Differenzielle Signalkette vermessen

[Luky S. (luky)]

Ich habe eine differenzielle Schaltung (BP + Verstärker + BP) mit ca. 
1GHz Maximalfrequenz und möchte diese gerne "richtig" vermessen.
Mit Single-Ended Schaltungen habe ich schon meine Erfahrungen, aber was 
muss man bei differenziellen Schaltungen beachten? Einen Eingang und 
einen Ausgang mit je 50Ohm abschließen und dann direkt mit dem Specki 
dran? Wie rechnet man um?
Oder brauche ich je ein SE auf DIFF und DIFF auf SE Schaltung / Balun 
mit all den zusätzlichen nichtlinearitäten die ich vorher 
rauskalibrieren muss?

[Achim M. (minifloat)]

Dass der Königsweg über Baluns geht, dürfte klar sein.

Halbwissen-Einschätzung:
Sind es jeweils 50Ω gegen Ground und sehen die Bandpässe irgendwie 
"symmetrierend" aus, könnte jeweils Terminierung des "out-of-phase" 
gehen.

Was du dann auch probieren solltest: am Eingang an in-phase speisen und 
out-of-phase terminieren, am Ausgang den in-phase terminieren und vom 
out-of-phase in den RX. Es muss dasselbe wie in-phase vs. in-phase 
rauskommen. Alle 4 Möglichkeiten testen.

Dass bei der Methode 6dB Eingangseitig und 6dB Ausgangsseitig verloren 
gehen, dürfte klar sein...

mfg mf

[Mario H. (rf-messkopf)]

Kommt darauf an, was Du messen willst. Zunächst sollte man sich 
vielleicht klar machen: Es gibt unsymmetrische Leitungen (Koaxial, 
Mikrosteifenleitung, etc.), und welche mit zwei gekoppelten Leitern und 
einem gemeinsamen Rückleiter. Letztere kann man differentiell und im 
Gleichtakt anregen.

Im allgemeinen unterscheidet sich die Wellenausbreitung beider Moden 
(Impedanz, Ausbreitungskonstante) einer solchen Leitung, und sie hat 
auch nichts mit der Wellenausbreitung von nur einem der beiden Leiter 
(d.h. aufgefasst als unsymmetrische Leitung mit nur einem Leiter) zu 
tun. Wenn die zwei Leiter von der Geometrie her symmetrisch zum 
gemeinsamen Rückleiter angeordnet sind, kann man aber Zusammenhänge 
herleiten: Ist z.B. Z_0 die Impedanz eines Leiters, und sind Z_d und Z_c 
die Impedanz der differentiellen und der Gleichtakt-Mode, so ist Z_d = 
2Z_0 und Z_c = Z_0/2.

Willst Du nun also an je einem Port Deiner Anordnung (a) unsymmetrisch 
messen, d.h. einen Leiter anregen bzw. messen, und den anderen irgendwie 
terminieren (z.B. offen lassen; wie, wäre Definitionssache), oder (b) 
dort symmetrisch anregen bzw. messen, oder (c) dort differentiell 
anregen bzw. messen? Da Deine Anordnung zwei Ports hat, kann man auf 
diese Weise 36 S-Parameter unterscheiden.

Von besonderem Interesse sind meistens:
- Transmission (S_21) differentiell-differentiell, d.h. der Betrag ist 
die differentielle Verstärkung.
- Transmission (S_21) Gleichtakt-differentiell, d.h. die 
Modenumwandlung, hier also Gleichtaktunterdrückung.
- Reflexion (S_11) differentiell: differentielle Eingangsimpedanz.
- Reflexion (S_11) Gleichtakt: Gleichtakt-Eingangsimpedanz.

Luky S. schrieb:
> möchte diese gerne "richtig" vermessen

Man kann das mit einem 4-Port-VNA machen, der einem dann das Umrechnen 
der Messung der Wellengrößen an vier unsymmetrischen Ports auf 
differentielle und Gleichtakt-S-Parameter in der Firmware abnimmt. Diese 
Umrechnung geht aber von Annahmen aus, die bei einem nichtlinearen DUT 
nicht immer erfüllt sind. Dafür gibt es von den Messtechnik-Herstellern 
dieser Welt Lösungen, bei denen der VNA echte differentielle bzw. 
Gleichtaktsignale produziert, und ebenso misst. Bei R&S nennt sich das 
"True Differential Mode", was es für die besseren Geräte als Option 
gibt.

