HF-Kalibrierung

Die höheren Frequenzen der HF- und der Mikrowellen-Kalibrierung liegen über den Frequenzen der DC- und Niederfrequenz-AC-Kalibrierung (DC- und Niederfrequenzkalibrierung). Es gibt keine klare Grenze, aber für die meisten Metrologiefachleute befinden sich diese Frequenzen im Bereich von 1-10 MHz. HF- und Mikrowellenkalibrierungen werden häufig in separaten Laboratorien innerhalb eines Unternehmens durchgeführt, wobei die Mikrowellen-Kalibrierung sogar in einem ganz anderen Bereich stattfindet. Auch hier gibt es keine klare Grenze, aber im Allgemeinen spricht man bei über ein paar GHz von Mikrowellenfrequenzen. Zur Bezeichnung noch höherer Frequenzen, um 100 GHz, wird häufig der Begriff "Millimeter-Wellenlänge" verwendet. Ungeachtet der von den Unternehmen favorisierten Frequenztrennung gibt es aber auch viele Gemeinsamkeiten.

Wie unterscheiden sich HF- und Mikrowellen-Kalibrierung von DC-/Niederfrequenzkalibrierung?

Der größte Unterschied besteht darin, dass HF- und Mikrowellen-Geräte und -Systeme für die Verbindung angepasste Übertragungsleitungen verwenden (Koaxialkabel oder Wellenleiter bei höheren Frequenzen).

Welche Parameter werden bei der HF-Kalibrierung gemessen?

Zwei wichtige Parameter sind die HF-Leistung und die Qualität der Anpassung oder Abgabe dieser Leistung von einer Quelle zu einer Last. Die Anpassungsqualität in Bezug auf die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung wird normalerweise als Stehwellenverhältnis (VSWR), Reflexionskoeffizient und S-Parameter usw. ausgedrückt.

Anpassungsfehler tragen in hohem Maße zur Messunsicherheit bei der HF-Kalibrierung bei. Diese Fehler entstehen durch die Ausgangs- und Eingangsanpassungen der Geräte sowie durch die Kabel und Anschlüsse, über die die Geräte angeschlossen werden. Die Verwendung hochwertiger Anschlüsse und Kabel in Messtechnikqualität und der vorsichtige Umgang damit sind wichtig, um diese Fehler- und Unsicherheitsquellen zu minimieren.

Bei der Kalibrierung von HF- und Mikrowellen-Testgeräten werden noch viele weitere (oft auch gerätespezifische) Parameter und Eigenschaften gemessen, die hier nicht alle behandelt werden können.

Wie wird die HF-Kalibrierung traditionell durchgeführt?

Im Gegensatz zur DC-/Niederfrequenzkalibrierung mit vielen verschiedenen Kalibratoren gibt es praktisch keine speziellen HF- und Mikrowellen-Kalibratoren (außer die HF-Referenzquellen Fluke 9640A). Für HF- und Mikrowellen-Kalibrieraufgaben sind zahlreiche verschiedene Testgeräte erforderlich, um die benötigte Funktionalität und Leistung zu erhalten.

Die einzelnen Testgeräte können zu einem Kalibriersystem für einen bestimmten Gerätetyp oder für viele verschiedene Gerätetypen kombiniert oder einfach nur für eine bestimmte Kalibrieraufgabe aus dem Laborbestand zusammengetragen und danach wieder verteilt werden.

Infolge der Vielzahl der Systemgeräte sind für die Verbindung mit dem Prüfling viele verschiedene Anordnungen nötig. Umschalten und Multiplexing sind aufgrund der dadurch entstehenden Messfehler und Messunsicherheit, besonders bei höheren Frequenzen, nicht möglich.

Der Kalibrierprozess kann manuell oder automatisch durchgeführt werden. Bei automatischer Durchführung übernimmt die Software die Kontrolle über die Systemgeräte und das zu kalibrierende Gerät. Vollautomatische HF- und Mikrowellen-Kalibrierungen sind selten, da es schwierig ist, die Signalschaltung zu automatisieren, ohne dass die Messqualität dadurch beeinträchtigt wird.

