DE19525430A1

DE19525430A1 - Schaltungsnetzwerk-Meßeinrichtung und Kalibrierungsverfahren

Info

Publication number: DE19525430A1
Application number: DE19525430A
Authority: DE
Inventors: Koichi Yanagawa; Atsushi Ishihara; Hiroyuki Iwai; Tatsuo Furukawa
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1994-07-27
Filing date: 1995-07-12
Publication date: 1996-02-01
Anticipated expiration: 2015-07-13
Also published as: DE19525430C2; GB9515329D0; JP2807177B2; JPH0843463A; US5661404A; GB2292464A; GB2292464B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Schaltungsnetzwerk-Meß einrichtungen im allgemeinen, und sie betrifft insbesondere eine Kalibriereinrichtung, welche Schaltungsnetzwerk-Meßein richtungen mit vielen Meßkanälen kalibriert, sowie ein Kali brierungsverfahren.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel einer Schaltungsnetzwerk-Meßein richtung mit zwei Kanälen nach dem Stand der Technik. Diese Anordnung wird allgemein als ein "S-Parameter-Prüfsystem", "Netzwerk-Analysesystem" oder "Impedanz-Analysator oder -Vielfachmeßgerät" bezeichnet. Diese Systeme bestehen aus einem Netzwerkanalysator 1 und einem unteren Prüfgerät oder Prüfaufbau 2.

Es gibt jedoch auch Geräte, in denen beide Teile in einem kombiniert sind. In diesem Fall soll jedoch das allgemeine, getrennt aufgebaute S-Parameter-Prüfsystem als ein Beispiel herangezogen werden.

Der Prüfaufbau weist eine Anzahl von Brücken auf, die gleich der Anzahl der Meßkanäle ist, welche die Meßsignale von dem Netzwerkanalysator zu der Schaltung leiten, welche gerade gemessen wird, und die gesendeten und die reflektierten Si gnale trennen, welche zum Messen der S-Parameter notwendig sind. (S-Parameter sind Parameter eines Gerätes, welche sich auf die Übertragungsfunktion dieses Gerätes beziehen.) Das heißt, im Falle von zwei Kanälen werden zwei Sätze Brücken vorgesehen. Der Empfang der Meßsignale zwischen dem Netzwer kanalysator und dem Prüfaufbau wird über vier koaxiale Kabel 3 durchgeführt. Zusätzlich verbinden geeignete Kabel, obwohl diese in der Figur nicht gezeigt sind, im allgemein den Netzwerkanalysator und den Prüfaufbau an ihrer Rückplatte um Leistung zuzuführen und Steuersignalen auszutauschen. Ferner gibt es auch Fälle, in denen die Schaltungsnetzwerk-Meßein richtung durch einen Computer gesteuert wird (obwohl dies in der Figur ebenfalls nicht gezeigt ist).

Zwei Verbindungselemente oder Verbinder 5, welche als Meßka näle oder -anschlüsse dienen, sind an dem Prüfaufbau 2 vor gesehen. Diese Verbinder sind normalerweise koaxiale Verbin dungselemente vom Typ N, BNC oder APC-7 etc. Wenn ein Schal tungsnetzwerk, welches gerade gemessen wird, direkt an diese beiden Verbinder 5 angeschlossen wird, werden die Verbinder zu Bezugsebenen, d. h. zu den Meßkanälen. Das Schaltungsnetz werk, welches gemessen wird, wird jedoch selten direkt an die Verbinder 5 angeschlossen; im allgemeinen werden koaxia le Kabel 6 an die Verbinder 5 angeschlossen und das Schal tungsnetzwerk, welches gemessen wird, wird bei den vorderen Enden der koaxialen Kabel 6 an die Verbinder 7 angeschlos sen. In diesem Fall werden die Verbinder 7 an den Enden der Kabel 6 zu den Meßanschlüssen (Bezugsebenen der Messung). In Fig. 3 wurden die Verbinder der koaxialen Kabel 6 auf der Seite des Prüfaufbaus in der Zeichnung weggelassen.

