Netzwerkanalysator

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Ein Netzwerkanalysator (englisch Network Analyzer, kurz: NWA, VNA oder NA) wird in der Elektronik, Nachrichtentechnik und besonders in der Hochfrequenztechnik eingesetzt, um die Streuparameter (S-Parameter), also die Wellengröße der Reflexion und Transmission an elektrischen Toren als Funktion der Frequenz zu messen. Netzwerkanalysatoren werden im Bereich der elektrischen Schaltungsentwicklung und als Prüfmittel in der Produktion eingesetzt. Sie sind nicht mit den in Rechnernetzen eingesetzten Protokollanalysatoren zu verwechseln.

Netzwerkanalysator HP8720A von Hewlett-Packard (1988, bis 20 GHz, 2 Ports)
Netzwerkanalysator ZVA40 von Rohde & Schwarz (2008, bis 40 GHz, 4 Ports mit Eichleitungen)

Anwendungen von Netzwerkanalysatoren liegen bei dem Ermitteln der Übertragungseigenschaften von beispielsweise Filtern oder Verstärkern bis hin zur Vermessung komplexer Übertragungsstrecken. Durch die Allgemeinheit der Messung lassen sich Netzwerkanalysatoren in Kombination mit entsprechenden Antennen und Software zur Auswertung der Messdaten auch als einfaches Synthetic Aperture Radar (SAR) einsetzen, beispielsweise im Bereich der Werkstoffkunde um Fremdeinschlüsse in Materialproben zu finden.

Als wesentliche Eigenschaft wird bei einem Netzwerkanalysator das Messobjekt (kurz: MO oder DUT, englisch Device Under Test), beispielsweise eine elektronisches Baugruppe wie ein Filter, durch im Netzwerkanalysator eingebaute Messgeneratoren (Sender) gespeist und zugleich die dabei auftretenden Signaländerungen durch Messempfänger im Netzwerkanalysator erfasst. Damit lässt sich die Messung von Sende- und Empfangssignal als relative Messung gestalten und die Messwerte zueinander in Relation setzten. Durch einen Netzwerkanalysator wird somit das Messobjekt nicht in dem vorgesehenen oder regulären Anwendungsumfeld belassen und dort verschiedenartige Messungen durch ein sich möglichst passiv verhaltenes Messgerät vorgenommen, wie dies beispielsweise bei einem Spektrumanalysator der Fall ist, sondern das Messobjekt wird für sich alleine vom Netzwerkanalysator versorgt und dabei in den Eigenschaften vermessen. Aufgrund dieses Umstandes zählen Netzwerkanalysatoren im Bereich der elektrischen Messtechnik zu den umfangreichsten Messgeräten.

Prinzip[Bearbeiten]

Der Netzwerkanalysator erzeugt im einfachsten Fall über seinen Testgenerator ein sinusförmiges Testsignal, der Frequenzbereich umfasst mehrere Dekaden und deckt praktisch alle technisch genutzten Frequenzbereiche zwischen 10 Hz bis zu 100 GHz ab. Der tatsächlich verwendete Frequenzbereich ist aber durch den Geräteaufbau des jeweiligen NA, die Art der Prüfung und durch die Eigenschaften des Messobjekts meist auf einen deutlich engeren Frequenzbereich eingeschränkt. Das erzeugte Testsignal bei einer bestimmten Frequenz ergibt bei linearen Testobjekten (DUT) eine ebenfalls sinusförmige Reaktion, welche sich in Amplitude und Phasenlage vom Testgenerator im Allgemeinen unterscheidet.

Ein skalarer Netzwerkanalysator, diese Geräte sind heutzutage als Messgeräte kaum noch üblich, erfasst dabei nur die unterschiedlichen Amplituden vom Testsignal und das vom DUT gelieferte Reaktionssignal und ist im Aufbau einfach gestaltet. Ein vektorieller Netzwerkanalysator (VNA), üblicherweise und auch im folgenden Text wird unter einem Netzwerkanalysator nur noch der vektorielle Netzwerkanalysator verstanden, erfasst die Amplitude und Phasenlage als komplexe Größe und kann somit auch die S-Parameter komplexwertig ausdrücken. Genau genommen werden keine Vektoren sondern der Phasor, ausgedrückt aus einem Betrag und einem Winkel, gemessen. Jeder Typ von Netzwerkanalysator misst sowohl das von ihm erzeugte Testsignal als auch das vom DUT veränderte Reaktionssignal und setzt diese Signale in Bezug. Dadurch lässt sich allgemein die für hohe Genauigkeitsanforderungen aufwändige Absolutwertmessung auf die mit weniger Aufwand relative Messung reduzieren.