Herkömmliche automatische Systeme machen wegen Verbindungsänderungen häufige Benutzereingriffe erforderlich. Infolgedessen gibt es viele Fehlerquellen, und es wird hochqualifiziertes Personal benötigt. Oft wird wertvolle Zeit verschwendet, weil der Bediener untätig auf die nächste Anordnungsänderung warten muss.

Welche Gerätetypen finden sich normalerweise in einem HF- und Mikrowellen-Kalibriersystem?

In der Regel sind es die folgenden Geräte: Signalgeneratoren, Pegelgenerator, Funktionsgenerator, Leistungsmesser, Messempfänger, Spektrumanalysator, HF- und Mikrowellen-Zähler, Netzanalysator, Audio-Analysator, Oszilloskop, digitales Multimeter. Keines dieser Geräte wurde speziell für die Kalibrierung entwickelt. Es handelt sich vielmehr um allgemeine Testgeräte, die im System verwendet werden. Die Signalgeneratoren sind nicht auf die Leistung ausgelegt, die bei HF-Kalibrierungen benötigt wird. Aus diesem Grund müssen sie zusammen mit Leistungsmessern und kalibrierten Stufenabschwächern eingesetzt werden, um eine ausreichende Amplituden- und Dämpfungsgenauigkeit zu liefern. Externe Filter sind erforderlich, wenn niedrige Oberschwingung wichtig ist, z. B. bei der Spektrumanalysatorkalibrierung. Signalquellen mit niedrigem Phasenrauschen werden auch für die Kalibrierung von Hochleistungs-Spektrumanalysatoren benötigt.

Für welche Geräte werden HF- und Mikrowellen-Kalibrierungen durchgeführt?

In vielen Fällen werden die gleichen Geräte kalibriert, die im System zur Kalibrierung benutzt werden. Am häufigsten werden Signalgeneratoren, Spektrumanalysatoren, Leistungsmesser und Leistungssensoren kalibriert. Aber auch für HF-Millivoltmeter, Signalpegelmessgeräte, Modulationsanalysatoren, Empfänger und Zähler/Timer werden Kalibrierungen durchgeführt.

Wie kann die Effizienz bei gleichzeitiger Kostensenkung verbessert werden?

Wenn die HF-Referenzquelle der Fluke 9640A-Serie, die speziell für die HF-Kalibrierung entwickelt wurde, das Herzstück eines HF- und Mikrowellen-Kalibriersystems bildet, können viele Systemgeräte und Zubehörteile durch ein einziges Gerät ersetzt werden. Dank ihrer einzigartigen Kombination aus Funktionsumfang und Leistung ist die Serie 9640A allgemeinen Signalgeneratoren klar überlegen. Ob bei manueller Verwendung oder im Einsatz zusammen mit der Kalibriersoftware MET/CAL – die Serie 9640A kann die Systemkosten halbieren, die Systemleistung um bis zu 25 % steigern und bis zu 50 % Bedienerzeit einsparen, die anderweitig nutzbringender eingesetzt werden kann.

Weitere Informationen

Kalibrieranleitung für Spektrumanalysatoren »
Leitfaden für optimale HF-Kalibrierung: Koaxialverbindungen »
Phasenrauschen bei HF- und Mikrowellen-Kalibrieranwendungen »
Messen und Zertifizieren von Phasenrauschen bei Hochfrequenz mit niedrigem Phasenrauschen »

Es gibt praktisch keine Geräte, die speziell als HF- und Mikrowellen-Kalibratoren entwickelt wurden (außer der Fluke 9640A-Serie). RF- und Mikrowellen-Kalibrierprozeduren sind komplex und erfordern eine Vielzahl von allgemeinen Testgeräten, Zubehör, Komponenten, Kabeln, Adaptern und Anschlüssen. Kalibrierlösungen werden im Allgemeinen von den Benutzern selbst konzipiert, die ihre eigenen Systeme entwickeln und zusammenbauen. Für die Automatisierung schreiben die Benutzer oft eigene Softwareprogramme oder verwenden auf dem Markt erhältliche Automatisierungssoftware für Testgeräte. Größere Unternehmen beauftragen unter Umständen Systemintegratoren, die ein Kalibriersystem zusammenstellen. Einige Hersteller von Testgeräten bieten Softwarepakete für die Kalibrierung ihrer HF- und Mikrowellen-Produkte an. Allerdings können damit nur Produkte des betreffenden Herstellers als Kalibriernormale verwendet werden; das Kalibrieren anderer Geräte ist nicht möglich.

