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Netzwerkanalyse


Zu den Netzwerk-Analysatoren

Netzwerkanalyse / Reflexions- und Transmissions-Messung an elektronischen Messobjekten

Warum Netzwerk-Analysatoren? Netzwerk-Analysatoren werden in der Elektronik, Nachrichtentechnik und HF-Technik eingesetzt, um die Reflexion und Transmission von elektrischen Messobjekten (DUT = Device Under Test / Prüfling) als Funktion der Frequenz zu messen.

Die Netzwerkanalyse ist eine Vorgehensweise, mit der Ingenieure und Hersteller die elektrischen Eigenschaften von Modulen und Schaltungen, die in komplexen Systemen wie z. B. Übertragungssysteme, eingesetzt werden verifizieren.

Werden diese Systeme mit Signalen beaufschlagt, die Informationen beinhalten, so gilt es diese Signale mit maximaler Effizienz und ohne Verzerrungen zu übertragen. Mit Netzwerkanalysatoren lassen sich derartige Module, Schaltungen und Komponenten vermessen, um ihren Einfluss auf die Amplitude und Phase bei unterschiedlichen Frequenzen bzw. Frequenzbänder festzustellen.

Jedes elektronische Signal ist durch seine Amplitude, Frequenz und Phase charakterisiert, die entsprechend durch den Frequenz- und Phasengang der übertragenden Module, wie Verstärker, Filter, Mischer usw. beeinflusst werden.

Das Funktionsprinzip

Der Netzwerkanalysator mit dem integrierten Signalgenerator sendet ein Signal, dessen Frequenz, Amplitude und Phase bekannt sind, auf ein Messobjekt. Diese Anregung der Schaltung wird nun vermessen, was zu den S-Parametern (siehe unten) führt. Der Prüfling reflektiert einen Teil dieses Signals. Der Rest läuft in das Messobjekt, wird dort verändert (gedämpft, verstärkt, phasenverschoben, gemischt) und tritt am Ausgang des DUT (Device Under Test) als übertragenes Signal in Erscheinung; durch Fehlanpassung am Ausgang an die Last (folgende Stufe) kann auch hier wieder ein Teil des transmittierten Signals reflektiert werden.

Funktionsprinzip Netzwerkanalyse Schaubild

Umfasst das Signal einen weiten Frequenzbereich, so kann das Signal eine von der Frequenz abhängige Veränderung erfahren. Will man dieses verhindern, müssen die einzelnen Schaltungselemente (in diesem Fall das DUT) in dem benutzten Frequenzbereich linear sein. Dieses zu verifizieren ist mit einem Netzwerkanalysator möglich. Netzwerkanalysatoren werden in der Elektronik, Nachrichtentechnik und HF-Technik eingesetzt, um die Reflexion und Transmission von elektrischen Messobjekten als Funktion der Frequenz zu messen.

S-Parameter

Eines dieser Qualitätskriterien sind die S-Parameter, die Aufschluss darüber geben, welche Signalanteile mit welcher Beeinflussung übertragen werden und wie hoch die jeweiligen reflektierten Anteile sind. Die S-Parameter sind Kenngrößen, die diese Veränderung oder das lineare Verhalten des Prüflings beschreiben:

  • S11 ist der Eingangs-Reflexionsfaktor; er gibt Auskunft über die Anpassung der Signalquelle an die Schaltung,
  • S22 ist der Ausgangs-Reflexionsfaktor, der Aufschluss über die Anpassung des Ausgangs an den Eingang einer nachfolgenden Schaltung gibt,
  • S21 ist der Transmissionsfaktor, er ist gleichbedeutend mit der Verstärkung oder Dämpfung durch die zu messende Schaltung
  • S12 ist der Rücktransformationsfaktor und gibt Auskunft über den Signalanteil, der vom Ausgang der zu testenden Schaltung an deren Eingang reflektiert wird.

Messergebnisse

Mit diesen Netzwerkanalysatoren können Aussagen zur Signal-Amplitude und -Phase getroffen werden. Ferner lassen sich die S-Parameter von Komponenten oder Systemelementen messen und auch für weitergehende Simulationen nutzen.

Eine typische Messergebnisdarstellung ist das Smith-Diagramm. Mit dessen Hilfe lässt sich die Stabilität bzw. die Schwingneigung einer Schaltung feststellen. Es ist wichtig das Systemverhalten in der Nähe der Schwinggrenze (Polstellen) zu untersuchen, bzw. man kann das Systemdesign so auslegen, dass es durch eine Anregung (z. B. Störimpuls) nicht selbstständig beginnt zu schwingen, was einem Ausfall des Systems gleichkommt. Aus diesem Grund sind Netzwerk-Analysatoren unerlässlich.

