DE4135555C2

DE4135555C2 - Verfahren zur Bestimmung des Ausgangsreflexionsfaktors und des Rückwärtsübertragungsfaktors eines Meßobjekts sowie Verwendung des Verfahrens

Info

Publication number: DE4135555C2
Application number: DE19914135555
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl Ing Maier
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1991-10-29
Filing date: 1991-10-29
Publication date: 1993-10-07
Anticipated expiration: 2011-10-30
Also published as: DE4135555A1

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 oder 2. Aus "Dezimeterwellentechnik", Gerhard Megla, Berliner Union Verlag, Stuttgart, 5. Auflage 1962, Seiten 732 bis 734 ist beispielsweise ein Verfahren nur zur Bestimmung des Vorwärts- Übertragungsfaktors eines Meßobjekts bekannt. Dort wird ein Generatorsignal zu einem Meßobjekt wie auch zur Serienschaltung eines einstellbaren Dämpfungsgliedes und eines einstellbaren Phasenschiebers geführt. Die Ausgangssignale beider Zweige werden über ein Magisches T miteinander verglichen und die einstellbaren Elemente so lange verändert bis die Übertragungsfaktoren beider Zweige gleich sind. Der gesuchte Parameter S₂₁ des Meßobjekts ist dann direkt an den Einstellungen von Dämpfungsglied und Phasenschieber ablesbar.

Aus der US 46 80 538 ist ein Netzwerkanalysator bekannt zur Messung der S-Parameter eines Meßobjektes. Dieses Meßobjekt ist sowohl eingangs- als auch ausgangsseitig mit Richtkopplern beschaltet (Fig. 2), deren Ausgangssignale zur Ermittlung der S-Parameter miteinander verknüpft werden.

Zur Bestimmung von S-Parametern eines Meßobjekts sind zahlreiche weitere Verfahren bekannt, die mit variablen Lastimpedanzen arbeiten. Aus der Überlagerung von mehrfach an Lastimpedanz und Meßobjekt reflektierten Wellen kann dessen Ausgangsimpedanz bestimmt werden. Als variable Lastimpedanzen werden üblicherweise sogenannte "Stub-tuner" (EP 03 81 398 A2, EP 00 28 403 A1), Kurzschlußschieber (Megla, s. o., Seite 734, Bild 28.3) oder Kombinationen von steuerbaren Dämpfungsgliedern und Phasenschiebern (Megla, s. o., Seite 733, Bild 28.2) verwendet.

Aus der US 33 20 554 ist es bekannt, ein unbekanntes Meßobjekt mit Kurzschlußschiebern zu beschalten und über ein wellenrichtungsselektives Element (Richtkoppler) die hin- und rücklaufenden Wellenanteile auszuwerten.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bestimmung des Ausgangsreflexions- und des Rückwärtsübertragungsfaktors eines Meßobjekts anzugeben, wobei die Bestimmung letzterer Faktoren in Abhängigkeit der Aussteuerung möglich sein soll.

Diese Aufgabe wird durch die Schritte des Patentanspruches 1 bzw. des Patentanspruchs 2 gelöst. Die Unteransprüche 2 bis 7 betreffen Ausgestaltungen dieses Verfahrens.

Die Ansprüche 8 bis 12 zeigen vorteilhafte Verwendungen auf.

Die Erfindung beruht auf folgenden Erkenntnissen:

Während bei linearen, im A-Betrieb arbeitenden Verstärkern die von der Aussteuerung weitgehend unabhängigen S-Parameter und damit die Ausgangsimpedanz sowie die für optimale Leistungsabgabe erforderliche Lastimpedanz leicht zu bestimmen ist, ist diese Aufgabe bei nichtlinearen Verstärkern erheblich schwieriger. Die Erfindung zeigt einen Weg auf, der nachfolgende Möglichkeiten bietet:

- die S-Parameter bei Verstärkern können aussteuerungsabhängig auf einfache Weise und zuverlässig gemessen werden,
- es kann eine mit hoher Leistung belastbare Lastimpedanz nachgebildet werden,
- die Anordnung kann elektronisch steuerbar ausgebildet werden, so daß der Meßvorgang sehr kurz ist,
- es sind keine verschleißbehafteten mechanischen Teile, die unter hoher elektrischer Leistungsbelastung stehen, notwendig.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich insbesondere auch aus den nachfolgend aufgeführten Nachteilen der bisher realisierten Anordnungen zur Erzeugung von variablen Lastimpedanzen.

