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Einfluss auf die Messgenauigkeit

Gleichstromgekoppelte und nicht-gleichstromgekoppelte Leistungssensoren
Einfluss auf die Messgenauigkeit

Will man die richtige Messausrüstung für Leistungsmessungen auswählen, muss man unbedingt die Kernspezifikationen von Leistungsmessgerät und Sensor verstehen. Oft übersieht man dabei, ob der Sensor gleichstromgekoppelt ist oder nicht. Wählt man dann den falschen Sensortyp, führt das zu Ungenauigkeiten bei der Messung oder – schlimmer noch – zur Beschädigung des Sensors. Der vorliegende Artikel vergleicht gleichstrom- gekoppelte Sensoren mit nicht-gleichstromgekoppelten. Einige Anwendungsbeispiele erläutern die wesentlichen Unterschiede.

Wong Sook Hua & Michele Lupo, Agilent Technologies

Den richtigen Sensor für Leistungsmessungen auszuwählen kann sich als recht anspruchsvoll erweisen, denn es gibt heute viele unterschiedliche Typen davon auf dem Markt. Hauptüberlegungen bei der Auswahl sind Frequenzbereich, Leistungsmessbereich und Messmöglichkeiten (z.B. Dauerstrich, Durchschnittsleistung oder Spitzenleistung). Oftmals wird bei der Auswahl übersehen, ob ein Sensor gleichstromgekoppelt ist oder nicht. Wählt man aber den falschen Typen Sensor, kann das zu Ungenauigkeiten bei der Messung führen und zur Beschädigung des Sensors.
Was bedeutet Gleichstromkopplung?
Ein gleichstromgekoppelter Sensor arbeitet hinunter bis zum Gleichstrom. An seinem Eingang befindet sich kein Blockkondensator, der Gleichstrom oder sehr niederfrequente Signalkomponenten abblockt und so verhindert, dass sie das Leistungsmesselement erreichen. In einem nicht-gleichstromgekoppelten Sensor hingegen liegt ein Kondensator im Signalpfad vor der Messschaltung, der einen Gleichspannungsoffset und sehr niederfrequente Signalkomponenten ausfiltert. Soll ein nicht gleichstromgekoppelter Sensor dennoch bis zu sehr niedrigen Frequenzen herunter messen können, muss dieser Kondensator sehr groß werden. Das macht bei der Entwicklung Kopfzerbrechen, wenn man eine gute Eingangsanpassung bzw. günstiges Stehwellenverhältnis (SWV oder VSWR, Voltage Standing Wave Ratio) erreichen will. Je größer der Kondensator, desto größer ist auch der Impedanzsprung durch den Übergang von der winzigen Übertragungsleitung mit ihrer Impedanz von 50 Ohm zu dem vergleichsweise riesigen Kondensator.
Unterschiede in der Anwendung
Im Vergleich zu einem gleichstromgekoppelten Sensor hat ein nicht-gleichstromgekoppelter Sensor typischerweise ein breiteres Anwendungsspektrum, weil er verhindern kann, dass Gleichspannungsoffsets oder Leckströme zum eigentlichen Messelement gelangen (typische Messelemente sind Thermoelemente oder Messdioden). In einigen Anwendungen laufen Gleichstrom und HF auf der gleichen Leitung; somit würde bei einer gleichstromgekoppelten Messung der HF-Leistung der Gleichstrom die HF-Messung verfälschen.
Angenommen, das Messelement sei ein Thermoelement. Ein Thermoelement besteht aus zwei Metallen, die sich an einer Stelle berühren. Die HF-Energie erwärmt die Verbindungsstelle beider Metalle und erzeugt dadurch eine Thermospannung, die proportional zur HF-Leistung ist. Diese Spannung misst man und setzt sie mittels einer Kalibriertabelle zur HF-Leistung in Beziehung. Hat man nun am HF-Eingang aber zusätzlich einen Gleichspannungsoffset, so erwärmt der dadurch fließende Gleichstrom das Thermoelement zusätzlich. Wenn man nur die HF-Leistung messen möchte, führt das zu einer fehlerhaften Messung. Das folgende Anwendungsbeispiel erläutert den Aufbau für eine Messung eines WiFi-Verstärkers im Rahmen der Produktion, bei welcher der Versorgungsgleichstrom zum WiFi-Verstärker über das Antennenkabel geführt wird. Würde man in einer solchen Situation mit einem gleichstromgekoppelten Sensor im HF-Pfad messen, bekäme man eine erhebliche Messungenauigkeit, weil das Messelement nicht nur den HF-Pegel misst, sondern auch den Versorgungsgleichstrom.
Es gibt verschiedene Lösungen für dieses Problem. Man kann entweder vor den gleichstromgekoppelten Leistungssensor einen externen Kondensator schalten der den Gleichstrom abblockt oder das Bias-Tee wird nach dem T-Stück eingesetzt um dem WiFi-Verstärker die Versorgungsspannung zuzuführen. Nachteil eines solchen Messaufbaus ist eine unvermeidliche Messungenauigkeit durch Fehlanpassung und Dämpfung, die der externe Kondensator oder das Bias-Tee einbringt. Der Messwert am gleichstromgekoppelten Sensor entspricht daher nicht mehr der HF-Leistung am Eingang des WiFi-Verstärkers.