Vektorielle Netzwerkanalysatoren sind durch einige prinzipbedingte Vorteile gekennzeichnet:

  • Eine Systemfehlerkorrektur im Rahmen der Kalibrierung ist nur bei komplexwertiger Signalverarbeitung möglich.
  • Mit der Systemfehlerkorrektur zusammenhängende Verfahren wie die rechnerische Kompensation der Messobjektaufnahme oder das sogenannte rechnerische oder virtuelle Einbetten des Prüflings in ein physikalisch nicht vorhandenes äußeres Koppelnetzwerk (englisch embedding and deembedding) ist prinzipbedingt nur bei komplexer Signalverarbeitung möglich.
  • Eine Zeitbereichsanalyse, die Darstellung als Funktion der Zeit bedingt die Transformation der Messdaten in den Zeitbereich, ist nur bei komplexwertigen Messdaten eindeutig möglich.
  • Übliche Abbildungen wie die Darstellung im Smith-Diagramm sind erst durch komplexe Messdaten eindeutig.

Netzwerkanalysatoren können nach dem Homodynprinzip, oder etwas aufwändiger, nach dem Hetrodynprinzip aufgebaut sein: Bei dem Homodynprinzip existiert im Messgerät nur ein einzelner Oszillator welcher sowohl das Testsignal liefert und auch als Oszillatorquelle für die Mischer im Empfangsteil dient. Komplexere Netzwerkanalysatoren basieren auf dem Hetrodynprinzip, wo der Oszillator für den Testgenerator von den Oszillatoren in den einzelnen Empfängern, der sogenannte LO-Oszillator, getrennt ist, und eine größere Variation an Messungen erlauben.

Aufbau[Bearbeiten]

Blockschaltbild eines Netzwerkanalysators mit zwei Messtoren und einem Testsender

Ein Netzwerkanalysator besteht aus zwei oder mehr Ports, auch als Messtor bezeichnet. Um ein Zweitor, beispielsweise ein Filter, ein Kabel oder eine Verstärkerstufe, in den S-Parametern vermessen zu können sind zwei Ports nötig. In linker Darstellung am Messobjekt (DUT) mit P1 und P2 bezeichnet. Übliche Netzwerkanalysatoren verfügen daher über zwei, größere Geräte über vier oder mehr Tore um auch Mehrtore ohne aufwändiges Umstecken vermessen zu können. Zur Erzielung noch höherer Torzahlen können externe Umschalter, sogenannte Schaltmatrizen, verwendet werden.

Jedes Messtor an einem üblichen Netzwerkanalysator kann sowohl als Sender als auch Empfänger betrieben werden, die Messtore sind symmetrisch aufgebaut und verfügen über jeweils eine dezidierte im NA eingebaute Messtorschaltung. Zur Reduzierung von Asymmetrien bei den im Messverlauf unter Umständen notwendigen Umstecken des Prüflings und der unterschiedlichen Eigenschaften von Stecker und Buchsen werden NA auch mit speziellen „geschlechtslose Verbindern“ wie der APC-Verbindung (englisch Precision Connector) ausgestattet, in der Skizze mit A1 und A2 bezeichnet. Daneben sind auch N-Steckverbinder mit hochwertigen Prüfkabeln gebräuchlich.

