Hochfrequenzmesstechnik: Verfahren und Messsysteme

279 Pages·1998·6.863 MB·German

by  Manfred Thumm, Werner Wiesbeck, Stefan Kern (auth.)

Manfred Thumm I Werner Wiesbeck I Stefan Kern
Hochfrequenzmesstechnik
Manfred Thumm I Werner Wiesbeck I Stefan Kern
Hochfrequenz
messtechnik
Verfahren und Messsysteme
2., durchgesehene Auflage
Mit 217 Abbildungen
STUDIUM
I I
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
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1. Auflage 1997
2., durchgesehene Auflage 1998
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© Springer Fachmedien Wiesbaden 2008
Ursprünglich erschienen bei Vieweg +T eubner I GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2008
Lektorat: Reinhard Dapper I Andrea Broßler
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Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.
ISBN 978-3-519-16360-2 ISBN 978-3-663-01599-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-01599-4
Vorwort
In der heutigen vernetzten und von vielfältigen Kommunikationsmöglichkeiten gepräg
ten Welt kommt der Hochfrequenztechnik steigende Bedeutung zu. Neben der System
und Schaltungstechnik ist die Kenntnis der Meßverfahren und Meßsysteme der Hoch
frequenztechnik wesentlich, beispielsweise bei Aufbau und Einsatz von Mobilfunk
netzen oder Datennetzen. Weitere wichtige Anwendungsgebiete der Hochfrequenz
technik, und damit auch der zugehörigen Meßtechnik, sind Sensorik, Fernerkundung,
Radar und industrielle Heiztechnik. Die Meßtechnik wird hier für Komponenten, Bau
gruppen, Subsysteme und Systeme im Frequenzbereich von einigen MHz bis in den
Millimeterwellenbereich eingesetzt. Der Schwerpunkt liegt dabei im Mikrowellen
bereich, da traditionelle Arbeitsbereiche der Hochfrequenztechnik wie die auf eine
Vielzahl diskreter Filter aufbauende Sende- und Empfangstechnik durch die zu
nehmende Integration solcher Funktionen in einzelnen integrierten Schaltungen an
Bedeutung verlieren. Unter Hochfrequenztechnik soll daher im Rahmen dieses Buches
in erster Linie die Mikrowellentechnik, die sich eher mit der Beschreibung verteilter
Elemente und verkoppelter Systeme durch Leistungswellen und Streuparameter als mit
der Spannungs-Strom-Beschreibung diskreter Elemente befaßt, verstanden werden.
Der vorliegende Text entspricht in weiten Teilen der Vorlesung "Mikrowellenmeß
technik" am Institut für Höchstfrequenztechnik und Elektronik der Universität Karls
ruhe. Er wendet sich an Studenten der Elektrotechnik und Physik im Hauptdiplom,
aber auch an Ingenieure und Wissenschaftler in der Praxis. Der Leser sollte grund
legende Kenntnisse über die Hochfrequenztechnik besitzen, die benötigten mathemati
schen Grundlagen gehen jedoch nicht über einfache Zusammenhänge der Fourier
transformation hinaus.
Im Rahmen dieses Buches ist besonders darauf Wert gelegt, diejenigen Meßsysteme
und -methoden vorzustellen, denen man auch in der aktuellen Praxis begegnet.
Insofern werden viele traditionelle Meßmethoden, wie man sie in älteren Werken zur
Hochfrequenzmeßtechnik häufig findet, nur kurz behandelt. Für eine ausführliche
Betrachtung solcher Methoden sei auf die Literatur verwiesen. Damit wird der
Tatsache Rechnung getragen, daß manuelle Meßsysteme heute durch automatisierte und
rechnergestützte Meßgeräte und -systeme weitgehend ersetzt sind. Es darf dabei
allerdings nicht übersehen werden, daß auch das beste Meßgerät nicht ohne
Verständnis seines Funktionsprinzips verwendet werden kann oder sollte. Die
komfortable Ausstattung vieler Geräte kann nur zu leicht vergessen lassen, daß jedes
VI Vorwort
Meßgerät mit prinzipiellen Fehlern behaftet ist, die nur bei Kenntnis der Funktions
weise und des Zusammenwirkens aller Komponenten des Meßsystems vermieden oder
minimiert werden können.
