213296A1_0039
und für den Phasengang
Figure DE102013213296A1_0040
folgt. Für Δω = 0 gilt d|F(Δω)| / dΔω = 0 (49)
Figure DE102013213296A1_0041
A level control can be considered simplified as a low-pass 1st order, a consequence of the integrating controlled system, which can actually always be assumed. The transfer function of the resulting 1st order low-pass lets through the equation
Figure DE102013213296A1_0038
describe what the amplitude response is
Figure DE102013213296A1_0039
and for the phase response
Figure DE102013213296A1_0040
follows. For Δω = 0 applies d | F (Δω) | / dΔω = 0 (49)
Figure DE102013213296A1_0041

Das bedeutet, dass der Phasenfehler auch bei kleinen Frequenzoffsets proportional zu Δω bleibt, während sich der Amplitudenfehler sehr viel schneller dem Wert Null nähert. Ein Beispiel soll das verdeutlichen. Gemessen werde ein Reflexionskoeffizient von 0,3, und der geforderte absolute Fehler durch den Bandbreiten-Effekt möge 0,01 (3% in der Amplitude, 1,9° in der Phase) nicht überschreiten. Das ist etwas mehr als der Fehlerbeitrag moderner VNAs nach Kalibrierung mit gewöhnlichen Kalibrierkits. Die Regelungsbandbreite, welche üblicherweise im Bereich von 1 kHz bis 100 kHz liegt, möge 10 kHz betragen. Aus den angegebenen Gleichungen folgt, dass ein Amplitudenfehler über dem genannten Wert erst bei einem Frequenzoffset Δω/2π von mehr als 2,6 kHz auftritt. Bei der Phase beträgt diese kritische Frequenz aber nur 333 Hz, d. h. sie ist um den Faktor 10 geringer. Bei einem Absolutfehler von 0,003 erhielte man 1,4 kHz bzw. sogar nur 100 Hz, d. h. die Spanne ginge noch weiter auseinander. Die theoretisch kürzest mögliche Messzeit (über genau eine Periode), der akademische Grenzfall sozusagen, betrüge für den zuletzt genannten Fall 700 μs für die Einhaltung des Fehlers in der Amplitude, aber 10 ms für die Einhaltung in der Phase. Ein Sweep mit 1000 Messpunkten liefe dann in 0,7 s bzw. 10 s ab. Tatsächlich dürfte es sich um ein Vielfaches dieser Werte handeln. Die Zahlen sprechen für sich, auch wenn man bedenkt, dass die Regelungsbandbreite kleiner als 10 kHz sein kann.This means that the phase error remains proportional to Δω even with small frequency offsets, while the amplitude error approaches the value zero much faster. An example should clarify that. A reflection coefficient of 0.3 is measured, and the required absolute error due to the bandwidth effect may not exceed 0.01 (3% in amplitude, 1.9 ° in phase). This is slightly more than the error contribution of modern VNAs after calibration with ordinary calibration kits. The control bandwidth, which is usually in the range of 1 kHz to 100 kHz, may be 10 kHz. It follows from the equations given that an amplitude error above the stated value only occurs at a frequency offset Δω / 2π of more than 2.6 kHz. In phase, this critical frequency is only 333 Hz, d. H. it is lower by a factor of ten. With an absolute error of 0.003 one would get 1.4 kHz or even only 100 Hz, d. H. the span would go further apart. The theoretically shortest possible measurement time (over exactly one period), the academic limit case so to speak, would amount to 700 μs for compliance with the error in the amplitude for the last-mentioned case, but 10 ms for compliance in phase. A sweep with 1000 measuring points would then run off in 0.7 s or 10 s. In fact, it should be a multiple of these values. The numbers speak for themselves, even considering that the control bandwidth can be less than 10 kHz.

Das Problem lässt sich nur dadurch lösen, dass der Frequenzgang des Phasendetektors in irgendeiner Weise bei der Messung berücksichtigt wird, so dass ausreichend große Frequenzoffsets realisiert werden können. Bevor die beiden erfindungsgemäßen Möglichkeiten erörtert werden, soll kurz auf die theoretischen Hintergründe eingegangen werden.The problem can only be solved by taking into account the frequency response of the phase detector in any way during the measurement, so that sufficiently large frequency offsets can be realized. Before the two possibilities according to the invention are discussed, the theoretical background will be briefly discussed.