Die folgende Grafik zeigt exemplarisch ein Smith-Diagramm und dessen Interpretation:

Smith-Diagramm Schaubild

X-Parameter

Bisher wurden die Module und Schaltungen als lineare Bauelemente betrachtet bzw. wurden nur in ihrem linearen Bereich ausgesteuert.

Will man jedoch ein Modul im nichtlinearen Bereich aussteuern, z. B. einen Mischer oder Begrenzer, so können mit dem Netzwerkanalysator auch die X-Parameter gemessen werden. Dieser Parametersatz beschreibt die Übertragungsfunktion bei nichtlinearen Systemen bzw. das Groß-Signalverhalten in nichtlinearen aber stetigen Systemen. So lassen sich Komponenten bis an die Linearitätsgrenze (z. B. bei Begrenzern) und darüber hinaus qualifizieren.

Netzwerkanalyse X-Parameter Schaubild

Einsatzgebiete

Netzwerk-Analysatoren dienen zur Messung elektrischer Netzwerke, HF-Komponenten und HF-Schaltungen wie beispielsweise von Dämpfungsgliedern, Filtern, Richtkopplern, Antennen, Spulen, Schaltungen, Verstärkern oder Mischern.

Reflexionen, Stehwellenverhältnis und Übertragungsfaktoren können nach Betrag und Phase, abhängig von der Frequenz, bestimmt werden. Der Frequenzgang dieser Einzel- bzw. System-Komponenten lässt sich mit diesen Geräten messen und sichtbar machen.

Vorteile der Netzwerkanalyse

Mit diesem Messgerätetyp lassen sich die Komponenten aufeinander abstimmen, so dass Reflexionen vermieden werden und eine bessere Anpassung der Systemelemente zueinander erreicht wird. Unangenehme Echos, Fehlanpassungen, erhöhtes Rauschen und im schlimmsten Fall Systemausfälle lassen sich dadurch vermeiden und man erhält eine bessere Systemqualität und Systemstabilität.

Die neuere Gerätegeneration zeichnet sich durch bandbreiten-variable Auflösebandbreiten (Resolution Bandwidth) aus, mit denen sich Messungen über einen weiten Frequenzbereich sehr schnell durchführen lassen. In der Höchstfrequenztechnik beim Qualifizieren von Hohlleitern, generell bei Übertragungsleitungen sind Netzwerk-Analysatoren das Werkzeug, um einen konstanten Übertragungsfaktor und einen linearen Phasenverlauf über den interessierenden Frequenzbereich sicher zu stellen bzw. zu qualifizieren.

Bauformen von Netzwerkanalysatoren

Keysight E5080A ENA stationärer Netzwerkanalysator 9 kHz bis max. 9 GHz

Stationäre- / Tischgeräte

Stationäre Netzwerkanalysatoren bzw. Netzwerkanalysatoren als Tischgeräte sind in der Regel leistungsstarke universell einsetzbare Geräte, welche vorwiegend in der Entwicklung oder der Produktion eingesetzt werden.

Keysight FieldFox Handheld Kombi-Analysator für den mobilen Einsatz

Mobiler Einsatz

Für den mobilen Einsatz z. B. im Prüf- und Servicebereich sind Handheld Geräte verfügbar. Diese sind meist Kombi-Geräte und enthalten gleich mehrere Gerätearten wie z. B. einen Spektrumanalysator, einen Vektor-Netzwerkanalysator und ein HF-Leistungsmessgerät. Durch die kompakte Bauweise und den umfangreichen Funktionsumfang müssen Abstriche bei der Leistung gemacht werden.

Keysight PXIe Vector-Netzwerkanalysator Module

Modular und kompakt

Die mechanischen Ausmaße dieser Bauform von Netzwerkanalysatoren sind derart genormt, dass sie zusammen mit anderen Modulen in ein dafür vorgesehenes Chassis eingeschoben werden können. Durch die Möglichkeit mehrere Module in einem Gehäuse unterzubringen können so Multi-Port-Anwendungen aufgebaut werden. Aufgrund des fehlenden Displays werden die Messwerte über einen entsprechenden Systembus an einen Computer übertragen. Durch diese Bauform erreicht man einen wesentlich kompakteren Mess-Aufbau, was zu weniger Platzbedarf im jeweiligen Anwendungsbereich führt.

