DE4433375A1 - Verfahren zum Kalibrieren eines Netzwerkanalysators - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines Netzwerkanalysators laut Oberbegriff des Haupt­ anspruches.

Ein Verfahren dieser Art gehört zum Stand der Technik (LNN-Verfahren nach Deutscher Patentanmeldung P 43 13 705). Bei diesem bekannten Verfahren muß während des Kalibriervorgangs das Meßobjekt ausgebaut sein und statt dessen die Kalibrierleitung mit den dort einfügbaren reflexionssymmetrischen und reziproken Störobjekten zwischengeschaltet werden. Mit diesem bekannten Verfahren kann zwar relativ einfach mit vier Kalibriermessungen eine Kalibrierung durchgeführt werden, nämlich mit einer ersten Kalibriermessung, in welcher nur die Kalibrier­ leitung reflexionsfrei zwischen die beiden Meßtore geschaltet ist und mit drei weiteren Kalibriermessungen, bei denen zwischen die Kalibrierleitung ohne Änderung ihrer Verbindung mit den Meßtoren drei Störobjekte in die Leitung eingefügt werden, so daß insgesamt 32 Meßwerte erhalten werden, mit denen 10 Unbekannte berechnet werden können, also auch die Ausbreitungskonstante γ der ver­ wendeten Kalibrierleitung, so daß jede beliebige verlust­ behaftete Leitung benutzbar ist, und auch die elektrische Länge der benutzten Leitung, so daß auch diese und die jeweilige Position der Störobjekte beliebig sein kann. Da nach dem Kalibrierverfahren jedoch die Kalibrierleitung von den Meßtoren wieder abgeschaltet und dafür das Meßobjekt eingeschaltet werden muß, ist dieses Verfahren nicht optimal benutzerfreundlich.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Kalibrierverfahren aufzuzeigen, das optimal benutzerfreundlich ist und mit dem praktisch vollautomatisch Kalibriermessungen und anschließende Objektmessungen durchführbar sind.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeich­ nende Merkmale gelöst. Eine vorteilhafte Weiterbildung ergibt sich aus dem Unteranspruch.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist das Meßobjekt bereits während der Kalibrierung zwischen die Meßtore zwischen­ geschaltet und es können mit insgesamt sechs Kalibrier­ messungen, nämlich einer Kalibriermessung, bei der das Meßobjekt nur über die beiden Leitungsabschnitte ohne Störobjekte an die Meßtore angeschaltet ist und fünf weiteren Kalibriermessungen mit in die Leitung eingefügten Störobjekten, insgesamt 48 Meßwerte gewonnen werden, die es erlauben, mathematisch 14 Unbekannte zu berechnen, so daß auch hier die Ausbreitungskonstante durch den Kalibrieralgorithmus mitberechnet werden kann und somit eine Kalibrierleitung benutzbar ist, deren Ausbreitungs­ konstante γ unbekannt ist, also jede beliebige verlust­ behaftete Leitung. Außerdem können beim erfindungsgemäßen Verfahren die Positionen der Störobjekte und die Lei­ tungslänge unbekannt sein, die elektrische Länge der Verschiebung der Störobjekte muß nur auf 180° bekannt sein, um eine Vorzeichenunsicherheit in der Mathematik zu lösen.

Unter Verwendung von mehr als insgesamt fünf Störobjekten (drei auf der einen Leitungshälfte und zwei auf der anderen Leitungshälfte) kann auch eine breitbandige Kalibrierung durchgeführt werden. Da eine Leitung und kein konzentrierter Wellenabschluß die Bezugsimpedanz repräsentiert, ist in Bereichen von Vielfachen von der halben Leitungswellenlänge keine Kalibrierung durchführ­ bar, da in diesen Bereichen die Leitung lediglich die Abschlußimpedanz des gegenüberliegenden Meßtores trans­ formiert. Um diese Bereiche auszusparen, ist die Verwen­ dung von zusätzlichen Leitungen wohl etabliert. Im vor­ liegenden Fall entsprechen zusätzliche Leitungen zusätz­ lichen Obstakelpositionen, da somit andere Leitungslängen abgedeckt werden.

Unter Verwendung von zusätzlichen Obstakeln kann auch eine Selbstkontrolle durchgeführt werden. Verwendet man beispielsweise je drei Kalibrierobjekte vor und hinter dem Meßobjekt, was aller Voraussicht nach den interessan­ testen Fall darstellt, so können zwei komplette Kali­ brierungen durchgeführt werden, in denen jeweils innerhalb der sogenannten Selbstkalibrierung die Streuparameter für die Störkörper und die Größe der Ausbreitungskonstante bestimmt werden. Es ist eine notwendige Bedingung, daß diese somit völlig unabhängig ermittelten Größen im Rahmen der Meßgenauigkeit gleich sind.

