Hochfrequenz-Messtechnik

Der Preis eines Spektrumanalysators hängt stark von seiner Maximalfrequenz ab. Bei preiswerten chinesischen Herstellern (z.B. Rigol) beträgt der Neupreis etwa 1000 € pro 1 GHz.

Das Foto zeigt einen klassischen Spektrumanalysator aus den 90'ern. Der Griff belegt, dass das 19 kg-schweren Gerät mit seiner Anzeigeröhre für den mobilen Einsatz gedacht war. Im Bastler-Labor leistet er immer noch gute Dienste. Er erreicht 6,5 GHz und hat einen Trackinggenerator, der bis 2,9 GHz geht.

Wer einen Spektrumanalysator sein eigen nennt, brauch nicht unbedingt einen Leistungsmesser. Der Spektrumanalysator bestimmt schließlich auch die Leistung. Der Leistungsmesser ist aber deutlich genauer. Es ist aber tückisch, wenn am Messanschluss mehrere Signale gleichzeitig anliegen. Während der Spektrumanalysator Frequenz und Leistung für jedes Signal separat anzeigt, misst der Leistungsmesser die Summe aller Leistungen.

Bei einem Leistungsmesser will man kein langes Signalanschlusskabel haben, da dieses ja mit seinen Verlusten die Messung verfälschen würde. Deswegen sind Leistungsmesser entweder kleine handliche Geräte, oder sie bestehen aus einem Grundgerät und einem daran mit einem ausreichend langen Kabel angeschlossenem Messkopf (Sensor). Dann kann der Messkopf so dicht wie möglich an die Leistungsquelle heran.

Generell gibt es drei unterschiedliche Arten von Sensoren in Leistungsmessern:

• Dioden-Messkopf
• Thermokoppler-Messkopf
• Logarithmische Detektoren

Der hier abgebildete NRP8SN von Rohde&Schwarz geht bis 8 GHz und arbeitet von -70dB bis hinauf zu +23dB. Diese Dynamik von 93dB schafft er mit Hilfe von 3 Diodenpfaden. Dank USB und Webserver benötigt er kein Grundgerät, sondern wird per PC bedient. Der Preis von 4000€ ist leider außerhalb der finanziellen Reichweite von Bastlern. Vielleicht kaufen wir uns so was mal als Gebrauchtgerät in 20 Jahren. Ob es dann aber noch PCs mit USB gibt, auf denen die passende Software läuft, ist sehr fraglich. (Den jetzigen Laptop also später nicht wegwerfen sondern im Keller für die Zukunft einlagern!)

Aber schon für das oben abgebildete etwas angegraute Powermeter HP437B gibt es mit dem HP8484A einen Diodenmesskopf, der Leistungen bis hinab zu -70dBm  messen kann.

In der Anwendung von VNA und Spektrumanalyser fällt deutlich ein Unterschied auf: Mit dem Spektrumanalyser misst man oft (wenn auch nicht immer) in einer aktiven Schaltung herum. Der VNA testet dagegen ein Bauteil, das sich nicht in einer größeren Schaltung befindet. Er ist eher ein Bauteiltester.

Hat man kein Signal, dann kann man auch nichts messen. Deshalb ist ein Signalgenerator nicht gerade unwichtig.

Während Signalgeneratoren, die nur für wenige Megahertz ausgelegt sind, auch Rechteck-, Sägezahn- und Dreieckschwingungen ausgeben können, erzeugt ein typischer Signalgenerator im Hochfrequenzbereich erst einmal nur sinusförmige Schwingungen. Oft gibt es noch die Möglichkeit, dem Signal eine Amplituden-, Frequenz- oder Phasenmodulation aufzuprägen. Arbritary-Generatoren (die also beliebig frei programmierbare Wellenformen erzeugen können) sind hier nicht mehr üblich.

Das liegt schon daran, dass man sich über die Form eines Signals hier keine Gedanken mehr macht - alles ist Sinus. Eine Nicht-Sinus-Schwingung wird immer als Summe mehrerer Sinusschwingungen verstanden, die verschiedene Amplituden und Frequenzen haben. Und es ist wahr: jedes periodische Signal kann man aus Sinus-Signalen zusammensetzen.

Die Ausgangsleistung eines Signalgenerators wird in dBm angegeben und eingestellt. Die Maximalleistung typischer Generatoren übersteigt selten +10dBm. Der Ausgang ist meist eine N-Buchse.

Das erste Foto zeigt einen typischen Signalgenerator von Agilent, der von 9 kHz bis 3,2 GHz geht. Der Ausgangspegel geht bei dieser Version bis fast +20 dBm. Interessant (und technisch sehr aufwendig) ist aber auch, dass man den Pegel bis auf -130 dBm absenken kann. Um so ein Gebrauchtgerät für deutlich weniger als 1000 € zu ergattern braucht man aber Glück.

Deshalb ist das interessanteste am Markt z.Z. der ERASynt-micro von Erainstruments. Das ist ein kleines Handgerät mit USB-Stromversorgung und LCD-Touchscreen, das Frequenzen von 12,5 MHz bis 6,4 GHz bei Pegeln von -50 bis +15 dBm ausgibt. Beim Design wurde auf geringes Phasenrauschen geachtet, und das ganze ist auch noch Open-Source. Als Europäer ist man mit 225 $ dabei. Mir gefällt besonders, dass das kleine Kästchen (im Gegensatz zu vielen USB-Gadgets) ohne PC-Steuerung auskommt. Die Bedienung erfolgt nämlich über das Touch-LCD, das fast die gesamte Frontseite einnimmt.

Die auf den ersten Blick recht hohe Minimalfrequenz von 12,5 MHz liegt am verwendeten Chip LMX2572 von TI. Der funktioniert nämlich erst ab dieser Frequenz. Intern erzeugt er mit einem VCO eine einstellbare Frequenz zwischen 3,2 GHz und 6,4 GHz. Braucht man eine kleinere Frequenz als 3,2 GHz, dann kann man sie mit einem internen Teiler um einen Faktor zwischen 2 und 256 herunterteilen. Die niedrigste VCO-Frequenz geteilt durch den größten Teiler ergibt  3,2 GHz / 256 = 12,5 MHz. (Das Prinzip ist ähnlich wie beim Chip ADF4351, der 2,2 GHz bis 4,4 GHz erzeugen kann, und diese bis auf minimal 35 MHz herunterteilen kann.)
Durch die digitale Frequenzteilung ist bei Frequenzen unterhalb von 3,2 GHz also mit Oberwellen im Ausgangssignal zu rechnen. Bei einer eingestellten Ausgangsfrequenz von unter 500 MHz sieht das Spektrum schon fast wie ein Frequenzkamm aus. Bei höheren Frequenzen (>2GHz) gibt es aber nur wenige Harmonische, und deren Pegel ist auch ausreichend klein. Die folgenden Spektren wurden bei der Einstellung 0dBm aufgenommen, die etwas kleineren Pegel liegen an den Kabelverlusten:

• Spektrum bei 100 MHz
• Spektrum bei 1 GHz
• Spektrum bei 4 GHz
• Spektrum bei 6,4 GHz

Ich benutze eine magnetische DIY-Sonde aus einem Stück RG402-Koaxkabel.

Es spricht Vieles dafür, mit DIY-Sonden oder anderen Billigsonden die größten Problemstellen im eigenen Design zu erkennen und zu beseitigen, bevor man für die offizielle EMV-Qualifikation in ein teures EMV-Labor geht. Man spart teure Laborzeit und damit viel Geld.