Auswahlkriterien für einen Netzwerkanalysator

Damit stehen schon einige Auswahlkriterien für einen Netzwerkanalysator fest:

  • Einsatzgebiet / Anwendung
  • Welche maximalen Frequenzen sollen gemessen werden
  • Welche minimalen Frequenzen sollen gemessen werden
  • Welche Dynamik (dB) soll gemessen werden
  • Welche Ausgangsleistung wird benötigt
  • Welches Test-Set (Anzahl Tor) wird benötigt

Modelle Netzwerkanalysatoren

Übersichtstabelle:
 
Modell
Typische Anwendungen
Frequenzbereich
Benchtop PNAs
Erreicht unerreichte Performance

N524xA PNA-X Serie*
Leistungsfähigster und flexibelster Vektor-Netzwerkanalysator

Ersetzen eines kompletten Racks voller Messgeräte durch ein Einziges;
Komplette Charakterisierung von linearen und nichtlinearen aktiven Geräten

10 MHz bis 8,5/13,5/26,5/ 43,5/50/67 GHz

N52xxA PNA-Serie*
Leistungsfähiger, vektorieller Mikrowellen-Netzwerkanalysator
Analyse von leistungsfähigen passiven Komponenten;
Charakterisierung von aktiven Komponenten;
Messtechnik und Kalibrierlabore
10 MHz bis 13,5/26,5/43,5/ 50/67/110 GHz/120 GHz
N523xA PNA-L Serie
Wirtschaftlicher, vektorieller Mikrowellen-Netzwerkanalysator
Test von Mikrowellen S-Parameter;
Signalintegrität;
Materialmessungen
300 kHz bis 8,5/13,5/20 GHz
oder 10 MHz bis 43,5/50 GHz
Benchtop ENA
Testkosten gering gehalten

E5080A ENA
Leistungsstarker HF-Vektor-Netzwerkanalysator
mit modernem User-Interface

Test von HF-Komponenten;
Test von Filtern mit hoher Dämpfung;
Test von Multiport-Modulen
9 kHz bis 4,5/6,5/9 GHz
E5072A ENA
Leistungsstarker HF-Vektor-Netzwerkanalysator mit konfigurierbarem Testset
HF-Verstärker-Test;
Test von HF-Komponenten mit hohen Leistungen;
Messung von passiver Intermodulation (PIM)
30 kHz bis 4.5/8,5 GHz
E5071C ENA
Leistungsstarker HF-Vektor-Netzwerkanalysator mit hoher Performance und Geschwindigkeit
Test von HF-Komponenten;
Test von Multiport-Modulen;
Materialmessungen;
Signalintegrität
9 kHz bis 4,5/6,5/8,5 GHz oder
300 kHz bis 14/20 GHz
E5061B ENA
Vektor-Netzwerkanalysator für umfassende Nieder- und Hochfrequenzanalyse
Test von LF-Komponenten/Schaltungen;
Impedanz-Messung von Komponenten;
Test von HF-Komponenten;
Test von CATV-Komponenten
5 Hz bis 3 GHz oder 100 kHz bis 1,5/3 GHz
E5063A ENA
Kosteneffizienter RF-Vektor-Netzwerkanalysator für Tests von passiven Komponenten
Produktionstest von Antennen;
Test von passiven HF-Komponenten;
Materialmessungen;
Produktionstest von PCBs
100 kHz bis 4,5/8,5/18 GHz
Modular PXI
Leicht anpassbar an alle Testanforderungen
M937xA PXI-Serie
2-Port Netzwerkanalysator für einen PXI-Slot
Produktionstest von Antennen;
Test von HF-Komponenten;
Test von Multiport-Modulen;
Test von mehreren Standorten
300 kHz bis 4/6,5/ 9/14/20/26,5 GHz
Handheld FieldFox
Präzision für unterwegs
N99xxA FieldFox-Serie
Mobiler Kombi-Analysator mit Spektrum- und Netzwerkanalysefunktion
Test im Feld;
S-Parameter;
Test von Kabel und Antennen;
Überprüfung von Funksystemen;
Interferenz-Analyse
30 kHz bis 4/6,5/9/14/18/26,5 GHz
  

*Bis zu 1,05 THz mit externen Mischern

Unsere Spezialisten stehen Ihnen mit Rat und Tat zur Seite, um den für Sie richtigen Netzwerkanalysator zu finden.

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