Die in jedem Tor des NA angebrachte Messtorschaltung besteht im Prinzip aus folgenden Komponenten, wie auch im rechts dargestellten Blockschaltbild dargestellt:

  • direkt am Messtor einen Richtkoppler (DC), welcher eine Trennung zwischen aus dem Tor des NA hinaus laufende und in das Tor einlaufende Welle vornimmt. Die einlaufende Welle wird dabei ausgekoppelt und direkt einem dem Tor zugeordneten Messempfänger, in der Blockdarstellung als RX-Test bezeichnet, zugeleitet.
  • Um das Tor aktiv vom NA anspeisen zu können befindet sich hinter dem Eingangsrichtkoppler ein Leistungsteiler welcher das vom Generator erzeugte Testsignal aufteilt: Ein Teil wird direkt dem zweiten Messempfänger, in der Blockdarstellung als RX-Ref bezeichnet, zugeleitet, der andere Teil wird zur Anspeisung des Messobjekts verwendet
  • Weiters weist ein Messtor zwei fix zugeordnete Empfänger auf: Einer Empfänger (RX-Test) für die Messung des auf den Eingang von extern einlaufenden Signals und ein Messempfänger (RX-Test) für die Messung des Generatorsignals.
  • Je nach Umfang der Ausstattung weist der NA, wie im Bild dargestellt, nur einen umschaltbaren Testgenerator auf, der wahlweise auf einen der Ausgänge geschaltet werden kann. Komplexere NA weisen mehrere, unabhängige Testgeneratoren auf. Jeder Testgenerator ist üblicherweise auch in seiner Amplitude über ein nachgeschaltetes einstellbares Dämpfungsglied veränderbar.

Umfangsreichere Netzwerkanalysatoren bieten darüber hinaus zusätzliche Möglichkeiten die einzelnen Verbindungen in der Messtorschaltung über nach aussen geführte Eichleitungen zu trennen. Normalerweise sind diese Eichleitungen als Brückenverbindung geschlossen, durch das Öffnen der Brücken können bei Bedarf andere Verschaltungen im Eingangsbereich vorgenommen werden. Beispielsweise ist damit eine direkte Signaleinspeisung zum Eingang des Messempfängers unter Umgehung des eingangsseitigen Richtkopplers möglich oder es können zusätzliche Dämpfungsglieder vor den Empfängern geschaltet werden.

Die einzelnen Messempfänger, für einen Netzwerkanalysator mit zwei symmetrischen Ports sind wie in der Blockdarstellung dargestellt vier Messempfänger nötig, weisen bei den üblichen Hetrodynprinzip einen vom Testgenerator unabhängigen Lokaloszillator auf, welcher unabhängig vom Testgenerator veränderbar und die empfangenen Signale in die Zwischenfrequenzlage (ZF) umsetzt. Diese ZF wird durch schnelle Analog-Digital-Umsetzer digitalisiert. In der nachfolgenden digitalen Signalverarbeitung in einem Mikroprozessor, in Kombinationen mit spezieller Hardware wie Field Programmable Gate Array (FPGAs) und darin aufgebauten I/Q-Demodulatoren, werden daraus komplexwertige Basisbandsignale erzeugt welche die Rohmesswerte bilden. Nach Durchlaufen der Systemfehlerkorrektur werden aus den Rohmesswerten die einzelnen Streuparameter des Messobjektes numerisch berechnet.

Messabfolge[Bearbeiten]

Ermittlung der S-Parameter am Zweitor
Betragsdarstellung aller vier Streuparameter eines Zweipols

Die Messung der Streuparameter, jeweils bei einer bestimmten Frequenz, lassen sich dann wie an rechts dargestellten Zweipol als folgende vereinfachte Abfolge beschreiben:

  • S11 wird aus dem Verhältnis von reflektiertem zu gesendetem Signal ermittelt. Sie stellt die Eingangsreflexion am ersten Tor dar.
  • S21 wird aus dem Verhältnis von übertragenem zu gesendetem Signal ermittelt. Sie stellt die Vorwärtstransmission von ersten zu zweiten Tor des Messobjektes dar.

Um alle vier Parameter des Zweipols zu ermitteln, wird der Testgenerator mit dem Umschalter SW1 auf den anderen Port umgeschaltet und der Ablauf obiger beider Punkte wiederholt sich in spiegelbildlicher Weise um die beiden fehlenden Parameter S22 (Ausgangsreflexion am Tor 2) und S12 (Rückwärtstransmission von Tor 2 zu Tor 1) zu ermitteln. Bei Netzwerkanalysatoren mit pro Port eigenen Testgenerator entfällt der Umschaltvorgang. Jeder der vier S-Parameter ist komplexwertig, besteht aus der Angabe eines Betrags und Winkel.

