Was macht ein VNA?

Was macht eigentlich ein vektorieller Netzwerk-Analysator?

Vektorielle Netzwerk-Analysatoren (kurz VNA) messen und charakterisieren die Übertragungseigenschaften eines Netzwerks/Prüflings (engl. Device under Test/DUT). Mit "Netzwerk" ist kein Computer- oder Stromnetz gemeint. Der Begriff bzw. die Geräteklasse stammt aus einer Zeit vor den Computernetzwerken und bezeichnet ein elektronisches "Netzwerk". Dies kann zum Beispiel ein passiver oder aktiver Vierpol, Filter, Verstärker, ein Bauteil, eine ganze Baugruppe oder sogar eine ganze Übertragungsstrecke inklusive Antenne sein.

Bild 1: Reflexion und Transmission am DUT

Bei der vektoriellen Netzwerk-Analyse werden eingespeiste, übertragene und reflektierte HF-Signale am Prüfling analysiert, ins Verhältnis gesetzt und ausgewertet. Ein VNA ist also sowohl Sender/Quelle als auch Empfänger/Messgerät und Analysator.

Vom VNA wird in den Prüfling am Eingang ein Signal eingespeist (zum Beispiel Port 1). Ein Teil dieses Signals wird vom Prüfling reflektiert und vom VNA erfasst, ein anderer Teil geht durch den Prüfling zu dessen Ausgang/Port 2, wird also von ihm übertragen. Auch dieser Teil wird vom VNA erfasst (Bild 1 und 2).

Bild 2: Vereinfachtes Blockschaltbild eines Vektor-Netzwerk-Analysators

S-Parameter

Die S-Parameter (Streuparameter) drücken das Verhältnis dieser einfallenden und reflektierten Wellen aus. Die HF-Quelle des VNA schaltet zum Beispiel zwischen Port 1 und 2 hin und her. Messbrücken auf jeder Seite trennen einfallende und reflektierte Wellen. Einfallende und reflektierte Wellen werden digitalisiert und als S-Parametern S11, S21, S12 und S22 ins Verhältnis gesetzt.

Die Anzahl der Ports des Prüflings/Netzwerks bestimmt die Zahl der S-Parameter, die benötigt werden, um das System vollständig zu charakterisieren. Die Anzahl der S-Parameter ergibt sich aus dem Quadrat der Port-Zahl:

• 1 Port (Eintor/One-Port-Device): 1 S-Parameter.
• 2 Ports (Zweitor): 4 S-Parameter.
• 3 Ports: 9 S-Parameter.
• 4 Ports: 16 S-Parametern etc.

Bedeutung der S-Parameter

• Der Parameter S11/Eingangs-Reflexionsfaktor beschreibt die Reflexion am Eingang des Prüflings ohne Anregung an Port 2. Er zeigt damit die Qualität der Anpassung des Eingangs an ein Referenzsystem (50 oder 75 Ω). Ein betragsmäßig niedriger Wert zeigt an, dass ein Eingangssignal kaum reflektiert wird.
• Der Parameter S21/Vorwärts-Transmissionsfaktor ist die Vorwärts-Transmission ohne Anregung an Port 2. Bei Verstärkern gibt S21 die Verstärkung an, bei passiven Netzwerken die Einfügedämpfung.
• Der Parameter S12/Rückwärts-Transmissionsfaktor ist die Rückwärts-Transmission ohne Anregung an Port 1. Bei passiven, bidirektionalen Netzwerken sollte S12 dem Parameter S21 entsprechen.
• Der Parameter S22/Ausgangs-Reflexionsfaktor beschreibt die Reflexion am Port 2 ohne Anregung am Port 1. Er zeigt damit die Qualität der Anpassung des Ausgangs an ein Referenzsystem (50 oder 75 Ω) angepasst. Schlechte Anpassung: Ausgangsleistung wird schon am Ausgang reflektiert.

Die vektoriellen Netzwerk-Analysatoren bei Meilhaus Electronic finden Sie in der Rubrik ▸VNA.

Quellen: Copper Mountain Technologies, Wikipedia.