VNA-Module: Vector Network Analyzer Module - Vector Harmonic Radar

HHF bietet Ihnen einen kundenspezifischen VNA für 100 Ohm-Gegentakt- oder alternativ koaxiale 50 Ohm-Messungen an, der prinzipiell aus einer beliebigen Anzahl von VNA-Modulen (Sendern und Empfängern) bestehen kann. Sie können diesen VNA als Platinensatz oder auch als Modul in einem vorgegebenen oder gestellten Gehäuse erwerben.
Das Sende-Empfangssystem kann u.a. frequenzumsetzende Messungen durchführen und ist somit auch als Stepped Vector Harmonic Radar (SVHR) einsetzbar. Mittels eines SVHRs lassen sich Tags sehr präzise orten. Zur Messung sendet der Sender (TX) ein Signal bei der Frequenz f1 aus, welches am Tag empfangen, verdoppelt und abgestrahlt wird. Das reflektierte Signal bei der doppelten Frequenz f2=2*f1 wird am Empfänger (RX) detektiert und dann phasengenau ausgewertet. Der Aufbau ist in Fig. 1 dargestellt.
Das ganz besondere an einem SVHR ist die Clutter-Freiheit! Für dieses große Einsatzgebiet suchen wir Projektpartner.

Harmonic Radar
Fig. 1: Blockschaltbild eines Harmonic Radars mit Sender und Empfänger bei unterschiedlichen Frequenzen und einem Tag (hier passiv), das eine Frequenzverdopplung durchführt


Mögliche Einsatzgebiete für frequenzumsetzende VNA-Messungen/ Stepped Vector Harmonic Radar Applications:
  • Präzisionsentfernungsmessungen In- und Outdoor für verschiedenste Anwendungen (z. B. Schwingungen von Brücken, Tragflächen u.v.m.)
  • Lokalisierung (Genauigkeit viel kleiner als 1 mm)
  • Distance Control, Geschwindigkeitsmessungen
  • Spezialmessungen wie Windgeschwindigkeitsmessungen, Gletscherkontrolle oder Tierverfolgungen in der Forschung
  • Ortung und Entfernungsmessung von Objekten (mit Tag) im Boden/ Berg

Unsere VNA-Sende-Empfangsmodule bieten eine große Anzahl von innovativen Neuerungen:
  • Es lassen sich frequenzumsetzende Messungen im Stile der überlichen S-Parametermessungen durchführen (s. Mikrowellenbuch von Prof. Heuermann).
  • Alle Messungen können mit dem gleichen Hardware-Aufwand entweder unsymmetrisch (im 50 Ohm-System) oder rein differentiell (Zodd=100 Ohm) durchgeführt werden.
  • Wir unterstützen neben den üblichen Architekturen mit hoher Messqualität auch Messaufbauten ohne Referenzmessstellen, die preiswerte Aufbauten erlauben aber nur Messungen mit bis zu 2° Messfehler ermöglichen.
  • Die Sender und Empfänger lassen sich örtlich getrennt installieren (Verbindung des Referenzsignals nur mit einem 1 MHz-Link).
    • Über Schaltbox umgeschaltetes RF-Kontrollsignal ist (noch) notwendig.
    • Für diesen Aufbau bieten wir auch eine Temperaturkompensationsanordnung für große Temperaturdifferenzen zwischen Sender und Empfänger und der Leitung.
  • Der VNA ist der erste, der durchgehend in differentieller HF-Schaltungstechnik entwickelt wurde.
    • Die Schaltungen sind deshalb extrem störfest und somit bestens für den industriellen Einsatz geeignet.
    • Bereits ohne Schirmung (Gehäuse) besteht breitbandig zwischen Sender und Empfänger eine Isolation von über 90 dB.
  • Die ersten Applikationen, die von der Firmware unterstützt werden, sind:
    • Reflexionsmessungen (S11) mit SOL=MSO-Fehlerkorrektur,
    • Transmissionsmessungen (S21) mit Fehlerkorrektur über eine Referenzmessung,
    • Skalare frequenzumsetzende Messungen (z.B. Oberwellen, Mischprodukte) in Reflexion oder Transmission.
  • Freie Definitionen der Messpunkte im Sweep, sowohl in der Frequenz als auch in der Sendeleistung, sind möglich.
  • Produktpflege bei Abwärtskompatibilität wird geboten.


Das folgende Bild 2 zeigt die Sende- und die Empfangseinheit, die bestens für Produktionsstraßenmessungen, Spezialmessgeräte, Radarsysteme, Antennenmessräume, Freiraummessungen wie auch Forschungsarbeiten geeignet sind.

RXTX
Fig. 2: Foto eines Senders (links) und eines Empfängers (rechts) mit je nur einen SMA-Stecker für den unsymmetrischen Betrieb


Implementierung: Sie sprechen über SCPI lediglich die Master-Empfängerplatine an. Der Sendesynthesizer wird von Master-Empfängerplatine gesteuert.
Test-Sets (oft nur Koppler oder Zirkulator) für S11-Messungen: Sie nutzen Ihr eigenes Test-Set oder lassen sich von uns eins adaptieren.

