Impedanzmessung

[Stefan (Gast)]

Hallo ersmal,
ich hab in meiner Diplomarbeit Funkmodule mit den Chips von Nordic 
(nRF24L01) aufgebaut. Und funktioniert auch ganz gut. Nun wollt ich noch 
das Anpassnetzwerk überprüfen. Hab mich da ja an das Layout vom 
Hersteller gehalten, aber wollt das noch mal nachprüfen ob das passt und 
ob ich am Ausgang wirklich die 50 Ohm hab.
Bin mir allerdings nicht wirklich sicher wie ich das nachmessen kann?!?

Denke, das ich nur Quallitativ nachmessen kann wie nah vermutlichen 50 
Ohm am Antennenausgang wirklich an den gewünschten 50 Ohm liegen. Drum 
wollt ich mal n Networkanalyzer am Antennenausgang ranhängen und mit S11 
die Reflexion messen.
Da sollte dann eigentlich nichts zurückkommen wenn das Anpassnetzwerk 
wirklich 50 Ohm hätte, oder?
Hab auch keine richtige Ahnung ob das Modul dabei an sein muß oder 
nicht?

Hat da von euch jemand Erfahrung wie ich da aussagekräftige Ergebnisse 
erzielen kann?

Gruß und Dank
Stefan

[Martin L. (Gast)]

Der NWA mag es idR. nicht, wenn man ihn mit HF zustopft die nicht von 
seinem eigenen Generator kommt. Der PA von dem Chip muss aber schon 
eingeschaltet sein weil sonst die Impedanz nicht stimmt. (Transistoren 
haben sonst keinen korrekten Arbeitspunkt.)
Also such mal im Datenblatt eine Option die PA einzuschaltetn ohne einen 
Träger zu senden. Ansonsten kannst Du es auch mit HF probieren - dann 
aber wenig und vorher mal das Manual des NWA konsultieren was man 
gefahrlos in den Eingang schicken kann. Direkt auf der Sendefrequenz 
solltest Du dann aber natürlich nicht messen.
Wenn es zu viel HF ist oder Du trotzdem Angst hast das Ding kaputt zu 
machen (frag mal voher ob Du da versichert bist) kannst Du auch noch ein 
Dämpfungsglied davor schalten und dann umrechnen bzw. es vom NWA gleich 
rauskalibriern lassen. (Aber aufpassen, dass Du nicht zu nah an den 
Rauschteppich kommst.)
Alternativ kannst Du auch die Leitung direkt nach dem Chip auftrennen 
und das ganze Anpassnetzwerk einzeln messen. Die Ausgangsimpedanz von 
dem Chip steht ja im Datenblatt. Du solltest dann idealerweise die 
konjugiert komplexe Impedanz in dein Anpassentzwerk bei einem 50Ohm 
Abschluss messen können.

Viele Grüße,
 Martin L.

PS: Bestand die ganze Diplomarbeit nur aus dem Entwurf und Aufbau des 
Funkmodules?

[Matthias (Gast)]

Die DA bestand aus dem Entwurf des Anpassnetzwerkes ;-)

[Christoph db1uq K. (christoph_kessler)]

http://www.nordicsemi.com/index.cfm?obj=product&act=display&pro=89#

Also GFSK-Modulation, gaussian frequency shift keying. Das heißt doch 
konstante Ausgangsleistung, eine Sendeendstufe im C-Betrieb. Dann nutzt 
eine Messung ohne Ansteuerung nichts, die hat mit der realen Situation 
nichts zu tun.

Seite 59 im Datenblatt:
A load of 15Ω+j88Ω is recommended for maximum output power (0dBm). Lower 
load impedance (for instance 50Ω) can be obtained by fitting a simple 
matching network between the load and ANT1 and ANT2. A recommended 
matching network for 50Ω load impedance is described in Appendix D on 
page 69.

Na mit 1 Milliwatt wird der Analysator noch nicht überlastet. Aber die 
Impedanz rückwärts in den Senderausgang gemessen ist auch eine 
unwichtige Größe, die Antenne muß dem Senderausgang die genannte 
Impedanz anbieten. Also wäre wie schon gesagt wurde, eine Messung des 
Anpassnetzwerks mit Antenne oder 50 Ohm-Abschluß wichtiger.

