MDA2013 Teil3 Netzwerkanalyse … · Agilent VNA Solutions ENA 7 series World’s most popular VNA 9 kHz to 4.5, 8.5 GHz ... N9342C N9344C N9343C 14 New Models Aug 31st! Industry’s
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NetzwerkanalyseGrundlagen und Impedanzmessungen
Ihr Spezialist für Mess- und Prüfgeräte
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Agenda
Arten der Leistungsmessung über der Frequenz
Physikalische Grundlagen der HF Übertragung
Messbare Parameter
Aufbau des Network Analyzers
Modellüberblick
TDR Messungen
Impedanzmessung
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Netzwerkanalyse ist nicht …
Router
Bridge
Repeater
Hub
Your IEEE 802.3 X.25 ISDN switched-packet data stream is running at 147 MBPS with a BER of 1.523 X 10 . . .
-9
…es ist: HF Baugruppen und Komponententest
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Messmöglichkeiten Leistung
über Frequenz
• Misst Amplitude über Zeit• Berechnet f (FFT) mit sehr
begrenzter Ampl.auflösung• f-Auflösung <=> Speichertiefe
Oszilloskop
• Nur breitbandige Messung• Keine Selektivität• Eingeschränkte Dynamik (Ampl.)• Keine Phase
Power Meter
Network Analyzer
-> hochgenaue Relativmessung• Kann messen was er erzeugt • Nur schmalbandige Messung• Keine Signal-Inhaltsanalyse• Phase !
Spectrum Analyzer
• Kann auch Summenleistung in Band• Spektrum & Signal(-inhalts)analyse • Grosse Dynamik• Exzellente Selektivität• Keine Phase
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Analogie des Lichts zur
HF Energie
Incident
Reflected
Transmitted
Strahlen -Optik
DUT
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Signalübertragung - Grundlagen
Niedere Frequenzen
Wellenlänge >> Kabellänge Strom (I) läuft entlang der Leitung , effiziente Übertragung bei
niedrigem ohmschen Widerstand, sonst keine speziellen Anforderungen
Gemessene Spannung und Strom nicht direkt ortsabhängig
Hohe Frequenzen
Wellenlänge » oder << Länge des Ausbreitungsmediums Effiziente Übertragung bedarf “Leitung” mit ganz speziellen
Eigenschaften Impedanzanpassung (Zo) ist sehr wichtig für geringe Reflexion und
maximale Leistungsübertragung Die gemessene Spannung (Hüllkurve) schwankt stark mit dem Ort
+ -I
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Transmission line: Zo (charakteristische Impedanz)
Zo bestimmt Beziehung zwischen Strom- und Spannungswelle
Zo ist eine Funktion der physikalischen Dimensionen und εr
Zo ist normalerweise rein real, kein Imaginärteil (oft 50 oder 75 Ohm)
Microstrip
h
w
Coplanar
w1
w2
ε r
Waveguide
Twisted-pair
Coaxial
b
a
h
characteristic impedance
for coaxial airlines (ohms)
10 20 30 40 50 60 70 80 90100
1.0
0.8
0.7
0.6
0.5
0.9
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
norm
aliz
ed v
alue
s
50 ohm standard
attenuation is lowest at 77 ohms
power handling capacity peaks at 30 ohms
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Charakterisierung der
HF Übertragung
Transmitted
Incident
TRANSMISSION
Gain / Loss
S-ParametersS21, S12
GroupDelay
TransmissionCoefficient
Insertion Phase
Reflected
Incident
REFLECTION
(V)SWR
S-ParametersS11, S22 Reflection
Coefficient
Impedance, Admittance
R+jX, G+jB
