Grundlagen der Hochfrequenz-Messtechnik

Burkhard Schiek, PhD, is Professor in the Electrical Engineering Department of Ruhr-Universität Bochum.

1 Einige Komponenten der Hochfrequenz-Messtechnik.- 1.1 Wichtige Matrixbeschreibungen von Vierpolen.- 1.1.1 Die Streumatrix [S].- 1.1.2 Die Transmissionsmatrix [?].- 1.1.3 Die Kettenmatrix oder ABCD-Matrix.- 1.1.4 Die Kettenmatrizen von häufig auftretenden Ersatzschaltungen.- 1.2 Einstellbare Dämpfungsglieder.- 1.2.1 Ein Hohlleiter-Dämpfungsglied.- 1.3 Reflektometerschaltungen.- 1.3.1 Leitungskoppler.- 1.3.2 Ein resistiver Koppler.- 1.3.3 Ein Transformatorkoppler.- 1.3.4 Ein Null-Grad-Koppler mit ?/4-Leitungen.- 1.4 Phasenschieber.- 1.5 Breitbanddetektoren.- 1.6 Leistungsmessung.- 1.6.1 Leistungsmessung mit Thermoelementen.- 1.6.2 Thermistormessbrücke.- 1.6.3 Leistungsmessung mit Schottky-Dioden.- 1.7 Detektoren mit Feldeffekttransistoren.- 1.7.1 Statische Kennlinien und Kleinsignalverhalten.- 1.7.2 Gleichrichtung an der Drain-Source-Strecke.- 1.7.3 Gesteuerte Gleichrichtung.- 2 Skalare Vierpolmessungen.- 2.1 Messung skalarer Vierpolparameter.- 2.1.1 Transmissions-und Reflexionsmessungen.- 2.1.2 Fehler bei Transmissionsmessungen.- 2.1.3 Fehler bei Reflexionsmessungen.- 2.1.4 Skalare Messungen mit Modulation.- 2.2 Messungen mit der Messleitung.- 2.3 Sechstormessungen.- 2.3.1 Leistungsmessungen mit der Sechstormethode.- 2.3.2 Reflexionsmessungen mit der Sechstormethode.- 2.4 Brückenmessungen.- 3 Mischer, Phasenregelkreise und Schrittgeneratoren.- 3.1 Das Überlagerungs-oder Heterodynprinzip.- 3.2 Parametrische Rechnung.- 3.2.1 Abwärtsmischer mit Schottky-Dioden.- 3.3 Ausführungsformen von Mischern.- 3.3.1 Der Ein-Dioden-Mischer.- 3.3.2 Der balancierte Mischer (2-Dioden-Mischer).- 3.3.3 Der doppelt balancierte Mischer (4-Dioden-Mischer).- 3.3.4 Mischer mit einem Feldeffekt-Transistor.- 3.3.5 Der Zwei-FET-Mischer.- 3.3.6 Analog-Multiplizierer.- 3.3.7 Der Oberwellen-Mischer.- 3.4 Grundlagen der Phasenregelkreise.- 3.5 Analoge und digitale Phasendiskriminatoren.- 3.5.1 Ein periodischer und symmetrischer digitaler Phasendiskriminator mit bereichsweise linearer Kennlinie.- 3.5.2 Ein digitaler Phasendiskriminator mit linearer und unsymmetrischer Kennlinie auf der Basis eines flankengetriggerten Flip-Flops.- 3.5.3 Ein periodischer und unsymmetrischer Phasendiskriminator mit bereichsweise linearer Kennlinie.- 3.6 Phasen-Frequenz-Diskriminatoren.- 3.6.1 Ein Phasen-Frequenz-Diskriminator auf der Basis von flankengetriggerten Flip-Flops.- 3.6.2 Ein Phasen-Frequenz-Diskriminator auf der Basis von Logik-Gattern.- 3.7 Grundlagen der Schritt-und Synthesegeneratoren.- 3.7.1 Mitlaufende Wobbelsender.- 3.7.2 Schrittgeneratoren.- 3.8 Phasenregelkreise mit fraktionalen Teilern.- 3.8.1 Anwendung der Sigma-Delta-Modulation.- 3.8.2 Mehrfachintegration.- 4 Grundlagen der Systemfehlerkorrektur von Netzwerkanalysatoren.- 4.1 Heterodyne Netzwerkanalysatoren.- 4.1.1 Aufbau des heterodynen Netzwerkanalysators.- 4.2 Erfassung der Systemfehler.- 4.2.1 Automatische Systemfehlerkorrektur bei Netzwerkanalysatoren.