Schlüsselwörter
(Deutsch)
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Hochfrequenz, charakteristische Impedanz, koaxiale Luftleitungen, Normale, Netzwerkanalysator, Kalibrierung, TRL, LRL
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Schlüsselwörter
(Englisch)
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Radio frequency, characteristic impedance, coaxial airlines, standards, network analyser, calibration, TRL, LRL
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Charakterisierung von koaxialen Luftleitungs-Impedanznormalen (sog. "Airlines") für die Rückführung der Wellen-Impedanz auf die SI Grundeinheit „Meter“.
- Erarbeitung eines geeigneten physikalischen Modells, das eine numerische Berechnung der Wellen-Impedanz erlaubt.
- Entwicklung eines Algorithmus für die Fehlerkorrektur bei Netzwerkanalysatoren unter Verwendung von "Airlines".
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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Calculation of the impedance of coaxial airlines used for the traceability of the characteristic impedance to the SI - unit meter.
- Development of an adequate physical model for the calculation of the characteristic impedance.
- Development of an algorithm for the error correction of network analysers using airline standards.
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Projektziele
(Deutsch)
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Das Projekt soll die Grundlagen schaffen, damit:
• die Wellenimpedanz auf die SI Grundeinheit "Meter" zurückgeführt werden kann;
• Netzwerkanalysatoren mit Hilfe von Luftleitungen kalibriert werden können.
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Projektziele
(Englisch)
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The aims of the project are:
Establishment of the traceability of the characteristic impedance to the SI - unit "meter";
Calibration of network analysers using airlines.
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Abstract
(Deutsch)
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Das Ziel des Projekts ist die Reduktion der Messunsicherheit bei der Kalibrierung koaxialer Luftleitungs-Impedanznormale (sog. "Air lines"). Im Mittelpunkt der Untersuchungen stand die Doppelverhältnis-Korrekturmethode (DK), mit der unter Annahme idealer Referenzleitungen die Impedanz auf SI-Einheiten zurückgeführt werden kann. Im vorliegenden Projekt wurde die Methode für die Anwendung nichtidealer Referenzleitungen weiterentwickelt.
Die Leitungsparameter von koaxialen Luftleitungen mit nichtidealen Querschnittsformen wurden berechnet [1], [D1], [2], [3] und die Abhängigkeit dieser Parameter (Sensitivität) in Funktion der geometrischen Daten und der Materialparameter detailliert tabellarisch dargestellt [D1]. Damit lassen sich reale, mit Fabrikationstoleranzen behaftete Referenzleitungen exakt charakterisieren. Es zeigt sich, dass übliche Herstellungstoleranzen der Leiterdurchmesser sich viel stärker auswirken als die übliche Exzentrizität des Innenleiters oder die Abweichung von der Kreisform.
Ausgehend aus den so ermittelten Leitungsparametern wurde die DK weiterentwickelt, so dass nun die Nichtidealität (Inhomogenität) der Referenzleitung berücksichtigt werden kann. Damit lässt sich die Messunsicherheit bei der Messung von Impedanzen reduzieren [D2], [4].
Das gesetzte Ziel, von der theoretischen Analyse bis zur Implementierung der Methode, wurde erreicht. Die Abschätzung der Messunsicherheitsbeiträge ist allerdings erst in einer guten ersten Näherung erfolgt. Hinweise zu ihrer bessern Eingrenzung werden in Absatz 2.1 gegeben.
Der Projektleiter dankt an dieser Stelle für die gute Zusammenarbeit mit der ETHZ (speziell: Pascal Leuchtmann, Marcel Kossel und Hansruedi Benedickter), die anspruchsvolle Implementierung in LabView (Michael Wollensack) und die äusserst kompetente Beratung, die anspruchsvollen theoretischen Analysen und die Mithilfe beim Verfassen der vielen Publikationen (EMC-RF Szentkuti: Bàlint Szentkuti).
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Abstract
(Englisch)
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The aim of the project was the improvement of the measurement uncertainty in impedance calibrations. The investigated method was the so-called "cross-ratio correction method" ("DK") in the microwave domain which makes the impedance traceable to SI base units by using an ideal, known transmission line.
