Hallo Leute,
im Zuge einer Hausarbeit sollte ich versuchen eine
Messbereichserweiterung für einen Netzwerkanalysator zu konzipieren.
Grundidee dabei ist es, das Stimulussignal des VNA hochzumischen, auf
das DUT zu geben und anschließend wieder herunterzumischen um es wieder
dem Tor des VNA zuzufühen.
Konkret in meinem Aufbau bedeutet das, dass ich den VNA von 1-13 GHz
sweepen lasse um ihn dann mit 27 GHz auf 30-40 GHz zu mischen und
anschließend mit dem gleichen Mischer (ZweiWegeMischer HMC560A) wieder
runter zu mischen.
Hierbei geht es nur um den Proof-Of-Concept, ob so etwas überhaupt
Erfolg haben könnte. Meine Theorie steht soweit, Hauptknackpunkt sind
die Mischprodukte, die sonst noch aus Mischer rauskommen (Modulation
erzeugt die Summe und Differenz der Frequenzen) welche ich mit Filtern
versuche zu unterdrücken. Der konzeptionelle Aufbau befindet sich als
Datei im Anhang.
technische Eckdaten:
VNA = ZNA40 von Rhode und Schwarz
Mischer = HMC560A von Analog Devices
LO = Hausgemacht, 27 GHz 10 dBm - Oberwellen nicht erfassbar (Speki kann
nur 30GHz)
Hochpass = hausgemacht, Übertragungsfunktion im Anhang
Alle Komponenten sind mit 2,92 mm SMA K-Steckern verbunden.
Was ich erwarte:
Ideal wäre ein Resultat, wie es im Anhang als 'Erwartung' aufgeführt
ist. Man erhält die Antwort des DUT im Bereich 3-13 GHz, die es
eigentlich im Bereich 30-40 GHz hätte. Ja, so wird es natürlich nicht
aussehen, schon allein wegen der Verluste im Mischer. Aber davon
abgesehen wäre ein Linearer Frequenzgang der Erweiterungsstrecke
(Mischer + Filter) sehr wünschenswert.
Praxis:
Hier ist der springende Punkt. Ich weißt einfach nicht mehr weiter.
Anbei befindet sich eine Messung bei der das DUT ein 0-40 GHz
Open/Short/Match ist.
Ich würde erwarten, dass der Match alles schluckt (in Wirklichkeit eine
Dämpfung von ca 20 dB) und die Open und Short voll reflektieren. Leider
sieht man in der Messung gar keinen Unterschied im Amplitudengang der
Antworten der verschiedenen DUT. Immerhin sieht man den erwarteten
Phasengang zwischen Short und Open, womit schon mal feststeht, dass die
Messstrecke einen "Durchgang" hat. Der Unterschied zwischen einem Match
und einer 32 GHz Antenne ist auch aussagenlos, bzw. zeigt keine
signifikante Differenz zwischen den Gängen an gefragter Frequenz (32 =
27+5, also bei 5GHz im VNA) (Ergebnissez.Zt nicht zur Hand, folgt
später).
Erwarte ich das falsche Ergebnis, oder ist dieses Experiment zum
Scheitern verurteilt? Ich würde mich sehr über eure Einschätzungen dazu
freuen, da ich nicht so recht weiß, was ich nun noch überprüfen oder in
Betracht ziehen sollte.
Ich hoffe mein Projekt etwas umrissen zu haben, hoffe, dass jemand
vielleicht noch einen interessanten Anstoß dazu hat.
Vielen Dank,
Beste Grüße
Frank
Du willst "durch den Mischer durch" S11 messen, das ist schon mutig. Du
musst den Mischer (und den Hochpass) irgendwie herauskalibrieren, wie
hast du dir das vorgestellt?
Hi Frank,
interessantes Projekt, kannst du noch ein paar mehr Infos zum Aufbau
geben?
Hast du den LO also jetzt selber gebaut oder benutzt wie im Bild den R&S
Generator?
wie hast du dein Hochpassfilter realisiert?
Zu deiner Frage. Meiner Meinung nach müsste das funktionieren, sehe ich
genauso wie du. Es gab bei HP auch mal eine Appnote zu dem Thema, finde
ich aber grade nicht.
