DE102013226065A1

DE102013226065A1 - Verfahren zum gesteuerten Verbinden eines Kalibrierstandards in einem Kalibriermodul und ein zugehöriges Kalibriermodul

Info

Publication number: DE102013226065A1
Application number: DE102013226065.2A
Authority: DE
Inventors: Martin LEIBFRITZ
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 2013-12-16
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2015-06-18
Anticipated expiration: 2033-12-17
Also published as: US20160238688A1; DE102013226065B4; US10132908B2; WO2015091100A1

Abstract

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum gesteuerten Verbinden eines Kalibrierstandards (2, 3, 4, 7; 17) in einem zugehörigen erfindungsgemäßen Kalibriermodul (1; 1´; 1´´) mit einem zu kalibrieenden Anschluss (10) eines Netzwerkanalysators (11) verbindet den zu kalibrierenden Anschlusses (10) des Netzwerkanalysators (11) mit einem Hochfrequenzanschluss (5) des Kalibriermoduls (1; 1´; 1´´). Es überträgt ein im Netzwerkanalysator (11) erzeugtes Hochfrequenzsignal mit einer den zu verwendenden Kalibrierstandard (2, 3, 4, 7; 17) signalisierenden Information zum Hochfrequenzanschluss (5) des Kalibriermoduls (1; 1´; 1´´). Im erfindungsgemäßen Kalibriermodul (1; 1´; 1´´) wird die den zu verwendenden Kalibrierstandard (2, 3, 4, 7; 17) signalisierende Information aus dem im Kalibriermodul (1; 1´; 1´´) empfangenen Hochfrequenzsignal detektiert und der verwendende Kalibrierstandard (2, 3, 4, 7; 17) mit dem Hochfrequenzanschluss (5) des Kalibriermoduls (1; 1´; 1´´) durch eine im Kalibriermodul (1; 1´; 1´´) integrierte Steuereinheit (15) verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum gesteuerten Verbinden eines Kalibrierstandards in einem Kalibriermodul und ein zugehöriges erfindungsgemäßes Kalibriermodul.
Bei der Vermessung eines Messobjekts mit einem Netzwerkanalysator treten Systemfehler – beispielsweise Fehlanpassung zwischen der Eingangsimpedanz des Netzwerkanalysators und der Impedanz der Messleitung – auf, die, sofern sie in der Messung nicht berücksichtigt werden, die ermittelten Messparameter verfälschen. Im Hinblick auf eine Ermittlung von Messparametern, die von Systemfehlern befreit sind, werden diese im Rahmen einer Kalibrierung des Netzwerkanalysators mithilfe eines Kalibriermoduls ermittelt.
Hierzu werden die einzelnen zu kalibrierenden Anschlüsse des Netzwerkanalysators jeweils nacheinander mit mehreren im Kalibriermodul integrierten Kalibrierstandards verbunden. Dann wird mittels Anregung des jeweiligen Kalibrierstandards über den mit dem Kalibrierstandard verbundenen Anschluss des Netzwerkanalysators die vom Kalibrierstandard reflektierte hochfrequente Welle am Anschluss des Netzwerkanalysators gemessen und einem Kalibrierverfahren zur Ermittlung der Systemfehler zugeführt.
Die sequenzielle Verbindung der einzelnen Kalibrierstandards des Kalibriermoduls mit dem jeweils zu kalibrierenden Anschluss des Netzwerkanalysators erfolgt über eine im Kalibriermodul integrierte Steuereinheit. Die
Steuereinheit wird hierzu, wie aus der US 2009/0322347 A1 hervorgeht, über eine separate Steuerleitung vom Netzwerkanalysator mit der Information über den im folgenden mit dem zu kalibrierenden Anschluss des Netzwerkanalysators zu verbindenden Kalibrierstandard versorgt.
Die zusätzliche Steuerleitung gestaltet den Kalibriervorgang aufwändig, da eine zusätzliche Leitung zu stecken ist, und erfordert nachteilig hierzu ein aufwändigeres Kalibriermodul mit einem zusätzlichen Anschluss. Insbesondere bei Anwendungen, in denen das Messobjekt und somit auch das Kalibriermodul in einer größeren Entfernung vom messenden Netzwerkanalysator positioniert ist, ist bei jedem Kalibriervorgang jeweils nachteilig die Steuerleitung neu zulegen.
Die Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zum gesteuerten Verbinden eines Kalibrierstandards in einem Kalibriermodul, das sich durch einen geringeren Aufwand auszeichnet, und ein zugehöriges Kalibriermodul mit einer geringeren Komplexität zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum gesteuerten Verbinden eines Kalibrierstandards in einem Kalibriermodul mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein erfindungsgemäßes Kalibriermodul mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen aufgeführt.
Erfindungsgemäß wird eine Information, mit der der im Kalibriermodul zu verwendende Kalibrierstandard signalisiert wird, ohne Verwendung einer separaten Steuerleitung über eine ohnehin vorhandene Leitung, die den zu kalibrierenden Anschluss des Netzwerkanalysators mit einem Hochfrequenzanschluss des Kalibriermoduls verbindet, übertragen. Hierzu wird im Netzwerkanalysator das Hochfrequenzsignal mit dieser Information verknüpft und diese Information aus dem im Hochfrequenzanschluss des Kalibriermoduls empfangenen Hochfrequenzsignal detektiert und zur Ansteuerung des zu verwendenden Kalibrierstandards durch eine Steuereinheit verwendet.