The line parameters of coaxial air lines with non-ideal cross sections have been calculated [1], [D1], [2], [3], and their sensitivity to geometrical and material parameters have been determined in detail [D1]. This allows to characterise exactly inhomogeneous real world air lines. As a result we found that within the limits of actual deviations of commercial air lines the impact of diameter variations is by far stronger than an eccentrically placed inner conductor or a deformed cross section.
Based on the evaluated line parameters the "DK" was further developed taking into account the inhomogeneity of the air line. A reduced uncertainty for reflection coefficient measurements was achieved [D2], [4].
The objectives of the project have been achieved on the analytical side as well as on the practical side with the implementation of an improved calibration method.
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Umsetzung und Anwendungen
(Deutsch)
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Die Rückführung der Impedanz einer koaxialen Luftleitung auf SI-Basiseinheiten geschieht durch die Grössen
· Querschnittsabmessungen und Länge (® Meter) und
· Frequenz ( ® Sekunde).
Die Querschnittsabmessungen bestimmen den Wellenwiderstand Z0 der Leitung. Die Länge L und Frequenz f lassen die Ermittlung der Phase zu. Der Wellenwiderstand und der Ausbreitungskoeffizient g der Leitung sind auch von den Materialeigenschaften abhängig, in der Praxis vor allem von der Leitfähigkeit s der Leiter.
Die DK verlangt zur "Kalibrierung" von Vektor-Netzwerkanalysatoren (VNA) eine präzise, als homogen angenommene koaxiale Luftleitung und einen präzise gefertigten und charakterisierten Kurzschluss. In zahlreichen Publikationen der PTB (Physikalisch Technische Bundesanstalt) wurde diese Methode vorgestellt und ihre Realisierung und Weiterentwicklung in derselben Institution dokumentiert [D4: Referenzen].
Die Berücksichtigung der Leitungsinhomogenität erlaubt es nun, auch mit kommerziellen, mechanisch zum Teil weniger präzisen, dafür aber kostengünstigeren Referenzleitungen eine gleichhohe Genauigkeit bei der Reflexionsmessung zu erreichen.
Die gewonnen Erkenntnisse über die relevanten Leitungsparameter zeigen, dass die bei METAS entwickelten Messplätze zur mechanischen Charakterisierung der koaxialen Luftleitungen vollumfänglich den notwendigen Genauigkeitsanforderungen genügen.
Somit können die mechanisch messbaren und damit auch elektrisch definierbaren Nichtidealitäten der koaxialen Luftleitung bei der Auswertung der elektrischen VNA Messungen rechnerisch kompensiert und so die Messgenauigkeit erhöht werden.
Die DK, mit Berücksichtigung der Leitungsinhomogenität, wurde erfolgreich in LabView implementiert und im Frequenzbereich 1 GHz bis 26.5 GHz in Betrieb genommen [D3], [D4], [D5], [D6].
Beim 7 mm Steckersystem und bei den von der DK bevorzugten "l/4-Frequenzen" liegt die relative Messunsicherheit des Reflexionsfaktors nach jetziger Schätzung in der Nähe von 0.001, bei Type-N und 3.5 mm Steckersystemen bei 0.003.
Damit viele dieser "l/4-Frequenzen" auftreten, werden in der Regel möglichst lange Referenzleitungen eingesetzt, deren Länge oft nur durch fertigungstechnische Kriterien und die mechanische Montage begrenzt wird.
Praktische Messungen haben jedoch gezeigt, dass kurze koaxiale Luftleitungen andere Vorteile mit sich bringen.
Kurze Leitungen, welche mit erhöhter mechanischer Präzision gefertigt werden und hinreichend kurz sind (ca. L < 3l/4), erlauben eine Kalibrierung mit der DK ohne "l/2-Sperrferquenzen", d. h. eine kontinuierliche und nicht nur punktweise Kalibrierung im Frequenzbereich. Dabei kann die Messunsicherheit bei den unteren Frequenzen, d.h. in der Nähe von 1 GHz, jedoch wieder zunehmen [D4].