ReturnLoss
Γ, ρΤ,τ
Incident
Reflected
TransmittedRB
A
A
R=
B
R=
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Voraussetzung für unverzerrte
Übertragung
Constant amplitude over bandwidth of interest
Mag
nitu
de
Pha
se
Frequency
Frequency
Linear phase over bandwidth of interest
LINEARITÄT
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Gruppenlaufzeit (Group Delay)
statt Phase
in radians
in radians/sec
in degrees
f in Hertz (ω = 2 π f)
φωφ
Group Delay (t )g =
−d φd ω
=−1
360 o
d φd f*
Frequency
t oPhaseφ
∆φ
Frequency
∆ω
Group delay ripple
group-delay ripple indicates phase distortion
average delay indicates electrical length of DUT
aperture of measurement is very important
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Warum gerade S-Parameter
messsen?Incident TransmittedS 21
S 11
Reflected S 22
Reflected
Transmitted Incident
b 1
a 1b 2
a 2S 12
DUT
b 1 = S 11 a 1 + S 12 a 2
b 2 = S 21 a 1 + S 22 a 2
Port 1 Port 2
S 22 =Reflected
Incident=
b2
a 2 a1 = 0
S 12 =Transmitted
Incident=
b1
a 2 a1 = 0
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Vereinfachtes Blockschaltbild
Port 1
R1A
Port 2
R2B
Bias-teeBias-tee
Source
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Systematischer Messfehler
A B
Source Mismatch(Quellenanpassung)
Load Mismatch(Lastanpassung)
Crosstalk(Übersprechen)
Directivity(Richtschärfe)
DUT
R
Sechs Fehlerterme für “vorwärts”und ebensoviele für “rückwärts” -12 error terms für Prüflinge mit 2 Toren
Frequenzgang
reflection tracking (A/R = Reflexion)
transmission tracking (B/R = Übetragung)
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Was ist Vector Error Correction?
Prozess zur Characterisierung systematischer Fehlerterme Messung bekannter Standards Korrektur der gemessenen Effekte von nachfolgenden Messungen
1-port Calibration (bei der Reflexionsmessung = “CAL light”) nur 3 systematische Fehlerterme werden erfasst: directivity, source match, and reflection tracking
Full 2-port calibration (für Reflexions- und Transmissionsmessung) 12 systematische Fehlerterme erfasst Bedarf12 Messungen an vier bekannten Standards (“SOLT” = short,
open, load, through)
Standards werden in einer “cal kit definition” Datei abgelegt Network Analyzer kennen die Definition der käuflichen (Agilent-) CAL-
Kits Bei der Messung muss auch die richtige Definition benutzt
werden! Andere Standards lassen sich als “User-defined” Cal-Kit abspeichern
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Two-Port Error Correction
Port 1 Port 2E
S11
S21
S12
S22
ESED
ERT
ETT
EL
a1
b1
A
A
A
A
X
a2
b2
Forward modelPort 1 Port 2
S11
S
S12
S22 ES'ED'
ERT'
ETT'
EL'
a1
b1A
A
A
EX'
21A
a2
b2
Reverse model
= fwd directivity= fwd source match= fwd reflection tracking
= fwd load match= fwd transmission tracking= fwd isolation
ES
ED
ERT
ETT
EL
EX
= rev reflection tracking= rev transmission tracking
= rev directivity= rev source match
= rev load match
= rev isolationES'
ED'
ERT'
ETT'
EL'
EX'
Jeder korrigierte S-Parameter ist eine Funktion von allen 4 gemessenen S-Parametern
Analyzer muss abwechslend Vorwärts- und Rückwärts-Betrieb machen
Die Lösung des Gleichungssystems übernimmt der Analyzer!!!