Unter Verwendung von zusätzlichen Obstakeln kann auch eine Meßfehlerreduktion unter Zuhilfenahme einer Aus­ gleichsrechnung durchgeführt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen und der Be­ schreibung des notwendigen mathematischen Algorithmus näher erläutert.

Fig. 1 zeigt das vereinfachte Blockschaltbild eines modernen Netzwerkanalysators (NWA), bei dem über ein veränderbares Dreitor 16, praktisch sinnvoll aber nicht notwendig ein elektronischer Schalter, zwei getrennte Meßzweige 18 und 19 aus ei­ nem Hochfrequenzgenerator 17, der üblicherweise in einem weiten Frequenzbereich quarzstabil durchstimmbar ist, gespeist sind.

Des weiteren ist es üblich, das Verhalten eines NWA derartig zu beschreiben, daß die beiden Meßzweige 18 und 19 vorbei an den vier idealen Meßstellen 15, die über ideale Richtkoppler gespeist werden, zu den sogenannten Fehlerzweitoren 13 und 14 führen, welche sämtliche modellkonformen Fehler, wie beispielsweise Übersprecher und Fehl­ anpassungen der Richtkoppler, Detektoren und sonstigen Bauelemente, die sich im Hochfrequenzteil zwischen den Meßtoren und den Meßstellen befinden, berücksichti­ gen.

Direkt hinter den Fehlerzweitoren 13 und 14 befinden sich die Meßtore 11 und 12, deren exakte physikalische Position erst durch die Systemfehlerkorrektur festgelegt wird, und direkt im Anschluß ein Zweitor 10, das im Kalibrierprozeß durch die Kali­ brierstandards und im Meßfall das Meßobjekt repräsentiert.

An den Meßstellen 15 liegen Meßgrößen an, die ein Maß für die komplexen Reflexi­ onsfaktoren S₁₁ und S₂₂ und die komplexen Transmissionsfaktoren S₂₁ und S₁₂ des an den Meßtoren 11 und 12 implementierten Zweitores 10 bilden.

Um mit derartigen NWA genaue Messungen durchzuführen, muß vor der eigentli­ chen Vermessung des unbekannten Objektes ein Kalibrierprozeß durchlaufen werden. Dazu werden als Zweitor 10 mindestens drei Kalibrierstandards, die in ihrem elek­ trischen Verhalten teilweise oder ganz bekannt sind, vermessen und aus den Daten über eine Kalibrierrechnung die Größen der Fehlerzweitore 13 und 14 bestimmt. Diese Streuparameter der Fehlernetzwerke, die sich zwischen den Meßtoren 11, 12 und den idealen Meßstellen 15 befinden, dienen im weiteren bei der Objektmessung als Kor­ rekturdaten, d. h. mittels einer bestimmten Korrekturrechnung werden aus diesen Korrekturdaten und den Meßwerten der Objektmessung die von Systemfehlern be­ freiten Streuparameterwerte des unbekannten Objektes berechnet.

Fig. 2 zeigt die Meßanordnung, sofern das gesamte System von einem externen Com­ puter gesteuert wird. Der Computer 21 kommuniziert über einen Datenbus 26 mit dem Netzwerkanalysator 22. Der Computer stellt die Meßwertparameter ein, fordern den NWA zur Durchführung von Messungen auf und empfängt vom selbigen die ro­ hen Meßwerte, die nach einer im weiteren aufgeführten Prozedur weiter verarbeitet werden.

Der NWA 22 ist lediglich über die Meßleitungen 23 und 24 mit der Meßvorrichtung 20 verbunden. Diese Meßvorrichtung 20 wird ebenfalls vom Computer 21 über die Datenleitung 25 gesteuert. Hierbei werden lediglich die Kalibrierobjekte und gege­ benenfalls die Brückenleitung unter Steuerung des Computers elektromechanisch auf das planare Meßleitungssystem gesetzt.

Alternativ kann bei einer geeigneten Änderung der Firmware des NWA die gesamte Meßanordnung direkt vom internen Rechners des NWA gesteuert werden. Somit würde der zusätzliche Computer 21 entfallen und die Meßvorrichtung 20 direkt über den Datenbus 25 vom NWA 22 gesteuert werden.

Fig. 3 zeigt eine Schnittzeichnung der Meßvorrichtung 20. Die Meßvorrichtung ist aufklappbar, besteht somit aus den zwei Gehäuseteilen 44 und 46, die an den Zusam­ menführungen 41 und 42 mechanisch fest verbunden werden können.

