Spek­trumana­ly­sa­tor, Teil 2

Nach­dem im ersten Teil eini­ge spek­tra­le Mes­sun­gen des Sig­lent SSA3032X Plus im Ver­gleich zum Rigol DSA815-TG gezeigt wur­den, sol­len in die­sem Teil nun Ver­gleichs­mes­sun­gen mit den ein­ge­bau­ten Tracking­gene­ra­to­ren (TG) durch­ge­führt werden.

Die Funk­ti­on eines Tracking­gene­ra­tors ist schnell erklärt: er gene­riert ein Signal mit genau der Fre­quenz, die der Spek­trumana­ly­sa­tor (SA) zu die­sem Zeit­punkt gera­de mißt. Damit ist sei­ne Funk­ti­on die eines klas­si­schen Wob­bel­sen­ders, nur daß eben der Detek­tor in Form des SA bereits ein­ge­baut ist. Ein SA mit TG gestat­tet damit ohne wei­te­re Hard­ware Trans­mis­si­ons­mes­sun­gen (s21), mit einem exter­nen Richt­kopp­ler aber auch Refle­xi­ons­mes­sun­gen (s11). Anders als mit einem vek­to­ri­el­len Netz­werk­ana­ly­sa­tor (VNA) geht bei­des aber nur ska­lar, nicht vek­to­ri­ell. Pha­sen­ver­schie­bun­gen kann ein SA mit TG also nicht erkennen.

Trans­mis­si­ons­mes­sun­gen

Bei allen Durch­gangs­mes­sun­gen wird zunächst eine Refe­renz­mes­sung durch­ge­führt, indem der TG-Aus­gang and den SA-Ein­gang mit einem mög­lichst kur­zen und hoch­wer­ti­gen Kabel kurz­ge­schlos­sen wird. Die­ses Meß­er­geb­nis wird als Refe­renz gespei­chert und alle wei­te­ren Mes­sun­gen dar­auf bezogen.

Iso­la­ti­ons­mes­sung

Zunächst muß man fest­stel­len, wel­che Dyna­mik man im Meß­be­reich über­haupt erwar­ten kann. Es ist unver­meid­lich, daß ein gerin­ger Teil des TG-Aus­gangs­si­gnals bereits intern in den hoch­emp­find­li­chen Ein­gang des SA leckt. Egal was man anschlie­ßend außen anschließt, die­ses Leck kann man nicht mehr besei­ti­gen. Es bestimmt also den mini­ma­len Pegel, den man mes­sen kann.

Für die Iso­la­ti­ons­mes­sun­gen wer­den bei­de Buch­sen offen gelassen.

Bes­se­re Iso­la­ti­ons­wer­te als die hier gemes­se­nen grob ‑35 bis ‑45 dB beim DSA815 und ‑45 bis ‑55 dB beim SSA3032X Plus wird man also beim Anschluß eines Test­ob­jekts nicht erwar­ten können.

Mes­sung von Kabeldämpfungen

Rea­le Kabel sind bekannt­lich nicht ver­lust­frei, Koaxi­al­ka­bel schon gar­nicht. Daher soll jetzt als ein­fach­ste Übung die Dämp­fung eines 20 m lan­gen RG-58 und eines 25 m lan­gen RG-174 Kabels über der Fre­quenz gemes­sen wer­den. Hier die ver­wen­de­ten Testobjekte:

…und hier die Meß­er­geb­nis­se der Durchgangsmessungen:

Die Mes­sun­gen zei­gen fre­quenz­ab­hän­gi­ge Wel­lig­kei­ten, die auf Feh­ler in der Anpas­sung zurück­zu­füh­ren sind. Sie sind ver­mut­lich auf Abwei­chun­gen des Wel­len­wi­der­stands des Kabels zu den 50 Ohm der Quel­le und des Meß­ein­gangs zurückzuführen.