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PNA-LWorld’s most capable value VNA
300 kHz to 6, 13.5, 20 GHz
10 MHz to 40, 50 GHz
ENA 6 seriesLow frequency VNA
5 Hz/100 kHz to 1.5/3.0 GHz
Agilent VNA Solutions
ENA 7 seriesWorld’s most popular VNA
9 kHz to 4.5, 8.5 GHz
300 kHz to 20.0 GHz
FieldFox RF & MW Analyzer
2 MHz to 4, 6.5, 9, 14, 18 and 26.5 GHz
PNA-X, NVNAIndustry-leading performance 10 MHz to 13.5, 26.5, 43.5, 50 67 GHz
Banded mm-wave to 1.05 THz
PNA-X receiver8530A replacement
Perform
ance
Mm-wave solutionsUp to 1.05 THz
PNAHigh Performance VNA
10 MHz to 13.5, 26.5, 43.5, 50 67 GHz
Banded mm-wave to 1.05 THz
•Test Accessories
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9 GHz
14 GHz
18 GHz
26.5 GHz
4 GHz
6 GHz
RF/uW Handheld Portfolio
CAT only VNACombo ANALYZER SA HSA
20 GHz
13.4 GHz
7 GHz
3 GHz
N9330B N9912A-104
N9912A-106
N9913A
N9918A
N9917A
N9916A
N9915A
N9914A
N9938A
N9937A
N9936A
N9935A
N9923A-106
N9923A-104
N9925A
N9927A
N9926A
N9928A
N9340B
N9342C
N9344C
N9343C
14 New Models Aug 31st!
Industry’s Most
Rugged
Accurate
Cost Effective
Carry Precision with You!
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Get a wide range of precise field measurements
Plus:
• Built-in GPS
• Independent source
• Full-band preamplifier
• SA frequency counterSpectrum analysis
Cable and antenna analysis Vector network analysis
Built-in power meter
Vector voltmeterInterference analysis Full-band tracking generator Channel power measurement
Time domain DC source & current monitor
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High Power NWA E5072A
Jeder Testport am Netzwerkanalysator mit einer “configurable test set option”hat 6 SMA Anschlüsse.
Dadurch gibt es einen direkten Zugang zu den internen Quellen und Empfängern, so das durch eine geschickte Außenbeschaltung Messungen mit hoher Leistung möglich sind.
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S11 Messung am Leistungsverstärker
Block Diagram vom Netzwerk Analysator
Das eingekoppelte Signal wird im Receiver R1 nach dem Leistungsverstärker gemessen, um Temperatureffekte des Verstärkers zu kompensieren.
Das reflektierte Signal vom DUT wird im Receiver A gemessen, ohne dabei Abstriche im S/N Verhältnis zu machen S11 (=A/R1).
Konfiguration
Booster amplifier
High-power couplers
Port 1
R1
A
R2
B
Port 2
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TDR Time Domain Reflectometry Technology
STEP / SNAP
GENERATOR
DIRECTIONAL
COUPLERUNKNOWN
t
Trigger
Chan 1
•OSCILLOSCOPE
2 t
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VNA-TDR Theory and Measurement Correlation
f f
Frequency responseSine wave sweep
0 0
DUT
VNA
t t
Impulse responseImpulse input
0 0
FFTIFFT
DUT
FFTIFFT
t t
•Step response•Step input
0 0
DUT
TDR oscilloscopeDerivationIntegration DerivationIntegration
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Time Domain S-Response vom Semi-rigid Coax Kabel
Time
ρ
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Wer braucht welchen
Network Analyzer (NWA)?
Wer braucht einen Spektrum Analysator?• im Prinzip jedes Elektronik-Labor
Wer braucht einen Network Analyzer?• jeder, der HF-Übertragungs- oder Sperreigenschaften erwartet von ...
– Einzelnen Bauteilen (Drosseln, Kondensatoren, Piezo‘s…)– Baugruppen (OP-Verstärker, Filter, Antennen, Kabel …)– Geräten/Einschüben (DC-Supplies, Wandler, Schirmdämpfung v. Gehäusen …)– Materialien (Induktionskerne, Substrate, Dielektrika …)– Usw.
Alles aber ausschließlich << 1 MHz ?? Wir haben auch LCR Meter !!!