Unter den Verfahren zum Kalibrieren oder Eichen der Schal tungsnetzwerk-Meßeinrichtung ist das vollständige Zweikanal-Kali brierungsverfahren als das beste Verfahren bekannt. Das vollständige Zweikanal-Kalibrierungsverfahren besteht aus (a) einer Einkanal-Kalibrierung, (b) einer Trennkalibrierung und (c) einer Durchkalibrierung. Bei der Einkanal-Kalibrie rung werden drei bekannte Impedanzen als Normale (Standards) vorbereitet; der Kanal wird kalibriert, indem diese Normale nacheinander mit einem Kanal oder Anschluß verbunden werden. Dieselbe Kalibrierung wird auch für den anderen Kanal durch geführt.

Normalerweise sind die drei bekannten Impedanzen, welche verwendet werden, eine Unterbrechung, ein Kurzschluß und eine Last. Bei der Trennkalibrierung wird jeder Kanal am Ende abgeschlossen, und die Trennung zwischen den Kanälen, d. h. das Lecksignal, wird gemessen. Bei der Durchkalibrie rung werden die Kanäle direkt miteinander verbunden, und die Übertragungseigenschaften werden gemessen. Die Fehler bei diesen drei Messungen werden berechnet und korrigiert. Ein zelheiten des vollständigen Zweikanal-Kalibrierungsverfah rens sind in dem folgenden Dokument angegeben: "Accuracy Enhancement Fundamentals - Characterizing Microwave Systema tic Errors", Betriebshandbuch für den HP 8753C Network Ana lyzer, Nachschlageabschnitt, Anhang zu Kapitel 5.

Oben wurde der Fall erläutert, daß zwei Meßkanäle oder Meß anschlüsse vorgesehen sind. Bei komplexen Schaltungsnetzwer ken, welche gemessen werden sollen, sind zwei Meßkanäle nicht ausreichend, und es werden viele Meßkanäle benötigt.

Das Verfahren zum Kalibrieren ist für den Fall, daß viele Meßkanäle vorgesehen werden, dasselbe. Wie unten gezeigt, wird jedoch die Anzahl der Kombinationen der Meßkanäle sehr groß, wenn die Anzahl der Meßkanäle groß wird, und die Kali brierungsnormale und Kabel etc. müssen häufig neu ange schlossen werden. Daraus ergibt sich nicht nur, daß die hierfür notwendige Arbeit und Zeit problematisch wird, son dern es entstehen auch Schwierigkeiten aufgrund der Abnut zung/Abrieb und Beschädigungen der Verbindungsebenen der Verbinder und aufgrund von Fehlern beim Herstellen der Ver bindungen etc.

Im folgenden soll betrachtet werden, wie oft die Normale und Kabel angeschlossen und getrennt werden müssen, wenn eine Schaltungsnetzwerk-Meßeinrichtung mit n Meßkanälen gemäß dem vollständigen Zweikanalverfahren kalibriert wird. Kabel 6 werden mit dem Prüfaufbau 2 verbunden. Diese Verbindung wird bei der Anzahl von Verbindungen und Trennungen nicht ge zählt, weil sie sich nicht auf die Kalibrierung bezieht. Bei der Einkanal-Kalibrierung werden drei Normale pro Meßkanal angeschlossen und abgetrennt. So daß die Anzahl der Verbin dungen und Trennungen 3n ist. Wenn man annimmt, daß n Ab schlußwiderstände vorbereitet sind und daß die Messungen durchgeführt werden, nachdem alle Kanäle an ihren Enden ab geschlossen wurden, benötigt man für die Trennkalibrierung n Verbindungen und Trennungen. Die Anzahl der Messungen ent spricht jedoch der Anzahl der Kombinationen von jeweils zwei aus n ausgewählten Kanälen, oder nC2 (cn/2). Bei der Durchka librierung entspricht die Anzahl der Verbindungen und Tren nungen der Anzahl der Kombinationen, wenn jeweils zwei Kanä le aus den Meßkanälen an den Enden von n Kabeln ausgewählt werden, so daß sie entweder nC2 entspricht (wenn die Verbin der direkt miteinander verbunden werden können) oder nC2+1 entspricht (wenn Zwischenadapter für die Verbindung notwen dig sind).