Dank diesem Projekt verfügt METAS in der Hochfrequenz-Messtechnik nun über primäre Impedanznormale und ist nicht mehr auf andere Primärlabors angewiesen. Referenzleitungen von Kunden können aufgrund der erworbenen Erkenntnisse genau vermessen und ihre Impedanz berechnet werden [D7], [siehe auch z.B.: METAS Zertifikat 251-0336].
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Umsetzung und Anwendungen
(Englisch)
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Traceability of impedance to SI base units is given through the following quantities:
· Cross section and length of the air line (® meter)
· Frequency ( ® second)
The application of an accurate diameter measurement system (laser micrometer facility and air gauging technique) allows the treatment of the inhomogeneity of air lines by using a cascade model in which the air line is divided into a number of equally spaced line sections. Each line section is assumed to be homogeneous and is characterised by the characteristic impedance and the propagation constant.
The dimensions of the cross sections define the characteristic impedance Z0 of the air line. The length L and the frequency determine the phase of Z0. In a strict sense Z0 and the propagation constant g of a line are also dependant on material parameters, for practical purpose mainly on the conductivity s of the air line.
The calibration of a Vector Network Analyzer (VNA) with the "DK" required up to now a highly homogeneous air line and a known short circuit. PTB (Physikalisch Technische Bundesanstalt) has presented this method and developed it further [D4: references].
On the other side the cascade model allows to achieve a similar measurement accuracy by using commercial, mechanically less precise but cheaper air lines [4].
The "DK" using the inhomogeneous METAS approach was successfully implemented in the frequency range from 1 GHz to 26.5 GHz [D3], [D4], [D5], [D6].
With the 7 mm connector system and at the "optimum" l/4-frequencies of the "DK" the estimated relative measurement uncertainty of the reflection coefficient is about 0.001, with Type-N and 3.5 mm connectors around 0.003.
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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[1] Pascal Leuchtmann und Jürg Rüfenacht. On the calculations of air lines. Kleinheubacher Berichte, Band 45, Seite 1-5, Copernicus Gesellschaft e.V. Oktober 2001.
[2] Pascal Leuchtmann und Jürg Rüfenacht. Air lines make impedance traceable to SI base units. METAS, metINFO, Vol. 9, No. 2/2002.
[3] Pascal Leuchtmann und Jürg Rüfenacht. On the calculations of air lines. Submitted to IEEE Trans. Microwave Theory Tech.
[4] Marcel Kossel, Pascal Leuchtmann und Jürg Rüfenacht. Traceable correction method for complex reflection coefficient, using calculable air line impedance standards. Submitted to IEEE Trans. Instrum. Meas.
Juni 2001: METAS Seminar, Kurt Hilty, Jürg Rüfenacht, Pascal Leuchtmann, Marcel Kossel, Koaxiale Luftleitungs-Impedanznormale
September 2001: Kleinheubacher Tagung (Miltenberg D), Pascal Leuchtmann, Accurate field calculation for inhomogeneous air lines
Januar 2002: 17th ANAMET Meeting (NPL, Teddington), Jürg Rüfenacht, An alternative air line calibration technique
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Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
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[1] Pascal Leuchtmann und Jürg Rüfenacht. On the calculations of air lines. Kleinheubacher Berichte, Band 45, Seite 1-5, Copernicus Gesellschaft e.V. Oktober 2001.
[2] Pascal Leuchtmann und Jürg Rüfenacht. Air lines make impedance traceable to SI base units. METAS, metINFO, Vol. 9, No. 2/2002.
[3] Pascal Leuchtmann und Jürg Rüfenacht. On the calculations of air lines. Submitted to IEEE Trans. Microwave Theory Tech.
[4] Marcel Kossel, Pascal Leuchtmann und Jürg Rüfenacht. Traceable correction method for complex reflection coefficient, using calculable air line impedance standards. Submitted to IEEE Trans. Instrum. Meas.
Juni 2001: METAS Seminar, Kurt Hilty, Jürg Rüfenacht, Pascal Leuchtmann, Marcel Kossel, Koaxiale Luftleitungs-Impedanznormale
September 2001: Kleinheubacher Tagung (Miltenberg D), Pascal Leuchtmann, Accurate field calculation for inhomogeneous air lines
Januar 2002: 17th ANAMET Meeting (NPL, Teddington), Jürg Rüfenacht, An alternative air line calibration technique
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