Auf einen Blick

Beim Einsatz eines Handheld-Gerätes für den Feldtest ist es wichtig, dass die Messergebnisse gut mit denen von Laborinstrumenten übereinstimmen. Das Korrelieren von Messergebnissen ist für Techniker und Ingenieure ein Weg, diese Übereinstimmung sicherzustellen. Die hier gezeigten Beispiele demonstrieren klar und deutlich, dass moderne Handheld-Instrumente sowohl alle Voraussetzungen für den Einsatz im Feld als auch in gängigen Laboranwendungen mitbringen.

Mittlerweile stehen tragbare Universalmessgeräte für hochgenaue Messungen der Netzwerkanalyse und Spektrumanalyse von Leistung und Frequenz zur Verfügung, deren Ergebnisse bis auf Hundertstel dB mit denen der Labor-Instrumente korrelieren. Aber Vorsicht: Nicht alle modernen Handheld-Mikrowellenanalysatoren sind hier ebenbürtig.

Ob ein Handheld-Gerät das hohe geforderte Niveau erreicht, ergibt sich aus dem Vergleich seiner Leistungsmerkmale mit denen eines Laborgerätes. Üblicherweise konsultiert man dazu als erstes die Datenblätter des Herstellers. Oft ist der direkte Vergleich aber schwierig, weil manche Spezifikationen lediglich unter ganz bestimmten Rahmenbedingungen gelten. So könnte beispielsweise das Handheld-Gerät für den Betrieb in rauer Umgebung spezifiziert sein, während sich die Werte des Tischgerätes auf ein temperatur- und luftfeuchtigkeitsstabilisiertes Labor beziehen. Selbst das Studium von Literaturbeispielen erweist sich oft als wenig hilfreich, weil es wenig verfügbares Material gibt. Einen Ausweg bietet nur die Gegenüberstellung echter Messergebnisse eines Handhelds mit denen mehrerer Laborgeräte. Das ist letztlich die einzige Möglichkeit festzustellen, ob das mobile Gerät für präzise Mikrowellen-Messungen im Feld die erforderliche Genauigkeit aufweist.

Warum korrelieren?

Korrelation steht für die relative Übereinstimmung eines Satzes von Messdaten ein- und desselben Prüflings, jedoch gemessen mit unterschiedlichen Geräten wie etwa einem Präzisions-Laborinstrument und einem Handheld. Je besser die Übereinstimmung, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Messverfahren das andere gleichwertig ersetzen kann. In diesem Fall ist es der Nachweis, dass ein bestimmtes Handheld-Gerät dasselbe Niveau an Messgenauigkeit erreicht wie ein Laborinstrument. Aber warum ist diese Korrelation so wichtig für erfolgreiche Messungen am Prüfling?

In jeder Etappe seines Entwicklungs- und Lebenszyklus‘ wird ein Produkt von einer Vielzahl unterschiedlicher Geräte auf ganz spezifischen Messplätzen geprüft. In den frühen Phasen gibt es unter anderem die Entwurfsverifizierung, entwicklungsbegleitende Messungen und später den Fertigungstest. Solche Messungen erfolgen üblicherweise zunächst mit Benchtop-Messgeräten in standardisierten Laborumgebungen. Tests in Forschung und Entwicklung vertrauen auf die Laborgeräte, die speziell nach ihrem Funktionsumfang und guten Leistungsmerkmalen für die Aufgabe ausgewählt werden

Im Fertigungstest dagegen treten hohe Messgeschwindigkeit und niedrige Gerätekosten in den Vordergrund. Ist das neue Gerät oder System im Feld installiert, müssen viele der Messungen nochmals durchgeführt werden, um das erwartete Leistungsniveau sicherzustellen. Weitere Feldtests ergeben sich im Rahmen der periodischen Wartung und im Reparaturfall. Solche Messungen erfolgen gelegentlich mit Handhelds unter denkbar schlechten Bedingungen wie etwa in Sand- und Schneestürmen, in Wüste oder Dschungel oder auf einem Schiff in rauer See.