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Impedanz
L
CSpule Kondensator
XL= 2ππππfL = ωωωωLωωωωC
XC =2ππππfc
1=
1
R jXL R -jXC
ZjXL
R
θθθθδδδδ
Z-jXC
R
δδδδ
θθθθ
(a) Inductive vector represented on impedance plane
(b) Capacitive vector represented on impedance plane
Q = = = = = =D tan δδδδ R R G G
1 1 XL XC BL BC
Impedanz Ebene
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Parasitäre Elemente am BauteilEs gibt kein pures R, C, oder L
Capacitor Equivalent Circuit
Jedes Bauteil ist eine Kombination von R, C und L ElementenDie unerwünschten Elemente nennt man Parasitics (parasitäre Elemente).
UnerwünschtesR und L der Anschlussdrähte
Unerwünschtes R und Cvom Dielektrikum
Intrinsic C
Kondensator Ersatzschaltbild
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KapazitätsmodellRs, Ls, Rp, Cp ?
High-Impedance Device(Small C, Large L; |Z| >>>> 10 kΩΩΩΩ)
Kondensator Ersatzschaltbild
Serien Modell Parallel Modell
RsCs
CpLow-Impedance Device
(Large C, Small L; |Z| <<<< 10 ΩΩΩΩ)
Rp
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Welches Modell ist korrekt?
Rs Cs
?Rp
CpSerien Modell
Parallel Modell
Beide sind richtigCs = Cp (1 + D2)
Eines von beiden beschreibt das Bauteil jeweils besser
für hohe Q oder kleine D Bauteile gilt: CS ≈≈≈≈ CP
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Parasitäre Elemente: Es gibt kein reines R, C oder L
What do instruments measure, calculate or approximate?
I-V Probe Method
Reflection CoefficientMethod
Measured
Direct Calculations
I, V
Ls , Lp, Cs, Cp, Rs or ESR, Rp, D, QModel-based Approximations
R
CR
p
ss
D U T ?
x,y
Z = Z o1 +
1 -
Vector VoltmeterMethod
I, VZ =
IV
Y = 1/Z, Y = G +j B
Z = R+jX, θθθθ = ATAN(X/R)
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Messmethoden
(a) Auto-Balancing Bridge
(b) RF I-V
(c) Network Analysis (Reflection Coefficient)
Weitere: Bridge Resonant (Q-adapter/Q-meter) I-V (Probe)
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Messmethoden
Theory of Operation
V
-+
2
V1
DUT
V2 = -Ir Rr
Z = V1
Ir=
-V1 Rr
V2
H LR r
I r
Virtual ground
II = Ir
a) Auto-Balancing Bridge Method
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Messmethoden
Vi
Vv
R/2
RDUT
Voltage Detection
Current Detection
Impedance Test HeadZx = = ( - 1)
V R Vv
I 2 Vi
ZxVI
R
(b) RF I-V Method
Theory of Operation
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Messmethoden
DUTVr
Vr
VINC
ZX - Z0ΓΓΓΓ = = ZX + Z0
VINC
ZX
V
Incidentsignal
Reflectedsignal
Directional bridge or coupler
OSC
VVINCVr
(c) Network Analysis Method
Theory of Operation
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Messmethoden
Imp
edan
ce (
ΩΩ ΩΩ)
10M
1M
100K10K
1K
100
10
1
100m
10m1m
Frequency (Hz)
100M
1 10 100 1K 10K 100K1M 10M 100M1G 10G
Network/Reflection
Auto-Balancing Bridge
RF I-V
10% of the
measurement
accuracy range for