[Matthias (Gast)]

> Alternativ kannst Du auch die Leitung direkt nach dem Chip auftrennen
> und das ganze Anpassnetzwerk einzeln messen. Die Ausgangsimpedanz von
> dem Chip steht ja im Datenblatt.

Wenn ich mir das Datenblatt anschaue, scheint das im vorliegenden Fall 
gar nciht so einfach zu sein. Das Anpaßnetzwerk scheint nicht nur eine 
Impedanzanpassung vorzunehmen, sondern auch noch den balanced-Ausgang 
auf unbalanced zu bringen. Bei gegebener Ausgangsimpedanz die 
Eingangsimpedanz zu berechnen (oder umgekehrt), sieht schwierig aus 
(zumindest per Hand).
Wieso hat das Ding eigentlich einen balanced-Ausgang ? Meistens wird 
doch bei solchen Modulen ein Monopol oder eine Patchantenne verwendet, 
einen Dipol wird doch niemand daranhängen ?

[Christoph db1uq K. (christoph_kessler)]

1 Milliwatt bei 1,9V Betriebsspannung, also 223 mVeff = 630 mVss an 50 
Ohm das geht vermutlich symmetrisch einfacher. Ja einen Balun müßte man 
zum Messen dazwischenschalten. Erst zwei identische umkehrbare Baluns 
hintereinandergeschaltet ausmessen und dann dessen Verlust aus der 
eigentlichen Messung rausrechnen.

[Martin L. (Gast)]

Wenn das Anpassnetzwerk rein reaktiv ist, sollte die Impedanzbestimmung 
in den Antennenausgang mit der Bestimmung der Eingangsimpedanz bei 50 
Ohm Abschluss äquivalent sein. Wenn es nicht zu vernachlässigende 
Verluste gibt eigentlich auch - aber da bin ich mir unsicher.
D.h. es sollte egal sein ob ich in den Anteneneingang hineinmesse und - 
idealerweise - 50 Ohm erhalte oder mit Antenne in das Anpassnetzwerk und 
die konjugiert komplexe Impedanz der Ausgangsstufe erhalte.

Viele Grüße,
 Martin L.

[Martin L. (Gast)]

Was mir gerade noch eingefallen ist. Man kann - weil der Ausgang vom 
Chip ja differentiell ist - auch einen Dreikanal-NWA benutzen um so die 
3-Port S-Parameter zu bestimmen. Das kann man dann, mit mehr oder 
weniger Aufwand, umrechnen. (So macht man das auch bei den 
differentiellen Mischern und Verstärkern. Vierkanal-NWA dranhängen und 
danach in die differentiellen S-Parameter umrechnen)

Viele Grüße,
 Martin L.

PS: Ist es für eine Diplomarbeit nicht ein bisschen wenig nur ein 
Anpassnetzwerk zu entwerfen? Oder ist da noch ein Progamm o.ä. 
herausgekommen welches - ähnlich wie Ampsa - die optimale Anpassung 
berechnet?

[Peter W. (peejay)]

Hallo!

Stefan wrote:
> Bin mir allerdings nicht wirklich sicher wie ich das nachmessen kann?!?

Ich kenne weder dieses Funk-IC noch Deine Schaltung, aber ich vermute 
mal, daß da - wie so üblich - ein T/R-Schalter drin ist, entweder extern 
oder intern im IC.

D. h. also, daß Du einmal im Empfangsbetrieb und einmal im Sendeberieb 
messen mußt.

Für den Empfangsbetrieb ist ein NWA wunderbar geeignet, hier schaltet Du 
das Funk-IC einfach in den Empfangsbetrieb und mißt S11. Du solltest 
allerdings aufpassen, welche Leistung der NWA abgibt, mehr als 0 dBm 
sollte man da keinesfalls in den Antenneneingang hineinjagen. Weniger 
ist besser (z. B. -20 dBm), hängt aber davon ab, wie empfindlich die 
Eingangssufen sind. Der Grund liegt darin, daß das Funk-IC im 
Emfangsbetrieb eine kleine Spannung an seinem Antenneneingang erwartet. 
Wenn man da eine vergleichsweise hohe Spannung anlegt, kann es sein, daß 
da nichtlineare Verzerrungen auftreten, die die Messung verfälschen.