Stub-Tuner

- Durch mechanische Einstellung langsam
- und verschleißbehaftet,
- aufwendige Ansteuerung über Elektromotoren, nicht einfach mit analogem Spannungswert, was für Anwendungen mit Regelung vorteilhaft wäre,
- relativ geringe Bandbreite.

Kurzschlußschieber

- nicht immer ohne weiteres anwendbar, weil Totalreflexion zur Zerstörung des Meßobjekts führen kann,
- beliebige Lastimpedanzen sind auch mit vorgeschaltetem Festdämpfungsglied nicht einstellbar.

Kombinationen von steuerbaren Dämpfungsgliedern und Phasenschiebern

- mechanisch einstellbare Dämpfungsglieder und Phasenschieber sind langsam und verschleißbehaftet,
- elektronisch einstellbare Dämpfungsglieder und Phasenschieber sind nicht für hohe Leistungen erhältlich
- d. h. bei hohen Leistungen zwingend langsame Lösung.

Anhand der Zeichnungen werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung nun näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild für die Simulation beliebiger Lastimpedanzen,

Fig. 2 ein Signalflußplan des zur Anzeige verwendeten Richtkopplers K1,

Fig. 3 ein Signalflußplan des Meßobjekts und

Fig. 4 ein Blockschaltbild für die Simulation beliebiger Lastimpedanzen bei gleichzeitiger Regelung der vom Meßobjekt gelieferten Leistung.

Einen Meßaufbau zur Bestimmung der S-Parameter eines Meßobjekts MO zeigt Fig. 1.

Das vom Generator G erzeugte HF-Signal wird über einen Leistungsteiler LT in zwei Anteile aufgeteilt. Der eine Teil gelangt über einen einstellbaren Phasenschieber PS und ein einstellbares Dämpfungsglied DG1 zu einem Verstärker V. Solche Verstärker sind in jeder Leistungsklasse verfügbar. Der andere Teil wird über ein weiteres einstellbares Dämpfungsglied DG2 und einen 2-Weg-Richtkoppler K3 dem Eingang des Meßobjekts MO zugeführt. Zwischen dem Ausgang des Verstärkers V und dem Ausgang des Meßobjekts MO ist ein wellenrichtungselektives Element K1 mit zugehöriger Auswerteeinrichtung AE1 vorgesehen. Gegebenenfalls kann dem Verstärker V ein Filter zur Unterdrückung von Oberwellen und/oder ein Isolator nachgeschaltet werden. Es wird somit ein Teil des Generatorausgangssignals in den Ausgang des Meßobjekts MO eingespeist. Als wellenrichtungsselektives Element K1 kann beispielsweise ein 2-Weg-Richtkoppler verwendet werden. Die Meßausgänge des Elements K1 und bedarfsweise auch die des Elements K3 führen beispielsweise zu einem vektoriellen Netzwerkanalysator als Auswerteeinheit AE1. In bekannter Weise werden dort aus den hin- und rücklaufenden Wellenanteilen des Elements K1 und/oder K3 die Parameter S₁₁ und S₂₁ ermittelt. Mit der Anordnung gemäß Fig. 1 ist die Eingangsleistung - über das Dämpfungsglied DG2 - des im allgemeinen nichtlinearen Meßobjekts MO, vorzugsweise eines nichtlinearen HF- Leistungsverstärkers, auf einen geforderten Wert einstellbar, um die gewünschte Aussteuerung zu erhalten, bei der z. B. die Ausgangsimpedanz ermittelt werden soll. Diese Anordnung eignet sich insbesondere zur Nachbildung einer steuerbaren Lastimpedanz für höhere Leistungen im HF- und Mikrowellenbereich.

