Netzwerkanalyse / Reflexions- und Transmissions-Messung.

Netzwerkanalyse für die präzise Charakterisierung elektronischer Designs.

Der Netzwerkanalysator kommt für Stabilitätstests, zur Bauteilecharakterisierung oder zur Messung des Frequenzgangs zum Einsatz. Typische Anwendungen für die Netzwerkanalyse sind unter anderem die Bestimmung der S-Parameter, die Einfügedämpfung von Filtern oder die Übertragungseigenschaften von Verstärkern. Unser Überblick über das Funktionsprinzip erleichtert Ihnen den Einstieg in die Netzwerkanalyse. dataTec unterstützt Sie bei der Auswahl Ihres neuen Netzwerkanalysators:

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Einatz & Anwendung

Reflexions- und Transmissions-Messung
an elektronischen Messobjekten.

Warum Netzwerk-Analysatoren? Netzwerk-Analysatoren werden in der Elektronik, Nachrichtentechnik und HF-Technik eingesetzt, um die Reflexion und Transmission von elektrischen Messobjekten (DUT = Device Under Test / Prüfling) als Funktion der Frequenz zu messen.

Die Netzwerkanalyse ist eine Vorgehensweise, mit der Ingenieure und Hersteller die elektrischen Eigenschaften von Modulen und Schaltungen, die in komplexen Systemen wie z. B. Übertragungssysteme, eingesetzt werden verifizieren.

Werden diese Systeme mit Signalen beaufschlagt, die Informationen beinhalten, so gilt es diese Signale mit maximaler Effizienz und ohne Verzerrungen zu übertragen. Mit Netzwerkanalysatoren lassen sich derartige Module, Schaltungen und Komponenten vermessen, um ihren Einfluss auf die Amplitude und Phase bei unterschiedlichen Frequenzen bzw. Frequenzbänder festzustellen.

Jedes elektronische Signal ist durch seine Amplitude, Frequenz und Phase charakterisiert, die entsprechend durch den Frequenz- und Phasengang der übertragenden Module, wie Verstärker, Filter, Mischer usw. beeinflusst werden.

Das Funktionsprinzip
Der Netzwerkanalysator mit dem integrierten Signalgenerator sendet ein Signal, dessen Frequenz, Amplitude und Phase bekannt sind, auf ein Messobjekt (DUT). Diese Anregung der Schaltung wird nun vermessen, was zu den S-Parametern (siehe unten) führt. Der Prüfling reflektiert einen Teil dieses Signals. Der Rest läuft in das Messobjekt, wird dort verändert (gedämpft, verstärkt, phasenverschoben, gemischt) und tritt am Ausgang des DUT (Device Under Test) als übertragenes Signal in Erscheinung; durch Fehlanpassung am Ausgang an die Last (folgende Stufe) kann auch hier wieder ein Teil des transmittierten Signals reflektiert werden.


S-Parameter
Eines dieser Qualitätskriterien sind die S-Parameter, die Aufschluss darüber geben, welche Signalanteile mit welcher Beeinflussung übertragen werden und wie hoch die jeweiligen reflektierten Anteile sind. Die S-Parameter sind Kenngrößen, die diese Veränderung oder das lineare Verhalten des Prüflings beschreiben:

  • S11 ist der Eingangs-Reflexionsfaktor; er gibt Auskunft über die Anpassung der Signalquelle an die Schaltung,
  • S22 ist der Ausgangs-Reflexionsfaktor, der Aufschluss über die Anpassung des Ausgangs an den Eingang einer nachfolgenden Schaltung gibt,
  • S21 ist der Transmissionsfaktor, er ist gleichbedeutend mit der Verstärkung oder Dämpfung durch die zu messende Schaltung
  • S12 ist der Rücktransformationsfaktor und gibt Auskunft über den Signalanteil, der vom Ausgang der zu testenden Schaltung an deren Eingang reflektiert wird.

Mit diesen Netzwerkanalysatoren können Aussagen zur Signal-Amplitude und -Phase getroffen werden. Ferner lassen sich die S-Parameter von Komponenten oder Systemelementen messen und auch für weitergehende Simulationen nutzen.