Hieraus erkennt man, daß dann, wenn n kleiner oder gleich sechs ist, die Anzahl der Verbindungen und Trennungen für die Einkanal-Kalibrierung größer ist als für die anderen Kalibrierungsschritte, und wenn n gleich oder größer als sieben ist, ist die Anzahl der Verbindungen und Trennungen bei der Durchkalibrierung am größten.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Kali briereinrichtung und ein Verfahren zum Kalibrieren vorzuse hen, mit denen die Anzahl des fehlerträchtigen wiederholten Anschließens von Kabeln und Eichnormalen vermindert werden kann, um die Arbeit und Zeit zum Anschließen der Eichnormale etc. zu vermindern, und um ferner die Abnutzung und Beschä digung der Verbindungsflächen der Eichnormalen zu ver ringern.

Bei der vorliegenden Erfindung müssen die Normale für die Einkanal-Kalibrierung bei dem vollständigen Zweikanal-Kali brierungsverfahren weniger oft angeschlossen werden, weil eine interne Kalibriereinrichtung vorgesehen wird, und die Erfindung verringert die Abnutzung, Beschädigung und falsche Anschließen der teuren externen Normale. Die Kalibrierein richtung ist so aufgebaut, daß drei Normale mit einem Schal ter ausgewählt werden können. Ein Meßkanal wird zunächst kalibriert, indem zur Zeit der Kalibrierung hochpräzise ex terne Normale verwendet werden. Der Kanal wird zum Kalibrie ren der internen Kalibriereinrichtung verwendet. Jeder ande re Kanal wird dann für die Kalibrierung an die kalibrierte interne Kalibriereinrichtung angeschlossen. Der Schalter wird von einer logischen Steuerung umgeschaltet.

Die vorliegende Erfindung ist im folgenden anhand bevorzug ter Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen:

Fig. 1 ein tatsächliches Beispiel der vorliegenden Erfin dung,

Fig. 2 die Grundsätze eines tatsächlichen Beispiels der internen Kalibriereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 3 ein Beispiel der Technologie nach dem Stand der Technik.

Folgende Bezugszeichen werden in den Fig. 1 bis 3 verwen det:

Bezugszeichenliste

1 Netzwerkanalysator
2 Prüfaufbau
3 koaxiale Kabel
4 Kalibrierungskanal
5 koaxiale Verbinder
6 koaxiale Kabel
7 koaxialer Verbinder
11 koaxialer Verbinder
12 Schalter
13 Schalteranschluß
14 Schalteranschluß
15 Nebenschlußwiderstand (Shunt)
16 Normwiderstand
17 Schalteranschluß

Wie oben erläutert, ist die Anzahl der Verbindungen und Trennungen der Normale etc. bei der Einkanal-Kalibrierung größer, wenn die Anzahl der Meßkanäle n sechs oder weniger beträgt, und die Anzahl ist bei der Durchkalibrierung grö ßer, wenn n größer oder gleich sieben ist. Bei der Durchka librierung werden die Verbindungen und Trennungen der Ver binder an den vorderen Enden der Kabel durchgeführt, und es gibt daher keine Schwierigkeiten mit der Abnutzung und Be schädigung der teuren Normale (wie bei der Einkanal-Kali brierung). Wenn der Wert von n in der Größenordnung von zehn liegt, ist es daher wirkungsvoller, die Anzahl der Verbin dungen und Trennungen bei der Einkanal-Kalibrierung zu sen ken. Die vorliegende Erfindung beschreibt daher ein Verfah ren zum Senken der Anzahl der Verbindungen und Trennungen bei der Einkanal-Kalibrierung.

Ein Beispiel der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 ge zeigt. Die Elemente mit denselben Funktionen wie in Fig. 3 sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. In diesem Fall zeigt der Prüfaufbau in Fig. 1 ein Beispiel mit acht Kanä len. Die vorliegende Erfindung ist durch eine interne Kali briereinrichtung gekennzeichnet, deren Anschluß als ein Ka librierkanal 4 verwendet wird. Der innere Teil des Prüfauf baus 2 von Fig. 1 ist gleich dem Prüfaufbau von Fig. 3, ab gesehen davon, daß eine interne Kalibriereinrichtung und acht Meßbrücken vorgesehen sind.