Die gemes­se­nen Dämp­fun­gen sind im wesent­li­chen kon­si­stent. Klei­ne­re Abwei­chun­gen erge­ben sich, wenn der Mar­ker gera­de auf einem Berg oder Tal der Wel­lig­keit steht. Beim RG-174 Kabel kom­men bei­de Meß­in­stru­men­te bei den hohen Fre­quen­zen an ihre ein­gangs gemes­se­ne Iso­la­ti­ons­gren­ze. Die hier gefun­de­nen Dämp­fungs­wer­te stim­men im Rah­men der Meß­ge­nau­ig­keit mit den publi­zier­ten Daten überein.

Mes­sun­gen pas­si­ver Filter

In der Bastel­ki­ste fan­den sich eini­ge pas­si­ve Fil­ter, die vor vie­len Jah­ren mit dem Ansoft Desi­gner SV ent­wor­fen und auf FR‑4 Lei­ter­plat­ten­ma­te­ri­al gefräst wur­den. Als Bei­spie­le wur­de ein 435 MHz und ein 850 MHz Band­pass-Fil­ter aus­ge­wählt. Das 435 MHz Fil­ter ist ein Strei­fen­lei­tungs­fil­ter und das 850 MHz Fil­ter ist ein LC-Fil­ter, bei dem jedoch die Induk­ti­vi­tä­ten und ein Teil der Kapa­zi­tä­ten als Lei­ter­bahn­ele­men­te aus­ge­führt sind. Hier sind Fotos der ver­wen­de­ten Filter:

Eine Sei­te der Fil­ter ist jeweils eine durch­ge­hen­de Mas­se­flä­che und die ande­re Sei­te stellt die Fil­ter­struk­tur dar. Das Inter­di­gi­tal-Fil­ter besteht nur aus vier Microstrip-Lei­tun­gen, deren Dimen­sio­nen und Abstand vom Fil­ter-Design­pro­gramm errech­net werden.

Das LC-Fil­ter besteht aus drei kapa­zi­tiv gekop­pel­ten Par­al­lel­schwing­krei­sen. Die run­den Kup­fer­flä­chen sind Kon­den­sa­to­ren mit etwa 7 pF zur gegen­über­lie­gen­den Mas­se­flä­che und die klei­nen etwa 10 mm lan­gen Lei­ter­bah­nen sind dazu par­al­lel­ge­schal­te­te Induk­ti­vi­tä­ten von jeweils etwa 5 nH. Sie sind am ande­ren Ende zur Mas­se­flä­che durch­kon­tak­tiert. Als Kop­pel­kon­den­sa­to­ren sind 0.75 pF Kera­mik­kon­den­sa­to­ren der Grö­ße 0805 ein­ge­setzt. War­um die gan­ze Fil­ter­struk­tur nicht um 180° gedreht ist, damit die Lei­tungs­län­gen kür­zer wer­den, ist mir übri­gens heu­te auch nicht mehr klar.

Die Ansoft Simu­la­ti­on ergibt fol­gen­de Durchgangscharakteristiken:

Bei dem 435 MHz Microstrip-Fil­ter erkennt man deut­lich deren prin­zi­pi­el­le Eigen­schaf­ten: sie las­sen nicht nur die Grund­wel­le durch, son­dern auch deren Ober­wel­len. Die Schmal­band­mes­sun­gen zei­gen den 10 dB Durch­gangs­be­reich des Fil­ters, der bei etwa 50 MHz Band­brei­te liegt. Es gibt klei­ne Unter­schie­de in den Mes­sun­gen, die man nicht über­be­wer­ten soll­te. Eine erneu­te Mes­sung wird bei jedem der Gerä­te wie­der Abwei­chun­gen zei­gen. Bei­de Schmal­band­mes­sun­gen zei­gen eine gute Über­ein­stim­mung der Durch­lass­kur­ve mit der Simu­la­ti­on. Auch die Mit­ten­fre­quenz stimmt recht gut. Die Dämp­fung des rea­len Fil­ters ist gering­fü­gig höher als simuliert.