Die Quittierung der Information, mit der der im Kalibriermodul in der folgenden Kalibrierung zu verwendende Kalibrierstandard signalisiert wird, durch das Kalibriermodul an den Netzwerkanalysator erfolgt vorzugsweise durch die Steuereinheit, die hierzu sequenziell zwei verschiedene Kalibrierstandards mit dem Hochfrequenzanschluss verbindet. Die hierbei bevorzugt von der Steuereinheit verwendete Sequenz von zwei Kalibrierstandards aus jeweils einem reflektierenden oder einem nicht-reflektierenden Kalibrierstandard stellt eine kodierte Information über den für die folgende Kalibrierung verwendeten Kalibrierstandard aus z. B. vier möglichen Kalibrierstandards dar. Der Netzwerkanalysator ermittelt über z. B. zwei im gleichen Zeitraum sequenziell durchgeführte Reflexionsmessungen am Hochfrequenzanschluss des Kalibriermoduls die von der Steuereinrichtung jeweils sequenziell verwendeten Kalibrierstandards und damit den von der Steuereinheit für die folgende Kalibrierung ermittelten und quittierten Kalibrierstandard.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Hochfrequenzsignal mit der Information über den im Kalibriermodul zu verwendenden Kalibrierstandard vom Hochfrequenzanschluss des Kalibrierungsmoduls über ein Netzwerk zur Gleichspannungs- und Hochfrequenzentkopplung (englisch: bias-tee) zum Detektor übertragen und dort detektiert.
Da der mit dem Hochfrequenz-Anschluss verbundene Gleichspannungs-Pfad dieses Netzwerkes zur Gleich- und Wechselspannungsentkopplung oberhalb einer bestimmten Grenzfrequenz – typischerweise z. B. bei 10 MHz – eine hohe Dämpfung aufweist und somit eine Übertragung zwischen Hochfrequenzanschluss und dem mit der Steuereinheit verbundenen Gleich- und Wechselspannungsanschluss dieses Netzwerkes zur Gleich- und Wechselspannungsentkopplung verhindert, erfolgt die Übertragung des Hochfrequenzsignals bevorzugt unterhalb dieser Grenzfrequenz, während die Durchführung der Kalibrierung oberhalb dieser Grenzfrequenz erfolgt.
Die Verknüpfung des Hochfrequenzsignals mit der Information über den im Kalibriermodul zu verwendenden Kalibrierstandard entspricht vorzugsweise einer binären Amplitudentastung (englisch: Amplitude-Shift-Keying (ASK)), bei der das Hochfrequenzsignal im Netzwerkanalysator entsprechend dem jeweils zu verwendenden Kalibrierstandard mit einem quaternären Modulationssymbol moduliert wird und somit eine Sequenz von zwei ein- bzw. ausgeschaltetem Zuständen aufweist.
Eine zweite Ausführungsform der Erfindung kommt bevorzugt bei der Netzwerkanalyse eines Hochfrequenzverstärkers zum Einsatz, bei der seriell zum Hochfrequenzverstärker ein Hochpassfilter geschaltet ist. Da in diesem Fall ein Hochfrequenzsignal mit einer Frequenz unterhalb der obig genannten Grenzfrequenz durch das Hochpassfilter gefiltert wird und somit das Kalibriermodul erst gar nicht erreicht, wird die Frequenz des Hochfrequenzsignals in diesem Fall erhöht und an den Durchgangsbereich des Hochpassfilters angepasst.
In diesem Fall wird die Detektion der Information über den im Kalibriermodul zu verwendenden Kalibrierstandard aus dem Trägersignal vorzugsweise mit einem als Kalibrierstandard verwendeten Leistungsdetektor durchgeführt, der am Beginn der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem Hochfrequenzanschluss des Kalibriermoduls verbunden ist. Die beiden aufeinanderfolgenden ein bzw. ausgeschaltetem Zustände des Hochfrequenzsignals, die dem zum verwendenden Kalibrierstandard gehörigen Modulationssymbol entsprechen, werden jeweils über eine Leistungspegelmessung ermittelt und dem Detektor zugeführt.
In einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Detektordiode verwendet, die über einen Koppler mit dem Hochfrequenzanschluss des Kalibriermoduls gekoppelt ist. Das von der Detektordiode empfangene Hochfrequenzsignal wird dem Detektor zugeführt.