Die wichtigsten technischen Daten der Hardware in Übersicht:

Details zum Sendesynthesizer:

  • Messtoranschlüsse: 2 SMA-Koaxialsteckverbinder (f) für differentielle Version, 1 SMA-Koaxialsteckverbinder (f) für unsymmetrische Version
  • Spannungsversorgung 9 V - 15 V, 650 mA
  • Ausgangsleistungsbereich -5 dBm ... - 40 dBm mit On-board-Verstärker (bei Bedarf veränderbar)
  • Ausgangsleistung nach Betrag auf Sollwert geregelt (ALC)
  • Ausgangsleistungsregelung lässt sich auf externen Verstärker erweitern -> volle ALC Regelschleife über alles mit externem PA möglich
  • ALC Isolation mindestens 26 dB gegenüber am Ausgang anliegenden Signalen
  • Ausgangsleistung in 1 MHz Schrittweite zweipunktkalibrierbar, dazwischen lineare Interpolation
  • Auflösung der Leistungseinstellung 0,1 dB
  • Frequenzbereich des Synthesizers 137,5 - 4400 MHz
  • Integer-N Schrittweite 2 MHz, RMS Phasenfehler ca. 0,5° bei 2,45 GHz, Integrationsbereich 10 kHz - 10 MHz
  • Fractional-N Schrittweite 100 kHz, RMS Phasenfehler ca. 1,1° bei 2,45 GHz mit Dithering, Integrationsbereich 10 kHz - 10 MHz, über Phase-Resync auch kohärent
  • Spannungsgesteuertes Dämpfungsglied beschränkt den Nutzfrequenzbereich in mehrere Bestückungsoptionen:
    • 250 MHz - 4400 MHz (Beschränkt aktuell den Frequenzbereich des Synthesizers)
  • HF-Austastung auf ca. - 80 dBm möglich (Synthesizer Ausgangstreiber aus, Dämpfungsglied max.)
  • On-board Temperatursensor für Leistungsdetektor- als auch Platinentemperatur
  • Aktuelle Platinengröße 160*120*25 mm³ (mit dem nächsten Redesign deutlich kleiner)

Details zum Empfänger:

  • Messtoranschlüsse: 2 SMA-Koaxialsteckverbinder (f) für differentielle Version, 1 SMA-Koaxialsteckverbinder (f) für unsymmetrische Version
  • Spannungsversorgung 9 V - 15 V, 1,5 A -- (mit dem nächsten Redesign deutlich kleiner).
  • User-Interface: USB-2.0 UART (max. 3 MBaud)
  • Weitere Interfaces RS485 für Sender (1 MBaud), RS422 Rechnersteuerung/Daten (max. 1 MBaud), alternativ zu USB-UART möglich
  • 10 MHz Ausgang, 1 MHz Ausgang (für Messgeräte), 1 MHz für Sendesynthesizer (Differentiell), bereitgestellt aus 10 MHz TCXO mit +/- 0.28ppm
  • Empfangsfilterbandbreite 2,2 kHz, Einschwingzeit etwa 2 - 5 ms (je nach Genauigkeit bei gegebener Filterbandbreite, einstellbar in 100us Schritten)
  • Integer-N Schrittweite 2 MHz, RMS Phasenfehler ca. 0,5° bei 2,45 GHz, Integrationsbereich 10 kHz - 10 MHz
  • Fractional-N Schrittweite 100 kHz, RMS Phasenfehler ca. 1,1° bei 2,45 GHz mit Dithering, Integrationsbereich 10 kHz - 10 MHz, über Phase-Resync auch kohärent
  • Maximal 801 Frequenzstützpunkte pro Sweep konfigurierbar
  • Konfigurierbares Oversampling (max. 1024-fach) und Averaging (max. 1024-fach) zur Anpassung an die Messaufgabe
  • Integrierter Watchdog-Timer für Hochverfügbarkeitsanwendungen aktivierbar
  • Optoisolierter Trigger-Eingang für 5V TTL Signale, alternativ Zeit- und Softwaregesteuerter Trigger vorhanden
  • Optoisolierter "Sweep/Measurement Ready" Ausgang (externer Pullup-Widerstand benötigt), alternativ SCPI-Polling
  • Dynamikbereich je nach Sendeleistung bis 180 dB und mehr (Rauschgrenze unter -130 dBm für Sendesignal mit 50dBm bei ca. 2,2 kHz Filterbandbreite, 1024x Oversampling) -- (mit dem nächsten Redesign verbessert)
  • Eingangsleistung für 0 dbFS -> - 25 dBm (bei S21-Messung ohne Koppler), Genauer Wert ist Eigenschaft des Testsets
  • Eingangsfrequenzbereich 250 - 4400 MHz -- (mit dem nächsten Redesign)
  • Logisches Interface zur Außenwelt: SCPI-Interpreter auf USB- oder RS485-Port (erweiterten SCPI-Befehlssatz durch Zusatz-PC-Software)
  • SCPI Steuerung angelehnt an Rohde & Schwarz Interpretation der RSIB/GPIB/SCPI Kommandos (VNAs sind nicht in SCPI99 definiert)
  • On-board Temperatursensor vorhanden und externer PT100 / PT1000 Temperatursensor zur Messobjektüberwachung anschließbar
  • Platinengröße 210*165*60 mm³ (mit dem nächsten Redesign deutlich kleiner)


Figur 3 zeigt eine Messung eines Bandpassfilters, gemessen mit nur einer Sende- und einer Empfangsplatine, die ohne zusätzliche Schirmung in einem Gehäuse installiert wurden (Aufbau A).

Bandpass
Fig. 3: Gemessenes Transmissionsverhalten eines Bandpassfilters


Bild 4 stellt eine Messung einer Serienschaltung aus einem 40dB-Dämpfungsglied und einer Lambda/4-Stichleitung (als Bandsperre) dar. Die Rohwerte der Messung wurden lediglich auch eine Referenz-Durchverbindungsmessung bezogen. Gemessen wurde mit Aufbau A.

Bandsperre
Fig. 4: Gemessenes vektorielles Transmissionsverhalten einer Bandsperre



Weitere Informationen erhalten Sie auf Anfrage: Info@HHFT.de.


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