Eine typische Messergebnisdarstellung ist das Smith-Diagramm. Mit dessen Hilfe lässt sich die Stabilität bzw. die Schwingneigung einer Schaltung feststellen. Es ist wichtig das Systemverhalten in der Nähe der Schwinggrenze (Polstellen) zu untersuchen, bzw. man kann das Systemdesign so auslegen, dass es durch eine Anregung (z. B. Störimpuls) nicht selbstständig beginnt zu schwingen, was einem Ausfall des Systems gleichkommt. Aus diesem Grund sind Netzwerk-Analysatoren unerlässlich.

Die nebenstehende Grafik zeigt exemplarisch ein Smith-Diagramm und dessen Interpretation.


X-Parameter
Bisher wurden die Module und Schaltungen als lineare Bauelemente betrachtet bzw. wurden nur in ihrem linearen Bereich ausgesteuert.

Will man jedoch ein Modul im nichtlinearen Bereich aussteuern, z. B. einen Mischer oder Begrenzer, so können mit dem Netzwerkanalysator auch die X-Parameter gemessen werden. Dieser Parametersatz beschreibt die Übertragungsfunktion bei nichtlinearen Systemen bzw. das Groß-Signalverhalten in nichtlinearen aber stetigen Systemen. So lassen sich Komponenten bis an die Linearitätsgrenze (z. B. bei Begrenzern) und darüber hinaus qualifizieren.

Einsatzgebiete
Netzwerk-Analysatoren dienen zur Messung elektrischer Netzwerke, HF-Komponenten und HF-Schaltungen wie beispielsweise von Dämpfungsgliedern, Filtern, Richtkopplern, Antennen, Spulen, Schaltungen, Verstärkern oder Mischern.

Reflexionen, Stehwellenverhältnis und Übertragungsfaktoren können nach Betrag und Phase, abhängig von der Frequenz, bestimmt werden. Der Frequenzgang dieser Einzel- bzw. System-Komponenten lässt sich mit diesen Geräten messen und sichtbar machen.


Vorteile

Vorteile der Netzwerkanalyse.

Mit diesem Messgerätetyp lassen sich die Komponenten aufeinander abstimmen, so dass Reflexionen vermieden werden und eine bessere Anpassung der Systemelemente zueinander erreicht wird. Unangenehme Echos, Fehlanpassungen, erhöhtes Rauschen und im schlimmsten Fall Systemausfälle lassen sich dadurch vermeiden und man erhält eine bessere Systemqualität und Systemstabilität.

Die neuere Gerätegeneration zeichnet sich durch bandbreiten-variable Auflösebandbreiten (Resolution Bandwidth) aus, mit denen sich Messungen über einen weiten Frequenzbereich sehr schnell durchführen lassen. In der Höchstfrequenztechnik beim Qualifizieren von Hohlleitern, generell bei Übertragungsleitungen sind Netzwerk-Analysatoren das Werkzeug, um einen konstanten Übertragungsfaktor und einen linearen Phasenverlauf über den interessierenden Frequenzbereich sicher zu stellen bzw. zu qualifizieren.


Bauformen

Stationär und Mobil.

Stationäre- / Tischgeräte
Stationäre Netzwerkanalysatoren bzw. Netzwerkanalysatoren als Tischgeräte sind in der Regel leistungsstarke universell einsetzbare Geräte, welche vorwiegend in der Entwicklung oder der Produktion eingesetzt werden.

Mobiler Einsatz
Für den mobilen Einsatz z. B. im Prüf- und Servicebereich sind Handheld Geräte verfügbar. Diese sind meist Kombi-Geräte und enthalten gleich mehrere Gerätearten wie z. B. einen Spektrumanalysator, einen Vektor-Netzwerkanalysator und ein HF-Leistungsmessgerät. Durch die kompakte Bauweise und den umfangreichen Funktionsumfang müssen Abstriche bei der Leistung gemacht werden.


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