Frequenzerweiterungsmodule für Netzwerkanalysatoren

VNAX

Messkonfiguration zur Ermittlung von S-Parametern eines zwei-Tor Bauteils im Millimeterwellenbereich

Der vektorielle Netzwerkanalysator (VNA) wird in verschiedenen Bereichen der HF-Technik eingesetzt, um die komplexen Streuparameter diverser Bauteile/Bauelemente zu ermitteln. Er spielt daher eine wesentliche Rolle in der Entwicklung oder Produktion. Die Präzision der Messung wird durch den Einsatz hochwertiger Quellen und Empfänger gewährleistet. Eine wesentliche Rolle spielt dabei das Kalibrierverfahren.

Moderne Kommunikationsstandards (wie z.B. 5G) stellen hohe Anforderungen an Bauteile (Mischer, Verstärker, Antennen usw.), die in höheren Frequenzbändern (Millimeterwellen) untersucht werden müssen: z.B. eine weite Frequenzabdeckung, ausreichende Ausgangsleistung, um die Bauteile in der Kompression zu betreiben, einen hohen Dynamikbereich sowie Stabilität als auch einen reduzierten Oberwelleninhalt in dem Spektrum.

Die VNA –Millimeterwellen-Konverter (VNAX) von Virginia Diodes (VDI) bieten eine Erweiterung der Testmöglichkeiten & Netzwerkanalyse für Bauteile und Antennen über die Millimeterwellen-Bänder von 50GHz bis 1.5THz mit hervorragendem Dynamikbereich (>-100dB bei 500GHz) und sehr guter Ausgangsleistung (>-30dBm bei 1THz!).

Mögliche Konfigurationen und Optionen

Es sind in zwei Formfaktoren verfügbar:

  • Standard
  • Mini

Dank geringer Abmessungen und reduziertem Gewicht (21cm - ¼ eines Standardmoduls- und 1,8kg für ein Mini-VNAX Modul) können diese sehr leicht für On-Wafer-Messungen auf einen Prober integriert werden. Für Antennen-Messungen ist das Rx-Micro Modul ideal zur Anbringung auf einen Roboterarm.

Mögliche Konfigurationen und Optionen

Besonders vorteilhaft bezüglich der thermischen Eigenschaften erweisen sich die kleinen Abmessungen der VNAX-Mini Module. Eine reduzierte Masse sollte die Stabilitäts- und Phasenverschiebungen im System verhindern und somit die Unempfindlichkeit des Messaufbaus gegenüber Temperaturschwankungen in der Umgebung steigern.

Für manche Messungen ist es hilfreich, dass die VNAX-Module optional mit einem variablen Dämpfungsglied (~0-30 dB) ausgestattet werden können.

Für „Active Load Pull“-Aufbauten können VNAX-Module mit zusätzlicher Hardware für Amplituden- und Phaseneinstellung als „elektronische“ Tuner eingesetzt werden. Module mit einer „High-Power“ Option haben kleinere Einschränkungen im verfügbaren Frequenzbereich.

Funktionsprinzip des Moduls:

Block Diagram eines Standard-TxRx-Erweiterungsmoduls
  • Das VNAX-Modul besteht aus einem Sender, der mit dem RF Signal aus dem PNA gespeist wird, gefolgt von zwei „back-to-back“ Richtkopplern.
  • Ein Empfänger ist an jeden Richtkoppler angeschlossen: Einer wird als Referenzkanalempfänger („reference mixer“ - damit wird die hinlaufende Welle gesampelt) bezeichnet, der andere als Messkanalempfänger („measurement mixer“ für die rücklaufende Welle).
  • Die zwei Signale aus dem PNA (RF und LO) sind mit einem kleinen Frequenzversatz zueinander vorgesehen, sodass gemäß Heterodynprinzip das Messsignal auf eine Zwischenfrequenz umgesetzt wird. Wesentlich dabei ist, dass sowohl die Betrags- als auch die Phaseninformation des Messsignals erhalten bleiben.
  • In dem Sender wird das RF-Eingangssignal verstärkt und mit Hilfe eines Vervielfachers auf ein hohes Frequenzband konvertiert, auf dem die Messobjekte untersucht werden.
  • Das Signal des Senders wird über die zwei Richtkoppler hin- und zurück zum Messobjekt (DUT) transportiert. Der erste Richtkoppler tastet das auf das Messobjekt einfallende Signal ab, während der zweite das vom Messobjekt reflektierte Signal zeigt.  Oder wie oben dargestellt, verwendet man zwei VNAX-Module und nimmt eine vollständige Zwei-Tor-Messung vor. Dann wird das durch das Messobjekt transmittierte (übertragene) Signal vom zweiten VNAX-Modul dargestellt.
  • Der Empfänger besteht aus einem Verstärker und einem Vervielfacher, um das LO-Signal für einen subharmonischen Mischer zu erzeugen; der Referenzmischer setzt die Referenz für den Betrag und die Phase des Signals, während der Messkanalmischer die Information über das Messobjekt erfasst.
  • Der Ausgang (Messport) besteht aus einem 1-Zoll-Hohlleiteranschluss, dessen Abmessungen dem jeweiligen Frequenzband entsprechen.
VNAX-Set