In diesem Sinne macht der vorliegende Text, ausgehend von der Beschreibung grund
legender Komponenten wie Mischern oder Oszillatoren (Kapitel 2), die Funktionsweise
der Meßsysteme zur Leistungsmessung (Kapitel 3) und Frequenzmessung (Kapitel 4),
zur Spektralanalyse (Kapitel 5) und zur Signalanalyse im Modulationsbereich (Kapitel
6) verständlich. Neben diesen fundamentalen Messungen zur Signalanalyse sind in
gleicher Weise Systeme für die ebenso wichtigen Meßaufgaben der Phasenrausch
meßtechnik (Kapitel 7), der Netzwerkanalyse (Kapitel 8) und der Antennenmeßtechnik
(Kapitel 9) behandelt. Damit sind alle grundlegenden Bereiche der aktuellen Hoch
frequenzmeßtechnik abgedeckt. Nicht oder nur am Rande behandelt werden darüber
hinausgehende Gebiete wie die digitale Signalanalyse beispielsweise in Mobilfunknetzen
oder die Bestimmung von Materialparametern.
Ein Buch, das die aktuelle Technik zum Thema hat, kann nicht ohne die Unterstützung
etlicher praktisch tätiger Personen und Firmen auskommen. An dieser Stelle sei daher
der Vielzahl von Studenten und wissenschaftlichen Mitarbeitern der Universität Karls
ruhe gedankt, die durch Verbesserungs- und Korrekturvorschläge einen wesentlichen
Beitrag zum Entstehen dieses Buches geleistet haben. Neben vielen anderen ist hier
besonders Herrn Dr.-Ing. Hans-Ulrich Nickel zu danken. Ebenso sei den im Bild
nachweis genannten Firmen gedankt fur die freundliche Erlaubnis, ihre Abbildungen
zu verwenden.
Karlsruhe, im Januar 1997 Manfred Thumm, Werner Wiesbeck
und Stefan Kern
Vorwort zur 2. Auflage
Die erste Auflage dieses Buchs hat eine erfreulich gute Aufnahme gefunden. Für die
zweite Auflage, die nun schon nach wenig mehr als einem Jahr folgt, wurden die
wenigen bekannt gewordenen Unstimmigkeiten berichtigt sowie das Literatur
verzeichnis ergänzt. Wir bedanken uns bei den bisherigen Lesern und wünschen allen
zukünftigen eine interessante und nützliche Lektüre.
Karlsruhe, im Mai 1998 Manfred Thumm, Werner Wiesbeck
und Stefan Kern
Inhaltsverzeichnis
vorwort ............................................•...................................................................... V
Inhaltsverzeichnis ............................................................................................... VII
1 Einleitung ................................................................................................................. 1
1.1 Frequenz-und Leistungsbereiche ....................................................................... 1
1.2 Besonderheiten im Hochfrequenzbereich ........................................................... 3
1.3 Automatisierung ................................................................................................. 5
1.4 Zusammenstellung der Meßgrößen .................................................................... 6
2 Meßgeneratoren ...................................................................................................... 9
2.1 Klassifizierung .................................................................................................... 9
2.1.1 Signalgenerator ...................................................................................... 10
2.1.2 Wobbelgenerator ................................................................................... 10
2.1.3 Schritt- oder Synthesegenerator ............................................................ 11
2.1.4 Wobbelbarer Synthesegenerator ........................................................... 11
2.2 Baugruppen von Meßgeneratoren ..................................................................... 12
2.2.1 Oszillatoren ........................................................................................... 12
2.2.2 Frequenzvervielfacher mit Speichervaraktoren ..................................... 17
2.2.3 Frequenzumsetzung mit Diodenmischern ............................................. 19
2.2.4 Amplitudenregelschleife ....................................................................... 27
2.2.5 Phasenregelschleife ............................................................................... 28
2.3 Typische Blockschaltbilder .............................................................................. 32
2.3.1 Wobbelgenerator ................................................................................... 32
2.3.2 Synthesegeneratoren .............................................................................. 34
2.3.3 Vergleich Wobbler/Synthesizer ............................................................. 37
2.4 Ausgangsspektren der Generatoren .................................................................. 38
2.4.1 Harmonische, Subharmonische und nichtharmonische Nebenlinien .... 38
2.4.2 Phasenrauschen ..................................................................................... 40
2.4.3 Spektrum im Wobbelbetrieb ................................................................ .42
VIII Inhaltsverzeichnis
3 Leistungsmessung ................................................................................................. 45
3.1 Prinzipielle Fehlerquellen ................................................................................. 45
3.1.1 Beeinflussung der Quelle -das Rieke-Diagramm ................................ .46
3.1.2 Fehlanpassung ....................................................................................... 49
3.1.3 Kalibration ............................................................................................. 55
3.1.4 Rauschkenngrößen für Leistungsmesser ............................................... 59
3.2 Meßwandler ...................................................................................................... 60
3.2.1 Überblick: Meßsensoren ........................................................................ 60
3.2.2 Kalorimeter ............................................................................................ 61