Der Kalibrierkanal 4 ist so aufgebaut, daß jede der drei internen bekannten Impedanzen gewählt werden kann, d. h. "Unterbrechung", "Kurzschluß" und "Last". Fig. 2 zeigt die Grundsätze der bevorzugten Ausführungsform. Sie umfaßt die drei bekannten Impedanzen, nämlich "Unterbrechung", "Kurz schluß" und "Last", einen Schalter 12 und einen Verbinder 11. "Unterbrechung" ist der Zustand, bei dem der Anschluß 13 des Schalters 12 offen ist. "Kurzschluß" wird als der Zu stand realisiert, bei dem der Anschluß 14 des Schalters 12 über einen Nebenschlußwiderstand 15 mit Masse verbunden ist. Der Zustand "Last" wird realisiert, indem ein Normwiderstand 16 mit dem Anschluß 17 des Schalters verbunden wird. Der Wert des Normwiderstandes unterliegt keinen Beschränkungen, wenn er jedoch gleich der charakteristischen Impedanz des Schaltungsnetzwerkes gemacht wird, kann leicht eine hochprä zise Kalibrierung durchgeführt werden. Der in der Figur ge zeigte Verbinder 11 ist an der Frontplatte des Prüfaufbaus 2 befestigt, um den Kalibrierkanal 4 zu bilden. Der Schalter 12 schaltet zwischen den Zuständen "Unterbrechung", "Kurz schluß" und "Last" nach Maßgabe der Steuerung durch einen Netzwerkanalysator oder einen externen Computer (welcher in der Figur nicht gezeigt ist) um.

Das Kalibrierungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung läuft wie folgt ab. Ähnlich wie bei dem Verfahren nach dem Stand der Technik wird angenommen, daß koaxiale Kabel 6, welche mit dem Schaltungsnetzwerk verbunden sind, das gemes sen wird, mit Anschlüssen 5 des Prüfaufbaus 2 verbunden wer den. In Fig. 1 sind jedoch nicht alle koaxialen Kabel ge zeigt. In diesem Zustand werden die koaxialen Verbinder 7 an den Enden der Kabel 6 zu den Meßkanälen (Meßbezugsebenen).

Zunächst wird irgendeiner der acht Meßkanäle willkürlich ausgewählt, und eine Einkanal-Kalibrierung wird unter Ver wendung der externen hochpräzisen Normale durchgeführt. Da bei werden die externen Normale "Unterbrechung", "Kurz schluß" und "Last" einzeln angeschlossen und abgenommen (ge trennt), wobei hierfür drei Verbindungen und drei Trennungen vorgenommen werden.

Nach dieser Einkanal-Kalibrierung ist der Meßkanal mittels hochpräziser Normale kalibriert. Dann wird der koaxiale Ver binder 7 des Kabels 6 des kalibrierten Meßkanals an den Ka librierkanal 4 angeschlossen, und die Zustände "Unterbre chung", "Last" und "Kurzschluß" der internen Kalibrierein richtung werden gemessen. Als Resultat wird die interne Ka libriereinrichtung mit im wesentlichen der Genauigkeit der externen Normale bewertet. Bei diesem Vorgang wird eine Ver bindung und eine Trennung durchgeführt. Dann werden nachein ander die koaxialen Verbinder an den Enden der koaxialen Kabel der verbleibenden sieben Kanäle mit dem Kalibrierkanal 4 verbunden, und die drei Normale der internen Kalibrierein richtung, d. h. "Unterbrechung", "Last" und "Kurzschluß" wer den gemessen. Wenn diese Meßwerte so korrigiert sind, daß sie gleich dem Wert der ausgewerteten internen Kalibrierein richtung sind, werden die verbleibenden sieben Kanäle eben falls mit der Genauigkeit der externen Normale kalibriert. Es wurden dabei insgesamt 11 Verbindungen und Trennungen durchgeführt.

