DE2353349B2

DE2353349B2 - Einrichtung zur Messung der Elemente der Streumatrix (S-Parameter) eines Vierpols

Info

Publication number: DE2353349B2
Application number: DE2353349A
Authority: DE
Inventors: Vit Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Blaha
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-10-24
Filing date: 1973-10-24
Publication date: 1975-10-02
Also published as: DE2353349A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung der Elemente der Streumatrix (S-Parameter) eines Vierpols, welcher eingangsseitig und ausgangsseitig jeweils über ein nichtreziprokes Viertor breitbandig reell abgeschlossen ist.

Eine Meßeinrichtung der vorgenannten Art ist z. B. aus dem 1. Septemberheft 1972 der Funkschau, S. 1785 bis 1788, bekannt. Wie in dieser Literaturstelle erläutert, sind bei Frequenzen über 100 MHz im Vergleich zu den übrigen Vierpolparametern die S-Parameter unmittelbar am genauesten und mit dem geringsten Meßaufwand erfaßbar. Bei den bekannten Einrichtungen werden die Amplituden der hin- und der rücklaufenden Welle mit Richtungskopplern ermittelt, welche am Eingang und am Ausgang des Prüflings angeordnet sind, über die Richtkoppler wird der zu prüfende Vierpol hierbei einmal von der einen Seite und einmal von der anderen Seite mittels einer wellenwiderstandsrichtig angepaßten Quelle gesptisi and jeweils auf Jer gegenüberliegenden Seite wellenwiderstandsrichtig abgeschlossen.

Bei vielen zu messenden Vierpolen, wie z. B. bei einem zu prüfenden Transistor, genügt jedoch die Kenntnis der S-Parameter im Frequenzbereich über 100 MHz allein nicht für dessen vollständige Beschreibung; es ist vielmehr notwendig, die Messung auch für tiefere Frequenzen durchzuführen, was jedoch sehr schwierig ist, da bei tieferen Frequenzen die erforderlichen Richtkoppler unhandlich große räumliche Abmessungen annehmen wurden.

Weiterhin ist es durch die Zeitschrift A. E. U., Bd. 23 (1969), Heft 1, S. 49 bis 59 bekannt, mehrere Leitungsübertrager auf einen gemeinsamen Ringkern zu wickeln und deren Wicklungen derart zusammenzuschalten, daß beliebige ganzzahlige tJberseizungsverhältnisse entstehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit welcher auch bei tiefen Frequenzen die Vierpol-S-Paiameter in einfacher Weise ermittelt werden können.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Anwendung der den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches entsprechenden Maßnahmen gelöst

Durch die Anwendung dieser Maßnahmen entsteht der Vorteil der Vermeidung der Richtkoppler, so daß die S-Parameter eines zu prüfenden Vierpols auch bei tiefen Frequenzen in einfacher Weise unmittelbar gemessen werden können. Die erfindungsgemäße Anordnung ist im Prinzip breitbandig, so daß beim Messen im breiten Frequenzbereich nur die Änderung der Frequenz nötig ist. Im Gegensatz zur Messung mit Meßbrücken ist kein Abgleich erforderlich. Die Messung kann auch zwischen verschiedenen Abschlußwiderständen durch geführt werden Schließlich sind ohne Meßplatzumbau Meßeinrichtungen, welche zur Messung der S-Parameter über Richtkoppler vorgesehen sind, direkt anwendbar. Besondere Bedeutung hat die erfindungsgemäße Meßeinrichtung für die Ermittlung der S-Parameter von Transistoren.

Nachstehend ist die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt

F i g. 1 ein prinzipielles Schaltbild der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung.

F i g. 2 eine detaillierte Darstellung der Meßeinrichtung nach Fig. 1.

F i g. 3 eine Ausführungsform (zweifacher Leitungsübertrager) der Viertore 11 und 12 nach den F i g. 1 und 2,

F i g. 4 das Prinzipschaltbild des zweifachen Leitungsübertragers nach F i g 3,

F i g. 5 das Prinzipschaltbüd eines einfachen, bekannten Leitungsübertragers,

F i g. 6 das verallgemeinerte Ersatzschaltbild eines einfachen, bekannten Leitungsübertragers,

F i g. 7 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild des zweifachen Leitungsübertragers nach den F i g. 3 und 4.