Neben der Quittierung des zu verwendenden Kalibrierstandards werden durch ein zusätzliches Verbinden einer Sequenz von reflektierenden oder nicht-reflektierenden Kalibrierstandards mit dem Hochfrequenzanschluss des Kalibriermoduls durch die Steuereinheit und einer zugehörigen Sequenz von Reflexionsmessungen durch den Netzwerkadministrator am Hochfrequenzanschluss des Kalibriermoduls bevorzugt eine zusätzliche kodierte Information vom Kalibriermodul zum Netzwerkanalysator übertragen, mit der dem Netzwerkanalysator Kenndaten des verwendeten Kalibrierstandards – beispielsweise die korrekt vermessene Impedanz des verwendeten Kalibrierstandards – signalisiert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur gesteuerten Verbindung eines Kalibrierstandards in einem Kalibriermodul und das erfindungsgemäße Kalibriermodul werden im Folgenden anhand der Zeichnung im Detail beispielhaft erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen:
1 ein Blockdiagramm einen ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kalibriermoduls,
2 ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kalibriermoduls,
3 ein Blockdiagramm einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kalibriermoduls,
4 eine spektralen Darstellung des Übertragungsverhaltens eines Netzwerkes zur Gleich- und Wechselspannungs-Entkopplung und
5 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur gesteuerten Verbindung eines Kalibrierstandards in einem Kalibriermodul.
Im Folgenden werden drei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kalibriermoduls anhand der 1 bis 3 erläutert. Die Bezugszeichen werden dabei, soweit möglich, einheitlich verwendet.
In der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kalibriermoduls 1 gemäß der 1 sind jeweils ein als angepasste Impedanz von typischerweise 50 Ohm realisierter Kalibrierstandard 2 über eine PIN-Diode 6 ₁, ein als „offene Verbindung“ realisierter Kalibrierstandard 3 über eine PIN-Diode 6 ₂ und ein als Kurzschluss realisierter Kalibrierstandard 4 über eine PIN-Diode 6 ₃ mit einem Hochfrequenzanschluss 5 des Kalibriermoduls 1 – der im Folgenden erster Hochfrequenzanschluss 5 bezeichnet wird – verbunden. Zusätzlich ist ein Kalibrierstandard 7, der als "Durch-Verbindung" ohne wesentliche ohmsche Verluste realisiert ist, über eine PIN Diode 6 ₄ zwischen ersten Hochfrequenzanschluss 5 und Hochfrequenzanschluss 8 des Kalibriermoduls 1 – der im Folgenden als zweiter Hochfrequenzanschluss 8 bezeichnet wird – geschaltet.
Der erste Hochfrequenzanschluss 5 ist über eine Hochfrequenz-Messleitung 9 mit einem zu kalibrierenden Anschluss 10 des Netzwerkanalysators 11 verbunden, während ein zweiter Hochfrequenzanschluss 8 mit einem weiteren zu kalibrierenden Anschluss 12 des Netzwerkanalysators 11 über eine in 1 gestrichelte dargestellte Hochfrequenz-Messleitung 13 verbunden sein kann.
Die Anode und die Kathode jedes der PIN-Dioden 6 ₁ bis 6 ₄ ist jeweils über ein Netzwerk zur Gleich- und Wechselspannungs-Entkopplung 14 ₁, 14 ₂, 14 ₃, 14 ₄, 14 ₅, 14 ₆, 14 ₇ und 14 ₈ mit einer Steuer-Einheit 15 verbunden. Jedes dieser Netzwerke zur Gleich- und Wechselspannungs-Entkopplung (englisch: bias-tee) 14 ₁, 14 ₂, 14 ₃, 14 ₄, 14 ₅, 14 ₆, 14 ₇ und 14 ₈ besteht aus einer Induktivität an seinem Gleichspannungsanschluss, der mit der Anode bzw. der Kathode der jeweiligen PIN-Diode 6 ₁ bis 6 ₄ verbunden ist und einer Kapazität an seinem Wechselspannungsanschluss. Der Gleich- und Wechselspannungsanschluss des jeweiligen Netzwerkes zur Gleich- und Wechselspannungs-Entkopplung 14 ₁, 14 ₂, 14 ₃, 14 ₄, 14 ₅, 14 ₆, 14 ₇ und 14 ₈, der mit der Steuer-Einheit 15 verbunden ist, befindet sich am Knotenpunkt zwischen der jeweiligen Induktivität und jeweiligen Kapazität.
Wird von der Steuer-Einheit 15 die Anode der jeweiligen PIN-Diode 6 ₁ bis 6 ₄ über das jeweils zugeordnete Netzwerk zur Gleich- und Wechselspannungs-Entkopplung 14 ₁, 14 ₂, 14 ₃, 14 ₄, 14 ₅, 14 ₆, 14 ₇ und 14 ₈ mit einer Spannung beaufschlagt, die um mindestens die Durchlassspannung der jeweiligen PIN-Diode 6 ₁ bis 6 ₄ von beispielsweise 0,7 V höher als die Spannung ausgelegt ist, mit der die Steuer-Einheit 15 die Kathode der jeweiligen PIN-Diode 6 ₁ bis 6 ₄ über das jeweils zugeordnete Netzwerk zur Gleich- und Wechselspannungs-Entkopplung 14 ₁, 14 ₂, 14 ₃, 14 ₄, 14 ₅, 14 ₆, 14 ₇ und 14 ₈ beaufschlagt, so ist die jeweilige PIN-Diode 61 bis 64 leitend und verbindet den jeweiligen Kalibrierstandard 2, 3 und 4 mit dem ersten Hochfrequenzanschluss 5 bzw. verbindet die "Durch- Verbindung" 7 mit dem ersten Hochfrequenzanschluss 5 und dem zweiten Hoffrequenzanschluss 8.
