Grundlagen der Hochfrequenz-Messtechnik

485 Pages·1999·34.157 MB·German

by  Professor Dr.-Ing. Burkhard Schiek (auth.)

Burkhard Schiek
Grundlagen der Hochfrequenz-Messtechnik
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Burkhard Schiek
Grundlagen
der Hochfrequenz-
Messtechnik
Mit 261 Abbildungen
Springer
Professor Dr.-Ing. Burkhard Schiek
Ruhr-Universität-Bochum
Institut für Hochfrequenztechnik
Universitätsstraße 150
44780 Bochum
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Schiek, Burkhard:
Grundlagen der Hochfrequenz-Messtechnik / Burkhard Schiek. -
Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Hongkong; London;
Mailand; Paris; Singapur; Tokio: Springer, 1999
ISBN 978-3-540-64930-4 ISBN 978-3-642-58587-6 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-58587-6
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1999
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1999
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Satz: Reproduktionsfertige Vorlage des Autors
SPIN: 10690849 62/3020 - 5 4 3 2 1 0 Gedruckt auf säurefreiem Papier
Vorbemerkungen
Die Hochfrequenz-Messtechnik hat in den letzten Jahren eine rasche Wandlung
erfahren. Die Entwicklung gehtzu Geräten, die sich leichter bedienen lassen oder
sogar gänzlich automatisch arbeiten und häufig eigene Systemfehler selbstständig
korrigieren können. Bei einem automatischen Gerät wird im Allgemeinen ein
Rechner den Ablauf der Messungen steuern und die gewonnenen Messdaten
weiterverarbeiten.
Trotz des Bedienungskomforts moderner Geräte sollte der Benutzer jedoch
möglichst genau mit den angewandten Messprinzipien vertraut sein, um prinzipi
elle Messfehler, die sich auch bei stark automatisierten Messgeräten einstellen
können, zu vermeiden. Einige Beispielemögen dies verdeutlichen.
Man möchte ein Bandsperrfilter mit 70dB Sperrdämpfung bei der Mittenfre
quenz ausmessen. Als Sender hat man eine Wobbelquelle zur Verfligung und als
Empfänger eine breitbandige Detektordiode. Die Wobbelquelle enthält anharmo
nische Nebenlinien, die zum Beispiel 50dB unter dem Trägersignal liegen. Da
durch wird eine scheinbare Sperrdämpfung des Filters von etwa 50dB vorge
täuscht. Dietatsächliche Sperrdämpfungkannjedoch größersein.
Man möchte mit einem automatischen Rauschzahl-Messplatz die Rauschzahl
eines Empfangsmischers bestimmen und verwendet als Mischoszillator einen
Synthesegenerator. Es ergeben sich möglicherweise zu hohe Rauschzahlen. Eine
denkbare Ursachen daflir ist, dass eine derstets vorhandenen kohärenten Nebenli
nien in den Zwischenfrequenzbereich fällt und dadurch das Messergebnis ver
fälscht.
Aufeinem Spektrumanalysator soll die Zuordnung von einigen Spektrallinien
richtig vorgenommen werden. AufGrund von Nichtlinearitäten in einem vorge
schalteten Bauelement und aufGrund der Vieldeutigkeit des verwendeten Spek
trumanalysators erscheinen weitere Linien aufdem Bildschirm. Die richtige Deu
tung der Spektrallinien setzt eine gewisse Kenntnis über die prinzipielle Funkti
onsweise des Spektrumanalysators voraus. Solche Beispiele lassen sich beliebig
fortsetzen.
Eine Vermittlung der Grundlagen und ein vertieftes Verständnis der Hochfre
quenz-Messtechnik und der ihr zu Grunde liegenden Prinzipien ist daher ein
Anliegen des Autors.
Darüber hinaus kann die Entwicklung neuer Messgeräte oder Messsyteme oder
auch Messprinzipien ein interessantesTätigkeitsfeld für einen künftigen Ingenieur
sein, wobei das zu bearbeitende System vielleicht nur einige hochfrequenztechni
sche Aspekte aufweist. Die Mitarbeit an der Entwicklung von Messsystemen kann
besonders reizvoll sein, weil man zumeist Einfluss aufdas gesamte Systemkon
zept nehmen kann und damit über einen großen Freiraum an Möglichkeiten ver-
VI Vorbemerkungen
fUgt. Häufig wird auch die Aufgabe auftreten, ein vorhandenes System um einige
messtechnische Zusatzeinrichtungen zu erweitern. Auch diese fordert im Allge
meineneine Kenntnis desGesamtsystems.