Das 850 MHz LC-Fil­ter hat dage­gen nur einen ein­zi­gen aus­ge­präg­ten Durch­lass­be­reich, näm­lich um 800 MHz her­um. Er liegt damit also etwa 50 MHz unter dem simu­lier­ten Durch­lass­be­reich. Das ist sicher­lich auf Unge­nau­ig­kei­ten beim Frä­sen der Lei­ter­plat­te oder Abwei­chun­gen von der tat­säch­li­chen Dielek­tri­zi­täts­kon­stan­te zurück­zu­füh­ren und spielt hier beim Ver­gleich der bei­den Spek­trumana­ly­sa­to­ren kei­ne Rol­le. Bei­de Gerä­te sehen die Dämp­fung im Durch­lass­be­reich über­ein­stim­mend bei etwas über 7 dB und die 3 dB Band­brei­te bei etwa 60 MHz.

23 cm LNA mit MMIC

Zum Abschluß der Trans­mis­si­ons­mes­sun­gen soll noch ein akti­ver Vor­ver­stär­ker gezeigt wer­den, ein LNA mit einem „Mono­li­thic Micro­wa­ve IC“, MMIC. Der hier ein­ge­setz­te Typ ist ein MGA-62563 von Ava­go. Er soll laut Daten­blatt 17 dB Gewinn im 23 cm Band erzie­len. Auch hier ist wie­der ein Microstrip-Fil­ter vor­ge­schal­tet, das eini­ge dB Ver­lust erzeugt, so daß am Ende ein Gewinn von etwa 10 dB zu erwar­ten ist. Hier zwei Fotos des Prototypen:

Die Ansoft Simu­la­ti­on lässt fol­gen­de Durch­gangs­cha­rak­te­ri­stik erwarten:

23 cm LNA mit MGA-62563, simulierte Durchgangscharakteristik
23 cm LNA mit MGA-62563, simu­lier­te Durchgangscharakteristik

Tat­säch­lich gemes­sen wur­de fol­gen­de Charakteristik:

Bei­de Instru­men­te zei­gen eine Ver­stär­kung von knapp 11 dB im 23 cm Band. Unter Berück­sich­ti­gung der Ver­lu­ste des Ein­gangs­fil­ters deckt sich das mit der laut Daten­blatt zu erwar­ten­den Ver­stär­kung von 17 dB. Die 10 dB Band­brei­te beträgt über­ein­stim­mend etwa 270 MHz. Wegen des erwei­ter­ten Fre­quenz­be­reichs sieht der Sig­lent SSA3032X-Plus auch den Durch­lass­be­reich der ersten Ober­wel­le bei 2.6 GHz. Auch für die­sen Bereich wur­de eine Schmal­band­mes­sung durch­ge­führt, die immer­hin noch eine Dämp­fung um 10 dB zeigt. Auch hier deu­tet die Wel­lig­keit im Durch­lass­be­reich wie­der auf Abwei­chun­gen der Anpas­sung hin.

Refle­xi­ons­mes­sun­gen

Mit Hil­fe eines exter­nen Refle­xi­ons­meß­kop­fes kann man mit einem Tracking­gene­ra­tor auch Ein­port-Mes­sun­gen, z.B. an Anten­nen durch­füh­ren. Der Tracking­gene­ra­tor speist dabei den Ein­gang des Meß­kop­fes und das Meß­ob­jekt wird an den Aus­gang ange­schlos­sen. Der Spek­trumana­ly­sa­tor mißt die reflek­tier­te Lei­stung. Das ent­spricht einer s11-Mes­sung, auch hier aller­dings wie­der nur skalar.

Vor der eigent­li­chen Mes­sung muß eine Refe­renz­mes­sung mit offe­nem oder kurz­ge­schlos­se­nem Aus­gang durch­ge­führt wer­den. Die Meß­kur­ve wird als Refe­renz­si­gnal gespei­chert und alle wei­te­ren Mes­sun­gen bezie­hen sich dann auf die­se Referenz.

