DE2353349C3 - Einrichtung zur Messung der Elemente der Streumatrix (S-Parameter) eines Vierpols - Google Patents
Einrichtung zur Messung der Elemente der Streumatrix (S-Parameter) eines VierpolsInfo
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Description
35
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,
weiche 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 mitlels
einer wellenwiderstandsrichtig angepaßten Quelle gespeist und jeweils auf der 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. ü., Bd. 23 (1969), Heft I, S. 49 bis 59 bekannt mehrere
Leitungsübertrager auf einen gemeinsamen Ringker: zu wickeln und deren Wicklungen derart zusammen
zuschalten, daß beliebige ganzzahlige überseizungs Verhältnisse entstehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung de einaanes genannten Art anzugeben, mit welcher aucl
bef tiefen Frequenzen die Vierpol-S-Farameter ii
einfacher Weise ermittelt werden können.
Diese Aufeabe ist erfindungsgemäß durch die An wendung der den kennzeichnenden Merkmalen de
Patentanspruches entsprechenden Maßnahmen ge
Durch die Anwendung dieser Maßnahmen entsteh der Vorteil der Vermeidung der Richtkoppler, so dal
die S-Parameter eines zu prüfenden Vierpols auch be tiefen Frequenzen in einfacher Weise unmitteibai
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 Richtkopplei vorgesehen sind, direkt anwendbar. Besondere Bedeutung
hat die erfindungsgemäße Meßeinrichtuns) fiir die Ermittlung der S-Parameler 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 1 g. 4 das Prinzipschaltbild des zweifachen Leitungsübertragers nach F i g. 3,
F i g. 5 das Prinzipschaltbild eines einfachen, bekannten Leilungsübertragers,
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.
C1, D1 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 A2 gegenüber Bezugspotential 0 anschließbar. Weiterhin ist das Tor A1
über den Widerstand Zal, das Tor C1 über den Widerstand
Zci, das Tor D1 über den Widerstand Z1n, das
Tor A2 über den Widerstand Za2, das Tor C2 über den
Widerstand Zr2 und über das Tor D2 über den Widersland
Zj2 mit Bezugspotential 0 verbunden. Hierbei
weist der Widerstand Zdx den Wert R1 auf und die
Widerstände Z11, und Z1., jeweils den Wert 2 -R1.
Schließlich weist der Widerstand Z,,2 den Wert R2
If
auf und die Widerstände Zu2 und Zc2 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 = 50 Ohm.
Die vier Vierpol-S-Parameter, weiche da sind der
Eingangs-Reflexionsfaktor su, der Rückwärts-Übertragungsfaktor
s12, der Vorwärts-Übertragungsfaktor
S21 und der Ausgangs-Rcflexionsfaktor s-2 sind z. B.
auf Seite 1785 des I. Septemberheftes 197*2 der Funkschau
definiert.
Zum Zwecke der Ermittlung der Parameter S1,
und S21 wird die (nicht näher dargestellte) Meßquelle
an das Tor A1 angelegt, wobei sich ergibt:
V1
dl
Die Parameter S12 und S22 ergeben sich bei einem
Anschluß der Meßquelle an das Tor A2 wie folgt:
12 ν
υ α
Die Spannung Ual bedeutet hierbei die Spannung
an dem Widerstand Zal, 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 · R1 des entsprechenden
Widerstandes sein. Der Innen widerstand 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 O1
kollektorceitig mit dem Tor B2 und emitterseitig
mit dem Bezugspotential 0 verbunden. Zum Zweck der Gleichstromzuführung und Messung der Gleichstrom-
bzw. Gleichspannungswerle des Transistors ist die Anordnung nach F i g. 2 gegenüber der nach
F i g. 1 nun derart ergänzt, daß zwischen den Fußpunkt des jeweiligen Widerstandes Z11,. Z1.,, Zc2
und Zll2 jeweils ein Abblockkondensator 16, 18, 22 und 25 eingeschaltet ist.
Das kollektorseitige Potential der Batteriespannungsquelle 24 ist über einen Strommesser zur Messung
des Kollektorstromes /c sowohl dem Verbindungspunkt der Elemente Zl2 und 22 als auch dem Verbindungspunkt
der Elemente Zu2 und 25 zugeleitet, wodurch eine annähernd gleichmäßige Aufteilung
des Gleichstromes J1. auf die beiden Leitungsübertrager
des Viertores 12 und somit eine Vermeidung der Gleichstromvormagnetisierung entsteht. Das emitterseitige
Potential der Batteriespannungsquelle 24 ist zum Zweck der Einstellbarkeit des Stromes /c über
den Festwiderstand 19 und den einstellbaren Widerstand 20 mit dem Nullpotenlial 0 verbunden. Mittels
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 Z11, und 16
als auch dem Verbindungspunkt der Elemente Zcl
und 18 zugeleitet ist. Eine Vormagnetisierung des Ringkerns des eingansseitigen Viertors 11 ist hierdurch
ebenfalls vermieden. Das Instrument zur Messung der Kollektor-EmiUergleichspannung UCl. liegt
parallel zu dem Kondensator 25.
F i g. 3 zeigt eine Ausführungsform der Viertore 11
und 12 nach den F i g. 1 bzw. 2. Nachdem die Ausführungsform für das eingangsseitige Viertor 11 und
das ausgangsseitige Viertor 12 gleich ist, wird im folgenden die Bezeichnung der Tore A1, B1, C1, D1
und der Tore A2, B-,, C2, D1 nur rvoch ohne Indizes
ίο benutzt. F i g. 4 gibt das Priniäpschaltbild 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 13 bzw. 14 zu verbinden ist. Der Endanschlu ß4
der ersten Ader 3-4 des zweiten Leilungsübertragers bildet das Tor C. Der Anfangsanschluß Γ der zweiten
Ader Y-T des ersten Leitungsübertragers ist mit dem Anfangsanschluß 3' der zweiten Ader 3'-4' verbunden;
die Verbindungsstelle dieser beiden Anschlüsse Y und 3' bildet das Tor D. Schließlich liegt der Endanschluß
2' der zweiten Ader Y-T des ersten Leilungsübertragers sowie der Endanschluß 4' der zweiten
Ader des zweiten Leitungsübertragers auf Wechselstrom-Bezugspotential 0.
Die Funktion des zweifachen Leilungsüberlragers als eingangsseitiges Viertor 11 und als ausgangsseitiges
Viertor 12 in den Anordnungen nach den F i g. 1 und 2 wird nachstehend an Hand der 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 Zsder Darstellung nach F i g. 5 ausgedrückt
werden können:
Z02 =
zs_
2(1 -
Für die Beschreibung der Meßanordnung nach F i g. 1 kann man sich auf den Grenzfall ;· / —» 0.
k —» I beschränken. In diesem Fall reduziert sich das
Leitungsstück nach F i g.5 auf einen idealen über-(rager
mit dem C'bersetzungsverhällnis I : 1. In diesem
Grenzfall kann also jedes der Vienore 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 Widersland, gilt jetzt
oder
2R
U -V11 = R-L
Vierpols 13 zu sehen. ,Mit der Gleichung (K)) ist also
(12)
Uä\ Zein + Rl
Für die Spannungen kann man schreiben
Ue+Ua=U„. (9)
Es sei Z = - IV'/,, die Impedanz am Tor B.
Aus dem Verhältnis der Gleichungen (8) und (9) Der Belnebsubertragungsfaktor .S21 kann auch in
Aus dem Verhältnis der Gleichungen (8) und (9) Der Belnebsubertragungsfaktor .S21 kann auch in
bekommt man der Form
Es. - Zjz?l
XT0" Z + R'
(10)
I -^t
*1= \/~R2" Z^fRT' Vt
Dieser Ausdruck entspricht dem Reflexionsfaktor am Tor B. Durch Abziehen der Gleichung (8) von
Gleichung (9) bekommt man
El = -
U, R
IZ
geschrieben werden, was mit Gleichung (11) für
Z = Z,in gibt:
(14)
(Π)
Wr1 uh2 i/R, U112
= Vrtu; = |/χ vdl-
Die Verhältnisse nach den Gleichungen (10 und 11)
sind unabhängig von dem durch den Widerstand Z0,
bzw. 2a2 fließenden Strom la sowie auch von der
inneren"lmpedanz 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 Ud = 0 ist. Der Abschlußwiderstand am Ausgang des gemessenen Vierpols ist nach F i g. 1
gleich dem Widerstandswert R2. An dem Tor B1 ist
die Eingangsimpedanz Zci„ des mit R2 abgeschlossenen
Analog können die Formeln fur .V1, 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 Transistoi 14 liegt hierbei in der Mitte zwischen den beiden durch
jeweils auf Ringkerne gewickelte doppelte Leitungs-
übertrager realisierten Viertoren 11 und 12. Die Buchsen A1, Al, Cl, C2, Dl, D2 entsprechen hierbe
den mit gleichen Bezugszeichen versehenen Torer der Anordnung nach F i g. 2. Gegenüber derjenigci
Seite, welche die Buchsen Al und A2 trägt ist dei
Stromversorgungsteil 28 angeordnet.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Einrichtung zur Messung der Elemente der Streu matrix (S-Parameter) eines Vierpols, welcher
eingangsseitig und ausgangsseitig jeweils über ein nichtreziprokes Viertor breitbandig reell angeschlossen
ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Viertore (11 und 12) zwei
auf einen gemeinsamen Ringkern gewickelte Leitungsübertrager aufweist und derart aufgebaut
ist, daß der Endanschluß (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. JS2) 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 (V-T) des ersten Leitungsübertragers sowie
der Endanschluß (4') der zweiten Ader des zweiten Leitungsübertragers auf Wechselstrom-Bezugspotential
(0) liegt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19732353349 DE2353349C3 (de) | 1973-10-24 | Einrichtung zur Messung der Elemente der Streumatrix (S-Parameter) eines Vierpols |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19732353349 DE2353349C3 (de) | 1973-10-24 | Einrichtung zur Messung der Elemente der Streumatrix (S-Parameter) eines Vierpols |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2353349A1 DE2353349A1 (de) | 1975-05-07 |
DE2353349B2 DE2353349B2 (de) | 1975-10-02 |
DE2353349C3 true DE2353349C3 (de) | 1976-05-13 |
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