Das vorliegende Buch erhebt kein Anspruch darauf, vollständig im Sinne eines
Nachschlagewerks zu sein. Entstanden ist es aus einer Vorlesung Hoch(requenz
Messtechnik, die der Autor seit 1978 regelmäßig an der Fakultät fur Elektrotech
nik der Ruhr-Universität-Bochum fLir Hörer vom 7. Semester an hält. Zu diesen
Vorlesungen entstanden zunächst Vorlesungsskripte. Hierauf aufbauend schrieb
der Autor einen Fernstudienkurs, der seit 1982 an der Fernuniversität Hagen
eingesetztwird, sowieein Lehrbuch [35].
Inhaltlich haben vor allem Themenbereiche wie Korrekturverfahren bei der
Netzwerkanalyse, Etablierung der komplexen Messfähigkeit bei homodynen
Netzwerkanalysatoren, Realisierung von Synthesegeneratoren und das Doppel
Sechstor-Verfahren eine deutliche Erweiterung erfahren. Auch Forschungsergeb
nisse aus der Arbeitsgruppe des Verfassers sind in den Kurstext wesentlich einge
flossen.
An diesem Buch haben mit Diskussionen, Anregungen, Korrekturlesungen,
Rechnung der Übungsaufgaben sowie Schreiben des Textes und Zeichnen der
Bilder eine große Zahl von Personen mitgewirkt. Für ihre Mithilfe möchte ich
ihnen herzlich danken. Namentlich erwähnen möchte ich Dr. Ing. O. Ostwald, Dr.
Ing. Heinz-Jürgen Siweris, Prof. Dr. Ing. Uwe Gärtner, Dr. Ing. E. Menzel, Dr.
Ing. G. Krekels, Dr. Ing. H. Heuermann, Dip!. Ing. Th. Musch, Dip!. Ing. R. Stol
le, Dip!. Ing. I. Rolfes, Dip!. Ing. A. Gronefeld, Dip!. Ing. A. Lange und cand. Ing.
H. Reinke.
Namentlich unerwähnt bleiben hier Studenten aus Vorlesungen, die mir durch
kritische Fragen, durch direkte Anregungen, auch durch ihre Antworten bei Prü
fungen sehr geholfen haben, weniger verständliche Darstellungen durch, wie ich
hoffe, verständlicherezuersetzen.
Mein Dank gilt auch meinen Kollegen Prof. Dr. Ing. R. Pregla von der Fer
nuniversität Hagen und Prof. Dr. Ing. E. Voges von der Universität Dortmund fUr
ihrestetige Förderungund Anteilnahme beim EntstehendiesesTextes.
Bochum, im Juli 1998 BurkhardSchiek
Inhaltsverzeichnis
1 Einige Komponenten der Hochfrequenz-Messtechnik 1
1.1 Wichtige Matrixbeschrcibungen von Vierpolen I
1.1.1 Die Streumatrix [5] I
1.1.2 DieTransmissionsmatrix [L] 3
1.1.3 Die Kettenmatrix oderABCD-Matrix 5
1.1.4 Die Kcttcnmatrizcn von häufigauftretenden Ersatzschaltungen 6
1.2 Einstcllbare Dämpfungsglieder 1{
1.2.1 Ein Hohlleiter-Dämpfungsglied 9
1.3 Reflektomcterschaltungen II
1.3.1 LeitungskoppleI' I1
1.3.2 Ein resistiver KoppleI' 20
1.3.3 Ein TransformatorkoppleI' 22
1.3.4 Ein Null-Grad-Kopplcr mit A/4-Leitungen 22
1.4 Phasenschieber 24
1.5 Breitbanddetektoren 26
1.6 Leistungsmessung 30
1.6.1 Leistungsmessung mitThermoelementen 30
1.6.2Thermistormessbrücke 34
1.6.3 Leistungsmessung mit Schottky-Dioden 35
1.7 Detektoren mit Feldeffekttransistoren 36
1.7.1 Statische Kennlinien und Kleinsignalverhalten 36
1.7.2Gleichrichtungan der Drain-Source-Strecke 42
1.7.3GesteuerteGleichrichtung 43
2 Skalare Vierpolmessungen 47
2.\ MessungskalarerVierpolparameter 47