Welche RF-Kalibrierlösung bietet Fluke Calibration an?

Wenn die HF-Referenzquelle der Fluke 9640A-Serie, die speziell für die HF-Kalibrierung entwickelt wurde, das Herzstück eines HF- und Mikrowellen-Kalibriersystems bildet, können viele Systemgeräte und Zubehörteile durch ein einziges Gerät ersetzt werden. Dank ihrer einzigartigen Kombination aus Funktionsumfang und Leistung ist die Serie 9640A allgemeinen Signalgeneratoren klar überlegen. Ob bei manueller Verwendung oder im Einsatz zusammen mit der Kalibriersoftware MET/CAL – die Serie 9640A kann die Systemkosten halbieren, die Systemleistung  um bis zu 25 % steigern und bis zu 50 % Bedienerzeit einsparen, die anderweitig nutzbringender eingesetzt werden kann.

Welche Faktoren sollten bei der Wahl einer Lösung berücksichtigt werden?

Effizienz

Zeit- und Kostenaufwand für die Kalibrierung, einschließlich Kalibriergesamtzeit, Laufzeit des automatischen Systems und Bedienerzeit, spielen eine wichtige Rolle für die Bestimmung und Verbesserung der Effizienz.

Bei einem typischen automatisierten HF-Kalibrierprozess muss der Bediener häufig eingreifen, um die Testanordnung zu ändern. Durch Automatisierung "ohne Aufsicht" lässt sich die Leistung des Kalibriersystems ohne Weiteres um bis zu 25 % steigern. Gleichzeitig werden bis zu 50 % Bedienerzeit eingespart, sodass das Personal seine Zeit sinnvoll nutzen kann und nicht durch untätiges Warten vergeudet. Beispiel: Das Herstellerverfahren für die Kalibrierung des Spektrumanalysators Agilent E4407B erfordert 27 verschiedene Testanordnungen.

Andererseits führt die Serie 9640A in Kombination mit der Kalibrierverwaltungssoftware MET/CAL Plus die meisten dokumentierten Tests mit einer einzigen Einstellung durch. Für die Durchführung des Kalibrierprozesses sind nur sechs weitere Anordnungen erforderlich. Die Kalibrierzeit verkürzt sich von (normalerweise) viereinhalb Stunden auf zwei Stunden.

Den größten Effizienzvorteil bietet die Serie 9640A in Kombination mit der Software MET/CAL.  Beispiel: Die E4407B MET/CAL-Prozedur für den 9640A-LPNX ermöglicht 90 Minuten unbeaufsichtigten Betrieb während des zweistündigen Prozesses.

Geräteabdeckung und Automatisierungsgrad

Der Begriff "Geräteabdeckung" bezieht sich auf Gerätetyp und Hersteller; der Automatisierungsgrad gibt an, in welchem Umfang eine Lösung die Kalibrierung automatisiert.

Für Spektrumanalysatoren werden am häufigsten HF- und Mikrowellen-Kalibrierungen durchgeführt. Die Serie 9640A bietet die Funktionen und Leistung, die für Spektrumanalysatoren des unteren und mittleren Leistungssegments erforderlich sind. Durch sein besonders niedriges Phasenrauschen ist das Modell 9640A-LPNX in der Lage, die Highend-Spektrumanalysatoren zu kalibrieren.

Die Serie 9640A führt 80-100 % aller Tests für Hochleistungs-Hochfrequenz-Spektrumanalysatoren durch. Für Kalibrieraufgaben mit Frequenzanforderungen über 4 GHz können vorhandene HF- und Mikrowellen-Quellen zusammen mit der Serie 9640A verwendet werden, um die wenigen verbleibenden Prüfpunkte abzudecken, für die eine höhere Frequenzquelle erforderlich ist.