Wird dagegen die Anode der jeweiligen PIN-Diode 6 ₁ bis 6 ₄ von der Steuer-Einheit 15 über das jeweils zugeordnete Netzwerk zur Gleich- und Wechselspannungs-Entkopplung 14 ₁, 14 ₂, 14 ₃, 14 ₄, 14 ₅, 14 ₆, 14 ₇ und 14 ₈ mit einer Spannung beaufschlagt, die negativ gegenüber der Spannung ist, mit der die Kathode der jeweiligen PIN-Diode 6 ₁ bis 6 ₄ von der Steuer-Einheit 15 über das jeweils zugeordnete Netzwerk zur Gleich- und Wechselspannungs-Entkopplung 14 ₁, 14 ₂, 14 ₃, 14 ₄, 14 ₅, 14 ₆, 14 ₇ und 14 ₈ beaufschlagt wird, so ist die jeweilige PIN-Diode 6 ₁ bis 6 ₄ gesperrt und trennt den jeweiligen Kalibrierstandard 2, 3 und 4 vom ersten Hochfrequenzanschluss 5 bzw. trennt die "Durch-Verbindung" 7 vom ersten Hochfrequenzanschluss 5 und vom zweiten Hochfrequenzanschluss 8.
Auf diese Weise kann die Steuer-Einheit 15 durch eine geeignete Ansteuerung der einzelnen PIN-Dioden 6 ₁ bis 6 ₄ jeweils nur einen der Kalibrierstandards 2, 3, 4 und 7 mit dem ersten Hochfrequenzanschluss 5 bzw. im Fall der "Durch-Verbindung" 7 mit dem zweiten Hochfrequenzanschluss 8 verbinden.
Im Fall der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kalibriermoduls 1 wird das vom Netzwerkanalysator 11 erzeugte Hochfrequenzsignal, das vom Anschluss 10 des Netzwerkanalysators 11 über die Hochfrequenz-Messeleitung 9 zum ersten Hochfrequenzanschluss 5 des Kalibriermodul 1 übertragen wird, über ein Netzwerk zur Gleich- und Wechselspannung-Entkopplung 14 ₁, 14 ₂, 14 ₃, 14 ₄, 14 ₅, 14 ₆, 14 ₇ und 14 ₈ – in 1 beispielsweise über das linksseitig dargestellte Netzwerk zur Gleich- und Wechselspannungs-Entkopplung 14 ₁ – zu einer Detektoreinheit 16 geführt.
Da ein Netzwerk zur Gleich- und Wechselspannungs-Entkopplung ein spektrales Übertragungsverhalten gemäß 4 – hierbei ist ein theoretischer und ein in der Praxis gemessener Verlauf des spektralen Übertragungsverhaltens dargestellt – aufweist, ist die Frequenz des Hochfrequenzsignals so auszulegen, dass sie unterhalb der Grenzfrequenz f_MIN liegt und somit das Hochfrequenzsignal durch das Netzwerk zur Gleich- und Wechselspannungs-Entkopplung nicht gefiltert wird und von der Steuer-Einheit 15 eindeutig detektierbar ist. Ein Signal mit einer Frequenz oberhalb der Grenzfrequenz f_MIN wird vom jeweiligen Netzwerk zur Gleich- und Wechselspannungs-Entkopplung 14 ₁, 14 ₂, 14 ₃, 144, 14 ₅, 14 ₆, 14 ₇ und 14 ₈ gedämpft, um die Ansteuerung der einzelnen PIN-Dioden 6 ₁ bis 6 ₄ durch die Steuer-Einheit 15 und damit den in diesem Frequenzbereich durchgeführten Kalibrierbetrieb nicht zu stören.
Zur Übermittlung der detektierten Information über den zu verwendenden Kalibrierstandard ist der Detektor 16 mit der Steuereinheit 15 verbunden, die den jeweils zu verwendenden Kalibrierstandard mit dem ersten Hochfrequenzanschluss 5 bzw. im Fall der "Durch-Verbindung" 7 mit dem ersten Hochfrequenzanschluss 5 und dem zweiten Hochfrequenzanschluss 8 verbindet.
In der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kalibriermoduls 1´ gemäß 2 wird das Hochfrequenzsignal mit der Information über den zu verwendenden Kalibrierstandard vom ersten Hochfrequenzanschluss 5 nicht mit dem Netzwerk zur Gleich- und Wechselspannungs-Entkopplung zur Einheit zum Detektieren 16 verbunden, sondern ein am Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem ersten Hochfrequenzanschluss 5 verbundener und als Kalibrierstandard realisierter Leistungsdetektor 17 ermittelt die Leistungspegel des Hochfrequenzsignals in den einzelnen Zeitpunkten, in denen das Hochfrequenzsignal aufgrund der binären Amplitudentastung entweder aktiviert oder nicht-aktiviert ist.