2.1.\ Transmissions- und Reflexionsmessungen 48
2.1.2 Fehlerbei Transmissionsmessungen 59
2.1.3 Fehlerbei Reflexionsmessungen 65
2.1.4 Skalare Messungen mitModulation 67
2.2 Messungen mitder Messleitung 68
2.3 Sechstormessungen 72
2.3.1 LeistungsmessungenmitderSechstormethode 74
VIII Inhaltsverzeichnis
2.3.2 Reflexionsmessungen mitderSechstormethode 75
2.4 Brückenmessungen 79
3 Mischer, Phasenregelkreise und Schrittgeneratoren 83
3.1 Das Überlagerungs-oderHeterodynprinzip 83
3.2 Parametrische Rechnung : 84
3.2.1 Abwärtsmischer mit Schottky-Dioden 87
3.3 Ausftihrungsformen von Mischern 94
3.3.1 Der Ein-Dioden-Mischer 94
3.3.2 Derbalancierte Mischer(2-Dioden-Mischer) 96
3.3.3 Derdoppelt balancierte Mischer(4-Dioden-Mischer) 97
3.3.4 Mischer mit einem Feldeffekt-Transistor 99
3.3.5 DerZwei-FET-Mischer 100
3.3.6 Analog-Multiplizierer 101
3.3.7 DerOberwellen-Mischer 102
3.4 Grundlagen der Phasenregelkreise 103
3.5 Analoge und digitale Phasendiskriminatoren III
3.5.1 Ein periodischer und symmetrischerdigitaler Phasendiskriminator
mit bereichsweise linearer Kennlinie IJ2
3.5.2 Ein digitaler Phasendiskriminatormit linearer und unsymmetrischer
Kennlinie aufder Basiseines flankengetriggerten Flip-Flops 113
3.5.3 Ein periodischerund unsymmetrischer Phasendiskriminatormit
bereichsweise linearerKennlinie 115
3.6 Phasen-Frequenz-Diskriminatoren 118
3.6.1 Ein Phasen-Frequenz-Diskriminatoraufder Basis von flanken-
getriggerten Flip-Flops 118
3.6.2 Ein Phasen-Frequenz-Diskriminatoraufder Basis von
Logik-Gattern 120
3.7 Grundlagen der Schritt- und Synthesegeneratoren 124
3.7.1 Mitlaufende Wobbelsender 124
3.7.2 Schrittgeneratoren 126
3.8 Phasenregelkreise mit fraktionalen Teilern 132
3.8.1 AnwendungderSigma-Delta-Modulation 133
3.8.2 Mehrfachintegration 135
4 Grundlagen derSystemfehlerkorrekturvon Netzwerk-
analysatoren 141
4.1 HeterodyneNetzwerkanalysatoren 142
4.1.1 Aufbau des heterodynen Netzwerkanalysators 142
4.2 ErfassungderSystemfehler 144
4.2.1 AutomatischeSystemfehlerkorrekturbei Netzwerkanalysatoren 144
Inhaltsverzeichnis IX
4.2.2 Kalibriermessungen und Systemfehlerkorrekturbeim
5-Term-Verfahren 146
4.2.3 Reflektometer-Kalibrierungnach dem 3-Terrn-Verfahren 151
4.3 Systemfehlerkorrekturohne VertauschenderToredes Messobjekts 152
4.3.1 10-Term-Verfahren für Netzwerkanalysatoren mitdrei Messstellen. 152
4.3.2 Netzwerkanalysatoren mit vier Messstellen 154
4.3.3 Realisierungder Reflektometerohne Richtkoppler 157
4.4 Kalibrierverfahren 158
4.4.1 Kalibrierung des Vier-Messstellen-Systemsmit vollständig
bekannten Standardzweitoren 158
4.4.2 Selbstkalibrierungmit teilweise unbekannten Zweitorstandards 159
4.4.3 Selbstkalibrierungmit teilweise unbekannten Zweitorstandards
ohneTransmission 162
4.4.4 Darstellungdes IO-Term-Verfahrens mitTransmissionsmatrix 167
4.4.5 Darstellungdes 10-Term-Verfahrens mit Streumatrix 168
4.4.6 Darstellungdes 5-Term-Verfahrens mit Streumatrix 170
4.4.7 Selbstkalibrierungüberdie Determinantenbedingungeines