- 4.2.2 Kalibriermessungen und Systemfehlerkorrektur beim 5-Term-Verfahren.- 4.2.3 Reflektometer-Kalibrierung nach dem 3-Term-Verfahren.- 4.3 Systemfehlerkorrektur ohne Vertauschen der Tore des Messobjekts.- 4.3.1 10-Term-Verfahren für Netzwerkanalysatoren mit drei Messstellen.- 4.3.2 Netzwerkanalysatoren mit vier Messstellen.- 4.3.3 Realisierung der Reflektometer ohne Richtkoppler.- 4.4 Kalibrierverfahren.- 4.4.1 Kalibrierung des Vier-Messstellen-Systems mit vollständig bekannten Standardzweitoren.- 4.4.2 Selbstkalibrierung mit teilweise unbekannten Zweitorstandards.- 4.4.3 Selbstkalibrierung mit teilweise unbekannten Zweitorstandards ohne Transmission.- 4.4.4 Darstellung des 10-Term-Verfahrens mit Transmissionsmatrix.- 4.4.5 Darstellung des 10-Term-Verfahrens mit Streumatrix.- 4.4.6 Darstellung des 5-Term-Verfahrens mit Streumatrix.- 4.4.7 Selbstkalibrierung über die Determinantenbedingung eines homogenen Gleichungssystems.- 4.4.8 Kalibrierverfahren ohne Durchverbindung.- 4.4.9 Korrekturrechnung nur mit Messwerten.- 4.5 Darstellung des Fehlermodells mit Kettenmatrizen.- 4.5.1 lmpedanzmessverfahren.- 4.5.2 Das ZU- Verfahren und das YU-Verfahren.- 4.5.3 Die TZU-, TYU-, ZUU- und YUU-Verfahren.- 4.5.4 lmpedanzverfahren bei Kenntnis des Realteils.- 4.5.5 Lxx-statt Txx-Verfahren.- 4.6 Das LNN-Vcrfahren: Kalibrierung mit einer Leitung und einem Störzweitor.- 4.6.1 Algebraische Beschreibung des LNN-Verfahrens.- 4.6.2 Das Doppel-LNN-Verfahren.- 4.7 Teilautomatische Kalibrierverfahren.- 4.8 Der Netzwerkanalysator als lmpedanzkomparator.- 4.9 Messbett-Kalibrierverfahren.- 4.10 Kalibrierung verkoppelter Reflektometer.- 4.10.1 Das 15-Term-Verfahren.- 4.10.2 Selbstkalibrierung beim 15-Term-Verfahren.- 4.10.3 Messergebnisse mit dem TMRG-Verfahren.- 4.10.4 Das TMR-Verfahren für das Vollmodell.- 4.10.5 Das 22-Term-Verfahren.- 5 Homodyne Netzwerkanalysatoren.- 5.1 Das Prinzip der homodynen Netzwerkanalyse.- 5.2 Einseitenband-Versetzer und Einseitenband-Empfänger.- 5.3 Einseitenband-Versetzung durch Phasenmodulation.- 5.4 Homodynverfahren mit Phasenschaltern - direktes Verfahren.- 5.4.1 Ein Homodynverfahren mit näherungsweise bekannten Etablierfaktoren - wichtendes Verfahren.- 5.4.2 Eine analoge Realisierung des wichtenden Verfahrens.- 5.5 Etablierung und Kalibrierung bei homodynen Netzwerkanalysatoren.- 5.6 Etablierung der komplexen Messfähigkeit beim Sechstor-Verfahren.- 5.7 Etablierung und Kalibrierung des Doppel-Sechstors.- 5.8 Etablierung des Kreuzwellenverhältnisses beim Doppel-Sechstor.- 6 Frequenzmessungen und Spektrumanalysatoren.- 6.1 YIG-Filter und Resonatoren.- 6.2 Frequenzmessungen.- 6.2.1 Analoge Frequenzmessungen.- 6.2.2 Digitale Frequenzmessungen.- 6.2.3 Frequenzumsetzung an einem festen Kammspektrum.- 6.2.4 Frequenzumsetzung an einem durchstimmbaren Kammgenerator.- 6.2.5 Frequenzmessung mit YIG-Vorselektion des Messsignals.- 6.3 Spektrumanalysatoren.- 6.4 Anwendung des Heterodyn-Prinzips bei Spektrumanalysatoren.- 6.5 Störlinien durch Intermodulation.- 6.5.1 Intermodulationsprodukte 3.Ordnung.- 6.5.2 Filterbare Intermodulationsprodukte am ersten Mischer.