3.2.3 Bolometer .............................................................................................. 63
3.2.4 Thermoelement-Leistungsmessung ....................................................... 67
3.2.5 Supraleitender Quanteninterferenz Detektor (SQUID) ......................... 71
3.2.6 Leistungsmessung mit Schottky-Dioden ............................................... 72
3.2.7 Pyroelektrischer Detektor ...................................................................... 79
3.2.8 Golay-Zelle ............................................................................................ 79
3.3 Leistungsmessung an modulierten und gepulsten Hochfrequenz-Signalen ..... 80
3.3.1 Leistungsdefinitionen ............................................................................ 80
3.3.2 Hüllkurvenleistung ................................................................................ 82
3.3.3 Impulsleistung ....................................................................................... 83
3.3.4 Notch-Wattmeter ................................................................................... 84
4 Frequenzmessung .................................................................................................. 85
4.1 Mechanische Frequenz-und Wellenlängenmesser ........................................... 85
4.1.1 Stehwellenmeßleitung ........................................................................... 85
4.1.2 Resonanzfrequenzmesser ...................................................................... 86
4.1.3 Michelson-Interferometer ...................................................................... 88
4.2 Elektronische Frequenzzähler ........................................................................... 89
4.2.1 Digitale Frequenzzähler ......................................................................... 89
4.2.2 Mikrowellenfrequenzzähler ................................................................... 93
5 Hochfrequenz-Spektralanalysatoren .................................................................. 98
5.1 Theoretische Grundlagen der Spektralanalyse ............................................... 101
5.1.1 Minimale dynamische Auflösungsbandbreite ..................................... 101
5.1.2 Signalauflösung des Spektralanalysators ............................................ 105
5.1.3 Gepulste Signale .................................................................................. 107
5.2 Aufbau von Spektralanalysatoren ................................................................... 111
5.2.1 Grundwellenmischer ........................................................................... 111
5.2.2 Frequenzerweiterung durch Oberwellenmischung .............................. 114
5.2.3 Eigenschaften beider Konzepte ........................................................... 116
5.3 Praktische Grenzen der Meßdynamik ............................................................. 117
5.3.1 Eigenrauschen ..................................................................................... 117
5.3.2 I dB-Kompressionspunkt .................................................................... 119
5.3.3 Intermodulationsverzerrungen ............................................................. 119
Inhaltsverzeichnis IX
5.4 Messungen mit dem Spektralanalysator ......................................................... 123
5.4.1 Amplitudenmodulation (AM) ............................................................. 124
5.4.2 Frequenz-und Phasenmodulation (FM, PM) ...................................... 126
5.4.3 Skalare Netzwerkanalyse (stimulus response) .................................... 131
6 Hochfrequenzmessungen in der Modulationsebene ........................................ 133
6.1 Der Frequenz-und Zeitintervall-Analysator (HP) .......................................... 133
6.1.1 Idee und Funktionsweise des totzeitfreien Frequenzzählers ............... 133
6.1.2 Eigenschaften und Spezifikationen ..................................................... 136
6.2 Messungen mittels Frequenz-und Zeitintervall-Analysator .......................... 138
6.2.1 Frequenz-und Phasendynamik von Oszillatoren ................................ 139
6.2.2 Charakterisierung von Phasenregelschleifen ....................................... 140
6.2.3 Jitter-Messung in digitalen Kommunikationssystemen ....................... 141
6.2.4 Messung von Radarsignalen ................................................................ 142
7 Phasenrauschmeßtechnik ................................................................................... 144
7.1 Definition und Ursachen des Phasenrauschens .............................................. 145
7.1.1 Instabilitäten und Rauscherscheinungen ............................................. 145
7.1.2 Ursachen des Phasenrauschens ........................................................... 147
7.2 Quantitative Beschreibung des Phasenrauschens ........................................... 150
7.2.1 Spektrale Leistungsdichte der Phasenschwankungen Scp(öf) .............. 151
7.2.2 Einseitenband-Phasenrauschen f(öf) ................................................... 152
7.2.3 Spektrale Leistungsdichte der Frequenzschwankungen SL\t(öf) ......... 154
7.2.4 Spektrale Dichte relativer Frequenzschwankungen Sy(öf) ................. 155
7.2.5 Rest-FM (Residual FM) ...................................................................... 156
7.2.6 Frequenzstabilität im Zeitbereich: Allan-Varianz a~('t) .................... 156
7.2.7 Phasenrauschen und Rauschtemperatur .............................................. 160
7.3 Phasenrauschmessungen im Hochfrequenzbereich ........................................ 162
7.3.1 Direkte Meßmethode (Spektralanalysator) ......................................... 162