Aus dem gleichen Grund ist ein gleichstromgekoppelter Sensor ungeeignet für die Kalibrierung von Netzwerkanalysatoren, die über ein Bias-T-Stück Gleichstrom auf ihre Eingangsbuchsen legen können. In solch einer Situation kann ein gleichstromgekoppelter Sensor aufgrund der Gleichstromkomponente im Signal keine genauen Leistungsmessungen durchführen. Mit einem nicht-gleichstromgekoppelten Sensor hat man in dieser Situation all diese Probleme nicht. Mit einem nicht-gleichstromgekoppelten Sensor ist kein zusätzlicher Kondensator vor dem Leistungssensor notwendig und das Bias-Tee muss nicht direkt vor dem WiFi Verstärker als Versorgungsspannung eingesetzt werden. Der Splitter stellt sicher, dass an beiden Ausgängen die gleiche Leistung ansteht, so dass die gemessene Leistung und die Eingangsleistung des WiFi-Verstärkers gleich sind. Ein weiterer Unterschied zwischen gleichstromgekoppelten und nicht-gleichstromgekoppelten Sensoren ist die maximal zulässige Eingangsspannung. Ein gleichspannungsgekoppelter Sensor verträgt maximal 3 V bis 5 V am Eingang, während die Spannung am Eingang eines nicht-gleichspannungsgekoppelten Sensors bis zu 20 V betragen darf. Ein gleichspannungsgekoppelter Sensor kann somit leicht durch zu hohe Eingangspegel beschädigt werden, bereits ab einem Eingangspegel von +23 dBm können gleichstromgekoppelte Sensoren beschädigt werden.
Auf der anderen Seite haben gleichstromgekoppelte Sensoren auch ihre Vorteile. Allgemein haben gleichstromgekoppelte Sensoren ein etwas günstigeres Stehwellenverhältnis, denn sie haben ja keinen Kondensator im Eingang. Gleichstromgekoppelte Sensoren kann man auch bei sehr niedrigen Frequenzen einsetzen (bis hinunter zu Gleichstrom). Damit sind sie ideal in Anwendungen, bei denen man einen Sensor über direkten Vergleich kalibrieren kann (d. h. in denen man die Gleichspannung vom Sensor direkt mit einem Voltmeter messen kann).
Komplizierte Bauweise
Nachdem nun klar ist, warum nicht-gleichstromgekoppelte Sensor bei Leistungsmessungen ihrer höheren Genauigkeit wegen vorzuziehen sind, fragt man sich vielleicht: Warum werden dann nicht alle Sensor so konstruiert? Einen nicht-gleichstromgekoppelten Sensor zu bauen ist nicht so ganz einfach. Der Sensor soll ja einen möglichst weiten Frequenzbereich aufweisen (bis hinauf zu 70 GHz) und dabei ein günstiges Stehwellenverhältnis und gute Kalibrierbarkeit aufweisen. Ein günstiges VSWR ist unabdingbar, da diese Kenngröße die Hauptursache für Messungenauigkeit ist. Kalibrierfaktoren stellen eine korrekte Umwandlung von Leistung zu Spannung sicher, den Dynamikbereich zu verbessern und das Rauschverhalten der Messung zu optimieren.
Innovatives Design und innovative Herstellungsprozesse sind Schlüssel zum Erreichen einer überragenden SWV-Performance und optimalen Kalibrierbarkeit. Innovative Leistungssensor-Designs erfordern eine überaus sorgfältige Auslegung der äußeren Leiterstrukturen, um Kapazitätsverluste bei hohen Frequenzen zu kompensieren und ein günstiges VSWR und einen glatten Frequenzgang zu erzielen. Für günstiges VSWR und gute Kalibrierbarkeit muss der Kondensator so klein sein, dass er im winzigen Steckerpin mit nur 1,85 mm Durchmesser verschwinden kann. Der sehr empfindlichen und komplizierten Strukturen wegen erfordert der Herstellungsprozess ein äußerstes Maß an Sorgfalt und Genauigkeit, damit der Sensor hinterher die angestrebte exzellenten HF-Eigenschaften aufweist.
Fazit
Welchen Sensor man für eine bestimmte Leistungsmessung auswählt, hängt von der Anwendung ab und davon, was man beim Test eines HF-Gerätes erreichen möchte. Ob man nun einen gleichstromgekoppelten oder nicht-gleichstromgekoppelten Sensor einsetzt, die wichtigsten Überlegungen sollten jedenfalls der Messgenauigkeit und Reproduzierbarkeit gelten. Nicht-gleichstromgekoppelte Sensoren sind für eine Vielzahl von Anwendungsbereichen geeignet, weil man sich bei ihnen keine Gedanken über einen eventuellen Gleichspannungsoffset im HF-Pfad machen muss, der die Messgenauigkeit beeinträchtigen würde. Auf der anderen Seite braucht man für Messungen bis hinunter zu Gleichstrom oder sehr niedrigen Frequenzen gleichstromgekoppelte Sensoren, beispielsweise für Anwendungen in der allgemeinen Messtechnik. Agilent Technologies bietet eine breite Palette nicht-gleichstromgekoppelter Sensoren, darunter den neuen Thermoelement-Leistungssensor N84488A, der unter allen nicht-gleichstromgekoppelten Sensoren am Markt den weitesten Frequenzbereich und eine hohe Messgenauigkeit bis 70 GHz bietet. Gleichstromgekoppelte Sensoren des Unternehmens sind beispielsweise der E9304A für Effektivwertmessungen und der U2004A für Durchschnittsleistungsmessungen.
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