Das hier ist auch interessant
http://www.arrl.org/files/file/QEX_Next_Issue/2015/Jan-Feb_2015/Audet_QEX_Jan-Feb_2015.pdf
wenngleich es nicht dein Frequenzbereich ist, aber das zeigt, dass dies
funktionieren muss.
Was du noch prüfen könntest: welchen Pegel hat das Testsignal von deinem
NWA? ich hatte erst kürzlich den Effekt, dass ich bei 75GHz rum gemessen
habe, der Mischer wurde auch mit 10 dBm gepumpt, dummerweise hatte mein
Testsignal einen ähnlichen Pegel... dadurch war der Mischer nichtlinear
und ich konnte bei der S21-Messung nur 10dB Unterschied von einem Thru
zu einem 30dB Attenuator messen ;-) nachdem ich das Testsignal dann so
ca. 15dB gesenkt hatte, ging es dann. Könnte in deinem Aufbau ja auch
sein, dass der NWA zu viel Dampf raus gibt.
Nehmen wir mal an, die 27GHz sind lupenrein.. Wie willst du das untere
Seitenband von 14-24GHz loswerden, ein tiefpassfilter kann man mal so
einzeichnen. Muss es aber auch bauen koennen. ? Dann fehlen auch noch
Isolatoren. Den Siff, den das 30-40GHz Tiefpassfilter reflektiert geht
wieder in den Mischer.
Hui schrieb:> Dann fehlen auch noch Isolatoren
jein. Wenn er nach dem letzten Mischer noch einen Isolator hin setzt,
dürfte dies eine S11 Messung verunmöglichen. Besser das Bandpassfilter
weg nehmen - der NWA hat doch eh ein Mitlauffilter am Input?
Hui schrieb:> Ahem .. fuer eine S11 messung benoetigt man dann noch einen Zirkulator,> und dann muss man wieder mit denselben LOs runtermischen.
das geht aber alles nur, wenn man beim NWA getrennten Zugriff auf den
Receiver hat. Wenn aber der NWA intern sowohl die Quelle als auch den
Receiver über einen Richtkoppler auf eine einzige Buchse raus führt,
dann bringt ein Zirkulator nichts, da in dem Fall das reflektierte
Signal wieder auf den selben Port des NWAs zurück muss. Mit einem
Zirkulator geht das ja nicht.
Man könnte höchstens noch mit einem externen Richtkoppler arbeiten und
mittels S21Messung S11 ermitteln, dann müsste man aber in der Tat den
ganzen Aufbau mit Mischer etc. 2x machen und mit dem selben LO
heruntermischen. Dann könnte man dafür aber auch Isolatoren einbauen, da
in dem Fall der eine Port nur senden, der Andere nur empfangen muss.
Ewwnage schrieb:> Erwarte ich das falsche Ergebnis, oder ist dieses Experiment zum> Scheitern verurteilt?
Ich sehe das Problem beim HP-Filter nach dem Mischer. An dieser Stelle
müsste m.M.n. ein Diplexer (HP-TP Kombination) den Mischer abschließen
und die Energie des Spiegelbandes (24-14GHz) idealerweise vollständig
verheizen.
Aktuell wird jede Spiegelfrequenz am HP-Filter reflektiert und im
Mischer zurück auf die Empfangsfrequenz gemischt. Selbst mit einer
perfekten Last als DUT, würdest du immer nur eine Rückflussdämpfung von
rund 2 x der Mischerdämpfung erhalten.
Hallo Frank,
Ewwnage schrieb:> im Zuge einer Hausarbeit sollte ich versuchen eine> Messbereichserweiterung für einen Netzwerkanalysator zu konzipieren.> Grundidee dabei ist es, das Stimulussignal des VNA hochzumischen, auf> das DUT zu geben und anschließend wieder herunterzumischen um es wieder> dem Tor des VNA zuzufühen.
Wenn es eine Hausarbeit ist hast Du idR. einen Betreuer der Dir das
Thema gegeben hat. Ich würde an Deiner Stelle erwarten, dass er sich mit
dem Thema sehr gut auskennt oder aber Dir vorher ehrlich gesagt hat,
dass ihm das er Dir bei dem Thema nicht gut helfen kann. Im ersteren
Fall ist Dein Betreuer der richtigere Ansprechpartner - im letzteren
Fall hast Du schlechte Karten. Wenn Dein Betreuer einverstanden ist kann
ich Dich dann dabei unterstützen.