7.3.2 Phasendetektor-Methode ..................................................................... 165
7.3.3 Frequenzdiskriminator-Methode ......................................................... 172
7.3.4 Vergleich der vorgestellten Meßmethoden ......................................... 178
7.4 Gepulste Phasenrauschmessungen ................................................................. 179
7.5 AM-Rauschmessungen ................................................................................... 180
8 Lineare Netzwerkanalyse ................................................................................... 182
8.1 Grundlagen und Meßprinzip ........................................................................... 183
8.1.1 Struktur eines Analysators ................................................................... 186
8.1.2 Signalquelle ......................................................................................... 187
8.1.3 Signaltrennung ..................................................................................... 187
8.1.4 Empfangstechniken ............................................................................. 190
8.1.5 Verarbeitung der Meßwerte und Ausgabeformate .............................. 192
x
Inhaltsverzeichnis
8.2 Vektorieller Netzwerkanalysator (VNWA ) .................................................... 194
8.2.1 Aufbau eines VNWAs ......................................................................... 194
8.2.2 Frequenzbereichsreflektometrie (FDR) ............................................... 197
8.2.3 Fehlerkorrektur .................................................................................... 204
8.3 Skalarer Netzwerkanalysator (SNWA ) ........................................................... 220
8.3.1 Aufbau eines SNWAs ......................................................................... 220
8.3.2 Übertragungsmessung ......................................................................... 222
8.3.3 Reflexionsmessung .............................................................................. 224
9 Antennenmeßtechnik .......................................................................................... 228
9.1 Kenngrößen einer Antenne ............................................................................. 228
9.2 Antennenmeßstrecke und Meßumgebung ...................................................... 234
9.2.1 Die Antennenmeßstrecke ..................................................................... 235
9.2.2 Freiraummessungen ............................................................................. 240
9.2.3 Der Absorbermeßraum ........................................................................ 241
9.2.4 Die kompakte Femfe1d-Meßstrecke .................................................... 243
9.2.5 Die Nahfeld-Meßstrecke ..................................................................... 244
9.3 Messung der Kenngrößen einer Antenne ....................................................... 244
9.3.1 Gewinnmessung .................................................................................. 245
9.3.2 Messung der Richtcharakteristik ......................................................... 247
10 Anhang ................................................................................................................. 251
10.1 Signalflußdiagramme .................................................................................... 251
10.2 Richtschärfe eines Kopplers bei reflektierender Last ................................... 255
10.3 Umrechnung Reflexion -Stehwellenverhältnis ............................................ 256
10.4 Wichtige Hersteller von Meßgeräten im
Hochfrequenz-und Mikrowellenbereich (Stand 1998) ................................ 257
Literatur ............................................................................................................... 258
Bildnachweis ........................................................................................................ 261
Sachwortverzeichnis ........................................................................................... 265
1 Einleitung
Im weitesten Sinne wird Hochfrequenzmeßtechnik betrieben, seit Heinrich Hertz von
1886 bis 1888 als Ordinarius am Physikalischen Institut des Polytechnikums Karlsruhe
der Nachweis von Abstrahlung, Ausbreitung, Empfang und Polarisation elektromagne
tischer Wellen (um 100 MHz) gelang. Die technische Entwicklung zeigte von Beginn
an einen Trend zu höheren Frequenzen, der auch heute noch vorherrscht und der
Hochfrequenzmeßtechnik stetig neue Aufgabenbereiche zukommen läßt.
1.1 Frequenz- und Leistungsbereiche
Der Frequenzbereich der Hochfrequenztechnik ist durch die Verwendung von Kompo
nenten in der Größenordnung der Wellenlänge gekennzeichnet. Im engeren Sinne trifft
dies auf die Mikrowellentechnik zu, deren untere Frequenzgrenze bei etwa 300 MHz
durch den Übergang von der Technik diskreter, konzentrierter Schaltungselemente zur
Technik verteilter Elemente festgelegt wird. Als obere Frequenzgrenze kann 300 GHz
angegeben werden. Hier wird die elektronische Schwingungserzeugung und der Ein
satz von Hohlleitern schwierig, es kommen vermehrt optische und quantenmechanische
Verfahren zum Einsatz. Beide Frequenzgrenzen sind nicht bindend, sondern von der
verwendeten Technik abhängig. Die traditionelle Unterteilung des Hochfrequenz
bereichs ist (mit der Freiraumwellenlänge im Vakuum AQ):
• HF (high frequencies)
f= 3 ... 30 MHz; 1.,0=100 ... 10 m
• VHF (very high frequencies)
f = 30 ... 300 MHz; 1.,0 = 10 ... 1 m (Meterwellen)
• UHF (ultra high frequencies)
f = 300 ... 3000 MHz; 1.,0 = 1...0,1 m (Dezimeterwellen)
• SHF (super high frequencies)
f = 3 ... 30 GHz; 1.,0=10 ... 1 cm (Zentimeterwellen)
• EHF (extremely high frequencies)
f = 30 ... 300 GHz; 1.,0=10 ... 1 mm (Millimeterwellen)