Ausgangspunkt sind die Gleichungen (13) und (14). Wenn die beiden Seitenbänder des Quellensignals mit sc (gleichfrequent zum Testsignal) bzw. sm (Spiegelsignal) bezeichnet werden, ergeben sich folgende Abhängigkeiten von der einfallenden Welle des Testsignals und der Übertragungsfunktion der Pegelregelschleife:

Figure DE102013213296A1_0042
Figure DE102013213296A1_0043
The starting point are the equations (13) and (14). If the two sidebands of the source signal are referred to as s c (equal to the test signal) or s m (mirror signal), the following dependencies result from the incident wave of the test signal and the transfer function of the level control loop:
Figure DE102013213296A1_0042
Figure DE102013213296A1_0043

F(Δω) bezeichne die Übertragungsfunktion der Pegelregelschleife zwischen dem Stimulussignal und dem gleichfrequenten Seitenband der Quelle. Wenn F(Δω) von 1 abweicht, werden damit all jene Signalkomponenten am VNA verfälscht, welche von den beiden Seitenbändern des Quellensignals herrühren. Phase und Amplitude des reflektierten Testsignals (über den Parameter S22) sind davon unbeeinflusst. Das bedeutet zunächst, dass die Komponenten b2_+Δω und a2_+Δω bei der Frequenz des Testsignals vor der Weiterverarbeitung aufgespalten werden müssen. Wie sich leicht nachvollziehen lässt, gilt für die an Tor 2 austretende Welle der vom DUT reflektierten Komponente des Testsignals b2_T – b2_+Δω γb2_–Δω (53) b ~2_T = b ~2_+Δω – γb2_–Δω (54) und für die doppelte, um den Bandbreiten-Effekt korrigierte Seitenlinie des Quellensignals bei der Testfrequenz

Figure DE102013213296A1_0044
F (Δω) denotes the transfer function of the level control loop between the stimulus signal and the source's equal frequency sideband. If F (Δω) deviates from 1, then all those become Signal components at the VNA falsified, which originate from the two sidebands of the source signal. Phase and amplitude of the reflected test signal (via the parameter S 22 ) are unaffected. This first means that the components b 2_ + Δω and a 2_ + Δω must be split at the frequency of the test signal before further processing. As can be easily understood, applies to the goal 2 emerging wave of the DUT reflected component of the test signal b 2_T -b 2_ + Δω γb 2_-Δω (53) b ~ 2_T = b ~ 2_ + Δω - γb 2_-Δω (54) and for the double bandwidth effect corrected sideline of the source signal at the test frequency
Figure DE102013213296A1_0044

Für die a-Wellen erhält man sinngemäß: a2_T – a2_+Δω – γa2_–Δω (57) a ~2_T = a ~2_+Δω – γ ~a2_–Δω (58)

Figure DE102013213296A1_0045
Figure DE102013213296A1_0046
For the a waves you get: a 2_T - a 2_ + Δω - γa 2_-Δω (57) a ~ 2_T = a ~ 2_ + Δω - γ ~ a 2_-Δω (58)
Figure DE102013213296A1_0045
Figure DE102013213296A1_0046

Damit geht die Berechnungsvorschrift (27) über in

Figure DE102013213296A1_0047
bzw.
Figure DE102013213296A1_0048
mit den Komponenten im Basisband.Thus, the calculation rule (27) goes over in
Figure DE102013213296A1_0047
respectively.
Figure DE102013213296A1_0048
with the components in baseband.

Die Definition bzw. Berechnungsvorschrift für den Transformationsfaktor y (Gleichungen (32) und (42)) bleibt unverändert, allerdings ist die dadurch bewirkte Phasendrehung wegen des Bandbreite-Effekts um +2·arg(F(Δω)) größer.The definition or calculation rule for the transformation factor y (equations (32) and (42)) remains unchanged, but the resulting phase rotation is greater by + 2 · arg (F (Δω)) due to the bandwidth effect.

Mit den Gleichungen (53) bis (62) eröffnet sich also die Möglichkeit, den durch den Bandbreite-Effekt verursachten Fehler zu kompensieren, indem die Übertragungsfunktion F(Δω) der Regelschleife berücksichtigt wird. Dabei muss nicht die gesamte Funktion bekannt sein, sondern lediglich der Funktionswert beim aktuellen Frequenzoffset Δω.The equations (53) to (62) thus offer the possibility of compensating for the error caused by the bandwidth effect by taking into account the transfer function F (Δω) of the control loop. It is not necessary to know the entire function, but only the function value at the current frequency offset Δω.