Dieser Durchlauf (englisch sweep) wird über den gewählten Frequenzbereich mit einer bestimmten spektralen Schrittweite automatisch durchgeführt. Aufgrund der dabei auftretenden großen Datenmengen besitzen praktisch alle Netzwerkanalysatoren die Möglichkeit Messwerttabellen auf Datenträgern zu speichern oder über Datenverbindungen wie LAN-Verbindungen übertragen zu können. Ein bei Netzwerkanalysatoren übliches Austauschdatenformat ist das Touchstone-Dateiformat, welches auch in vielen Programmen zur Schaltungssimulation als Datensatz direkt eingelesen und weiter verarbeitet werden kann.

Netzwerkanalysatoren mit eingebautem Bildschirm zeigen die gemessenen S-Parameter als Amplituden- oder Phasengang als Funktion der Frequenz oder in komplexer Darstellung in einem Smith-Diagramm an. Die Darstellung im Smith-Diagramm ist bei der Eingangs- und Ausgangsreflexion (S11 und S22) von Interesse. Sie dient beispielsweise dazu, die geeignete Impedanzanpassung (englisch Matching) zur Leistungsanpassung zu ermitteln.

Manche Netzwerkanalysatoren bieten darüber hinaus weitere Darstellungsmöglichkeiten, wie beispielsweise die Anzeige der Gruppenlaufzeit über die Frequenz. Die Gruppenlaufzeit des gewählten S-Parameters wird durch Ableitung des Phasenganges ermittelt, die numerische Berechnung und Darstellung als Diagramm übernimmt der im Messgerät eingebaute Rechner.

Kalibrierung und Systemfehlerkorrektur[Bearbeiten]

Einfacher vektorieller Netzwerkanalysator bis 1,3 GHz mit USB-Steuerung. Links das Kalibrierkit mit Kalibrierelementen

Die einzelnen Komponenten in der Messtorschaltung eines Netzwerkanalysators und der zusätzlich verwendeten Komponenten wie Messkabeln sind fehlerbehaftet. Dabei muss zwischen zwei grundsätzlichen Arten von Fehlern unterschieden werden:

  • Zufällige Messabweichungen die beispielsweise im Rahmen von Rauschen auftreten. Diese Abweichungen können nur statisch erfasst werden und können grundsätzlich nicht mit der Systemfehlerkorrektur minimiert werden.
  • Systematische Messabweichungen wie Frequenz- und Phasengang vom Messgerät und Kabeln sind dadurch gekennzeichnet dass sie reproduzierbar und zeitlich unveränderlich vorhanden sind und sich besonder bei höheren Frequenzen stark auf die Messergebnisse auswirken. Sie können mittels einer numerischer Systemfehlerkorrektur weitgehend kompensiert werden.

Für die Systemfehlerkorrektur ist es notwendig die systematischen Messabweichungen zunächst zu erfassen um sie anschliessend von den gemessenen Rohmesswerten entfernen zu können. Diese Messung der Systemfehler erfolgt im Rahmen der Kalibration des Netzwerkanalysators, üblicherweise unmittelbar vor der eigentlichen Messung und bei einem dem eigentlich Messaufbau möglichst nahe kommenden physischen Aufbau. Im Rahmen der Kalibration sollen dabei die auch später bei der eigentlichen Messung eingesetzte Komponenten wie Koaxialkabel, Steckverbindungen oder zusätzliche Dämpfungsglieder mit erfasst werden. Trotzdem können im Rahmen zeitlich länger dauernder Messungabläufe kleinere systematische Abweichungen auftreten, beispielsweise zufolge einer Temperaturänderung des Gerätes. In diesen Fällen kann es notwendig sein, die Kalibration in bestimmten Abständen zu wiederholen.