Im Signalflußplan des wellenrichtungsselektiven Elements K1 gemäß Fig. 2 wurden folgende Bezeichnungen verwendet:
b_QM, b_QS - Quellwellen des Meßobjekts, bzw. des Simulationssystems,
b_2M, b_S - vom Meßobjekt bzw. Simulationssystem ablaufende Welle,
a_2M, a_s zum Meßobjekt bzw. Simulationssystem laufende Welle,
r_M, r_S - Reflexionsfaktoren des Meßobjekts bzw. des Simulationssystems.

Die Bezeichnung der Tore ist übereinstimmend zur Torbezeichnung des Elements K1 in Fig. 1. Die S-Parameter S_ÿ entsprechen den in der Mikrowellentechnik üblichen Bezeichnungen.

Das Meßobjekt MO kann an seinem Ausgang durch eine Quellwelle (in Bild 2 mit b_QM bezeichnet) und einen Ausgangsreflexionsfaktor (r_M) dargestellt werden. Die entsprechenden Größen auf der Systemseite werden b_QS bzw. r_S genannt. Der Richtkoppler K1 soll im interessierenden Frequenzbereich als ideal bezüglich Richtschärfe und Anpassung angenommen werden. Trotzdem liefern die beiden Meßausgänge (Tore 3 und 4) des Richtkopplers je eine Überlagerung der Einflüsse von beiden Quellwellen, wie am Signalflußplan erkennbar:

b₃ = S₃₂/(1 - S₂₁ · r_S · S₁₂ · r_M) · (b_QS + S₂₁ · r_S · b_QM)
b₄ = S₄₁/(1 - S₂₁ · r_S · S₁₂ · r_M) · (b_QM + S₂₁ · r_M · b_QS)

Dabei ist es für die Bestimmung der Lastimpedanz an Tor 1 des Richtkopplers K1 nicht relevant, wie sich die Einflüsse der beiden Quellwellen überlagern.

Nach der Kalibrierung des Meßsystems kann mit dem vektoriellen Netzwerkanalysator das Verhältnis von ablaufender zu zulaufender Welle am Tor 1 des Richtkopplers K1 bestimmt werden, was dem Lastreflexionsfaktor am Meßobjekt entspricht.

Z_Last = Z₁ = Z₀ · (1 + r₁)/(1 - r₁);

Z₀ = Systemwiderstand

r₁ = b₁/a₁

Meßbar ist aber nur b₃ und b₄ bzw. das Verhältnis b₃/b₄.

Die Kalibrierung beschränkt sich auf die Messung der S- Parameter S₁₂, S₃₂ und S₄₁ des als ideal angenommenen Richtkopplers K1. Der gesamte Korrekturfaktor S₁₂·S₄₁/S₃₂ ist auch direkt mit einer Kurzschluß- oder Leerlaufkalibrierung an Tor 1 des Richtkopplers K1 bestimmbar:

Für Leerlauf (Index LL) gilt:
S₁₂·S₄₁/S₃₂ = b_4LL/b_3LL

Für Kurzschluß (Index KS) gilt:
S₁₂·S₄₁/S₃₂ = -b_4KS/b_3KS

Durch zwei Messungen bei verschiedenen Lastimpedanzen und konstanter Ansteuerung des Meßobjekts (a_1M = const.) ist dessen Ausgangsreflexionsfaktor S_22M und Rückwärtsübertragungsfaktor S_12M bestimmbar (s. Fig. 3):

1. Messung mit Lastreflexionsfaktor r_L(1):

b_2M(1) = S_21M · a_1M + S_22M · a_2M(1)
b_1M(1) = S_11M · a_1M + S_12M · a_2M(1)

2. Messung mit Lastreflexionsfaktor r_L(2):

b_2M(2) = S_21M · a_1M + S_22M · a_2M(2)
b_1M(2) = S_11M · a_1M + S_12M · a_2M(2)

Daraus ergibt sich:

Da bei vektoriellen Netzwerkmessungen nur Verhältnisse von Wellengrößen sinnvoll sind, werden die 4 Wellengrößen a_2M(1), b_2M(1), a_2M(2), b_2M(2) in den obigen Formeln auf die konstante Größe a_1M bezogen:

Die S-Parameter S_11M und S_21M des Meßobjekts sind über die Richtkoppler K3 und K1 und die Auswerteeinrichtung AE1 auf bekannte Weise direkt meßbar, wenn die Lastimpedanz auf den Wellenwiderstand Z_O des Meßsystems eingestellt wird.