Der in den beiden Zeitpunkten jeweils gemessene Leistungspegel des Hochfrequenzsignals wird jeweils als Datenwort oder als kombiniertes Datenwort in einem bestimmten Datenformat der Steuer-Einheit 15 übermittelt. Alternativ kann auch eine gemittelte, effektive Leistungspegelmessung über einen Zeitraum durchgeführt werden, der sich über die beiden Zeitpunkte erstreckt. Der hierbei gemessene effektive Leistungspegelwert ist für die vier Modulationszustände bzw. Modulationssymbole jeweils unterschiedlich und kann als einziges Datenwort in einem bestimmten Datenformat der Steuer-Einheit 15 übermittelt werden.
Zur korrekten Kalibrierung des Netzwerkanalysators 11 muss der Leistungsdetektor eine angepasste Eingangsimpedanz von z. B. 50 Ohm aufweisen, um als optimal nicht-reflektierender Kalibrierstandard eingesetzt werden zu können.
In der dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kalibriermoduls 1´´ gemäß 3 wird das Hochfrequenzsignal mit der Information zur Signalisierung des zu verwendenden Kalibrierstandards am Ausgang des ersten Hochfrequenzanschlusses 5 über einen Koppler 20 an eine breitbandige Detektordiode 18 geführt. Dieser Koppler 20 ist bevorzugt als Richtkoppler 20 realisiert, der an seinem Isolationspfad mit einer an Masse geschalteten Impedanz von bevorzugt 50 Ohm abgeschlossen ist und an seinem Koppelpfad mit der Detektordiode 18 verbunden ist. Der Koppler 20 weist eine Koppeldämpfung von typischerweise 20 dB auf.
In der Detektordiode 18 wird das Hochfrequenzsignal gerichtet sowie gedämpft. Eine der Detektordiode 18 optional nachgeschaltete und an Masse geführte Kapazität, die in 3 nicht dargestellt ist, kann eine optionale Glättung des Hochfrequenzsignals durchführen. Das gerichtete Hochfrequenzsignal wird der Detektoreinheit 16 zugeführt, in der die Information über den zu verwendenden Kalibrierstandard ermittelt wird, die wiederum der Steuereinheit 15 zugeführt wird.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zur gesteuerten Verbindung eines Kalibrierstandards in einem Kalibriermodul anhand des Flussdiagrammes in 5 im Detail erläutert.
Im ersten Verfahrensschritt S10 wird im Netzwerkanalysator 11 das Hochfrequenzsignal mit der Information zur Signalisierung des zu verwendenden Kalibrierstandards verknüpft. Bei dem Hochfrequenzsignal handelt es sich um ein von einem lokalen Frequenzoszillator erzeugtes sinusförmiges Signal mit einer einzigen Frequenzkomponente, ein so genanntes Continuous-Wave(CW)-Signal.
Zur Signalisierung der insgesamt vier Kalibrierstandards sind insgesamt vier verschiedene Modulationssymbole oder Modulationszustände nötig. Hierzu wird die Information zur Signalisierung des zu verwendenden Kalibrierstandards mittels einer binären Amplitudentastung (Amplitude-Shift-Keying(ASK)) des Hochfrequenzsignals auf das Hochfrequenzsignal aufmoduliert. Die binäre Amplitudentastung des Hochfrequenzsignals wird dadurch realisiert, dass entweder das in einem in den 1–3 nicht dargestellten lokalen Frequenzoszillator des Netzwerkanalysators 11 erzeugte Hochfrequenzsignal oder kein Signal über eine im Netzwerkanalysator 11 integrierte und in den 1–3 ebenfalls nicht dargestellte Schalteinrichtung geschaltet wird. Um die auf diese Weise verwirklichte Realisierung von zwei binären Zuständen auf insgesamt vier Zustände zu verdoppeln, wird die binäre Amplitudentastung zweimal hintereinander auf das Hochfrequenzsignal angewendet.
Das Hochfrequenzsignal mit der Information über den im Kalibriermodul zu verwendenden Kalibrierstandard wird vom Anschluss 10 des Netzwerkanalysators 11 über die Hochfrequenz-Messleitung 9 zum ersten Hochfrequenz-Anschluss 5 des Kalibriermoduls 1, 1´ und 1´´ übertragen.
Im nächsten Verfahrensschritt S20 wird das in Kalibriermodul 1, 1´ und 1´´ empfangene Hochfrequenzsignal entweder über ein mit dem Ausgang des ersten Hochfrequenzanschlusses 5 galvanisch gekoppeltes Netzwerk zur Gleich- und Wechselspannungs-Entkoppelung 14 ₁, 142, 14 ₃, 14 ₄, 14 ₅, 14 ₆, 14 ₇ oder über eine mit einem (Richt)Koppler gekoppelte breitbandige Detektordiode 18 der Detektoreinheit 16 zugeführt. Alternativ werden die Leistungspegelwerte des Hochfrequenzsignals in einem als Kalibrierstandard verwendeten Leistungsdetektor 17, der am Anfang des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem ersten Hochfrequenzanschluss 5 des Kalibriermoduls 1´ verbunden ist, erfasst und der Detektoreinheit 16 zugeführt.