Wenn Du einen vektoriellen NWA (VNA) zur Verfügung hast, dann 
dokumentiere einmal return loss im interessanten Frequenzbereich 
(Empfangsfrequenz +/- paar MHz) und einmal S11 als Smith-Diagram. Wenn 
Du nur einen skalaren NWA zur Verfügung hast, dann eben nur return loss.

Für den Sendebetrieb ist der NWA möglicherweise nicht so hilfreich, weil 
sich der Generator des NWA und die Sende-Frequenz des Funk-ICs 
überlagern und es daher ein nicht vorhersehbares Durcheinander 
(Interferenz) gibt. Außerdem kann es sein, daß der Eingang des NWA 
allergisch auf angelegte Fremd-HF reagiert, wenn diese zu groß ist.

Du kannst probieren, das Funk-IC auf geringstmögliche Sendeleistung zu 
stellen (sagen wir mal z. B. -60 dBm oder noch weniger) und mit dem NWA 
wie im Empfangbetrieb zu messen (also return loss und S11). Wenn Du 
plausible Ergebnisse bekommst, dann freu Dich und dokumentiere diese.

Sollte das nicht zum gewünschten Erfolg führen, weil Du z. B. die 
Sendeleistung nicht weit genug reduzieren kannst, dann gibt es noch eine 
andere Möglichkeit:

Verwende einen Doppelrichtkoppler und ein Doppel-HF-Millivoltmeter (oder 
zur Not zwei Einkanal-HF-Millivoltmeter).

Als Richtkoppler für den Frequenzbereich 100 MHz bis 2 GHz eignet sich 
z. B. HP/Agilent 778D, als Doppel-HF-Millivoltmeter ein R&S NRVD mit 
entsprechenden Meßköpfen. An den DUT-Port des Doppelrichtkopplers 
schließt Du Deine Schaltung an, an den Source-Port einen 
Präzisionsabschluß, wie er im Cal-Kit eines Networkanalyzers vorhanden 
ist. Ein billiger Abschluß ist hier nicht brauchbar.

An die Meßausgänge des Doppelrichtkopplers schließt Du das 
HF-Millivoltmeter an. Das NRVD kann die beiden Signalpegel direkt 
miteinander verrechnen und das Ergebnis als return loss in dB anzeigen. 
Das ist sehr praktisch, denn nun gibst Du mit Deinem Funk-IC eine 
Frequenz auf den Ausgang (CW, keine Modulation!) und kannst direkt 
return loss ablesen. Wenn Du nun mit dem Funk-IC verschiedene Frequenzen 
auf den Ausgang gibst (z. B. 40 Punkte im Abstand von jeweils 50 kHz 
oberhalb der Sendefrequenz, und 40 Punkte im gleichen Abstand unterhalb 
der Sendefrequenz), kannst Du im Bereich der Sendefrequenz +/- ein paar 
MHz sehr schön Deine Anpassung sehen. Verwende dabei eine Leistung knapp 
unterhalb der maximalen Sendeleistung, die das Funk-IC hergibt. Wenn das 
Teil z. B. 5 dBm maximal kann, dann mache Deine Messungen bei 3 dBm. 
Trage das in ein Diagramm auf, und Du hast einen Plot ähnlich wie bei 
einer Messung mit einem NWA.

Generell solltest Du mit Deinem Anpaßnetzwerk eine Anpassung besser als 
20 dB return loss hinbekommen (entspricht einem SWR von 1,2). 13 dB 
return loss (entsprechend SWR 1,5) funktionieren in der Praxis zwar auch 
noch, aber bei einer Diplomarbeit kann man sich schon etwas mehr Mühe 
geben! :-)


CU