Hier zunächst Fotos des Meß­kop­fes und des Meßobjekts:

Bao­feng Wendelantenne

Die Spe­zi­fi­ka­ti­on der Meß­kop­fes ist auf 0,1 .. 500 MHz begrenzt, daher bie­tet sich die Mes­sung einer Wen­del­an­ten­ne an. Sie wird im Zim­mer mit einem klei­nen Schraub­stock fixiert, damit die Mes­sun­gen halb­wegs repro­du­zier­bar sind. Das funk­tio­nier lei­der nur annä­hernd, denn die Bewe­gung einer Per­son im Raum oder schon eine Hand­be­we­gung führt zu Ände­run­gen am Meß­er­geb­nis. Daher soll­ten die fol­gen­den Mes­sun­gen mit der berühm­ten Pri­se Salz betrach­tet werden.

Die Meß­er­geb­nis­se:

Die Mes­sun­gen zei­gen jeweils die fre­quenz­ab­hän­gig reflek­tier­te Ener­gie an. Bei den Fre­quen­zen, an denen die Anten­ne Ener­gie abstrahlt, erreicht die reflek­tier­te Ener­gie ein Mini­mum. Ist die reflek­tier­te Ener­gie hoch, kann sie nicht abge­strahlt wor­den sein. Bei die­sen Fre­quen­zen ist die Anten­ne also ziem­lich wirkungslos.

Auf den Breit­band­mes­sun­gen erkennt man Reso­nan­zen bei etwa 150 MHz, 380 MHz und 420 MHz. Bei den wei­te­ren Mes­sun­gen sind jeweils noch­mal die Berei­che um 150 MHz und um 400 MHz her­aus­ge­zoomt. Bei 150 MHz ist eine Rück­fluß­dämp­fung zwi­schen 8 und 11 dB zu sehen. Die Unter­schie­de sol­len aus den oben genann­ten Grün­den nicht bewer­tet wer­den. Eine Rück­fluß­dämp­fung von 10 dB bedeu­tet, daß von der ein­ge­spei­sten Lei­stung 10% zurück­flie­ßen, also 90% abge­strahlt wur­den. Das ist nicht ganz schlecht. Bei 380 und 420 MHz mes­sen bei­de Gerä­te eine Rück­fluß­dämp­fung von mehr als 30 dB, es wird also 99,9% der ein­ge­spei­sten Lei­stung abge­strahlt. Das ist gut.

Bei Refle­xi­ons­mes­sun­gen ist es ganz prak­tisch, wenn der SA nicht nur posi­ti­ve, son­dern auch nega­ti­ve Peaks fin­den und in der Tabel­le dar­stel­len kann. Im Gegen­satz zum DSA815-TG kann der SSA3032X-Plus das.

Zusam­men­fas­sung

Bei­de Spek­trumana­ly­sa­to­ren haben einen ein­ge­bau­ten Tracking­gene­ra­tor, der jeweils in der Stan­dard­aus­füh­rung bereits ohne sepa­ra­te Lizenz frei­ge­schal­tet ist. Er ist ein sehr nütz­li­ches Werk­zeug, das bis zu einem gewis­sen Gra­de einen vek­to­ri­el­len Netz­werk­ana­ly­sa­tor erset­zen kann.

Die Iso­la­ti­on des Tracking­gene­ra­tors ist beim SSA3032X-Plus etwa 10 dB bes­ser als beim DSA815-TG. Das gestat­tet genaue­re Mes­sun­gen im Sperr­be­reich von Fil­tern. Der grö­ße­re Bild­schirm des Sig­lent erlaubt es, mehr Infor­ma­ti­on dar­zu­stel­len, ohne zu gro­ße Abstri­che bei der Anzei­ge der Meß­kur­ve zu machen.