Beim Feldtest ist die Übereinstimmung der Daten mit denen der Labormessungen kritisch für den ordnungsgemäßen Betrieb eines Gerätes oder einer Anlage. Korrelieren die Feldmessdaten nicht gut mit den Labormessdaten, könnte eine tatsächlich einwandfreie Komponente als fehlerhaft erscheinen oder ein mangelhaftes Teil die Tests erfolgreich bestehen. Eine gute Korrelation kann auch alle Beteiligten davon überzeugen, dass der Prüfling in der Tat gemäß seiner Entwicklungsspezifikationen arbeitet.

Die Übereinstimmung beweisen

Bild 1a: Spektrummessung eines 10-GHz-Multitone-Signals mit dem Signalanalysator Agilent MXA.

Bild 1a: Spektrummessung eines 10-GHz-Multitone-Signals mit dem Signalanalysator Agilent MXA.Agilent Technologies

Um festzustellen, wie gut die Messdaten eines bestimmten Handhelds mit denen hochgenauer Laborinstrumente korrelieren, kann ein Vergleich ganz unterschiedlicher Messaufgaben wie Spektrumanalyse, S-Parameter oder HF-Leistungsmessung durchgeführt werden. Das gilt besonders dann, wenn sich das mobile Gerät für so viele unterschiedliche Funktionen konfigurieren lässt.

Bild 1a und 1b zeigen als Beispiel zwei Spektrum-Messungen eines 10-GHz-Multitone-Signals (Kammsignal). Das Signal hat in konstantem Frequenzabstand Spektrallinien mit 10 dB größeren beziehungsweise kleineren Amplituden als die jeweiligen Nachbarn. Die Spektrum-Messung links erfolgte mit einem Hochleistungs-Labor-Signalanalysator, rechts mit einem als Spektrumanalysator konfigurierten Handheld-Instrument.

Bild 1b: Spektrummessung eines 10-GHz-Multitone-Signals mit dem Spektrumanalysator Agilent FieldFox.

Bild 1b: Spektrummessung eines 10-GHz-Multitone-Signals mit dem Spektrumanalysator Agilent FieldFox.Agilent Technologies

Zum Vergleich der beiden Messungen dienen Delta-Marker. Sie zeigen -40,37 dB auf dem Benchtop und -40,07 dB auf dem Handheld. Die Differenz der beiden Messungen beträgt nur 0,3 dB, also eine gute Übereinstimmung. Die Marker-Ergebnisse für die anderen Frequenzen zeigen ebenfalls eine exzellente Korrelation der beiden Instrumente. Wenngleich man aufgrund der Wobbelgeschwindigkeit und des möglichen Dynamikbereichs den Handheld nicht als direkten Ersatz für das Laborgerät betrachten kann, eignet er sich doch gut für den Feldtest und für allgemeine Messaufgaben im Labor.

Zum Vergleich der Ergebnisse einer S-Parameter-Messung dient das Beispiel in Bild 2. Prüfling ist ein Breitbandverstärker für 3 bis 12 GHz mit einer Verstärkung von 23 dB. In diesem Beispiel messen drei verschiedene Vektor-Netzwerkanalysatoren – zwei Laborgeräte und ein Handheld – vier S-Parameter. Alle drei Instrumente waren auf einen Frequenzbereich von 100 MHz bis 26,5 GHz, 401 Messpunkte und eine Zwischenfrequenz-Bandbreite von 10 kHz eingestellt. Die Systemfehler-Korrektur erfolgte über eine komplette mechanische Zwei-Port-Kalibrierung.

Bild 2: S-Parameter-Messwerte eines 3/12-GHz-Breitbandverstärkers. Grafisch überlagert wurden Messungen der Vektor-Netzwerkanalysatoren Agilent 8510C (blau) und PNA-X (grün) sowie des Handheld-Modells FieldFox im Vektor-Netzwerkanalysator-Modus (magenta).

Bild 2: S-Parameter-Messwerte eines 3/12-GHz-Breitbandverstärkers. Grafisch überlagert wurden Messungen der Vektor-Netzwerkanalysatoren Agilent 8510C (blau) und PNA-X (grün) sowie des Handheld-Modells FieldFox im Vektor-Netzwerkanalysator-Modus (magenta).Agilent Technologies

Zum Vergleich wurden die drei erfassten S-Parameter-Datensätze zur Darstellung in das Format eines der Benchtop-Geräte portiert und eingeladen und dort in der Grafik überlagert. Die drei Messdatensätze sind im Wesentlichen identisch. Ausnahme ist die Abweichung der S21-Daten eines der Benchtop-Geräte, angedeutet durch den blauen Kurvenzug am oberen Ende des Frequenzbereichs. Dagegen ist die Korrelation zwischen dem Handheld (magenta) und dem anderen Laborinstrument (grün) exzellent. Damit qualifiziert sich der Handheld als ideales Gerät für S-Parameter-Messungen im Feld und für gängige Messaufgaben im Labor.