Im unteren Gehäuseteil 46 befindet sich eine metallische Trägerplatte 45, auf der das planare Hochfrequenzsubstrat 35 mit der sich darauf befindlichen planaren Mikrowel­ lenleitung 36 befestigt ist, welche mit den Schrauben 40 gegen die Hochfrequenzstecker 33 und 34 gepreßt wird.

In der Mitte im planaren Leitungssystem befindet sich das Meßobjekt 30, das an den Referenzebenen 11 und 12, die frei über die Mikrowellenleitung 36 jeweils zwischen dem entsprechenden Stecker und dem Meßobjekt algebraisch transformiert werden können.

Die elektromagnetischen Vorrichtungen 43 zur vertikalen Verschiebung der bauglei­ chen Kalibrierobjekte 37 und der Leitungsbrücke 47 werden vom Computer 21 über die Datenleitung 25 gesteuert.

Aus Gründen der Isolation sind die metallischen Teile der Kalibrierobjekte 37 und der Brücke 47 durch einen Kunststoff 38 getrennt.

Der Algorithmus zur Durchführung einer Systemfehlerkorrektur bei eingebautem Meß­ objekt beinhaltet eine zweimalige Kalibrierung mit dem LNN-Kalibrierverfahren nach Deutscher Patentanmeldung P43 13 705.

Fig. 4 zeigt das Meßproblem in Transmissionparameter-Darstellung für den Fall, daß man mit lediglich fünf Kalibriermessungen arbeitet. Im Fehlerzweitor [A1] sind sämtliche Systemfehler zwischen der Mikrostreifenleitung vom Meßtor 12 und den idealen Meßstellen im Meßzweig 19 enthalten und im Fehlerzweitor [B2]^-1 sind die Fehler zwischen der Mikrostreifenleitung vom Meßtor 11 und den idealen Meßstellen im Meßzweig 18 zusammengefaßt.

Wird gemäß Fig. 4 auf dem Leitungsabschnitt zwischen dem Fehlerzweitor [A1] und dem Meßobjekt [N] eine LNN-Kalibrierung durch Vermessung der Leitung und drei­ maliger Messung der Leitung mit Obstakel (Fig. 5 I-IV) durchgeführt, so erhält man einerseits aus der sogenannten Selbstkalibrierung die zuvor nur teilweise bekannten Streuparameterwerte des Kalibrierstandards Leitung [L] und Obstakel [Q]. Des weite­ ren ergeben sich die Koeffizienten der Fehlerzweitore α [A1], 1/α [B1]^-1, jedoch nur bis auf einen konstanten unbekannten Faktor α.

Das Fehlerzweitor [B1]^-1 beinhaltet neben dem eigentlichen Fehlerzweitor [B2]^-1 noch das Meßobjekt [N] und die Leitung [L] zwischen Meßobjekt und Fehlerzweitor.

[B1]^-1 = [N] [L] [B2]^-1 (1).

Nunmehr sind die Kalibrierstandards Leitung und Obstakel und somit auch deren Kombinationen vollständig bekannt. Somit genügen drei Kalibriermessungen mit vollständig bekannten Kalibrierstandards zur Bestimmung der Fehlerzweitore. Dieses wird für die Kalibrierung auf dem Leitungsstück, das sich rechts neben dem Meßobjekt befindet, ausgenutzt. Für eine derartige Kalibrierung genügt es, die erste Kalibrier­ messung aus Fig. 5 und die beiden letzten zu verwenden. Aus dieser Kalibrierung kann man die Fehlerzweitore β [A2] und 1/β [B2]^-1 jedoch erneut nur bis auf einen konstanten unbekannten Faktor β berechnen.

Auch hier beinhaltet das Fehlerzweitor [A2] die Kettenschaltung von dem Fehlerzwei­ tor [A1], der doppelten Leitung [L] und dem Meßobjekt [N].

Gesucht sind die Transmissionsparameter des unbekannten Meßobjektes, die sich na­ hezu aus der Gleichung (1) bestimmen lassen.

N= [B1]^-1 [B2] [L]^-1 (2).

Man kennt [B1] und [B2] jedoch lediglich jeweils bis auf konstante Faktoren, die für dieses Problem zusammengefaßt werden können:

Um diesen unbekannten Faktor γ zu bestimmen, nutzen wir aus, daß das Meßobjekt reziprok sein soll, was für die Transmissionsparameter des Meßobjektes bedeutet, daß die Determinante von [N] gleich 1 sein muß.

Multipliziert man Gleichung (2) mit γ und berechnet beidseitig die Determinante, so erhält man:

γ² = det (γ [B1]^-1 [B2] [L]^-1) (4).