Aufgrund ihres Funktionsumfangs und ihrer Leistung eignet sich die Serie 9640A auch hervorragend für andere Kalibrieraufgaben wie HF-Millivoltmeter, Signalpegelmessgeräte, Modulationsanalysatoren, Empfänger und Zähler/Timer.

Einige HF-Kalibriersoftwarepakete können nur Prüflinge eines einzigen Herstellers kalibrieren und benötigen dazu außerdem Systemgeräte eines bestimmten Herstellers. Mit ihrer ständig wachsenden Bibliothek von RF-Kalibrierprozeduren kennt die Kalibriersoftware MET/CAL diese Beschränkung nicht.

Bedienerqualifikation und Fehlerquellen

HF- und Mikrowellen-Kalibrierungen sind komplex, und qualifiziertes Personal ist rar. Die Mitarbeiter mit den notwendigen Kenntnissen und Qualifikationen müssen viele Aufgaben erledigen. Daher spielt der optimale Einsatz dieser Mitarbeiter eine wichtige Rolle bei der Wahl der Kalibrierlösung.

Kompatibilität mit vorhandenen Normalen, Automatisierungen und Prozessen

Nutzen Sie die flexiblen Funktionen der Software MET/CAL, um die anderen Geräte in Ihrem System zu automatisieren. Sie können Normale innerhalb der Prozeduren durch andere gleichwertige Normale ersetzen, sodass Sie nicht an ein bestimmtes Modell gebunden sind. Flexible Standards sind zur Unterstützung der beliebten Mikrowellensynthesizer wie HP8340, HP83630, Agilent E8254 und E8257 sowie weitere Modelle von Anritsu und Rohde & Schwarz erhältlich.

Die Modelle der Serie 9640A sind so angelegt, dass sie die Leistung und den Funktionsumfang des HP3335A und des HP8662/3A im Kalibriersystem erreichen oder sogar noch übertreffen. Mit der standardmäßigen HP3335A GPIB-Befehlsemulation in beiden 9640A-Modellen und der optionalen HP8662/3A-Emulation im 9640A-LPNX lassen sich diese beliebten, aber veralteten und schwer zu wartenden Produkte durch einfaches Plug & Play ersetzen. Die HP8662/3A GPIB-Befehlsemulation ist auf dem 9640A-LPNX als zeitlich begrenzte Testlizenz installiert und kann vor dem Kauf ausgiebig getestet werden.

Einfache Bedienung und indirekte Kosten

Systeme mit vielen Geräten sind komplex und teuer in Unterstützung und Wartung. Die Verringerung der Zahl der Systemgeräte, die mit der Serie 9640A erreicht werden kann, bedeutet zahlreiche Vorteile. Metrologische Aufgaben gestalten sich wesentlich einfacher, wenn weniger Fehlerquellen und Unsicherheitsfaktoren berücksichtigt werden müssen. Die Kosten für Systemunterstützung werden gesenkt, da weniger Geräte zu kalibrieren und zu warten sind.

Mobilität

Ein kleineres, kompaktes System ist ideal für den Einsatz vor Ort. Die Transportkosten sind geringer, und ein System kann bequem zu Einsatzorten mitgenommen werden, die die Verwendung größerer Systeme nicht erlauben.

Welche anderen HF-Anwendungen könnten von einer Signalquelle mit verbesserter Präzision und Leistung profitieren?

Forschung und Entwicklung, Herstellungstests, automatische Testsysteme und wissenschaftliche Forschung benötigen für viele Anwendungen mehr Leistung als ein allgemeiner Signalgenerator bieten kann. Dank ihrer einzigartigen Kombination aus Amplituden- und Dämpfungsgenauigkeit, Signalreinheit und niedrigem Jitter, Frequenzauflösung, dynamischem Bereich und Präzisionsmodulation sind die·HF-Referenzquellen der 9640A-Serie  jedem Hochleistungssignalgenerator überlegen.