Die VDI Module werden mit einem AC/DC-Modul versorgt, mit einem RF/LO/IF-Kabel verbunden und mit entsprechender Software gesteuert. Die Ausstattung und ihre Specs unterscheiden sich je nach Frequenzbereich und Leistung. Lassen Sie sich bei der Auswahl der richtigen Accessoires für Ihre Anwendung beraten.

 

 

Kalibrier-Kit

VDi bietet Hohlleiter-Kalibrationskits für S-Parameter Kalibration der Extension Module. Abhängig vom Frequenzbereich gibt es zwei Kalibriertechniken: die TRL (Through-Reflect-Line) für WR-19 bis WR-3.4 und SOLT(Shot-Open-Load-Line) für WR-2.8 bis 1.0. Es werden auch Type A (Legacy) und Typ B (Current) versionen als Kalibrierstandard angeboten. Damit werden beide Standards QW(Quarter Wave Delay Shim) und QD (Quarter Wave Delay Short) unterstützt.

VDI Kalibrierkit
VDI Kalibrierstandards

Anwendungen

Die VNAX-Module sind im Allgemeinen für die Verwendung mit allen VNA-Modellen bekannter Hersteller (z.B. Keysight, R&S, Anritsu) geeignet. Speziell bei älteren VNAs raten wir dazu, uns im Vorfeld zu kontaktieren, um die Kompatibilität der vorhandenen Geräte exakt zu überprüfen.

Eine Mindestanforderung an den VNA ist die Verfügbarkeit von zwei Quellen und vier Toren (2-Sources, 4-Ports). Keysight Geräte benötigen außerdem die Option 080 [Frequency Offset].

Diese ermöglicht dem PNA einen Versatz zwischen der Frequenz des Generators bzw. der Quelle und des Empfängers. Die erste Quelle in den PNA wird für den RF-Anteil des Signals verwendet, während die zweite für das LO-Signal eingesetzt wird.

Die Rx Module können zusätzlich als hochempfindliche Rx-HS (für „High-Sensitivity“) konfiguriert werden. Diese eignen sich sehr gut für Messobjekte mit erheblichen Verlusten. Die Messanordnung im nächsten Bild zeigt einen Aufbau mit Verstärkung am Ausgang des Rx-HS Signals.

Mögliche Konfigurationen der VNA Extention Module


Millimeter Wave Konfiguration Block Diagramm

Die Anritsu VectorStar VNA-Familie bietet mit dem Millimeter Waveguide VNA System ebenfalls eine Messlösung bis 1,1THz an.Um die VDI Module mit einem Gerät der MS464xB VectorStar Familie zu betreiben, benötigt man

  • Option 7 [Receiver Offset]
  • Option 80, 81, 82 oder 83
  • 3739C Broadband/Millimeter-Wave Test Set und Interface und Kabel

Für 1,1 THz Operation muss ein VectorStar Modell ab 40GHz genutzt werden.

Dual Source Module Option
Charakterisierung der Linearität mit Dual Source Modul

Die Dual Source (DS) Option für VDI-Module führt eine zusätzliche Quelle und einen direktionalen Koppler in das Standard-Modul. Damit sind Zweitonmessungen möglich. Solche Messungen werden zum Beispiel für die Charakterisierung der Linearität eines DUTs benötigt. Diese Erweiterung gibt es mit einer Reduzierung der Eingangsleistung des Modules und auch des Dynamic-Bereiches.