> Konkret in meinem Aufbau bedeutet das, dass ich den VNA von 1-13 GHz> sweepen lasse um ihn dann mit 27 GHz auf 30-40 GHz zu mischen und> anschließend mit dem gleichen Mischer (ZweiWegeMischer HMC560A) wieder> runter zu mischen.
Das ist ein sehr unübliches Konzept. Insbesondere für Reflektionsmessung
da man schon im Mischer einen Verlust von >20dB hat (hin und zurück).
D.h. die Leistung des reflektierte Signal am NWA ist, selbst bei einem
Kurzzschluss als DUT, nur ein Hundertstel des Anregungssignal. Im NWA
selber ist nochmal ein Richtkoppler mit 10-20dB Koppeldämpfung. Schau
Dir bitte mal ein Datenblatt eines modernen NWA an und informiere Dich
über die S11/S22 Dynamik/Genauigkeit in Abhängigkeit des
Reflektionskoeffizienten.
Bei einem ZVA24 und einer "Anpassung" bzw. Verlust von -25dB ist nur
noch eine Messgenauigkeit von <3dB und <20° spezifiziert. Du kannst Dir
überlegen, wie gut dann noch eine Kalibrierung funktioniert...
> Hierbei geht es nur um den Proof-Of-Concept, ob so etwas überhaupt> Erfolg haben könnte. Meine Theorie steht soweit, Hauptknackpunkt sind> die Mischprodukte, die sonst noch aus Mischer rauskommen (Modulation> erzeugt die Summe und Differenz der Frequenzen) welche ich mit Filtern> versuche zu unterdrücken. Der konzeptionelle Aufbau befindet sich als> Datei im Anhang.
Also von den Spiegelfrequenzen her passt es. Die LSB Spiegelfrequenzen
liegen zwischen 14-24GHz und werden durch das Filter am Ausgang
unterdrückt. Das USB ist dann das gewünschte Signal. Trotzdem hast Du
evt. ein Problem damit (siehe unten)
Auf jeden Fall erzeugt der LO im Mischer intern Harmonsiche und bei
Übersteuerung werden auch Harmonische vom IF/RF Signal erzeugt.
Gehen wir es mal im Detail mit einem Beispiel bei 37GHz an:
LO: 27GHz
Anregungssignal vom VNA (IF) ist bei 10GHz
Somit ergeben sich folgende mögliche Mischprodukte erster und zweiter
Ordnung (also |LO+IF|, |LO-IF|, |2LO+IF|,|2LO-IF|,
|LO+2IF|, |LO-2IF|):
37, 17, 64, 44, 47, 7
Das gewünschte RF=37GHz gibt es nur ein mal und zwar aus LO+IF. Soweit
nicht unerwartetes.
Wenn das DUT nun linear und zeitinvariant ist wird es keine weiteren
Frequenzprodukte in der Reflektion erzeugen.
Die o.g. Mischprodukte werden jetzt mit dem gleichen LO erneut gemischt.
Bei den Mischprodukten erster und zweiter Ordnung
ergibt sich also:
64, 10, 101, 47, 91, 17, 44, 10, 61, 7, 71, 37, 91, 37, 155, 101,
118, 10, 71, 17, 115, 61, 98, 10, 74, 20, 121, 67, 101, 7, 34, 20,
41, 13, 61, 47
Die 10GHz ergeben sich hier in mehreren Fällen:
37GHz - 27GHz: das gewünschte Mischprodukt (RF-LO)
27GHz - 17GHz: Spiegelfrequenz (LO-(LO-IF))
64GHz - 54GHz: Harmonische Spiegelfrequenz (2*LO+IF)-2*LO
54GHz-44GHz: Harmonische Spiegelfrequenz 2*LO-(2*LO-IF)
Die dritte Zeile kann man wegargumentieren, weil die Frequenzen sehr
hoch und ggf. stark gedämpft sind bzw. der Mischer diese nicht mehr
effektiv mischt. Bei der zweiten Zeile könnte man mit dem Filter
argumentieren. Die letzte Zeile geht auch - aber das ist schon recht nah
am Passband und man brauch ein gutes Filter.