F i g. 8 eine prinzipielle Darstellung der räumlichen Anordnung der Schaltelemente der Meßeinrichtung nach F i g. 2.

F i g. 1 zeigt das prinzipielle Schaltbild der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung mit dem Prüfling 13. dessen Vierpoleigenschaften als Elemente der Streumatrix (S-Parameter) ermittelt werden.

Der zu prüfende Vierpol 13 liegt fußpunktseitig auf Bezugspotential 0. eingangsseitig am Tor B₁ des eingangsseitigen Viertors 11 mit den Toren A₁, B₁, C,, Z)₁ und ausgangsseitig an dem Tor B₂ des ausgangsseitigen Viertors 12 mit den Toren A₂, B₂, C₂, D₂. Die nicht näher dargestellte Meßquelle ist wahlweise an das Tor A₁ und an das Tor A₁ gegenüber Bezugspotential 0 anschließbar. Weiterhin ist das Tor A₁ über den Widerstand Z₁₁₁, das Tor C₁ übt-r den Widerstand Z₍₁, das Tor D₁ über den Widerstand Z_dl, das Tor A₂ über den Widerstand Z_b2, das Tor C₂ über den Widerstand Z_l2 und über das Tor D₂ über den Widerstand Z_d2 mit Bezugspolential 0 verbunden. Hierbei weist der Widerstand Ζ_Λ den Wert R₁ auf und die Widerstände Z₁₁, und Z_cl jeweils den Wert 2 R₁. Schließlich weist der Widerstand Z_d2 den Wert R₂

auf und die Widerstände Ζ_Λ und Z_c2 jeweils den Wert 2 · R₂. Die Werte R₁ und R₂ werden zweckmäßigerweise dem jeweiligen Wellenwiderstand der verwendeten Meßleitung angepaßt und betragen z. B. R₁=R₂ = so Ohm.

Die vier Vierpol-S-Parameter, welche da sind der Eingangs-Reflexionsfaktor S_n, der Rückwärts-Übertragungsfaktor S₁₂, der Vorwärts-Übertragungsfaktor % und der Ausgangs-Reflexionsfaktor S₂, sind z. B. auf Seite 1785 des 1. Septemberheftes 1972 der Funkschau defininrt-

Zum Zwecke der Ermittlung der Parameter S₁₁ und S₂₁ wird die (nicht näher dargestellte) Meßquelle an das Tor A₁ angelegt, wobei sich ergibt:

s -

Die Parameter S₁₂ und S₂₂ ergeben sich bei einem Anschluß der Meßquelle an das Tor A₂ wie folgt:

V.

<π

Die Spannung U_al bedeutet hierbei die Spannung an dem Widerstand Z_al, die übrigen Spannungen entsprechen jeweils den Spannungen an den Widerständen Z mit dem gleichen Index. Der Innenwiderstand des Spannungsmessers muß hierbei hochohmig gegenüber dem Wert R₁ bzw. 2 ■ R, des entsprechenden Widerstandes sein. Der Innenwiderstand der Spannungsquelle hat keinen Einfluß auf die Messung.

F i g. 2 zeigt eine detaillierte Darstellung der Meßanordnung nach F i g. 1, bei der der Prüfling 13 ein Transistor 14 in Emitterschaltung ist. Demgemäß ist der Transistor 14 basisseitig mit dem Tor B₁ kollektorseitig mit dem Tor B₂ und emitterseitig mit dem Bezugspotential 0 verbunden. Zum Zweck der Gleichstromzuführung und Messung der Gleichstrom- bzw. Gleichspannungswerte des Transistors ist die Anordnung nach F i g. 2 gegenüber der nach

i g. 1 nun derart ergänzt, daß zwischen den Fußpunkt des jeweiligen Widerstandes Z_ul. Z₁₁. Z₍₂ und Z_a2 jeweils ein Abblockkondensaior 16, 18, 22 und 25 eingeschaltet ist.