Zur Messung der HF-Leistung von Dauerstrich-, gepulsten und komplexen Signalen dient ein HF-Leistungssensor als wichtigste Komponente. Diesen gibt es je nach Anforderung in unterschiedlichen Ausführungen. USB-Sensoren lassen sich direkt mit einem Kabel an einen PC oder an ein Meter oder an ein anderes Messgerät anschließen. Der PC oder das Messgerät dient dabei lediglich zur Darstellung der Ergebnisse. Vorausgesetzt derselbe Leistungssensor kommt sowohl in der Handheld- als auch in der Benchtop-Konfiguration zum Einsatz, sollten die Ergebnisse perfekt übereinstimmen.

Tabelle: Vergleich der gemessenen HF-Leistung eines Dauerstrich-Signals als Funktion der Frequenz. Der Handheld-Analysator Agilent FieldFox misst die Signalleistung über seine Channel Power Meter-(CPM-)Funktion. Benötigt werden lediglich ein kurzes Koax.

Tabelle: Vergleich der gemessenen HF-Leistung eines Dauerstrich-Signals als Funktion der Frequenz. Der Handheld-Analysator Agilent FieldFox misst die Signalleistung über seine Channel Power Meter-(CPM-)Funktion. Benötigt werden lediglich ein kurzes Koax.Agilent Technologies

Leistungsmessgeräte beziehungsweise -sensoren sind sicherlich die Referenzklasse für HF-Leistungsmessungen, aber auch mit Handhelds allein (ohne angesteckten Leistungssensor) lassen sich gute Ergebnisse erzielen – selbstverständlich vorausgesetzt das mobile Gerät kann Signalleistung direkt messen. Die Tabelle zeigt die gemessene Leistung eines Dauerstrich-Testsignals als Funktion der Frequenz. Verglichen wird die Messung einer Kombination aus Leistungssensor und Leistungsmessgerät mit der eines Handhelds mit integrierter Leistungsmessfunktion. Die Messung mit dem Handheld mag weniger genau sein als die mit einem Leistungssensor, aber besonders unter schwierigen Umwelt- und Einsatzbedingungen ist es sehr angenehm, nur ein einziges Gerät für die Leistungsmessung zu benötigen

Handhelds ins Gehäuse geschaut

Diese Beispiele zur Korrelation von Messdaten zeigen klar und deutlich, dass ein moderner Handheld-Analysator Messergebnisse liefert, die ausgezeichnet mit denen eines Labor-Instruments übereinstimmen. Ermöglicht wird das nicht zuletzt durch messtechnische Fortschritte, die sich sowohl in den mobilen als auch in den ortsfesten Instrumenten niederschlagen. Viele Hochleistungs-HF- und Mikrowellen-Labormessgeräte nutzen anwendungsspezifische integrierte Mikrowellen-Schaltkreise (Custom Monolithic Microwave Integrated Circuits – MMICs). Solche Bauelemente finden sich auch als kompakte, hochleistungsfähige Chipsätze zur Implementierung von Funktionen in modernen Handhelds.

Diese hochintegrierten Schaltkreise steigern die Leistung der mobilen Geräte und senken gleichzeitig ihren Stromverbrauch. Darüber hinaus erlauben sie es, die Universal-Handhelds mit unterschiedlicher Funktionalität wie ein Spektrumanalysator, Vektor-Netzwerkanalysator, Leistungsmesser, Kabel- oder Antennen-Analysator und andere mehr zu konfigurieren.

Zusätzlich zu diesen technologischen Fortschritten bieten moderne Handhelds auch automatische Bereichseinstellung und integrierte Kalibrierung – wichtige Voraussetzungen für hohe Genauigkeit über den gesamten Frequenzbereich. Handhelds treten damit unmittelbar in den Wettbewerb mit den Benchtops.