Nun sind die meisten Filter jedoch reflektiv. D.h. die Signale im
Stoppband werden nicht absorbiert und sind weg sondern werden zum
Mischer zurück reflektiert. Somit sind die Spiegelfrequenzen doch wieder
am Mischer vorhanden und mischen sich fleißig auf die IF.
Wenn das Konzept also funktionieren sollte braucht man am Ausgang einen
absorbtiven Filter. Beim LO schadet das auch nichts. Sowas kann man
bauen - ist mir aber für diesen Frequenzbereich tatsächlich nicht
bekannt. Isolationsverstärker, Isolatoren oder ähnliches geht nicht,
weil das Konzept auf der Bidirektionalität des Mischers basiert.
Außerdem müsste man sich nochmal den Bereich von 2*LO-(2*LO-IF) ansehen
ob der bei anderen IF-Frequenzen nicht doch im Passband liegt.
> technische Eckdaten:>
[...]
> LO = Hausgemacht, 27 GHz 10 dBm - Oberwellen nicht erfassbar (Speki kann> nur 30GHz)
Wenn Du mir das Board schickst und es nicht mehr als zwei Spannungen
braucht kann ich es Dir vermessen.
> Hochpass = hausgemacht, Übertragungsfunktion im Anhang
Sieht nicht besonders gut aus. Hast Du evt. den Lötstopplack auf dem
Filter entfernt, so dass die Leitungen mit Nickel/Gold beschichtet sind?
Oder ist das Material besonders rau? Welches Basismaterial?
> Alle Komponenten sind mit 2,92 mm SMA K-Steckern verbunden.
Bei den Frequenzen ist der Übergang von PCB zu Stecker sehr sehr
Layoutabhängig. Hast Du das vorher simuliert? Wenn nicht - versuche mal
unter der Mikrostreifenleitungen am Übergang mit einer Rundfeile das
Substrat schräg zu entfernen.
> Was ich erwarte:> Ideal wäre ein Resultat, wie es im Anhang als 'Erwartung' aufgeführt> ist. Man erhält die Antwort des DUT im Bereich 3-13 GHz, die es> eigentlich im Bereich 30-40 GHz hätte. Ja, so wird es natürlich nicht> aussehen, schon allein wegen der Verluste im Mischer. Aber davon> abgesehen wäre ein Linearer Frequenzgang der Erweiterungsstrecke> (Mischer + Filter) sehr wünschenswert.
Hypothese: Was Du misst sind hauptsächlich die Reflektionen vom
Mischereingang. Das eigentliche Signal vom DUT ist um den Faktor 20
kleiner und grafisch nicht mehr gut sichtbar.
> Praxis:
[...]
> Immerhin sieht man den erwarteten> Phasengang zwischen Short und Open, womit schon mal feststeht, dass die> Messstrecke einen "Durchgang" hat.
Leider hast Du nur die Amplitudenplots geliefert und keine Phasen/Smith.
Denn wenn meine Hypothese stimmt solltest Du auch nicht so viel
Phasenänderung sehen.
> Erwarte ich das falsche Ergebnis, oder ist dieses Experiment zum> Scheitern verurteilt? Ich würde mich sehr über eure Einschätzungen dazu> freuen, da ich nicht so recht weiß, was ich nun noch überprüfen oder in> Betracht ziehen sollte.
Das Konzept hat einfach inhärent zu viele Nachteile. Frequenzextender
für NWAs werden anders gebaut. Schau mal auf
https://cdn.rohde-schwarz.com/it/seminario/hi_technology_forum/Bednorz_Mm-Wave_solutions.pdf
Dabei wird idR. die IF konstant gelassen. Allerdings funktioniert das
prinzipiell auch mit konstantem LO. Durch die Anregung mit dem
Vervielfacher hat man keine Spiegelfrequenzen und durch die Verwendung
eines Richtkopplers kann man mit Isolationsverstärkern oder
unidirektionalen Mischern arbeiten.