Siehe auch dieses Dokument für eine kurze Zusammenfassung und ein paar 
Beispiele: 
https://scdn.rohde-schwarz.com/ur/pws/dl_downloads/dl_application/application_notes/1ez53/1EZ53_0E.pdf. 
Da ist auch eine Möglichkeit angedeutet, wie man mit vier Baluns auch 
Gleichtakt-Parameter vermessen kann.

Achim M. schrieb:
> Dass der Königsweg über Baluns geht, dürfte klar sein.

Das hat auch gewisse Nachteile. Und ohne weitere Maßnahmen ist die 
Gleichtakt-Eingangsimpedanz eines idealen Baluns unendlich, was man 
nicht unbedingt haben will (oder meintest Du das mit "in-phase speisen 
und out-of-phase terminieren"?), da die Gleichtakt-S-Parameter i.d.R. 
auf eine andere Impedanz bezogen sind. Siehe auch das oben verlinkte 
Dokument.

[Achim M. (minifloat)]

Mario H. schrieb:
> oder meintest Du das mit "in-phase speisen und out-of-phase
> terminieren"?

Genau, ich dachte mir, dass bei korrekter Terminierung einer Ader 
gewollt Modenumwandlung mit 6dB Pegelverlust stattfindet (Eingangs- und 
Ausgangsseitig).

Danke für's Aufdröseln, mit gewöhnlichem VNA bekomme ich auch nur 12 von 
den 36 Messungen.

mfg mf

[Mario H. (rf-messkopf)]

Gerade nochmal nachgeschaut: Man kann aus einer 4-Port 
S-Parameter-Messung recht einfach auf zwei symmetrische Ports umrechnen, 
siehe Anhang (aus J. Dunsmore: Microwave Component Measurements. Wiley 
(2012)). Die Definition dieser sog. Mixed-Mode S-Parameter sind die aus:

D. E. Bockelman, W. R. Eisenstadt: Combined Differential and Common-Mode 
Scattering Parameters: Theory and Simulation. IEEE Trans. Microwave 
Theory Tech. 43, 1530--1539 (1995).

Dazu braucht man also nicht die Wellengrößen direkt. Es reicht somit 
auch ein 2-Port-VNA, mit dem man dann viermal misst, plus entsprechendes 
Post-Processing. Oder sowas wie ein nanoVNA, mit dem man dann achtmal 
messen muss.

Das ist natürlich, wie in 
Beitrag "Re: Differenzielle Signalkette vermessen" schon gesagt, keine 
echte differentielle bzw. Gleichtakt-Messung. Die geht nur mit 
zusätzlicher Hardware im VNA.

Achim M. schrieb:
> mit gewöhnlichem VNA bekomme ich auch nur 12 von
> den 36 Messungen.

Normalerweise betrachtet man auch nur die 16 Mixed-Mode S-Parameter wie 
in der angehängten Umrechnung. Die Anregung von bzw. Messung an nur 
einem der beiden Leiter an einem symmetrischen Port ist eher weniger 
interessant.

Nachtrag: Man sollte vielleicht noch sagen, dass die Bezugsimpedanzen 
der Mixed-Mode-S-Parameter Z_d = 2Z_0 (differential) und Z_c = Z_0/2 
(common mode) sind, wobei Z_0 üblicherweise als 50 Ohm gewählt ist.

[Robert M. (r0bm)]

AN-21 - Differential VNA Measurements Using Single-Ended, Two-Port 
Instruments and BALUNs (PSPL - 12-2008)

AN-8 - Ultra-Wideband Differential Measurements Using PSPL BALUNs (PSPL 
- 11-1999)

https://kh6htv.com/pspl-app-notes/

AN-002 - Differential S-Parameter Measurements Using Single-Ended 2-Port 
Network Analyzer and HL9407 Ultra-Broadband Baluns (05-2021 - HL)

https://www.hyperlabs.com/an-002-differential-s-parameter-measurements-using-single-ended-2-port-network-analyzer-and-hl9407-ultra-broadband-baluns/