Die Übertragungsfunktion F(Δω) war mit Gleichung (51) implizit definiert worden als das mit dem Faktor 2 erweiterte komplexe Verhältnis der von der Quelle bei der Testfrequenz erzeugten Seitenlinie zur gleichfrequenten Welle des Stimulussignals, beides gemessen am Ort des Pegeldetektors. Da der Pegeldetektor für eine Messung von F(Δω) nicht zugänglich ist, können die entsprechenden Signale nur am Messtor 2 ermittelt werden. Wegen unterschiedlicher Übertragungswege beider Größen ist deren Verhältnis am Messtor 2 aber anders als am Pegeldetektor, so dass eine direkte Messung der absoluten Übertragungsfunktion nicht möglich ist. Stattdessen muss diese über mindestens zwei Verhältnismessungen gewonnen werden:

Figure DE102013213296A1_0049
The transfer function F (Δω) was implicitly defined by Equation (51) as the complex factor of 2 extended complex ratio of the sideline generated by the source at the test frequency to the equal frequency wave of the stimulus signal, both measured at the location of the level detector. Since the level detector for a measurement of F (Δω) is not accessible, the corresponding signals can only at the test port 2 be determined. Because of different transmission paths of both sizes, their ratio is at the test port 2 but unlike the level detector, so that a direct measurement of the absolute transfer function is not possible. Instead, this must be obtained via at least two ratio measurements:
Figure DE102013213296A1_0049

Die Messung des Verhältnisses γ ~b ~2_–Δω/a ~2_T bei der Arbeitsfrequenz Δω ist leicht möglich, weil alle Größen zur Verfügung stehen. Das eigentliche Problem liegt in der Bestimmung des Nennerterms, weil eine Einstellung Δω = 0 nicht möglich ist. Für den Betrag des genannten Verhältnisses ist die Situation relativ unkritisch, weil der Amplitudenfrequenzgang lange bei 1 bleibt (Gleichung 49), so dass eine genaue Abschätzung für Δω = 0 auch bei relativ hohen Frequenzoffsets möglich ist. In vielen Fällen könnte man deswegen auch ganz auf eine Amplitudenkorrektur verzichten und |F(Δω)| = 1 annehmen.The measurement of the ratio γ ~ b ~ 2_-Δω / a ~ 2_T at the operating frequency Δω is easily possible because all sizes are available. The real problem lies in the determination of the denominator term, because a setting Δω = 0 is not possible. For the magnitude of said ratio, the situation is relatively uncritical because the amplitude response remains at 1 for a long time (Equation 49), so accurate estimation for Δω = 0 is possible even at relatively high frequency offsets. In many cases, therefore, one could completely dispense with an amplitude correction and | F (Δω) | = 1.

Um eine Berücksichtigung des Phasenterms arg(F(Δω)) wird man in der Regel aber nicht umhin kommen, wenn bei großen Frequenzoffsets sehr genaue Messungen vorgenommen werden sollen. Deswegen ist eine genaue Abschätzung des Phasenwinkels für das Verhältnis γ ~b ~2_–Δω/a ~2_T bei Δω = 0 nötig. Entweder führt man diese Messung tatsächlich für sehr kleine Frequenz-Offsets durch (dauert lange), oder man macht die Messung bei mehreren höheren Frequenzen und gewinnt einen Schätzwert für Δω = 0 durch Extrapolation. Am elegantesten ist aber ein dritter Weg. Wie leicht gezeigt werden kann, gilt F(–Δω) = F*(Δω), (64) d. h. arg[F(–Δω)] = –arg[F(Δω)]. (65) In order to take account of the phase term arg (F (Δω)), however, one will usually be unable to avoid very precise measurements being made with large frequency offsets. Therefore, an accurate estimate of the phase angle is required for the ratio γ ~ b ~ 2_-Δω / a ~ 2_T at Δω = 0. Either this measurement is actually performed for very small frequency offsets (takes a long time), or one makes the measurement at several higher frequencies and obtains an estimate for Δω = 0 by extrapolation. But the most elegant is a third way. As can be easily shown, applies F (-Δω) = F * (Δω), (64) ie arg [F (-Δω)] = -arg [F (Δω)]. (65)

Damit lässt sich der Phasenwinkel bei beliebigen, d. h. auch sehr hohen Frequenzoffsets Δω, einfach dadurch ermitteln, dass eine zweite Messung durchgeführt wird, bei der der Frequenzoffset des Stimulussignals das Vorzeichen wechselt. Aus der Differenz der Funktionswerte von γ ~b ~2_–Δω/a ~2_T bei +Δω und –Δω lässt sich der gewünschte Phasenwinkel bestimmen:

Figure DE102013213296A1_0050
This makes it possible to determine the phase angle at arbitrary, ie also very high frequency offsets Δω, simply by carrying out a second measurement in which the frequency offset of the stimulus signal changes sign. From the difference of the function values of γ ~ b ~ 2_-Δω / a ~ 2_T at + Δω and -Δω, the desired phase angle can be determined:
Figure DE102013213296A1_0050

Um Missverständnisse zu vermeiden, sei darauf hingewiesen, dass mit b ~2_–Δω immer die Komponente bei der Spiegelfrequenz zum Stimulussignal gemeint ist, unabhängig davon, ob diese bei +Δω oder –Δω auftritt.To avoid misunderstandings, it should be noted that b ~ 2_-Δω always means the component at the image frequency to the stimulus signal, regardless of whether it occurs at + Δω or -Δω.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. So ist es beispielsweise nicht notwendig, die in 8 dargestellten Frequenzversätze auf digitaler Ebene durch digitale Mischer und digitale Oszillatoren vorzunehmen, wenngleich dies natürlich leichter implementierbar ist. Der erste Oszillator 34 und der vierte Oszillator 43 haben die gleiche Frequenz und können deshalb zu einem einzigen Oszillator zusammengefasst werden. Gleiches gilt für den zweiten Oszillator 37 und den fünften Oszillator 46. Im Übrigen können alle in der vorstehenden Beschreibung beschriebenen und/oder in den nachfolgenden Ansprüchen beanspruchten und/oder in der Zeichnung dargestellten Merkmale der Erfindung beliebig miteinander kombiniert werden.The invention is not limited to the illustrated embodiments. For example, it is not necessary to use the in 8th Although this is of course easier to implement, digital frequency mixer offsets and digital oscillators can be performed. The first oscillator 34 and the fourth oscillator 43 have the same frequency and can therefore be combined into a single oscillator. The same applies to the second oscillator 37 and the fifth oscillator 46 , Incidentally, all features of the invention described in the foregoing description and / or claimed in the following claims and / or illustrated in the drawings can be combined with each other as desired.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (22)

