Frequenzerweiterungsmodule für Netzwerkanalysatoren bis 1,5THz

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 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!).

Anwendungen: Transmitter- und Empfängertest, On-Wafer Messungen, Antennen-Messungen etc.

Diese sind in unterschiedlichen Formfaktoren verfügbar (Standard, Mini und Micro). 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 für die Anbringung auf einen Roboterarm.

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.

Folgende Messkonstellationen werden von den VNAX-Modulen unterstützt:

Tab.: Verfügbare VNAX-Module mit Leistungseigenschaften

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 VNA’s raten wir dazu, uns im Vorfeld zu kontaktieren, um die Kompatibilität der vorhandenen Geräte exakt zu überprüfen.

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

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/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.

Diese Anordnung kann am besten - wie hier gezeigt - durch die Skizze für ein VNA-Modul erläutert werden:

* 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, so dass 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.

Für Messungen oberhalb 1000GHz ist es wegen der besseren Stabilitäts- und Rauscheigenschaften ratsam, eine hochwertigere, externe Quelle (Synthesizer,  z.B. die Keysight PSG Reihe – mit UNX Option) einzusetzen, statt der internen Quellen.  Die Module bieten die Möglichkeit, diese entweder mit einem "Low-" oder mit einem "High"-Frequency- RF-Signal zu betreiben. Für die "High-Frequency Option“ wird eine 2x Multiplikationsstufe entfernt, was oberhalb 500GHz gewisse Vorteile bezüglich des Oberwelleninhalts aufweisen kann.

Verwendet man das Leistungsmessgerät PM5 (Power Meter) von VDI, wird auch das „Power-Levelling“ oder „Power-Sweeping“ mit den VDI VNAX-Module  unterstützt,

Zur Kalibration der  VNAX-Module wird ein passendes Kalibrierkit je Hohlleiterband eingesetzt. Zwei Kalibrierverfahren werden abhängig von den Frequenzbändern der Module angeboten: TRL („Through-Reflect-Line“) von WR15 bis WR3.4, bzw. SOLT (Short-Open-Load-Through) von WR2.8 bis WR1.0.

Jedes Modul benötigt einen Kabelsatz bestehend aus 1 x RF-Kabel, 1 x LO-Kabel und 2 x IF-Kabel – (Standard Länge 1,2 m, längere Kabel bis 5m auf Nachfrage). Für Antennen-Messungen können sogar Kabel bis zum 8-10 m zum Einsatz kommen.

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.

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.

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.

Millimeter-Wave Configuration Block Diagram