Fig. 4 zeigt eine erweiterte Schaltungsanordnung, welche die vom Meßobjekt gelieferte Leistung (P_D = Differenzleistung) anzeigen kann und diese wichtige Größe auch auf einen vorgegebenen Wert regelt, während die simulierte Lastimpedanz verschiedene Werte annehmen kann, was z. B. bei der Suche nach dem optimalen Wirkungsgrad eines nichtlinearen Verstärkers bei geforderter Leistungsabgabe die Arbeit stark erleichtert, gerade auch dann, wenn die Suche rechnergesteuert durchgeführt wird. Ein weiterer 2-Weg-Richtkoppler K2 liefert an seinen Toren 3 und 4 Meßpegel für zu- und ablaufende Welle an die Detektoren G1 und G2, die diese Meßpegel quadratisch bewerten (Auswerteeinrichtung AE2). Dies kann im einfachsten Fall durch eine Diodenkennlinie erreicht werden. Die Detektorausgangsspannung muß, da diese Dioden keine ideal quadratischen Kennlinien aufweisen, entzerrt werden. An den Ausgängen derartiger Entzerrer E1, E2 stehen dann Spannungen U_E1 bzw U_E2 zur Verfügung, die proportional sind zur zu- bzw. ablaufenden Leistung bezogen auf den Ausgang des Meßobjekts:

U_E1 ∼ P_ZU,
U_E2 ∼ P_ab.

Damit ist die Spannungsdifferenz U_D, die über den Subtrahierer SUB gebildet wird, proportional zur vom Meßobjekt MO gelieferten Leistung P_D. Die Spannungsdifferenz U_D wird als Maß für die Leistungsdifferenz angezeigt - symbolisiert durch das Anzeigeinstrument AI - und einem Regelverstärker RV zugeführt, der die Leistung P_D mit einem vorgegebenen Sollwert P_DS vergleicht. In Abhängigkeit des Ausgangssignals dieses Regelverstärkers RV wird die Dämpfung des einstellbaren Dämpfungsgliedes DG2 am Eingang des Meßobjekts MO nachgestellt.

Je nach Meßobjekt können insbesondere während eines Suchvorganges weitere Schaltungsmaßnahmen zum Schutz des Meßobjektes MO erforderlich sein, so z. B. bei Meßobjekten mit einem Transistor im C-Betrieb die Begrenzung des Betriebsstromes, der Eingangsleistung sowie der auf den Ausgang des Meßobjekts MO zulaufenden Leistung auf zulässige Maximalwerte. Auch muß gegebenenfalls sichergestellt sein, daß dem Meßobjekt MO nicht eine Lastimpedanz angeboten wird, die bei der geforderten Leistungsabgabe zu dessen Zerstörung führt.

Die Anordnung nach Fig. 4 läßt sich besonders vorteilhaft bei der Suche nach der Lastimpedanz für optimalen Wirkungsgrad eines nichtlinearen Verstärkers bei definierter Leistungsabgabe verwenden.

Die Anordnung nach Fig. 4 läßt sich auch verwenden als Leistungsmesser bei beliebig einstellbarem Bezugswellenwiderstand Z_B unabhängig vom Wellenwiderstand des Meßsystems einschließlich der Richtkoppler. Dazu wird die Quellwelle b_QS mit der variablen Dämpfung (DG1) und der variablen Phasenverschiebung (PS) so eingestellt, daß an Tor 1 des Richtkopplers K1 der gewünschte Wert Z_B auftritt. Die Leistung P_D entspricht dann der vom Meßobjekt MO an den Bezugswellenwiderstand Z_B abgegebenen Leistung.

Die aufgezeigten Anordnungen/Verfahren können auch elektronisch steuerbar ausgerüstet sein; d. h. die einstellbaren Dämpfungsglieder und/oder Phasenschieber sowie der Generator G können elektronisch durchstimmbar ausgebildet sein.