- 6.5.3 Eigenschaften eines Spektrumanalysators.- 6.6 Ein Spektrumanalysator kombiniert mit Aufwärtsmischung.- 6.7 Frequenzerweiterung des Spektrumanalysators durch harmonische Mischung.- 7 Zeitbereichsmessungen.- 7.1 Der Abtastoszillograph.- 7.1.1 Grundlagen der Abtastung.- 7.2 Technische Realisierung eines Abtastoszillographen.- 7:2.1 Das Abtastglied.- 7.2.2 Der Abtastverstärker.- 7.2.3 Abtaststeuerung.- 7.3 Impulsreflektometrie.- 7.4 Abtastung im Frequenzbereich.- 7.4.1 Die Diskrete Fouriertransformation.- 7.4.2 Berechnung der Impulsantwort und Messung von Laufzeiten.- 7.5 Ein Abtastverfahren im Frequenzbereich - Das FMCW-Verfahren.- 7.5.1 Das FMCW-Verfahren mit diskreter Frequenzvariation.- 7.5.2 Das FMCW-Verfahren mit kontinuierlicher Frequenzvariation.- 7.5.3 Spiegelimpulse.- 7.5.4 Entfernungsmessung mit dem virtuellen Entfernungsmesser.- 8 Rauschmessungen an Hochfrequenz-Schaltungen.- 8.1 Thermisches Rauschen.- 8.1.1 Serien-und parallelgeschaltete Widerstände.- 8.1.2 Der RC-Kreis.- 8.1.3 Rauschen eines komplexen Widerstandes und die verfügbare Rauschleistung.- 8.1.4 Widerstandsnetze mit inhomogener Temperaturverteilung.- 8.1.5 Das Dissipationstheorem.- 8.2 Messung der äquivalenten Rauschtemperatur eines Zweipols.- 8.2.1 Grundschaltung.- 8.2.2 Schalt-Radiometer.- 8.2.3 Plancksches Strahlungsgesetz.- 8.3 Rauschen von Vierpolen.- 8.3.1 Transformation von Rauschsignalen über lineare Vierpole.- 8.3.2 Transformation des Leistungsspektrums.- 8.3.3 Korrelation zwischen Eingangs-und Ausgangsrauschen eines Vierpols.- 8.3.4 Überlagerung von teilweise korrelierten Rauschsignalen..- 8.3.5 Messung der Korrelationsfunktion und des Kreuzspektrums.- 8.4 Korrelation bei thermisch rauschenden Vierpolen.- 8.4.1 Umrechnung verschiedener Rausch-Darstellungen.- 8.4.2 Thermisch rauschende Vierpole homogener Temperatur.- 8.4.3 Korrelationseigenschaften eines Vierpols homogener Temperatur, dargestellt durch Streumatrizen.- 8.4.4 Ein Korrelationsradiometer.- 8.5 Die Rauschzahl linearer Vierpole.- 8.5.1 Gewinndefinitionen.- 8.5.2 Berechnung der Rauschzahl aus Ersatzschaltungen.- 8.5.3 Die Rauschzahl thermisch rauschender Zweitore.- 8.5.4 Kaskadenschaltung für hintereinandergeschaltete Zweitore.- 8.5.5 Rauschanpassung.- 8.6 Messung der Rauschzahl.- 8.6.1 Die 3 dB-Methode.- 8.6.2 Die Y-Faktor-Methode.- 8.7 Messung der minimalen Rauschzahl und der optimalen Generatorimpedanz.- 8.7.1 Darstellung mit Generator-Leitwert Yg.- 8.7.2 Bestimmung der vier Rauschterme durch Rauschzahlmessungen.- 8.7.3 Bestimmung der vier Rauschterme durch Leistungsmessungen.- 8.7.4 Parabolische Rauschzahl-Beziehung.- 8.7.5 Isolierung der Rauschterme des Messobjektes.- 8.8 Messung des Frequenzrauschens von Oszillatoren.- 8.8.1 Vierpolübertragung eines amplituden-und phasenmodulierten Trägersignals.- 8.8.2 Frequenzdiskriminatoren.- 8.8.3 Ein Frequenzdiskriminator mit einem Reflexionsresonator.- 8.8.4 Kalibrierung eines Frequenzdiskriminators.- 8.8.5 Messung des Frequenzrauschens mit einem Spektrumanalysator.- Anhang: Lösungen der Übungsaufgaben.- 1.- 2.- 3.- 4.- 5.- 6.- 7.- 8.- Sachwortverzeichnis.