In der Detektoreinheit 16 wird aus dem zugeführten Hochfrequenzsignal bzw. aus den zugeführten erfassten Leistungspegelwerten des Hochfrequenzsignals die Information zur Signalisierung des zu verwendenden Kalibrierstandards ermittelt. Die Korrespondenz zwischen dem zu verwendenden Kalibrierstandard und dem zugehörigen auf dem Hochfrequenzsignal aufmodulierten Modulationssymbol bzw. Modulationszustand sind sowohl dem Netzwerkanalysator 11 als auch der Detektoreinheit 16 bekannt.
Nach Übermittlung der Information über den zu verwendenden Kalibrierstandard an die Steuereinheit 15 erfolgt im nächsten Verfahrensschritt S30 die Quittierung diese Information an den Netzwerkanalysator 11. Hierzu wird wiederum eine den zu verwendenden Kalibrierstandard kodierende Information dem Netzwerkanalysator 11 signalisiert. Die Signalisierung dieser kodierenden Information, die wiederum eine Sequenz von zwei oder mehreren binären Informationen darstellt, erfolgt im Ausführungsbeispiel durch eine sequenzielle Verbindung eines reflektierenden Kalibrierstandards – d.h. entweder eines als "offene Verbindung" realisierten Kalibrierstandards 3 oder eines als Kurzschluss realisierten Kalibrierstandards 4 – und/oder eines nicht-reflektierten Kalibrierstandards – d.h. eines als angepasste Impedanz realisierten Kalibrierstandards 2 im Fall der ersten und dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kalibriermoduls 1 und 1´´ oder eines als Leistungsdetektor 17 mit angepasster Impedanz realisierten Kalibrierstandards im Fall der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kalibriermoduls 1´ – mit dem ersten Hochfrequenzanschluss 5 des Kalibriermoduls durch die Steuereinheit 15.
Die Identifizierung des mit dem ersten Hochfrequenzanschluss 5 des Kalibriermoduls 1, 1´ bzw. 1´´ verbundenen reflektierenden und/oder nicht-reflektierenden Kalibrierstandard in jeweils zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten und damit die Identifizierung der Sequenz von zwei oder mehreren binär kodierten Informationen, die zum zu verwendenden Kalibrierstandard korrespondieren, erfolgt durch Reflexionsmessung am ersten Hochfrequenzanschluss 5 des Kalibriermoduls 1, 1´ bzw. 1´´ durch den Netzwerkanalysator 11.
Da auf diese Weise das Reflexionsverhalten eines reflektierenden Kalibrierstandards eindeutig vom Reflexionsverhalten eines nicht-reflektierenden Kalibrierstandards unterscheidbar ist, kann der Netzwerkanalysator 11 den korrekten Empfang der Information zur Signalisierung des zu verwendenden Kalibrierstandards und damit das korrekte Einstellen des in der folgenden Kalibrierung vom Kalibriermodul 1, 1´ bzw. 1´´ zu verwendenden Kalibrierstandard eindeutig überprüfen.
Das Verbinden eines reflektierenden oder nicht-reflektierenden Kalibrierstandards mit dem ersten Hochfrequenzanschluss 5 durch die Steuereinheit 15 und die Durchführung der Reflexionsmessung durch den Netzwerkanalysator 11 im Hinblick auf eine erfolgreiche Quittierung des zu verwendenden Kalibrierstandards ist geeignet zu synchronisieren und erfolgt gegenüber dem Übertragen des Hochfrequenzsignals um ein bestimmtes Zeitintervall – beispielsweise um 100 Millisekunden – verzögert.
Im nächsten optional durchzuführenden Verfahrensschritt S40 werden dem Netzwerkanalysator 11 in äquivalenter Weise zur Quittierung des in der kommenden Kalibrierung zu verwendenden Kalibrierstandards gemäß Verfahrensschritt S30 Kenndaten des zu verwendenden Kalibrierstandards, die am Ende der Fertigung des Kalibriermoduls 1, 1´ bzw. 1´´ ermittelt werden und beispielsweise in einem so genannten und standardisierten „Touch-Stone-File“ in einem in den 1 bis 3 nicht dargestellten Speicher des Kalibriermoduls 1, 1´ bzw. 1´´ vom Hersteller des Kalibriermoduls 1, 1´ bzw. 1´´ hinterlegt sind, übertragen. Da diese Kenndaten – beispielsweise der exakt ermittelte Impedanzwert des jeweiligen Kalibrierstandards oder der gültige Messfrequenzbereich für den jeweiligen Kalibrierstandard – deutlich komplexer als der Typ des in den nächsten Kalibrierung zu verwendenden Kalibrierstandards ist, ist die Wertigkeit der kodierenden Information für das zu übertragenden Kenndatenwort deutlich höher und führt somit auch zu einer umfangreicheren Sequenz von reflektierenden und/oder nicht-reflektierenden Kalibrierstandards, die von der Steuereinrichtung 15 mit dem ersten Hochfrequenzanschluss 5 verbunden werden müssen und zu einer umfangreicheren Sequenz von Reflexionsmessungen durch den Netzwerkanalysator 11.
Der darauffolgende Verfahrensschritt S50 beinhaltet das Verbinden des in der folgenden Kalibrierung zu verwendenden Kalibrierstandards mit dem ersten Hochfrequenzanschluss 5 durch die Steuereinheit 15 durch geeignete Vorspannung der Anode und Kathode der zum verwendenden Kalibrierstandard gehörigen Pin-Diode über die jeweils zugeordneten Netzwerke zur Gleich- und Wechselspannungs-Entkoppelung und entsprechende inverse Vorspannung der Anoden und Kathoden der zu den nicht verwendenden Kalibrierstandards gehörigen Pin-Dioden.
Im abschließenden Verfahrensschritt S60 wird die Kalibrierung des mit dem ersten Hochfrequenzanschluss 5 des Kalibriermoduls über die Hochfrequenz-Messleitung 9 verbundenen und zu kalibrierenden Anschlusses 10 des Netzwerkanalysators 11 mithilfe des mit dem ersten Hochfrequenzanschluss 5 verbundenen Kalibrierstandards – bzw. mithilfe des mit dem ersten Hochfrequenzanschluss 5 und dem zweiten Hochfrequenzanschluss 8 verbundenen und als "Durch-Verbindung" 7 realisierten Kalibrierstandards – durchgeführt.
Für die Kalibrierung des zu kalibrierenden Anschlusses 10 des Netzwerkanalysators 11 mit einem weiteren Kalibrierstandard werden die einzelnen Verfahrensschritte S10 bis S60 des erfindungsgemäßen Verfahrens wiederholt durchgeführt. Auch für die Kalibrierung eines weiteren zu kalibrierenden Anschlusses – beispielsweise des Anschlusses 12 des Netzwerkanalysators 11 – werden die einzelnen Verfahrensschritte S10 bis S60 des erfindungsgemäßen Verfahrens äquivalent angewendet.
Die Steuereinheit 15 und die Detektoreinheit 16 sind typischerweise in einem, insbesondere in einem einzigen, programmierbaren Hardware-Baustein – beispielsweise in einem Field-Programmable-Gate-Array (FPGA) oder in einem Application-Specific-Integrated-Circuit (ASIC) – realisiert und integriert.
Optional ist es auch möglich, nach Verbinden des Anschlusses 10 des Netzwerkanalysators 11 mit dem ersten Hochfrequenzanschluss 5 des Kalibriermoduls 1, 1´ und 1´´ am Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens die Charakterisierung des Kalibriermoduls 1, 1´ und 1´´ durch den Netzwerkanalysator 11 durch ein Hochfrequenzsignal mit einer verknüpften Information, die das Kalibriermodul 1, 1´ und 1´´ zu dessen Charakterisierung auffordert, bei einer Frequenz unterhalb der Grenzfrequenz f_MIN durchzuführen. Die Übertragung der spezifischen Charakterisierung des Kalibriermoduls 1, 1´ und 1´´ durch Übertragung der Prüfsumme der Charakterisierung an den Netzwerkanalysator 11 kann hierbei nach demselben technischen Prinzip wie die Quittierung des zu verwendenden Kalibrierstandards erfolgen.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Von der Erfindung sind insbesondere alle Kombinationen aller in den einzelnen Patentansprüchen jeweils beanspruchten Merkmale, aller in der Beschreibung jeweils offenbarten Merkmale und aller in den einzelnen Figuren der Zeichnung dargestellten Merkmale mit abgedeckt. Neben der Modulation des Hochfrequenzsignals mit der Information zum Signalisieren des zu verwendenden Kalibrierstandards mithilfe einer binären Amplitudentastung sind auch andere Modulationsverfahren geeignet und von der Erfindung mit abgedeckt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2009/0322347 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum gesteuerten Verbinden eines Kalibrierstandards (2, 3, 4, 7; 17) in einem Kalibriermodul (1; 1´; 1´´) mit einem zu kalibrieenden Anschluss (10) eines Netzwerkanalysators (11) mit folgenden Verfahrensschritten: • Verbinden des zu kalibrierenden Anschlusses (10) des Netzwerkanalysators (11) mit einem Hochfrequenzanschluss (5) des Kalibriermoduls (1; 1´; 1´´), • Übertragen eines im Netzwerkanalysator (11) erzeugten Hochfrequenzsignals mit einer den zu verwendenden Kalibrierstandard (2, 3, 4, 7; 17) signalisierenden Information zum Hochfrequenzanschluss (5) des Kalibriermoduls (1; 1´; 1´´), • Detektieren der den zu verwendenden Kalibrierstandard (2, 3, 4, 7; 17) signalisierenden Information aus dem im Kalibriermodul (1; 1´; 1´´) empfangenen Hochfrequenzsignal und Verbinden des verwendenden Kalibrierstandards (2, 3, 4, 7; 17) mit dem Hochfrequenzanschluss (5) des Kalibriermoduls (1; 1´; 1´´) durch eine im Kalibriermodul (1; 1´; 1´´) integrierte Steuereinheit (15).
