2. Generation: Vector Network Analyzer Module - Vector Harmonic Radar

HHF bietet Ihnen einen kundenspezifischen VNA für reine S-Parametermessungen als auch Mixed-Frequency-S-Parametermessungen an, der prinzipiell aus einer beliebigen Anzahl von VNA-Modulen (Sendern und Empfängern) bestehen kann. Sie können diesen VNA als Modulsatz in einem vorgegebenen oder gestellten Gehäuse erwerben.


One-Receiver-VNAs: Zur merklichen Kosteneinsparung unterstützen wir die modernste Technik der Switch-Receiver-Technik (auch SVNA). D.h., dass wir alle gewünschten S-Parameter nur mit einem Receiver vermessen können, was immense Kosten einspart. Selbstredend unterstützen bzw. übernehmen wir auch die Einbindung der Fehler- und Übersprecherkorrektur-Software.


Das Sende-Empfangssystem kann u.a. Mixed-Frequency (oder auch frequenzumsetzende) Messungen wie der PNA-X 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 Mixed-Frequency-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 vektorielle Mixed-Frequency 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 fast 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 Sendeinheit, die zusammen mit einer die Empfangseinheit bestens für Produktionsstraßenmessungen, Spezialmessgeräte, Radarsysteme, Antennenmessräume, Freiraummessungen wie auch Forschungsarbeiten geeignet sind.

TX-Einheit
Fig. 2: Foto eines Sendemoduls mit den diversen Anschlüssen


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 Fixed-Vektorsignal-Sendesynthesizer:

  • Frequenzbereich des Synthesizers 275 … 6000 MHz
  • Spannungsversorgung 9 V - 24 V, 350 mA, kleiner als 4 W
  • Ausgangsleistungsbereich 5 dBm ... - 50 dBm
  • 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
  • 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
  • HF-Austastung auf ca. - 80 dBm möglich (Synthesizer Ausgangstreiber aus, Dämpfungsglied max.)
  • On-board Temperatursensor für Leistungsdetektor- als auch Platinentemperatur
  • Modulgröße 156*82*13 mm³

Das Bild 3 zeigt die zum Senderkohärente Empfangs- und Steuereinheit. Der Empfänger ist in der Lage Kleinstsignale von 1 Atto W zu detektieren.

RX-Einheit
Fig. 3: Foto eines Empfangfsmoduls mit den diversen Anschlüssen


Details zum Empfänger:

  • Eingangsfrequenzbereich 275 - 6000 MHz
  • Max. Eingangsleistung - 10 dBm
  • Dynamikbereich je nach Sendeleistung 170 dB (Rauschgrenze unter -180 dBm für Sendesignal mit 2,2 kHz Filterbandbreite (interne Hardware) u. Oversampling)
  • Spannungsversorgung 9 V - 25 V, 1,2 A, kleiner 15 W .
  • 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 401 Frequenzstützpunkte pro Sweep konfigurierbar
  • Konfigurierbares Oversampling (max. 1024-fach) und Averaging (max. 10000-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
  • Logisches Interface zum PC o.ä.: SCPI-Interpreter auf USB-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 200*170*13 mm³


HHF bietet auch zusätzliche LNA-Verstärker an, die u.a. helfen Messzeiten zu reduzieren.
Figur 4 zeigt einen VNA-Aufbau für unidirektionale Zweitor-Messung eines Bandpassfilters (DUT), gemessen mit nur einem Sende- und einem Empfangsmodul, (Aufbau A).

VNA für die Bandpassmessung
Fig. 4: VNA-Aufbau für eine unidirektionale S11- und S21-Messung eines Bandpassfilters


Bild 5 stellt mehrere Messungen einer 150mm-Luftleitung in Verbindung mit einem Kurzschluss für den Ripple-Test sowie in Verbindung mit einem 60dB-Abschwächer zur Darstellung der hohen Messdynamik dar. Zusätzlich sind die Messwerte eines ZVR67 dargestellt, die sich nur bei hochaufgelösten Darstellungen unterscheiden, da die SVNS-Messungen einem Rauschfehler im Zehntel dB- und untersten Grad-Bereich aufweisen.

Verifikationsmessungen
Fig. 5: Gemessenes vektorielles Reflexions- und Transmissionsverhalten zweier Messobjekte



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


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