Das kollektorseitige Potential der Batteriespannungsquelle 24 ist über einen Strommesser zur Messung des (Collektorstromes /_c sowohl dem Verbindungspunkt der Elemente Z₍₂ und 22 als auch dem Verbindungspunkt der Elemente Z₀₂ und 25 zi'geleitet, wodurch eine annähernd gleichmäßige Aufteilung des Gleichstromes I_c auf die beiden Leitungsübertrager des Viertores 12 und somit eine Vermeidung der Gkichstromvormagnetisierung entsteht. Das emitterseitige Potential der Batteriespannungsquelle 24 ist zum Zweck der Einstellbarkeit des Stromes /₍ über den Festwiderstand 19 und den einstellbaren Widerstand 20 mit dem Nullpotential 0 verbunden. Mittel« der parallel zu der Spannungsquelle 24 liegenden Reihenschaltung aus der Zehnerdiode 21 und dem Vorwiderstand 23 ist ein stabilisiertes Basispotential abgeleitet, welches über den Widerstand 17 sowohl dem Verbindungspunkt der Elemente Z„, und 16 als auch dem Verbindungspunkt der Elemente Z₁., und 18 zugeleitet ist. Eine Vormagnetisierung des Ringkerns des eingansseitigen Viertors 11 ist hierdurch ebenfalls vermieden. Das Instrument zur Messung der Kollektor-EmittergLtichspannung U_cr liegt parallel zu dem Kondensator 25.

F i g. 3 zeigt eine Ausführungsform der Viertore 11 und 12 nach den Fig.! bzw. 2. Nachdem die AusfüLrungsform für das eingangsseitige Viertor 11 und das ausgangsseitige Viertor 12 gleich ist, wird im folgenden die Bezeichnung der Tore .4,, B,, C₁, O₁ und der Tore A₂, B₂, C₂, D₂ nur noch ohne Indizes

benutzt. Fig.4"gibt das Prinzipschaltbild der Ausführungsform nach F i g. 3 an. Beide F i g. sind nachstehend gemeinsam beschrieben.

Der Anfangsanschluß 1 der ersten Ader 1-2 des ersten Leitungsübertragers 1-Γ-2-2' bildet das Tor A.

Der Endanschluß 2 der ersten Ader 1-2 des ersten Leitungsübertragers ist mit dem Anfangsanschluß 3 der ersten Ader 3-4 des zweiten Leitungsübertragers 3-3'-4-4' verbunden; die Verbindungsstelle dieser beiden Anschlußstellen 2 und 3 bildet das Tor B, welches gemäß F i g. 1 und 2 mit dem zu prüfenden Vierpol 13bzw. 14zu verbinden ist. DerEndanschluß4 dci ersten Ader 3-4 des zweiten Leitungsübertragers bildet das Tor C. Der Anfangsanschluß Γ der zweiten Ader Γ-2' des ersten Leitungsübertragers ist mit dem

us Anfangsanschluß 3' der zweiten Ader 3'-4' verbunden; die Ve» bindungsstelle dieser beiden Anschlüsse Γ und 3' bildet das Tor D. Schließlich liegt der Endanschluß 2' der zweiten Ader Γ-2' des ersten Leitungsübertragers sowie der Endanschluß 4' der zweiten

jo Ader des zweiten Leitungsübertragers auf Wechselstrom-Bezugspotential 0.

Die Funktion des zweifachen Leitungsübertragers als eingangsseitiges Viertor 11 und als ausgangsseitiges Viertor 12 in den Anordnungen nach den

Fig.! und 2 wird nachstehend an Hand det F i g. 5 und 7 näher erläutert.

F i g. 5 zeigt das Prinzipschaltbild eines einfachen bekannten Leitungsübertragers. Das verallgemeinerte Ersatzschaltbild des Leitungsübertragers nach F i g. 5 zeigt F i g. 6. Hier ist k der Kopplungsfaktor, >· / ist das Wellenübertragungsmaß, Z₀₁ und Z₀₂ sind zwei Wellenwiderstände, die durch den Faktor k und die Impedanz Z, der Darstellung nach F i g. 5 ausgedrückt werden können:

Z₀₂ —

2(1-

Für die Beschreibung der Meßanordnung nach F i g. 1 kann man sich auf den Grenzfall ;■ / --» 0, k —» 1 beschränken. In diesem Fall reduziert sich das Leitungsstück nach F i g. 5 auf einen idealen über-

trager mit dem übersetzungsverhältnis 1 : 1. In diesem Grenzfall kann also jedes der Viertore 11 und 12 als das in F i g. 7 dargestellte Viertor untersucht werden, bei welchem der Widerstandswert R dem Wert R, bzw. R₂ in den Anordnungen nach F i g. 1 und 2 entspricht.

