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
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
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
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
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:
In
Die Messaufgabe besteht insbesondere darin, den komplexen Reflexionskoeffizienten ΓG an dem Tor
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
Auf pegelgeregelte Quellen ist
Das Spiegelsignal entsteht deswegen, weil eine durch das Stellglied
Zur Unterscheidung vom Reflexionskoeffizienten des Ausgangstors
Erfindungsgemäß wird zur Bestimmung der Impedanz das Erregungssignal (Injektionssignal) mit einem Frequenzversatz auf das Messobjekt
Wird nun die Regelung
Das entstehende Spektrum am Ausgangstor
Am Ausgangstor
- – 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.
- - 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
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
Ein erster beispielsweise als Multiplizierer ausgebildeter digitaler Mischer
Ein zweiter vorzugsweise ebenfalls als Multiplizierer ausgebildeter digitaler Mischer
Ein dritter vorzugsweise ebenfalls als Multiplizierer ausgebildeter digitaler Mischer
In dem zweiten Signalpfad
In dem zweiten Signalpfad
Die detektierten Signalkomponenten b ^(f1), b ^(f2), b ^(f3), a ^(f1) und a ^(f3) werden in einer Auswerteinheit
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 (
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
a ~2_±Δω Komponente im Basisband
a ⁀2_±Δω Komponente ohne Phasenterm ej...
bQ aus der an Tor
bT aus der an Tor
bx aus Tor x (
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
b ~2_±Δω Komponente im Basisband
b ⁀2_±Δω Komponente ohne Phasenterm ej...
aus Tor
Komponente im Basisband
Komponente ohne Phasenterm ej...
F(Δω) Übertragungsfunktion der Pegelregelschleife
γ Transformationsfaktor
γ ~ Komponente im Basisband
ΓG äquivalenter Reflexionskoeffizient an Tor
Γ ^G Schätzwert für ΓG
ΓQ Reflexionskoeffizient der inneren Signalquelle (an Tor
ΓT Reflexionskoeffizient der Testquelle (an Tor
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 (
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
a ~ 2_ ± Δω component in baseband
a ⁀ 2_ ± Δω component without phase term e j ...
b Q from the at
b T out of the
b x from port x (
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
b ~ 2_ ± Δω component in baseband
b ⁀ 2_ ± Δω component without phase term e j ...
out of
Component in the baseband
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
Γ ^ G estimate for Γ G
Γ Q Reflection coefficient of the internal signal source (at
Γ T Reflection coefficient of the test source (at
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
Das gilt für alle Regelungen mit integrierendem Verhalten, d. h. ohne Regelrest am Eingang des Pegeldetektors. Zur Unterscheidung von jenem Reflexionskoeffizienten, der am Ausgangstor (
Zur Vereinfachung der Herleitung, aber ohne Einschränkung der Allgemeinheit des Verfahrens, sei angenommen, dass Tor
Das in Tor
Durch Eliminieren von a1_Q und Einsetzen von (1) erhält man nach einigen Umformungen By eliminating a 1_Q and inserting (1) one obtains after some transformations
Das in Tor
Mit
Der Signalgenerator
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: 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:
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: 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:
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 (
Die Komponente bei der Frequenz ωDUT kann aus (13) und (4) berechnet werden: As at the level detector, so also at the output gate (
The component at the frequency ω DUT can be calculated from (13) and (4):
Für die Komponente bei der Spiegelfrequenz des Testsignals (ωDUT – Δω) gilt analog dazu: For the component at the image frequency of the test signal (ω DUT - Δω), the following applies analogously:
Die Komponente bei der Frequenz des Testsignals setzt sich aus zwei Anteilen zusammen: der Reflexion des Stimulussignals a2_T, d. h. berechnet aus (10) und (13), und dem Seitenband der Signalquelle bei ωDUT + Δω, berechnet aus (4) und (13). In Summe erhält man The component at the frequency of the test signal is composed of two parts: the reflection of the stimulus signal a 2_T , ie 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
Die an Tor
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: 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 :
Nach einigen Umformungen erhält manAfter a few transformations you get
Für die Komponente bei der Spiegelfrequenz des Testsignals (ωDUT – Δω) erhält man aus (17): For the component at the image frequency of the test signal (ω DUT - Δω), one obtains from (17):
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
Es werde nun ein Schätzwert für den gesuchten Reflexionskoeffizienten ΓG wie folgt definiert: An estimate for the sought reflection coefficient Γ G is now defined as follows:
Für den Zähler erhält man und für den Nenner For the counter you get and for the denominator
Nach einigen Umformungen unter Verwendung von Gleichung (1) ergibt sich
Zur Berechnung des Transformationsterms γ werden die Ausgangssignale an Tor
Wie
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: mit
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.
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.
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): 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 ):
Mit der Definition für den Transformationsfaktor γ ~ erhält man aus (39) und (41) sowie unter Verwendung von (31) With the definition of the transformation factor γ ~ obtained from (39) and (41) and using (31)
Damit gilt So that applies
Wenn die Auswertevorschrift (27) auf die Signale des Basisbands übertragen wird, ergibt sich erwartungsgemäß die folgende genaue Auswerteformel für den Reflexionskoeffizienten ΓG: 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:
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 zu gleichen Zeitpunkten aufgenommen und nur isotemporale Samples miteinander verrechnet werden.When there is a frequency
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: 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:
Daraus folgt oder in guter Näherung It follows or in a good approximation
Für viele praktische Belange spielt der Fehlterm β keine Rolle. So erhält man mit
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:
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 beschreiben, woraus für den Amplitudengang und für den Phasengang folgt. Für Δω = 0 gilt
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: 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:
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
Für die a-Wellen erhält man sinngemäß:
Damit geht die Berechnungsvorschrift (27) über in bzw. mit den Komponenten im Basisband.Thus, the calculation rule (27) goes over in respectively. 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
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
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: 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:
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
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 7868624 B2 [0004, 0029] US 7868624 B2 [0004, 0029]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- Förster, H.-J.: ”Measurement of source match for broadband synthesizers and amps”, Microwave Eningering Europe, Ausgabe Dezember/Januar 1993, Seiten 41–46 [0005] Förster, H.-J .: "Measurement of source match for broadband synthesizers and amps", Microwave Eningering Europe, December / January 1993, pages 41-46 [0005]
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Förster, H.-J.: "Measurement of source match for broadband synthesizers and amps", Microwave Eningering Europe, Ausgabe Dezember/Januar 1993, Seiten 41-46 |
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