Aus Gleichung (4) folgt unmittelbar unter Verwendung von γ= die Gleichung zur Bestimmung von γ, die mittels bekannter Meßdaten gelöst werden kann.

Die Vorzeichenunsicherheit wird dadurch gelöst, daß man die Phase eines Parameters des Meßobjektes auf 180 Grad genau abschätzen kann.

Somit lassen sich die Transmissionsparameter und daraus sämtliche anderen Zweitor­ parameter eines reziproken Meßobjektes bestimmen:

Handelt es sich bei dem Meßobjekt um ein nichtreziprokes elektronisches Bauelement wie z. B. einen Transistor, so betreibt man diesen während des oben angegebenen Kalibrierprozesses passiv, daß heißt ohne Versorgungsspannung. In diesem Fall ist dieser Transistor reziprok.

Um danach die Zweitorparameter des Transistors im Arbeitspunkt zu erhalten, ist es vorteilhaft zunächst die Fehlerzweitore [A] und [B], wie in Fig. 4 dargestellt, zu be­ stimmen. Das Fehlerzweitor [A] kann direkt aus dem aus der ersten Kalibriermessung bekannten Fehlerzweitor [A1] und den nach der Selstkalibrierung des LNN-Verfahrens bekannten Leitungselementen bestimmt werden.

[A] = α [A1] [L] [L] (7).

Mit den durch Gleichung (6) erhaltenen Daten für [N] invertiert und multipliziert man von links in die Matrixgleichung (1) und erhält das Fehlerzweitor [B] befreit von [N]

Nachfolgend muß der Transistor in dem zu untersuchenden Arbeitspunkt betrieben und in diesem nochmals vermessen werden. Die vorzugsweise in der Meßwertma­ trix [Mx] zusammengefaßten Meßdaten des Transistors, der durch die Matrix [Nx] beschrieben sein soll, werden danach mit den Fehlerzweitoren [A] und [B] von den Meßfehlern weitgehendst befreit, wobei der Faktor α sich hier als unproblematisch erweist, da er sich heraushebt.

Bei Meßobjekten mit großen Transmissionsverlusten wie beispielsweise mehrstufige Verstärker oder Filterstrukturen muß man während des oben beschriebenen Kalibrier­ prozesses dafür Sorge tragen, daß trotzdessen genügend Leistung über das Meßobjekt gekoppelt wird. Dazu muß während der Kalibrierung die Leitungsbrücke 36 auf das planare Leitungssystem gesetzt werden.

Ist auf diesem Wege eine qualitativ gute Kalibrierung durchgeführt worden, so kann nunmehr das Meßobjekt durchgemessen und die Daten nach Gleichung (9) können ausgewertet werden.

Bei dieser vollautomatischen Meßvorrichtung wird man vorzugsweise nicht den Weg mit nur 6 Kalibriermessungen sondern mit 7 Kalibriermessungen und somit zweifa­ cher Berechnung der Obstakelwerte und der Ausbreitungskonstante über eine zweite vollständige LNN-Kalibrierung gehen, um auf diese Art und Weise zu überprüfen, ob die berechneten Werte aus beiden Kalibrierungen nur um die gegebene Meßgenauig­ keit abweichen.

Somit steht mit nur einer zusätzliche Kalibriermessung eine sehr gute Möglichkeit der Selbstkontrolle zur Verfügung.

Claims (2)

1. Verfahren zum Kalibrieren eines Netzwerkanalysators, der zwei Meßtore mit jeweils vier zugehörigen Meß­ stellen aufweist, durch Messen der Transmissions- und Reflexions-Parameter an einer zwischen die Meßtore geschalteten Leitung unbekannter Ausbreitungskonstante, in welche reflexionssymmetrische und reziproke Stör­ objekte einfügbar sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bereits während des Kalibrier­ verfahrens das Meßobjekt über Leitungsabschnitte unbekannter Ausbreitungskonstante mit den beiden Meßtoren verbunden ist und eine erste Kalibriermessung ohne eingefügte Störobjekte und mindestens fünf weiteren Kalibriermessungen mit eingefügten Stör­ objekten durchgeführt werden, und zwar mit mindestens drei Störobjekten eingefügt auf dem zwischen Meßobjekt und dem einen Meßtor geschalteten Leitungsstück und mindestens zwei weiteren Störobjekten eingefügt in den zwischen dem Meßobjekt und dem anderen Meßtor geschalteten anderen Leitungsstück.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für Meßobjekte mit großen Transmissionsverlusten dieses während der Kalibriermessung durch eine verschiebbare Brückenlei­ tung überbrückt wird.