mda2013 teil3 netzwerkanalyse … · agilent vna solutions ena 7 series world’s most popular vna...

NetzwerkanalyseGrundlagen und Impedanzmessungen

Ihr Spezialist für Mess- und Prüfgeräte

© 2013 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen 2

Agenda

Arten der Leistungsmessung über der Frequenz

Physikalische Grundlagen der HF Übertragung

Messbare Parameter

Aufbau des Network Analyzers

Modellüberblick

TDR Messungen

Impedanzmessung


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


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


Analogie des Lichts zur

HF Energie

Incident

Reflected

Transmitted

Strahlen -Optik

DUT


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


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


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=


Voraussetzung für unverzerrte

Übertragung

Constant amplitude over bandwidth of interest

Mag

nitu

de

Pha

se

Frequency

Frequency

Linear phase over bandwidth of interest

LINEARITÄT


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


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


Vereinfachtes Blockschaltbild

Port 1

R1A

Port 2

R2B

Bias-teeBias-tee

Source


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)


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


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!!!

© 2013 dataTec GmbH | Ferdinand-Lassalle-Str. 52 | D-72770 Reutlingen

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

16


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!


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

18


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.


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


TDR Time Domain Reflectometry Technology

STEP / SNAP

GENERATOR

DIRECTIONAL

COUPLERUNKNOWN

t

Trigger

Chan 1

•OSCILLOSCOPE

2 t


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


Time Domain S-Response vom Semi-rigid Coax Kabel

Time

ρ


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 !!!


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


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


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


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


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)


Messmethoden

(a) Auto-Balancing Bridge

(b) RF I-V

(c) Network Analysis (Reflection Coefficient)

Weitere: Bridge Resonant (Q-adapter/Q-meter) I-V (Probe)


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


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


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


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


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


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


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


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


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.

mda2013 teil3 netzwerkanalyse … · agilent vna solutions ena 7 series world’s most popular vna...

Documents