homogenen Gleichungssystems 171
4.4.8 Kalibrierverfahren ohne Durchverbindung 172
4.4.9 Korrekturrechnung nurmit Messwerten 173
4.5 Darstellungdes Fehlermodells mit Kettenmatrizen 175
4.5.1 Impedanzmessverfahren 175
4.5.2 DasZU- Verfahren und das YU-Verfahren 176
4.5.3 DieTZU-,TYU-, ZUU- und YUU-Verfahren 178
4.5.4 Impedanzverfahren bei Kenntnis des Realteils 179
4.5.5 Lxx- statt Txx-Verfahren 180
4.6 Das LNN-Vcrfahren: Kalibrierung miteiner Leitung und einem
Störzweitor 180
4.6.1 Algebraische Beschreibungdes LNN-Verfahrens 182
4.6.2 Das Doppcl-LNN-Verfahren 185
4.7 Teilautomatische Kalibrierverfahren 186
4.[0\ Der Netzwerkanalysatorals Impedanzkomparator 188
4.9 Messbett-Kalibrierverfahren 189
4.10 Kalibricrung verkoppelter Reflektometer 195
4.10.1 Das 15-Tenn-Verfahren 197
4.10.2 Selbstkalibricrungbeim 15-Term-Verfahren 200
4.10.3 Messergebnisse mit dem TMRG-Verfahren 20I
4.10.4 DasTMR-Verfahren für das Vollmodell 203
4.10.5 Das 22-Term-Verfahren 204
5 Homodyne Netzwerkanalysatoren 207
5.1 Das Prinzipder homodynen Netzwerkanalyse 208
5.2 Einseitenband-Versetzerund Einseitenband-Empfanger 209
5.3 Einseitenband-Versetzungdurch Phasenmodulation 214
X Inhaltsverzeichnis
5.4 HomodynverfahrenmitPhasenschaltern- direktesVerfahren 218
5.4.1 EinHomodynverfahren mitnäherungsweisebekanntenEtablier-
faktoren- wichtendesVerfahren 221
5.4.2Eineanaloge RealisierungdeswichtendenVerfahrens 222
5.5 Etablierungund Kalibrierungbei homodynen Netzwerkanalysatoren 225
5.6 Etablierungderkomplexen Messfahigkeitbeim Sechstor-Verfahren 227
5.7 Etablierungund Kalibrierungdes Doppel-Sechstors 232
5.8 Etablierungdes Kreuzwellenverhältnissesbeim Doppel-Sechstor 235
6Frequenzmessungen und Spektrumanalysatoren 241
6.1 YIG-Filterund Resonatoren 241
6.2 Frequenzmessungen 245
6.2.1 Analoge Frequenzmessungen 245
6.2.2 DigitaleFrequenzmessungen 246
6.2.3 Frequenzumsetzunganeinemfesten Kammspektrum 247
6.2.4Frequenzumsetzunganeinemdurchstimmbaren Kammgenerator 249
6.2.5 Frequenzmessungmit YIG-Vorselektiondes Messsignals 251
6.3 Spektrumanalysatoren 252
6.4 Anwendungdes Heterodyn-Prinzipsbei Spektrumanalysatoren 253
6.5 Störliniendurch Intermodulation 258
6.5.1 Intermodulationsprodukte 3.0rdnung 258
6.5.2Filterbare Intermodulationsprodukteamersten Mischer 260
6.5.3 EigenschafteneinesSpektrumanalysators 262
6.6 Ein Spektrumanalysatorkombiniert mitAufwärtsmischung 262
6.7 FrequenzerweiterungdesSpektrumanalysatorsdurch harmonische
Mischung 265
7Zeitbereichsmessungen 269
7.1 DerAbtastoszillograph 269
7.1.1 GrundlagenderAbtastung 269
7.2 TechnischeRealisierungeinesAbtastoszillographen 278
7:2.1 DasAbtastglied 278
7.2.2DerAbtastverstärker 281
7.2.3 Abtaststeuerung 283
7.3 Impulsreflektometrie 284
7.4 Abtastungim Frequenzbereich 286
7.4.1 DieDiskreteFouriertransformation 289
7.4.2BerechnungderImpulsantwortundMessungvon Laufzeiten 291
7.5 Ein Abtastverfahren im Frequenzbereich- DasFMCW-Verfahren 293
7.5.1 Das FMCW-Verfahren mitdiskreter Frequenzvariation 294