Den Richtkoppler kann man, wenn man auf Dynamik verzichtet, auch
resisitiv z.B. als Wilkinsonteiler realisieren.
Viele Grüße,
Martin Laabs
Ewwnage schrieb:> Aufbau.PNG>> 45 KB, 80 Downloads
erinnert mich irgendwie an das Equipment an unsere Hochschule im Laros
labor.
Kann es sein das du in Trier studierst?
Allerdings der ZNA40 ist bei uns ein ZVA40 der Spektrumanalyzer ein
FSV30
den SMCI haben wir auch ( ein grausames Teil ).
Ralph Berres
der SMCI ist ein Generator mit einen Klystron drin, welches eine
Frequenztreffsicherheit hat die bestenfalls im 10MHz Bereich liegt, in
der ersten Stunde wegläuft wie ein Hase auf der Flucht vor dem Fuchs.
Einen vernünftigen Ausgangsabschwächer hat er auch nicht. Zumal wenn man
um mehr als 25db abschwächt funktioniert die Pegelkonstanthaltung
überhaupt nicht mehr. Zentnerschwer ist das Teil auch noch. Wiegt
bestimmt 25 Kilo.
Tobias P. schrieb:> aah, Ralph, du hast gefehlt in der Diskussionsrunde. Jetzt fehlt nur> noch Christoph ;-)
welchen Christoph meinst du?
Aber mich erinnert sowohl das equipment als auch die Aufgabenstellung
stark an unsere Hochschule. Deswegen war auch meine Frage.
zu dem eigentlichen Thema hat Martin ja schon eigentlich alles
geschrieben.
Ralph Berres
Ralph B. schrieb:> Frequenztreffsicherheit hat die bestenfalls im 10MHz Bereich liegt
na dann ist das Problem doch identifiziert. Der TO muss zunächst einen
richtigen Signalgenerator als LO haben, sonst dürften die Messwerte in
der Tat Lotto sein.
Ralph B. schrieb:> welchen Christoph meinst du?
Kessler ;-)
Ralph B. schrieb:> ja wir haben nichts anderes in dem Frequenzbereich.
ach so.
Obwohl ja der Frequenzbereich nicht grade berauschend ist, oder? 6 GHz
kann ja quasi jeder modernere Signalgenerator auch.
Schon mal vielen Dank für die vielen Antworten und Einschätzungen dazu!
Ich werde erst im Laufe der Woche dazu kommen weiter ins Detail zu
gehen, da ich zur Zeit unterwegs bin und weder Hard noch Software habe
um auf eure Antworten einzugehen.
Hierbei handelt es sich tatsächlich um das von Ralph identifizierte
Equipment der Hochschule Trier ;)
Bis dahin,
Vielen Dank!
Frank
Martin L. schrieb:> Das ist ein sehr unübliches Konzept. Insbesondere für Reflektionsmessung> da man schon im Mischer einen Verlust von >20dB hat (hin und zurück).> Hypothese: Was Du misst sind hauptsächlich die Reflektionen vom> Mischereingang. Das eigentliche Signal vom DUT ist um den Faktor 20> kleiner und grafisch nicht mehr gut sichtbar.
Das glaube ich auch. Man bekommt hin und zurück über 20 dB Verlust über
den Mischer. Andererseits würde ich schätzen, dass die Rückflussdämpfung
am Mischereingang vielleicht 10 bis 15 dB ist (das Datenblatt schweigt
sich leider aus). D.h. Du misst praktisch ausschließlich die Anpassung
des Mischereingangs.
Rimi schrieb:> Kleine Nebenfrage, wäre es nicht besser, mit einem> Frequenzvervielfacher zu arbeiten statt mit einem Hoch-Mischer?
der VNA40 ist ein vektorieller Netzwerkanalyzer. Der hat einen
schmalbandigen mitlaufenden Empfänger.
bei einen skalaren Netzwerkanalyzer der üblichen Bauart würde das sogar
gehen, der hat einen breitbandigen Empfänger, dessen Bandbreite größer
ist als der maximale Wobbelbereich.
Eine eventuell vorhandene Skalierung der X-Achse ( Frequenzachse ) würde
dann allerdings ungültig werden.
Man müsste sie mit dem Vervielfachungsfaktor multiplizieren.