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von der Steuereinheit (15) der zu verwendende Kalibrierstandard (2, 3, 4, 7; 17) dem Netzwerkanalysator (11) dadurch quittiert wird, dass von der Steuereinheit (15) sequentiell entweder ein reflektierender oder ein nicht-reflektierender Kalibrierstandard (2, 3, 4, 7; 17) mit dem Hochfrequenzanschluss (5) verbunden wird, wobei die Sequenz des reflektierenden oder des nicht-reflektierenden Kalibrierstandards (2, 3, 4, 7; 17) eine den jeweils zu verwendenden Kalibrierstandard (2, 3, 4, 7; 17) kodierende Information darstellt.
Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Hochfrequenzanschluss (5) verbundene Sequenz von reflektierenden oder nicht-reflektierenden Kalibrierstandards (2, 3, 4, 7; 17) mittels einer Sequenz von Reflexionsmessungen am Hochfrequenzanschluss (5) des Kalibriermoduls (1; 1´; 1´´) durch den Netzwerkanalysator (11) identifiziert wird.
Verfahren nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Quittieren und die beiden Reflexionsmessungen jeweils um ein gleiches Zeitintervall vom Übertragen des Hochfrequenzsignals zeitlich verzögert durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verknüpfen des Hochfrequenzsignals mit der den zu verwendenden Kalibrierstandard (2; 3, 4; 17) signalisierenden Information durch binäre Amplitudentastung des Hochfrequenzsignals erfolgt.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochfrequenzsignal vom Hochfrequenzanschluss (5) über ein Netzwerk zur Gleichspannungs- und Hochfrequenzentkopplung (14 ₁, 14 ₂, 14 ₃, 14 ₄, 14 ₅, 14 ₆, 14 ₇, 14 ₈) zur Steuereinheit (15) übertragen werden.
Verfahren nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochfrequenzsignal eine Frequenz unterhalb einer unteren Grenzfrequenz f_MIN aufweist, mit der die Kalibrierung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochfrequenzsignal vom Hochfrequenzanschluss (5) zu einem als nicht-reflektierender Kalibrierstandard (2) verwendeten Leistungsdetektor (17) übertragen wird, der zu Beginn des Verfahrens mit dem Hochfrequenzanschluss (5) verbunden ist.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochfrequenzsignal zu einer mit dem Hochfrequenzanschluss (5) gekoppelten Detektordiode (18) übertragen wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des Netzwerkes zur Gleichspannungs- und Hochfrequenzentkopplung (14 ₁, 14 ₂, 14 ₃, 14 ₄, 14 ₅, 14 ₆, 14 ₇,14₈) oder der Detektordiode (18) oder die vom Leistungsdetektor (17) erzeugte Impulsfolge zum Detektieren verwendet wird und die detektierte und den zu verwendenden Kalibrierstandard (2; 3, 4; 17) signalisierende Information zur Steuereinheit (15) übertragen wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass von der Steuereinheit (15) zusätzliche Kenndaten des zu verwendenden Kalibrierstandards (2; 3, 4; 17), die in einem in der Steuereinheit (15) integrierten Speicher hinterlegt sind, durch eine Sequenz von mit dem Hochfrequenzanschluss (5) jeweils verbundenen reflektierenden oder nicht-reflektierenden Kalibrierstandards (2; 3, 4; 17) signalisiert werden, die der Netzwerkanalysator (11) durch eine korrespondierende Sequenz von Reflexionsmessungen am Hochfrequenzanschluss (5) identifiziert, wobei die Sequenz von mit dem Hochfrequenzanschluss (5) jeweils verbundenen reflektierenden oder nicht-reflektierenden Kalibrierstandards (2; 3, 4; 17) eine die zusätzlichen Kenndaten kodierende Information darstellt.
Kalibriermodul zum Kalibrieren eines Anschlusses eines Netzwerkanalysators (11) mit einem Hochfrequenzanschluss (5), mehreren Kalibrierstandards (2; 3, 4; 17), einer Steuereinheit (15) zum alternativen Verbinden eines der Kalibrierstandards (2; 3, 4; 17) mit dem Hochfrequenzanschluss (5), dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereinheit (15) ein Detektoreinheit (16) zum Detektieren einer den zu verwendenden Kalibrierstandard (2; 3, 4; 17) signalisierenden Information aus einem vom Netzwerkanalysator (11) erzeugten und zum Hochfrequenzanschluss (5) übertragenen Hochfrequenzsignal vorgeschaltet ist.
Kalibriermodul nach Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektoreinheit (16) ein Netzwerk zur Gleichspannungs- und Hochfrequenzentkopplung (14 ₁, 14 ₂, 14 ₃, 14 ₄, 14 ₅, 14 ₆, 14 ₇, 14 ₈) vorgeschaltet ist, das jeweils für jede Verbindung eines Kalibrierstandards (2; 3, 4; 17) zum Hochfrequenzanschluss (5) vorgesehen ist.
Kalibriermodul nach Patentanspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektoreinheit (16) ein als nicht-reflektierender Kalibrierstandard (2) verwendeter Leistungsdetektor (17) vorgeschaltet ist.
Kalibriermodul nach Patentanspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektoreinheit (16) eine Detektordiode (18) vorgeschaltet ist, die über einen Koppler (20) mit dem Hochfrequenzanschluss (5) gekoppelt ist.