Bei dem herkömmlichen Verfahren wird eine Einkanal-Kalibrie rung durchgeführt, indem drei Normale an acht Meßkanäle an geschlossen und von diesen getrennt werden. In diesem Fall beträgt die gesamte Anzahl der Verbindungen und Trennungen 3×8 = 24. Im allgemeinen gibt es n Meßkanäle, die Anzahl der Verbindungen und Trennungen gemäß der vorliegenden Er findung ist dann wie folgt. Drei Verbindungen und Trennungen der externen Normale sind für einen Meßkanal notwendig, und die koaxialen Verbinder der Kabel der n Meßkanäle werden n-mal mit dem Kalibrierkanal 4 verbunden und von diesem ge trennt, wobei sich insgesamt 3+n Verbindungen und Trennungen ergeben. Da das herkömmliche Kalibrierungsverfahren 3n Ver bindungen und Trennungen für die Einkanal-Kalibrierung benö tigt, vermag die vorliegende Erfindung die Anzahl der Ver bindungen und Trennungen erheblich auf ungefähr 1/3 zu ver mindern, wenn n groß ist.

Üblicherweise müssen die Reflexionskoeffizienten für die Normale "Unterbrechung", "Last" und "Kurzschluß" 1, 0 bzw. -1 betragen. Die interne Kalibriereinrichtung der vorliegen den Erfindung wird jedoch über einen Meßkanal kalibriert, der mittels hochpräziser externer Normale kalibriert wurde. Da die übrigen Meßkanäle danach kalibriert werden, genügt es, wenn die interne Kalibriereinrichtung nur während der Zeit (üblicherweise etwa 15 Minuten) stabil ist, während derer alle Kanäle kalibriert werden, und es ist ausreichend, wenn die Reflexionskoeffizienten ungefähr 0,9, 0,1 und -0,9 betragen. Das heißt, da die interne Kalibriereinrichtung unter Verwendung einfacher kostengünstiger Komponenten her gestellt werden kann, kann der Kostenaufwand für das Vorse hen der Normale minimiert werden.

Bei der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform ist die interne Kalibriereinrichtung in dem Prüfaufbau einge baut, sie kann jedoch auch in dem Netzwerkanalysator vorge sehen werden, oder sie kann eine vollständig getrennte Ein richtung sein.

Da die Anforderung an die drei Kalibriermittel für die Ein kanal-Kalibrierung nur ist, daß diese drei voneinander un terschiedliche Werte aufweisen, müssen diese darüberhinaus nicht notwendigerweise "Unterbrechung", "Last" und "Kurz schluß" sein. Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung kann die Anzahl der Verbindungen und Trennungen der Normale bei der Einkanal-Kalibrierung, sowie die Arbeit, Zeit, Beschädigun gen der Verbinder der Normale und Fehler beim Betrieb ver mindert werden.

Bei der bevorzugten Ausführungsform wurde die Messung der S-Parameter erläutert, die Meßeinrichtung und die Meßgrößen können sich jedoch auch auf andere als S-Parameter beziehen.

Die in der vorstehenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirk lichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein. Es wurde eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben, welche jedoch die Erfindung nicht auf die Art, Teileform, Anordnung oder andere Aspekte des Beispiels beschränkt.

Claims

1. Schaltungsnetzwerk-Meßeinrichtung, mit
einer internen Kalibriereinrichtung (12 bis 17), welche drei Impedanznormale (13 bis 17) aufweist,
einem Verbinder (11), und
einer Schalteinrichtung (12) zum wahlweisen Anschließen jedes der Impedanznormale (13 bis 17) an den Verbinder (11).

2. Schaltungsnetzwerk-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß die Impedanznormale eine Un terbrechungsimpedanz (13), eine Kurzschlußimpedanz (14, 15) und eine Lastimpedanz (17, 16) umfassen.

3. Verfahren zum Kalibrieren einer Schaltungsnetzwerk-Meß einrichtung mit mehreren Meßkanälen (4, 5) und mit ei ner Kalibriereinrichtung (12 bis 17) mit drei internen Impedanznormalen, mit folgenden Verfahrensschritten:

(a) Kalibrieren eines der Meßkanäle (4) durch An schließen von drei externen Impedanznormalen an den Kanal,
(b) Kalibrieren von drei internen Impedanznormalen (13 bis 17) unter Verwendung des einen Meßkana les (4), der im Schritt (a) kalibriert wurde, und
(c) Kalibrieren weiterer der mehreren Meßkanäle (5) unter Verwendung der internen Kalibriereinrich tung mit den drei internen Impedanznormalen, welche im Schritt (b) kalibriert wurden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die drei internen Impedanznormale als eine Unter brechungsimpedanz, eine Kurzschlußimpedanz und eine Lastimpedanz vorgesehen werden.