Ausgenommen sind die Spektrumanalyzer mit Mitlaufgenerator. Die sind
ähnlich aufgebaut wie ein VNA nur das ihm in der Regel die Möglichkeit
fehlt die Phase zwischen Strom und Spannung zu messen.
Das können aber wiederum die Signalanalyzer.
Ralph Beres
... die Sache mit dem Vervielfacher ist auch nicht so trivial. Schnell
hat man bei einer "Störung" den Phasenbezug verloren. So war es immer
bei dem HP8410, wenn er nicht richtig gelocked hat.
Aber in Sachen Phasenbezog wurde hier ja noch nicht so viel diskutiert.
Gruß in die Runde
Bernd
Sooooo,
jetzt mal mit ein bisschen mehr Einzelheiten.
Vor allem der Frage, ob hier eigentlich die Reflexion des Mischers, oder
die des DUT gemessen wird, konnte ich bereits weiter auf den Grund
gehen.
Dazu habe ich den Mischer genauer unter die Lupe genommen und sein IF
Tor vermessen, während ich das RF Tor abgeschlossen und den LO habe
laufen lassen. Bei dem Resultat ('Mischer_mitMatches') wurde es auch mir
augenscheinlich, dass hier schon eine hohe Reflexion am Eingang
vorzuliegen scheint.
Hängt man nun hinter den Mischer wieder den Hochpass und dann den Match
sieht es folgendermaßen aus ('Antenna_vs_Match'). Einerseits sieht man
schön, wie nun der Hochpass noch einige Missmatches mit ins Spiel
bringt, andererseits sieht man mit der 34 GHz Patchantenne, dass das DUT
kaum eine Rolle für die Reflexion zu spielen scheint.
Zuguterlezt noch die Phasen
Martin L. schrieb:> Leider hast Du nur die Amplitudenplots geliefert und keine Phasen/Smith.> Denn wenn meine Hypothese stimmt solltest Du auch nicht so viel> Phasenänderung sehen.
hier sind einmal die Phasendifferenzen zwischen Short und Open
aufgetragen.
Die ersten zwei GHz liegen noch die erwarteten 180° vor, anschließend
treten Vielfache davon auf. Ich fürchte, dass das nicht so gut ist.
und noch eine Grundlagenfrage; Ich habe zwar verstanden, dass Ripple im
Frequenzbereich Laufzeiten im Zeitbereich sind, aber was bedeuten dann
die höheren harmonischen dieser Frequenzripple?
Beste Grüße
Frank
Hallo Frank,
entschuldige bitte meine direkt Sprache:
Bist Du Student, würde ich Dir die Arbeit wegnehmen und Zeit für
Gespräche und Erklärungen investieren.
Bist Du wissenschaftlicher Mitarbeiter, kann ich nur sagen "So
funktioniert das alles nicht!". Ein VNA ist kein "Vielfachmeßgerät". Man
sollte schon wissen was man macht und wie man es macht. Den IF-Port
eines Mischers mit einem VNA zu messen? - Was soll das? Im Zweifel
kontaktiere die Applikationsingenieure des Herstellers des VNA oder
arbeite Dich in die Mikrowellenmeßtechnik ein.
Habe die Ehre!
Bernd
Bernd B. schrieb:> Bist Du Student, würde ich Dir die Arbeit wegnehmen und Zeit für> Gespräche und Erklärungen investieren.
Wieso? Die Idee ist doch grundsätzlich gar nicht dumm. Sie scheitert nur
am nichtidealen Verhalten des Mischers.
> Bist Du wissenschaftlicher Mitarbeiter, kann ich nur sagen "So> funktioniert das alles nicht!". Ein VNA ist kein "Vielfachmeßgerät". Man> sollte schon wissen was man macht und wie man es macht. Den IF-Port> eines Mischers mit einem VNA zu messen? - Was soll das?
Warum sollte man das nicht tun? Eine Reihe von NWAs unterstützen sogar
frequenzumsetzende Messungen, und da kommt der IF-Port an einen
NWA-Port.
Aufbau.PNG
(45 KB)
Erwartung.PNG
(40 KB)
Hochpass.PNG
(73 KB)
OSM_Antworten.PNG
(52 KB)