each method
10% of the
measurement
accuracy range for
each method
Vergleich der Methoden
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Messmethoden
Network Analysis(Reflection Coefficient)
RF I-V
Measurement Method Agilent Product Frequency Range
Auto-Balancing Bridge
4263B LCR MeterE4980A Precision LCR Meter4285A Precision LCR Meter4294A Precision Impedance Analyzer
100 Hz to 100 kHz spot20 Hz to 2 MHz75 kHz to 30 MHz40 Hz to 110 MHz
4291B Impedance/Material Analyzer4287A RF LCR MeterE4991A Impedance/Material Analyzer
1 MHz to 1.8 GHz1 MHz to 3 GHz1 MHz to 3 GHz
300 kHz to 500 GHzPNA Series Vector Network Analyzers
9 kHz to 20 GHzENA SeriesVector Network Analyzers
Network Analysis(Transmission
Coefficient)
ENA-LF SeriesVector Network Analyzers 5 Hz to 3 GHz
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Überblick des E5061B
• Low Frequency (5 Hz~)• Wide dynamic range at LF• Features for LF applications
(1 Mohm inputs, probe power, DC bias source, etc)
Port-1
Zin
ATT
R1
T1
R2
T2
R
Zin
ATT
T
RT LF OUT
Gain-phase test port(5 Hz to 30 MHz)
S-parameter test port(5 Hz to 3 GHz, 50 Ω )
Zin = 1 MΩ / 50 Ω
ATT = 20 dB / 0 dB
Port-2
Gain-phase test port(Option 3L5 only)
- LF OUT (source)- R (1 MΩ/50 Ω)- T (1 MΩ/50 Ω)
S-parameter test port (Option 2x5/ 2x7/3L5), or
Transmission/Reflection test port (Option 1x5/1x7)
10.4 inch LCD touch screen
Probe power(Option 3L5 only)
USB
Handler I/O
Peripheral ports(USB, LAN, XGA output)
External trigger-IN/OUT
GPIB
High stability freq. reference
(Option 1E5)
USBTMC
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Port 1-2 Shunt
Port 1 Refl / Port 2 Refl
Port 1-2 Series
S11
S21
S21
1MΩΩΩΩ input TR
Power splitter
TR
GP Shunt (T 50ΩΩΩΩ, R 50ΩΩΩΩ)
GP Series (T 50ΩΩΩΩ, R 1MΩΩΩΩ)
S-Parameter(5 Hz - 3 GHz)
Gain-Phase (5 Hz - 30 MHz)R
efle
ctio
nS
erie
sS
hu
nt
7-mm type fixtures
4-Terminal Pair type fixtures
User fixtures are required
Co
nfi
gu
rati
on
Test portApplicable
Z-range
Mid
Mid -High
Low -Mid
Shunt Series
Mid-ZLow-Z High-Z
1 ΩΩΩΩ 1 kΩΩΩΩ1 mΩΩΩΩ ~ ~ 100 kΩΩΩΩ
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10% Messgenauigkeit
1 pF100kΩΩΩΩ
10kΩΩΩΩ
1 kΩΩΩΩ
100ΩΩΩΩ
10ΩΩΩΩ
1ΩΩΩΩ
100 mΩΩΩΩ
10 mΩΩΩΩ
1 mΩΩΩΩ
10 Hz100 Hz
1 kHz10
kHz100 kHz
1 MHz 10 MHz100 MHz
1 GHz
1 nF
1 nH
1 uH
E5061B (SPD)S-Parameter, Shunt-
thru
E5061B (SPD)S-Parameter, Reflection
E5061B (SPD)S-Parameter, Series-thru
7 mm test fixture
1 pH
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10% Messgenauigkeit
1 pF100kΩΩΩΩ
10kΩΩΩΩ
1 kΩΩΩΩ
100ΩΩΩΩ
10ΩΩΩΩ
1ΩΩΩΩ
100 mΩΩΩΩ
10 mΩΩΩΩ
1 mΩΩΩΩ
10 Hz100 Hz
1 kHz10
kHz100 kHz
1 MHz 10 MHz100 MHz
1 GHz
1 nF
1 nH
1 pH
1 uH
E5061B (SPD)Gain-Phase, Shunt-
thru
E5061B (SPD)Gain-Phase, Series-thru
4-terminal pair test fixture
VIELEN DANKFÜR IHREAUFMERKSAMKEIT.
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