Die maximal zulässige Leistungsaufnahme der simulierten Lastimpedanz ist bei den Anordnungen gemäß den Fig. 1 und 4 durch die maximale Ausgangsleistung des Verstärkers V und dessen zulässigen VSWR (Stehwellenverhältnis)-Wert begrenzt. Das Stehwellenverhältnis am Ausgang des Verstärkers V kann durch den zuvor erwähnten Isolator verbessert werden.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des Ausgangsreflexionsfaktors (S₂₂) eines Meßobjekts (MO), vorzugsweise eines nichtlinearen HF-Leistungsverstärkers, wobei der Eingang des Meßobjekts (MO) mit einem Generatorausgangssignal (G) beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Generatorausgangssignals (G) zur Simulation einer veränderlichen Lastimpedanz für das Meßobjekt (MO) über ein wellenrichtungsselektives Element (K1) in den Ausgang des Meßobjekts (MO) eingespeist wird und daß aus den hin- und rücklaufenden Wellenanteilen des wellenrichtungsselektiven Elements (K1) der Ausgangsreflexionsfaktor (S₂₂) ermittelt wird.

2. Verfahren zur Bestimmung des Rückwärtsübertragungsfaktors (S₁₂) eines Meßobjekts (MO), vorzugsweise eines nichtlinearen HF-Leistungsverstärkers, wobei der Eingang des Meßobjekts (MO) mit einem Generatorausgangssignal (G) beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Generatorausgangssignals (G) zur Simulation einer veränderlichen Lastimpedanz für das Meßobjekt (MO) über ein wellenrichtungsselektives Element (K1) in den Ausgang des Meßobjekts (MO) eingespeist wird, daß das Generatorsignal (G) über ein weiteres wellenrichtungsselektives Element (K3) zum Eingang des Meßobjekts (MO) geleitet wird und daß die hin- und rücklaufenden Wellenanteile des weiteren richtungsselektiven Elements (K3) zur Ermittlung des Rückwärtsübertragungsfaktors (S₁₂) mit herangezogen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zum Ausgang des Meßobjekts (MO) geführte Teil des Generatorausgangssignals (G) über ein einstellbares Dämpfungsglied (DG1), einen einstellbaren Phasenschieber (PS) und gegebenenfalls einen Verstärker (V) geleitet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Generatorausgangssignal (G) über ein weiteres einstellbares Dämpfungsglied (DG2) zum Eingang des Meßobjekts (MO) geführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei konstanter Ansteuerung des Meßobjekts (MO) mindestens zwei Messungen bei verschiedenen Lastimpedanzen vorgenommen werden, wobei aus den Meßwerten der Ausgangsreflexionsfaktor (S₂₂) und/oder der Rückwärtsübertragungsfaktor (S₁₂) des Meßobjekts (MO) bestimmbar ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die hin- und rücklaufenden Wellenanteile am Ausgang des Meßobjekts (MO) quadratisch bewertet werden, daß die Differenz der quadratisch bewerteten Anteile mit einem Sollwert verglichen wird, daß in Abhängigkeit der Abweichung vom Sollwert ein Stellsignal für ein/das weitere/s einstellbare/s Dämpfungsglied (DG2) am Eingang des Meßobjekts (MO) gewonnen wird und daß die Differenz als Maß für die vom Meßobjekt (MO) abgegebene Leistung angezeigt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das einstellbare Dämpfungsglied (DG1) und/oder der einstellbare Phasenschieber (PS) so eingestellt werden, wie es einem gewünschten Bezugswellenwiderstand (Z_B) unabhängig vom Wellenwiderstand des Meßsystems entspricht, und daß die Differenz als Maß für die vom Meßobjekt (MO) an den Bezugswellenwiderstand (Z_B) abgegebene Leistung angezeigt wird.

8. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Ermittlung der Eigenschaften des Meßobjekts (MO) bei verschiedenen Lastimpedanzen.

9. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bei der Ermittlung der Lastimpedanz für den optimalen Wirkungsgrad eines nichtlinearen Verstärkers bei definierter Leistungsabgabe.

10. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 7 zur Leistungsmessung bei beliebig vorgebbarem Bezugswellenwiderstand (Z_B) unabhängig vom Wellenwiderstand des Meßsystems.

11. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Simulation von Lastreflexionsfaktoren mit einem Betrag größer als 1.

12. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 11 für Untersuchungen der Schwingneigung eines Meßobjekts.