Der SSA3032X-Plus ist bei den Mes­sun­gen gene­rell deut­lich schnel­ler, als der DSA815 und die Bedie­nung vom PC über das Web-Inter­face ist ein­fach Stand der Tech­nik. Mit einem Klick wird ein Screen­shot direkt auf die Fest­plat­te gespei­chert, wo man beim DSA815 erst umständ­lich mit einem USB-Stick han­tie­ren muß. Dabei dau­ert das Abspei­chern eines klei­nen PNG-Files dann auch noch eine gefühl­te Ewig­keit. An der Bedie­nung merkt man die zehn Jah­re Entwicklungsfortschritt.

Daß der SSA3032X-Plus im Gegen­satz zum DSA815-TG einen deut­lich erwei­ter­ten Fre­quenz­be­reich hat, soll hier nicht bewer­tet wer­den. Es gibt zu höhe­ren Kosten auch von Rigol eine 3.2 GHz Vari­an­te, den DSA832E-TG, und von Sig­lent eine preis­gün­sti­ge­re 1,5 GHz Vari­an­te, den SSA3015X Plus. Die gerin­ge­re RBW und das nied­ri­ge­re Pha­sen­rau­schen des SSA3032X-Plus kön­nen die hier gezeig­ten Mes­sun­gen mit dem Tracking­gene­ra­tor nicht aus­nut­zen. Dazu wären wei­te­re Schmal­band­mes­sun­gen, z.B. von Quar­zen, viel­leicht ganz hilf­reich. Für sol­che Mes­sun­gen ver­wen­de ich aller­dings den VNA und pla­ne auch nicht, das zukünf­tig mit dem Spek­trumana­ly­sa­tor zu machen.

Netz­werk­ana­ly­se mit dem VNWA3E

Nach­dem ich kürz­lich den vek­to­ri­el­len Netz­werk­ana­ly­sa­tor VNWA3E ange­schafft habe, muss­te ich zum Ken­nen­ler­nen sei­ner Mög­lich­kei­ten eine Rei­he Mes­sun­gen durch­füh­ren. Die Meß­er­geb­nis­se sind in der unten ange­häng­ten PDF-Datei in Prä­sen­ta­ti­ons­form dokumentiert.

Zunächst wer­den kurz die Grund­la­gen der Netz­werk­ana­ly­se, die Streu­pa­ra­me­ter und das Smith-Dia­gramm erklärt. Hin­wei­sen zur Kali­brie­rung fol­gen dann s11 Refle­xi­ons­mes­sun­gen an pas­si­ven Bau­tei­len, Wider­stän­den, Kon­den­sa­to­ren und Induk­ti­vi­tä­ten. Man bekommt ein Gefühl für die Fre­quenz­gren­zen, inner­halb derer die­se Bau­tei­le ver­wen­det wer­den kön­nen und für die Fall­stricke beim Kom­bi­nie­ren die­ser Bau­ele­men­te. Eini­ge Meß­er­geb­nis­se wer­den durch Simu­la­ti­on mit dem Ansoft Desi­gner erklärt und unter­mau­ert. Refle­xi­ons­mes­sun­gen an Quar­zen, Lei­tun­gen und Anten­nen schlie­ßen das Kapi­tel über 1‑Port Mes­sun­gen ab.

Im letz­ten Teil der Prä­sen­ta­ti­on wer­den Refle­xi­on (s11) und Trans­mis­si­on (s21) eini­ger 2‑Port Bau­grup­pen ver­mes­sen. Es wer­den Dämp­fungs­mes­sun­gen ver­schie­de­ne Koaxi­al­ka­bel gezeigt, sowie Mes­sun­gen an Quar­zen und ver­schie­de­nen Kera­mik­fil­tern. Abschlie­ßend wer­den Mes­sun­gen an akti­ven und pas­si­ven Eigen­bau­fil­tern gezeigt.

Hier folgt nun die Prä­sen­ta­ti­on (PDF, ein­fach das Bild klicken):

Der vek­to­ri­el­le Netz­werk­ana­ly­sa­tor VNWA3E