Für die Ströme, ausgedrückt durch die zugehörige Spannung und den zugehörigen Widerstand, gilt jetzt

R 2R

oder

Für die Spannungen kann man schreiben

(9)

Vierpols 13 zu sehen. ,Mit der Gleichung (10) ist also

ο __^CJ- „ -'ⁿ 1 / 1 *) \

_{a 1}^₁ Es sei Z = — IJJl₁, die Impedanz am Tor B. 5

Aus dem Verhältnis der Gleichungen (8) und (9) Der Betriebsübertragungsfaktor *., kann auch in

bekommt man der Form

U_t _ Z-R

Z + R '

(10)

2Z

R + Z

dl)

Die Verhältnisse nach den Gleichungen (10 und 11) sind unabhängig von dem durch den Widerstand Z₀, bzw. Z_a2 fließenden Strom la sowie auch von der inneren Impedanz der Strom- oder Spannungsquelle, die am Tor A angeschlossen ist. Wenn aber diese Quelle abgeschlossen ist, muß die Impedanz, die am Tor B gesehen wird, genau gleich dem Widerstandswert R bzw. R₁ bzw. R₂ sein, weil in diesem Fall die Spannung U_d = 0 ist. Der Abschlußwidersland am Ausgang des gemessenen Vierpols ist nach F i g. 1 gleich dem Widerstandswert R₂. An dem Tor ß, ist die Eingangsimpedanz Z_ci„ des mit R₂ abgeschlossenen

²¹

(13)

_ein

Dieser Ausdruck entspricht dem Reflexionsfaktor am Tor B. Durch Abziehen der Gleichung (8) von Gleichung (9) bekommt man

geschrieben werden, was mit Gleichung (11) für Z = Ζ,,, gibt:

U.

u2

(14)

Analog können die Formeln für s_l2 und S₂₂ abgeleitet werden.

F i g. 8 zeigt eine prinzipielle Darstellung der räumlichen Anordnung der Schaltelemente der Meßeinrichtung nach F i g. 2. Der zu prüfende Transistor 14 liegt hierbei in der Mitte zwischen den beiden durch jeweils auf Ringkerne gewickelte doppelte Leitungsübertrager realisierten Viertoren 11 und 12. Die Buchsen A1, A2. Cl, C2, Dl, D2 entsprechen hierbei den mit gleichen Bezugszeichen versehenen Toren der Anordnung nach F i g. 2. Gegenüber derjenigen Seite, welche die Buchsen /Jl und Al trägt ist der Stromversorgungsteil 28 angeordnet.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Messung der Elemente der Streumatrix (S-Parameter) eines Vierpols, welcher eingangsseitig und ausgangsseitig jeweils über ein nichtreaprokes Viertor breitbandig reell angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Viertore (11 und 12) ζ v/ei auf einen gemeinsamen Ringkern gewickelte Leitungsübertrager aufweist und derart aufgebaut ist, daß der Endanschiuß (2) der ersten Ader (1-2) des ersten Leitungsübertragers mit dem Anfangsanschluß (3) der ersten Ader des zweiten Leitungsübertragers verbunden ist und der Anfangsanschluß (1') der zweiten Ader (Γ-2') des ersten Leitungsübertragers an den Anfangsanschluß (3') der zweiten Ader (3'-4') des zweiten Leitungsübertragers angeschlossen ist

2. Einrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Viertore (11 bzw. 12) derart in den Meßweg einschaltbar ist. daß die Verbindungsstelle (B₁ bzw. B₂) des Endanschlusses (2) der ersten Ader (1-2) des ersten Leitungsübertragers mit dem Anfangsanschluß (3) der ersten Ader (3-4) des zweiten Leitungsübertragers mit dem zu prüfenden Vierpol (13 bzw. 14) verbunden ist und der Endanschluß (2') der zweiten Ader d'-2') des ersten Leitungsübertragers sowie der Endanschluß (4) der zweiten Ader des zweiten Leitungsübertragers auf Wechselstrom-Bezugspotential (0) liegt.