Zur Kalibration werden nacheinander verschiedene Kalibrierstandards mit bekannten elektrischen Eigenschaften statt dem Messobjekt eingesetzt und die dabei auftretenden Messwerte ermittelt. Da die Eigenschaften der Kalibrierstandards im Rahmen eines gewissen Fehlers schon bekannt sind, sind damit gemessene Abweichungen eine Folge der systematischen Abweichung. Bei der anschliessenden Messungen werden die erhaltenen Rohmesswerte mit den bei der Kalibration ermittelten Fehlerkoeffizienten verrechnet und so die durch den Netzwerkanalysator und Aufbau systematisch verursachten Fehler kompensiert.

Jede Veränderung des Messfrequenzbereiches, wie höheren oder tieferen Frequenzen, der Wechsel der Messleitungen, Modifikationen der Anschlüsse, Veränderungen an den Eichleitungen und ähnliches mehr machen eine Neukalibrierung erforderlich. Je nach Methode und Anzahl der Messtore müssen zur Kalibrierung mehrere Messungen mit den entsprechenden Standards durchgeführt werden. Somit kann ein Kalibirierungsvorgang mehrere Minuten in Anspruch nehmen. Die Zeit hängt zusätzlich noch von der Messkonfiguration des NA ab. Je mehr Messpunkte innerhalb des gewünschten Frequenzbereiches sind und je länger die Wartezeit bei einem Messpunkt ist, desto länger dauert die Kalibrierungsmessung eines jeden Standards. Darüber hinaus existieren auch automatische Kalibriereinrichtungen, die die unterschiedlichen für eine Kalibrierung notwendigen Standards in einem kompakten Gehäuse kombinieren. Während des Kalibriervorganges, bei dem automatisch vom Netzwerkanalysator die Standards ein- oder umgeschaltet werden, ist eine manuelle Umverkabelung dann nicht mehr notwendig.

Es existieren eine Reihe von unterschiedlichen Kalibrierverfahren die sich nach den Möglichkeiten des Netzwerkanalysators, dem Aufwand und Genauigkeitsanforderungen unterscheiden. Sie sind in der Regel nach den Anfangsbuchstaben der verwendeten Kalibrierstandards benannt:

  • OSL bzw. MSO: Open-Short-Load bzw. Match-Short-Open
  • SOLT: Short-Open-Load-Through
  • TAN: Through-Attenuation-Network
  • TRL: Through-Reflect-Line

Bei der Kalibrierung eines Zweitors treten allgemein 12 mögliche systematische Fehlergrößen auf, bei dem 12-Term-Fehlermodell werden alle diese Fehlergrößen bei der Kalibrierung erfasst. Bezogen auf das erste Tor zu zweiten Tor sind die sechs Fehlergrößen:

  1. parasitäre Reflexion direkt am ersten Tor
  2. Dämpfung und Phasenverschiebung der Übertragungsleitung am ersten Tor
  3. Fehlanpassung des Testgenerators an das Messobjekt (Reflexionsmessung)
  4. Dämpfung und Phasenverschiebung der Übertragungsleitung am zweiten Tor
  5. Fehlanpassung des Messobjektes an dem Empfängereingang (Transmissionsmessung)
  6. Übersprechen von ersten Tor zu zweiten Tor

Da ein Zweitor im Regelfall von beiden Seiten aus gemessen wird, treten diese sechs Fehlergroßen nochmal spiegelsymmetrisch vom zweiten Tor zu ersten Tor auf, was in Summe 12 systematische Fehlergrößen ergibt.

Kalibrierstandards[Bearbeiten]

Im folgenden sind einige der üblichen Kalibrierstandard beschrieben.

Open[Bearbeiten]

Bei einem Open (deutsch: Offen) ist die Messleitung definiert offen, das heißt mit nichts verbunden. Ein offenes Leitungsende bewirkt eine Totalreflexion des gesendeten Signals. Betrachtet man die komplexen Daten einer Reflexionsmessung an einem Tor des Netzwerkanalysators im Smith-Diagramm, so definiert der Open den Punkt Unendlich auf der X-Achse.