Verfahren zum Charakterisieren eines Messobjekts (4), welches auf zumindest einer Emissionsfrequenz (ωDUT) ein Emissionssignal aussendet, wobei mittels eines Messgeräts (20) ein Injektionssignal auf einer zu der Emissionsfrequenz (ωDUT) des Messobjekts (4) benachbarten Injektionsfrequenz (ωDUT + Δω) in das Messobjekt (4) so injiziert wird, dass das Empfangssignal und das Injektionssignal zur Überlagerung gebracht werden, und wobei sowohl die Amplitude als auch die Phase aller Frequenzkomponenten des Überlagerungssignals ausgewertet werden.Method for characterizing a test object ( 4 ), which emits an emission signal on at least one emission frequency (ω DUT ), wherein by means of a measuring device ( 20 ) an injection signal at one of the emission frequency (ω DUT ) of the measurement object ( 4 ) adjacent injection frequency (ω DUT + Δω) in the measurement object ( 4 ) is injected so that the received signal and the injection signal are brought to overlap, and wherein both the amplitude and the phase of all frequency components of the beat signal are evaluated. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung der Reflexionskoeffizient ΓG des Messobjekts (4) unter Verwendung der Formel
Figure DE102013213296A1_0051
ermittelt wird, wobei a ~2_Δω die von dem Messgerät (20) bei der Injektionsfrequenz (ωDUT + Δω) ausgesandte Welle ist, a ~2_–Δω die an dem Messgerät (20) bei einer Spiegelfrequenz (ωDUT – Δω), welche die an der Emissionsfrequenz (ωDUT) gespiegelte Injektionsfrequenz (ωDUT + Δω) ist, reflektierte und wieder in das Messobjekt (4) injizierte Welle ist, b ~2_Δω die von dem Messgerät (20) bei der Injektionsfrequenz (ωDUT + Δω) empfangene Welle ist, b ~2_–Δω die von dem Messgerät (20) bei der Spiegelfrequenz (ωDUT – Δω) empfangene Welle ist, und γ ~ ein Transformationsfaktor ist.
A method according to claim 1, characterized in that in the evaluation of the reflection coefficient Γ G of the measurement object ( 4 ) using the formula
Figure DE102013213296A1_0051
is determined, where a ~ 2_Δω that of the measuring device ( 20 ) is at the injection frequency (ω DUT + Δω) emitted wave, a ~ 2_-Δω on the measuring device ( 20 ) at an image frequency (ω DUT - Δω), which is the injection frequency (ω DUT + Δω) mirrored at the emission frequency (ω DUT ), reflected and again into the measurement object ( 4 ) injected wave, b ~ 2_Δω that of the measuring device ( 20 ) at the injection frequency (ω DUT + Δω), b ~ 2_-Δω is that received by the measuring device ( 20 ) at the image frequency (ω DUT - Δω) is received, and γ ~ is a transformation factor.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung der Reflexionskoeffizient ΓG des Messobjekts (4) unter Verwendung der Formel
Figure DE102013213296A1_0052
vereinfacht ermittelt wird, wobei a ~2_Δω die von dem Messgerät (20) bei der Injektionsfrequenz (ωDUT + Δω) ausgesandte Welle ist, b ~2_Δω die von dem Messgerät (20) bei der Injektionsfrequenz (ωDUT + Δω) empfangene Welle ist, b ~2_–Δω die von dem Messgerät (20) bei der Spiegelfrequenz (ωDUT – Δω), welche die an der Emissionsfrequenz (ωDUT) gespiegelte Injektionsfrequenz (ωDUT + Δω) ist, empfangene Welle ist, und γ ~ ein Transformationsfaktor ist.
A method according to claim 1, characterized in that in the evaluation of the reflection coefficient Γ G of the measurement object ( 4 ) using the formula
Figure DE102013213296A1_0052
is determined in a simplified manner, where a ~ 2_Δω that of the measuring device ( 20 ) is at the injection frequency (ω DUT + Δω) emitted wave, b ~ 2_Δω that of the measuring device ( 20 ) at the injection frequency (ω DUT + Δω), b ~ 2_-Δω is that received by the measuring device ( 20 ) At the image frequency (ω DUT - is a transformation factor Δω) that the (at the emission frequency ω DUT) is mirrored injection frequency (ω + Δω DUT), is received wave, and γ ~.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung der Transformationsfaktor γ ~ unter Verwendung der Formel
Figure DE102013213296A1_0053
bestimmt wird, wobei
Figure DE102013213296A1_0054
die von dem Messgerät (20) bei der Emissionsfrequenz (ωDUT) des Messobjekts (4) empfangene Welle ist und * für konjugiert komplex steht.
A method according to claim 2 or 3, characterized in that in the evaluation of the transformation factor γ ~ using the formula
Figure DE102013213296A1_0053
is determined, where
Figure DE102013213296A1_0054
that of the meter ( 20 ) at the emission frequency (ω DUT ) of the measurement object ( 4 ) received wave is and * stands for conjugate complex.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung erfolgt, nachdem die von dem Messgerät (20) empfangenen Wellen mittels Mischer (25, 28) ins Basisband versetzt werden. Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the evaluation takes place after the of the measuring device ( 20 ) received waves by means of mixer ( 25 . 28 ) are shifted to baseband. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung erfolgt, nachdem die von dem Messgerät (20) empfangenen Wellen mittels Korrekturmatrizen (G) korrigiert wurden.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the evaluation takes place after the by the measuring device ( 20 ) were corrected by means of correction matrices (G). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur mittels Korrekturmatrizen (G) nicht an den Rohwerten der empfangenen Wellengrößen, sondern am Endergebnis (ΓG) der empfangenen Wellen erfolgt.Method according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the correction by means of correction matrices (G) does not take place on the raw values of the received wave quantities but on the final result (Γ G ) of the received waves. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung der Frequenzgang (60) einer in dem Messobjekt (4) vorhandenen Regeleinrichtung (16) bestimmt wird, indem der Abstand (Δω) der in das Messobjekt (4) injizierten Injektionsfrequenz (ωDUT + Δω) von der Emissionsfrequenz (ωDUT) des Messobjekts (4) variiert wird.Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that in the evaluation of the frequency response ( 60 ) one in the measurement object ( 4 ) existing control device ( 16 ) is determined by the distance (Δω) into the object to be measured ( 4 ) injected injection frequency (ω DUT + Δω) of the emission frequency (ω DUT ) of the measurement object ( 4 ) is varied. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung aus dem Frequenzgang (60) der in dem Messobjekt (4) vorhandenen Regeleinrichtung (16) deren Regelbandbreite bestimmt wird, indem ermittelt wird, wann die Amplitude des Frequenzgangs auf einen bestimmten Wert abgefallen ist, insbesondere um 3 dB abgenommen hat.A method according to claim 8, characterized in that in the evaluation of the frequency response ( 60 ) in the object to be measured ( 4 ) existing control device ( 16 ) whose control bandwidth is determined by determining when the amplitude of the frequency response has dropped to a certain value, in particular has decreased by 3 dB. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung aus dem Frequenzgang (60) der in dem Messobjekt (4) vorhandenen Regeleinrichtung (16) deren Einschwingverhalten bestimmt wird, indem eine Fouriertransformation des Frequenzgangs durchgeführt wird.A method according to claim 8 or 9, characterized in that in the evaluation of the frequency response ( 60 ) in the object to be measured ( 4 ) existing control device ( 16 ) whose transient response is determined by performing a Fourier transform of the frequency response. Messgerät (20) zum Charakterisieren eines Messobjekts (4), welches auf zumindest einer Emissionsfrequenz (ωDUT) ein Emissionssignal aussendet, wobei das Messgerät (20) einen Signalgenerator (22) aufweist, der ein Injektionssignal auf einer zu der Emissionsfrequenz (ωDUT) des Messobjekts (4) benachbarten Injektionsfrequenz (ωDUT + Δω) in das Messobjekt (4) so injiziert, dass das Emissionssignal und das Injektionssignal zur Überlagerung gebracht sind, und wobei das Messgerät (20) eine Auswerteeinheit (50) aufweist, die das das dabei einstehende Überlagerungssignal auswertet, und wobei die Auswerteeinheit (50) sowohl die Amplitude als auch die Phase aller Frequenzkomponenten des Überlagerungssignals auswertet.Measuring device ( 20 ) for characterizing a measured object ( 4 ), which emits an emission signal on at least one emission frequency (ω DUT ), wherein the measuring device ( 20 ) a signal generator ( 22 ) having an injection signal at one of the emission frequency (ω DUT ) of the measurement object ( 4 ) adjacent injection frequency (ω DUT + Δω) in the measurement object ( 4 ) are injected so that the emission signal and the injection signal are superimposed, and wherein the measuring device ( 20 ) an evaluation unit ( 50 ), which evaluates the pending overlay signal, and wherein the evaluation unit ( 50 ) evaluates both the amplitude and the phase of all frequency components of the beat signal. Messgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (50) den Reflexionskoeffizienten ΓG des Messobjekts (4) unter Verwendung der Formel
Figure DE102013213296A1_0055
ermittelt, wobei a ~2_Δω die von dem Signalgenerator (22) bei der Injektionsfrequenz (ωDUT + Δω) ausgesandte Welle ist, a ~2_–Δω die an dem Signalgenerator (22) bei einer Spiegelfrequenz (ωDUT – Δω), welche die an der Emissionsfrequenz (ωDUT) gespiegelte Injektionsfrequenz (ωDUT + Δω) ist, reflektierte und wieder in das Messobjekt (4) injizierte Welle ist, b ~2_Δω die von dem Messgerät (20) bei der Injektionsfrequenz (ωDUT + Δω) empfangene Welle ist, b ~2_–Δω die von dem Messgerät (20) bei der Spiegelfrequenz (ωDUT – Δω) empfangene Welle ist, und γ ~ ein Transformationsfaktor ist.
Measuring device according to claim 11, characterized in that the evaluation unit ( 50 ) the reflection coefficient Γ G of the test object ( 4 ) using the formula
Figure DE102013213296A1_0055
determined, where a ~ 2_Δω from the signal generator ( 22 ) at the injection frequency (ω DUT + Δω), a ~ 2_-Δω is at the signal generator ( 22 ) at an image frequency (ω DUT - Δω), which is the injection frequency (ω DUT + Δω) mirrored at the emission frequency (ω DUT ), reflected and again into the measurement object ( 4 ) injected wave, b ~ 2_Δω that of the measuring device ( 20 ) at the injection frequency (ω DUT + Δω), b ~ 2_-Δω is that received by the measuring device ( 20 ) at the image frequency (ω DUT - Δω) is received, and γ ~ is a transformation factor.
Messgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (50) den Reflexionskoeffizienten ΓG des Messobjekts (4) unter Verwendung der Formel
Figure DE102013213296A1_0056
vereinfacht ermittelt, wobei a ~2_Δω die von dem Signalgenerator (22) bei der Injektionsfrequenz (ωDUT + Δω) ausgesandte Welle ist, b ~2_Δω die von dem Messgerät (20) bei der Injektionsfrequenz (ωDUT + Δω) empfangene Welle ist, b ~2_–Δω die von dem Messgerät (20) bei einer Spiegelfrequenz (ωDUT – Δω), welche die an der Emissionsfrequenz (ωDUT) gespiegelte Injektionsfrequenz (ωDUT + Δω) ist, empfangene Welle ist, und γ ~ ein Transformationsfaktor ist.
Measuring device according to claim 11, characterized in that the evaluation unit ( 50 ) the reflection coefficient Γ G of the test object ( 4 ) using the formula
Figure DE102013213296A1_0056
simplified, where a ~ 2_Δω that from the signal generator ( 22 ) is at the injection frequency (ω DUT + Δω) emitted wave, b ~ 2_Δω that of the measuring device ( 20 ) at the injection frequency (ω DUT + Δω), b ~ 2_-Δω is that received by the measuring device ( 20 ) At an image frequency (ω DUT - is a transformation factor Δω), which is the (at the emission frequency ω DUT) mirrored injection frequency (ω + Δω DUT), is received wave, and γ ~.
Messgerät nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (50) den Transformationsfaktor γ ~ unter Verwendung der Formel
Figure DE102013213296A1_0057
bestimmt, wobei
Figure DE102013213296A1_0058
die von dem Messgerät bei der Emissionsfrequenz (ωDUT) des Messobjekts empfangene Welle ist und * für konjugiert komplex steht.
Measuring device according to claim 12 or 13, characterized in that the evaluation unit ( 50 ) the transformation factor γ ~ using the formula
Figure DE102013213296A1_0057
determined, where
Figure DE102013213296A1_0058
the wave received by the meter at the emission frequency (ω DUT ) of the DUT is * complexed for conjugate.
Messgerät nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Signalgenerator (22) und einem Messtor (7), das mit dem Messobjekt (4) verbindbar ist, ein Richtkoppler (23) angeordnet ist, der eine von dem Messobjekt (4) kommende Welle in einen ersten Signalpfad (31) und eine von dem Signalgenerator (22) kommende Welle in einen zweiten Signalpfad (30) auskoppelt.Measuring device according to one of claims 12 to 14, characterized in that between the signal generator ( 22 ) and a measuring gate ( 7 ), which with the measuring object ( 4 ), a directional coupler ( 23 ), one of the measuring object ( 4 ) incoming wave into a first signal path ( 31 ) and one of the signal generator ( 22 ) incoming wave into a second signal path ( 30 ) decoupled. Messgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Signalpfad (31) ein erster Mischer (33), ein erster Oszillator (34), ein erstes Filter (35) und ein erster Detektor (35) angeordnet sind, wobei die Frequenz des ersten Oszillators (34) so eingestellt ist, dass die von dem Messobjekt (4) bei der Injektionsfrequenz (ωDUT + Δω) empfangene Welle (b ~2_Δω) mittels des ersten Mischers (33) in der Frequenzlage so versetzt ist, dass sie in die Durchlassbandbreite des ersten Filters (35) fällt und sie der erste Detektor (35) detektiert.Measuring device according to claim 15, characterized in that in the first signal path ( 31 ) a first mixer ( 33 ), a first oscillator ( 34 ), a first filter ( 35 ) and a first detector ( 35 ), wherein the frequency of the first oscillator ( 34 ) is set so that the of the measuring object ( 4 ) at the injection frequency (ω DUT + Δω) received wave (b ~ 2_Δω ) by means of the first mixer ( 33 ) is offset in the frequency position so as to fit into the passband bandwidth of the first filter ( 35 ) and she is the first detector ( 35 ) detected. Messgerät nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Signalpfad (31) ein zweiter Mischer (36), ein zweiter Oszillator (37), ein zweites Filter (38) und ein zweiter Detektor (38) angeordnet sind, wobei die Frequenz des zweiten Oszillators (37) so eingestellt ist, dass die von dem Messobjekt (4) bei der Spiegelfrequenz (ωDUT – Δω) empfangene Welle (b ~2_–Δω) mittels des zweiten Mischers (36) in der Frequenzlage so versetzt ist, dass sie in die Durchlassbandbreite des zweiten Filters (38) fällt und sie der zweite Detektor (38) detektiert.Measuring device according to claim 15 or 16, characterized in that in the first signal path ( 31 ) a second mixer ( 36 ), a second oscillator ( 37 ), a second filter ( 38 ) and a second detector ( 38 ), wherein the frequency of the second oscillator ( 37 ) is set so that the of the measuring object ( 4 ) at the image frequency (ω DUT - Δω) received wave (b ~ 2_-Δω ) by means of the second mixer ( 36 ) is offset in the frequency position so as to fit into the passband width of the second filter ( 38 ) and they are the second detector ( 38 ) detected. Messgerät nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Signalpfad (31) ein dritter Mischer (39), ein dritter Oszillator (40), ein drittes Filter (41) und ein dritter Detektor (41) angeordnet sind, wobei die Frequenz des dritten Oszillators (40) so eingestellt ist, dass die von dem Messobjekt (4) bei der Emissionsfrequenz (ωDUT) des Messobjekts (4) empfangene Welle
Figure DE102013213296A1_0059
mittels des dritten Mischers (39) in der Frequenzlage so versetzt ist, dass sie in die Durchlassbandbreite des dritten Filters (41) fällt und sie der dritte Detektor (41) detektiert.
Measuring device according to one of claims 15 to 17, characterized in that in the first signal path ( 31 ) a third mixer ( 39 ), a third oscillator ( 40 ), a third filter ( 41 ) and a third detector ( 41 ), wherein the frequency of the third oscillator ( 40 ) is set so that the of the measuring object ( 4 ) at the emission frequency (ω DUT ) of the measurement object ( 4 ) received wave
Figure DE102013213296A1_0059
by means of the third mixer ( 39 ) is offset in the frequency position so as to fit into the passband width of the third filter ( 41 ) and they are the third detector ( 41 ) detected.
Messgerät nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Signalpfad (30) ein vierter Mischer (42), ein vierter Oszillator (43), ein viertes Filter (44) und ein vierter Detektor (44) angeordnet sind, wobei die Frequenz des vierten Oszillators (43) so eingestellt ist, dass die von dem Signalgenerator (22) bei der Injektionsfrequenz (ωDUT + Δω) ausgesandte Welle (a ~2_Δω) mittels des vierten Mischers (42) in der Frequenzlage so versetzt ist, dass sie in die Durchlassbandbreite des vierten Filters (44) fällt und sie der vierte Detektor (44) detektiert.Measuring device according to one of claims 15 to 18, characterized in that in the second signal path ( 30 ) a fourth mixer ( 42 ), a fourth oscillator ( 43 ), a fourth filter ( 44 ) and a fourth detector ( 44 ), wherein the frequency of the fourth oscillator ( 43 ) is set so that the signal generator ( 22 ) at the injection frequency (ω DUT + Δω) emitted wave (a ~ 2_Δω ) by means of the fourth mixer ( 42 ) is offset in the frequency position so as to fit in the passband width of the fourth filter ( 44 ) and she is the fourth detector ( 44 ) detected. Messgerät nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Oszillator (34) und der vierte Oszillator (43) identisch sind. Measuring device according to claim 19, characterized in that the first oscillator ( 34 ) and the fourth oscillator ( 43 ) are identical. Messgerät nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Signalpfad (30) ein fünfter Mischer (45), ein fünfter Oszillator (46), ein fünftes Filter (47) und ein fünfter Detektor (47) angeordnet sind, wobei die Frequenz des fünften Oszillators (46) so eingestellt ist, dass die an dem Signalgenerator (22) bei einer Spiegelfrequenz (ωDUT – Δω) reflektierte Welle (a ~2_Δω) mittels des fünften Mischers (45) in der Frequenzlage so versetzt ist, dass sie in die Durchlassbandbreite des fünften Filters (47) fällt und sie der fünfte Detektor (47) detektiert.Measuring device according to one of Claims 15 to 20, characterized in that in the second signal path ( 30 ) a fifth mixer ( 45 ), a fifth oscillator ( 46 ), a fifth filter ( 47 ) and a fifth detector ( 47 ), the frequency of the fifth oscillator ( 46 ) is set so that the at the signal generator ( 22 ) at a mirror frequency (ω DUT - Δω) reflected wave (a ~ 2_Δω ) by means of the fifth mixer ( 45 ) is offset in the frequency position so as to fit into the passband width of the fifth filter ( 47 ) and she is the fifth detector ( 47 ) detected. Messgerät nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Oszillator (37) und der fünfte Oszillator (46) identisch sind.Measuring device according to claim 21, characterized in that the second oscillator ( 37 ) and the fifth oscillator ( 46 ) are identical.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Förster, H.-J.: "Measurement of source match for broadband synthesizers and amps", Microwave Eningering Europe, Ausgabe Dezember/Januar 1993, Seiten 41-46
FÖRSTER, H.-J.: Measurement of source match for broadband synthesizers and amps. In: Microwave Engineering Europe, Dezember/Januar 1993, S. 41-46 *

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