Grundlagen Der Hochfrequenz-Messtechnik

Trotz des Bedienungskomforts moderner automatisierter Messgerte sollte der Nutzer mglichst genau mit den angewandten Messprinzipien vertraut sein um prinzipielle Messfehler zu vermeiden. Eine anderer mglicher Leserkreis sind natrlich die Entwickler von Messgerten und -systemen. Das Buch vermittelt die Grundlagen und fhrt damit zu einem vertieften Verstndnis der Hochfrequenz-Messtechnik. Inhaltliche Highlights liegen bei Korrekturverfahren bei der Netzwerkanalyse, Etablierung der komplexen Messfhigkeit bei homodynen Netzwerkanalysatoren, Realisierung von Synthesegeneratoren und dem Doppel-Sechstor-Verfahren. Zu jedem der 8 Kapitel gibt es einige bungsaufgaben mit Lsungen. 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 hufig auftretenden Ersatzschaltungen.- 1.2 Einstellbare Dmpfungsglieder.- 1.2.1 Ein Hohlleiter-Dmpfungsglied.- 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 Thermistormessbrcke.- 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 Brckenmessungen.- 3 Mischer, Phasenregelkreise und Schrittgeneratoren.- 3.1 Das berlagerungs-oder Heterodynprinzip.- 3.2 Parametrische Rechnung.- 3.2.1 Abwrtsmischer mit Schottky-Dioden.- 3.3 Ausfhrungsformen 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 fr 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 vollstndig 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 ber 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 Strzweitor.- 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 fr 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-Empfnger.- 5.3 Einseitenband-Versetzung durch Phasenmodulation.- 5.4 Homodynverfahren mit Phasenschaltern – direktes Verfahren.- 5.4.1 Ein Homodynverfahren mit nherungsweise 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 Messfhigkeit beim Sechstor-Verfahren.- 5.7 Etablierung und Kalibrierung des Doppel-Sechstors.- 5.8 Etablierung des Kreuzwellenverhltnisses 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 Strlinien 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 Aufwrtsmischung.- 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 Abtastverstrker.- 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 Widerstnde.- 8.1.2 Der RC-Kreis.- 8.1.3 Rauschen eines komplexen Widerstandes und die verfgbare Rauschleistung.- 8.1.4 Widerstandsnetze mit inhomogener Temperaturverteilung.- 8.1.5 Das Dissipationstheorem.- 8.2 Messung der quivalenten 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 ber lineare Vierpole.- 8.3.2 Transformation des Leistungsspektrums.- 8.3.3 Korrelation zwischen Eingangs-und Ausgangsrauschen eines Vierpols.- 8.3.4 berlagerung 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 fr 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 Vierpolbertragung eines amplituden-und phasenmodulierten Trgersignals.- 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: Lsungen der bungsaufgaben.- 1.- 2.- 3.- 4.- 5.- 6.- 7.- 8.- Sachwortverzeichnis.