Short[Bearbeiten]

Bei einem Short (deutsch: Kurzschluss) ist die Messleitung definiert mit der Leitungsschirmung (Masse) verbunden, d. h. kurzgeschlossen. Ein kurzgeschlossenes Leitungsende bewirkt ebenfalls eine Totalreflexion des gesendeten Signals, jedoch ist die Phase des Signals gegenüber den Open um 180° gedreht. Im Smith-Diagramm definiert der Short den Punkt Null auf der X-Achse.

Match[Bearbeiten]

Bei der Match-Kalibrierung (deutsch: Angepasst) wird die Messleitung mit dem Leitungswellenwiderstand abgeschlossen. Üblich ist der Wert von 50 Ω. Ist das Messtor mit seinem Wellenwiderstand abgeschlossen, treten keine Signalreflexionen auf, im Smith-Diagramm definiert der Match den Punkt Eins auf der X-Achse, das heißt den Mittelpunkt des Diagrammes. Dieser Punkt wird im Zusammenhang mit Netzwerkanalysatoren auch häufig mit dem Begriff Systemimpedanz bezeichnet.

Through[Bearbeiten]

Bei der Through-Messung (deutsch: Durchgehend) sind zwei Tore miteinander über eine definierte Verbindungsleitung verbunden. Da der Through-Standard im Gegensatz zu den vorherigen Kalibrierstandards über zwei Tore verfügt, wird er den Zweitorstandards zugerechnet.

Reflect[Bearbeiten]

Der Reflect-Standard stellt eine allgemeinere Form des Short oder Open dar, bei dem die genauen Eigenschaften nicht bekannt sein müssen. Er ist daher nur bei den Kalibrierverfahren, die über mindestens einen Selbstkalibrierstandard verfügen, dies ist ein nicht vollständig bekannter Standard, verwendbar. Geeignete Kalibrierverfahren für Reflect sind zum Beispiel TRL oder TRM.

Attenuation[Bearbeiten]

Der Attenuation-Standard stellt genauso wie der Reflect einen Selbstkalibrierstandard dar, ist im Gegensatz zu ihm aber ein Zweitorstandard, der zwischen die beiden zu kalibrierenden Tore geschaltet wird. Der Attenuation-Standard sollte über eine möglichst konstante Einfügungsdämpfung verfügen, deren exakter Wert nicht bekannt sein muss – und aber muss reziprokes Verhalten aufweisen, das heißt keine richtungsabhängigen Eigenschaften besitzen.

Line[Bearbeiten]

Der Line-Standard ist ähnlich wie der Through ein möglichst rückwirkungsfreier Zweitorstandard, dessen Impedanz bekannt sein muss. Es muss dabei die elektrische Länge exakt bekannt sein, sofern dieser Leitungsstandard ein Through ersetzt. Ist TRL vollständig programmiert, so muss die Länge von L nur auf ±90° bekannt sein.

Frequenzumsetzende Messungen[Bearbeiten]

Es ist weiterhin mittels entsprechender Netzwerkanalysatoren, einer Zusatzsoftware mit speziellen Kalibrierverfahren wie Without Thru, sowie zwei weiteren Kalibrierstandards, Kammgenerator und Leistungsmesskopf, auch möglich frequenzumsetzende Messungen durchzuführen. Neben vektoriellen Oberwellenmessungen sind somit auch kalibrierte vektorielle Intermodulations- und Mischermessungen möglich. Die vektorielle Information erlaubt eine Beschreibung von nichtlinearen Effekten und deren Lokalisierung. Darüber hinaus ist dieser NWA als präzises Sampling-Oszilloskop einsetzbar, da Fehlanpassungen zum Messobjekt, im Gegensatz zu Oszilloskopen, durch die Systemfehlerkorrektur des Netzwerkanalysators eliminiert werden.

Literatur[Bearbeiten]

  •  Michael Hiebel: Grundlagen der vektoriellen Netzwerkanalyse. 3. Auflage. Rohde & Schwarz Publication, 2006, ISBN 978-3-939837-05-3 (Online).
  •  Joachim Müller: Praxiseinstieg in die vektorielle Netzwerkanalyse. beam-Verlag, Marburg 2011, ISBN 978-3-88976-159-0.

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Network analyzers – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien