Bild 1: Der  Handheld-Mikrowellenanalysator Field Fox hat sofort nach dem Einschalten, ohne Aufwärmzeit eine Amplitudengenauigkeit von ±0,5 dB und deckt den Frequenzbereich bis 26,5 GHz ab.

Bild 1: Der Handheld-Mikrowellenanalysator Field Fox hat sofort nach dem Einschalten, ohne Aufwärmzeit eine Amplitudengenauigkeit von ±0,5 dB und deckt den Frequenzbereich bis 26,5 GHz ab. Agilent Technologies

Fehlerhafte Leitungen, Verbinder und Antennen verursachen etwa 50 bis 60 % der Probleme von Mobilfunkbasisstationen. Bauteile können bei Einbau, Betrieb und Wartung eines Kommunikations­systems beschädigt werden oder einfach im Laufe der Zeit schlechter werden. Auch das Wetter bean­sprucht im Freien aufgestellte Geräte sehr. Selbst unter Dach eingebaute Geräte sind vor Umwelt­einflüssen nicht sicher: Mechanische Belastungen, Hitze und Vibrationen können auch solche Systeme beeinträchtigen. Fehlfunktionen der beschriebenen Art sind für eine schlechte Netzabdeckung verant­wortlich und verursachen unnötige Übergaben im Mobilfunknetz. Daher sind entsprechende Tests so wichtig.

CAT-Grundlagen

Bei Verifikation und Wartung von HF- oder Mikrowellenübertragungssystemen und -antennen misst man oft an der Leitung, die den Sender mit seiner Antenne verbindet, oder zwischen Antenne und zugehörigem Empfänger. Bei solchen Messungen, dem Line Sweeping, misst man die Signal­ab­schwächung oder die Einfügungsdämpfung und die Rückflussdämpfung in Abhängigkeit von der Frequenz. Mit solchen Messungen kann man auch den genauen Ort eines Leitungsfehlers oder einer Beschädigung bestimmen, viele HF- und Mikrowellen-Signalanalysatoren verfügen zu diesem Zweck über eine spezielle Messfunktion Fehlerort-Entfer­nung (DTF, Distance-to-Fault). Man misst die Signalübertragung nicht nur an Koaxialkabeln; auch Hohlleiter und Kabel mit verdrillten Doppeladern können auf diese Weise charakterisiert werden. Man braucht dazu lediglich einen passenden Adapter zwischen der Leitung und dem Koaxialanschluss am Analysator. Auch die Spezifikationen einer Antenne kann man vor Ort verifizieren, etwa indem man die Signalreflexion oder die Rückflussdämpfung und das Stehwellenverhältnis (VSWR, Voltage Standing Wave Ratio) misst. Braucht man an einem Standort mehrere Antennen, kann man prüfen, inwieweit die Antennen einander gegenseitig beeinflussen.

Auf einen Blick

Messungen an Kabeln und Antennen sind wesentlich bei der Verifikation und der Wartung von HF- und Mikrowellen-Übertragungssystemen und -Antennen. Mit den entsprechenden Mess- und Kalibrier­techniken und einem modernen HF- oder Mikrowellenanalysator, der für Kabel- und Antennentests ausgelegt ist, hat man die geeigneten Mittel an der Hand, um diese Aufgabe schnell, genau und effektiv zu erledigen.

In all diesen Anwendungsfällen kann man die notwendigen Messungen am einfachsten mit einem modernen Mikrowellenanalysator durchführen, der für Kabel- und Antennentest konfiguriert ist.

Als besonders praktisch für den Einsatz vor Ort erweist sich ein Handgerät wie der Field Fox von Agilent Technologies (Bild 1). Es ist zunächst einmal ein Kabel- und Antennentester, der zusätzlich als Spektrumanalysator und Netzwerkanalysator konfiguriert werden kann. Das Gerät bietet sofort nach dem Einschalten, ohne Aufwärmzeit eine herausragende Amplitudengenauigkeit von ±0,5 dB und deckt den Frequenzbereich bis 26,5 GHz ab. Außerdem verfügt es über eine interne Kalibrierfunktion und ist mechanisch robust aufgebaut. Field Fox kann für viele Aufgaben eingesetzt werden, etwa bei der Satellitenkommunikation, beim Richtfunk und in der Militärtechnik. Seine Leistungsmerkmale, Ausstattung mit Messfunktionen und Flexibilität machen es zu einem äußerst nützlichen Werkzeug für die schnelle und genaue Charakterisierung des gesamten Übertragungssystems, aber auch zur Charak­terisierung von Einzelbaugruppen.

Der Kampf mit der Einfügungsdämpfung

Die Einfügungsdämpfung einer Übertragungsleitung oder eines Koaxialkabels wird oft als Funktion des zum Betrieb vorgesehenen Frequenzbandes gemessen. Sie bezeichnet die Energiemenge, die in der Leitung verloren geht (einschließlich dem Verlust durch Reflexion infolge Fehlanpassung zwischen Quelle und Last). Normalerweise sind alle Komponenten eines Übertragungssystems, nämlich Quelle (Sender), Übertragungsleitung (Koaxialkabel) und Last (Antenne) auf die gleiche Nennimpedanz ausgelegt, bei Koaxialkabeln üblicherweise 50 oder 75 Ohm. Die meisten modernen HF- oder Mikro­wellenanalysatoren haben 50-Ohm-Eingänge. Will man mit solchen Geräten in 75-Ohm-Systemen messen, braucht man einen Impedanzwandler von 75 auf 50 Ohm.

Ein einmal in Betrieb genommenes Übertragungskabel zu Messzwecken oder zur Fehlersuche wieder abzuklemmen ist schwierig und teuer. Bei langen, eingebauten Kabeln kann man bisweilen nicht beide Kabelenden gleichzeitig an das Messinstrument anschließen. In solchen Fällen kann man die Einfügungs­dämpfung auch von einem Ende des Kabels her messen.

Bei modernen HF- und Mikrowellenanalysatoren gibt es drei Methoden zur Messung der Einfügungs­dämpfung:

  • Die Zwei-Port-Methode. Hierbei verbindet man HF-Ausgang und HF-Eingang des Analysators mit dem zu testenden Kabel. Der Analysator speist ein Testsignal in das Kabel ein. Dieses durchläuft das Kabel, dabei verzehren der Widerstand des Kabels und Verluste im Dielektrikum einen kleinen Teil des Signalpegels. Impedanzsprünge an Verbindern, Abzweigen, Beschädigungen und so weiter reflektieren einen Teil des Signals und erhöhen so die Dämpfung. Der Analysator misst dann den Restpegel des Signals, der an seiner HF-Eingangsbuchse ankommt. Die Einfügungsdämpfung ist bei dieser Messanordnung das Verhältnis zwischen Ein- und Ausgangspegel. Sie wird üblicher­weise in Dezibel (dB) ange­geben.
  • Die Ein-Port-Methode. Mit der Ein-Port-Methode misst man die Einfügungsdämpfung eines Kabels von einem Ende her. Ein Ende des Kabels ist am Analysator angeschlossen, das andere Ende bleibt offen oder ist kurzgeschlossen (bei Mikrowellen vorzugsweise letzteres). Der Analysator speist mit seinem HF-Ausgangsport ein Testsignal in das zu testende Kabel ein, das Signal läuft durch das Kabel, wird am fernen Ende vollständig reflektiert, durchläuft das Kabel ein zweites Mal und wird vom Analysator über den gleichen Port gemessen. Der Analysator errechnet aus den Messdaten die Einfügungsdämpfung des Kabels abhängig von der Frequenz und benutzt hierzu ein eingebautes Modell für die Dispersion in Koaxialkabeln. Diese Methode beherrschen aber nur Analysatoren mit einem internen, vom Hersteller kalibrierten Reflektometer, die reflektierte Signale am HF-Ausgangs­port messen können.
  • Die Leistungsmessgerät-Methode. Bei dieser Technik wird das Messgerät als Leistungsmeser mit externem USB-Leistungssensor konfiguriert. Das eine Ende des Kabels wird an den HF-Ausgang des Analysators angeschlossen, das andere an einen USB-Leistungssensor. Der Analysator erzeugt an seinem HF-Ausgang eine einzelne Frequenz. Dieses Signal läuft das Kabel entlang und wird von dem USB-Leistungssensor gemessen. Liegen die Kabelenden weit auseinander, wird der Sensor über eine USB-Verlängerung angeschlossen. Diese Technik erlaubt allerdings keine Wobbelmessungen, die Einstellungen des Analysators müssen bei Änderung der Testfrequenz jeweils manuell angepasst werden.

Misst man Leitungen mit großer Einfügungsdämpfung, weist die Messkurve einen hohen Rauschpegel auf. Man kann in diesem Fall den Ausgangspegel des Analysators erhöhen und damit das relative Signalrauschverhältnis und die zugehörige Messgenauigkeit verbessern. Weitere Möglichkeiten zur Verringerung des Rauschpegels sind Mittelung oder Verringerung der ZF-Bandbreite.

Messung des Antennengewinns und des Stehwellenverhältnisses

Antennen werden gemeinhin nach ihrem Gewinn spezifiziert, nach der Rückflussdämpfung oder dem Stehwellenverhältnis. Messungen des Antennengewinns werden typischerweise in einem speziellen Messraum durchgeführt (zum Beispiel einer Absorberkabine). Rückflussdämpfung und Stehwellenverhältnis sind Standardwerte für die meisten HF- und Mikrowellenbauteile und -systeme. Man kann sie mit einem modernen Mikrowellenanalysator leicht im Labor oder vor Ort messen.

Bild 2: Der geteilte Bildschirm zeigt die gemessene Rückflussdämpfung (obere Kurve) und die DTF (untere Kurve) für eine Antenne im X-Band und das koaxiale Anschlusskabel.

Bild 2: Der geteilte Bildschirm zeigt die gemessene Rückflussdämpfung (obere Kurve) und die DTF (untere Kurve) für eine Antenne im X-Band und das koaxiale Anschlusskabel.Agilent Technologies

Ist eine Antenne erst einmal installiert, kann man zur Prüfung, ob sie einwandfrei ist oder nicht, lediglich ihre Reflexionseigenschaften messen. Anhand ihrer Rückflussdämpfung und ihres Steh­wellenverhältnisses charakterisiert man die Leistungfähigkeit einer Antenne. Die dazu nötigen Ein-Port-Messungen werden typischerweise in dem interessierenden Frequenzbereich durchgeführt.

Eine typische, einigermaßen gut angepasste Antenne hat eine Rückflussdämpfung von 10 dB oder mehr. Eine Rückflussdämpfung von 10 dB bedeutet, dass 90 % der eingespeisten Energie abgestrahlt und 10 % zum Sender reflektiert werden. Braucht man eine besonders hohe Effizienz (beispielsweise bei Basis­stationen), kann man die Rückflussdämpfung mit 15 dB oder höher spezifizieren. Eine Rückfluss­dämpfung von 10 dB entspricht etwa einem Stehwellenverhältnis von 2:1. Moderne Analysatoren können sowohl Rückflussdämpfung und Stehwellenverhältnis anzeigen so dass der Anwender keine Umrechnungstabelle mehr verwenden muss.

Beim Anschluss der Antenne an den Analysator verbessern hochqualitative Adapter Messgenauigkeit und Reproduzierbarkeit. Über eine Kalibrierfunktion kann man die Charakteristik des Adapters aus den Messergebnissen herausrechnen (siehe Kasten Kalibrierung der Analysator-Testports). Der Analysator sollte so nah wie möglich an die Antenne herangebracht werden, damit die Einfügungsdämpfung des Kabels die Antennendämpfung nicht überdeckt.

Sicherstellen, dass Antennen einander nicht stören

Nutzen verschiedene Funksysteme Antennenstandorte oder Installationsräume gemeinsam, müssen die Antennen (des gleichen oder eines anderen Systems) hinreichend weit voneinander getrennt montiert sein, damit sie sich nicht gegenseitig stören. Ein ausreichender Abstand verhindert die Entstehung von Intermodulationsverzerrungen in den Sendeverstärkern und eine Verringerung der Empfänger­empfind­lichkeit.

Normalerweise sind Systeme mit Duplex- oder sonstigen Filtern ausgestattet, die Signale von benach­barten Sendern und andere Störungen ausblenden. Eine entsprechende Systemleistung kann dennoch einen Störabstand von 60 dB zwischen verschiedenen Antennen erfordern. Man muss diesen Pegel­abstand daher über alle betroffenen Frequenzbereiche prüfen, beispielsweise mittels einer Zwei-Port-Messung der Einfügungsdämpfung, bei der jede Antenne über ein kurzes Kabel an den Analysator angeschlossen ist.

Fehler finden

Ist die Einfügungsdämpfung höher als erwartet oder sind Rückflussdämpfung und Stehwellenverhältnis außerhalb der spezifizierten Werte, muss man den genauen Ort des Fehlers im Übertragungssystem finden. Hierfür benutzt man die DTF-Funktion des Analysators, die mittels Reflexionsmessungen die individuelle Amplitudenantwort jeder Diskontinuität in der Übertragungsleitung misst und daraus ihren Abstand errechnet.

Bild 2 zeigt die Rückflussdämpfung als Funktion der Frequenz und die zugehörige DTF-Messung eines Stücks Koaxialkabel, das mit einer Antenne verbunden ist. Die DTF-Kurve zeigt jeweils hohe Amplitudenwerte an Diskontinuitäten in Übertragungsleitung und Last. Die genaue Position dieser hohen Amplituden ist bei der Fehlersuche in der Verkabelung höchst hilfreich.

Bild 3 zeigt eine typische Konfiguration bei einer DTF-Messung. Die Last (zum Beispiel die zum System gehörige Antenne, ein 50-Ohm-Abschlusswiderstand oder einfach das offene Kabelende) ist hier mit zwei Stück Koaxialkabel an den Analysator angeschlossen, die untereinander mit einem Adapter verbunden sind. Weiterhin zeigt Bild 3 eine Tabelle mit wichtigen Spezifikationen des Kabels, wie sie der Hersteller liefert. Die Angabe der rela­tiven Signal­ausbreitungs­geschwin­dig­keit (VF, Velocity Factor) ist besonders wichtig, damit der Analysator die Abstände zu den einzelnen Diskontinuitäten korrekt angibt.

Bild 3: Aufbau zur Messung der Fehlerort-Entfernung in einem System, in dem die Last mit zwei Kabeln angebunden ist. Rechts sind die Spezifikationen des verwendeten Kabels angegeben.

Bild 3: Aufbau zur Messung der Fehlerort-Entfernung in einem System, in dem die Last mit zwei Kabeln angebunden ist. Rechts sind die Spezifikationen des verwendeten Kabels angegeben.Agilent Technologies

Bei einer Fehlerort-Entfer­nungs­messung geht es primär um die physische Position von Fehlern in einer Übertragungsleitung; Rückflussdämpfung und Stehwellenverhältnis interessieren in dieser Situation vielfach nicht. Also braucht der Anwender die Kabelparameter nicht vollständig einzugeben, sondern es genügt, wenn er als einzigen Kabelparameter den VF-Wert in die Kabelspezifikationstabelle einträgt. Kennt man für das verwendete Kabel diesen Parameter nicht, dafür aber die Position des Fehlers, kann man den VF aus der DTF-Messung abschätzen.

Kalibrierung der Analysator-Testports

Bei der Messung von Einfügungsdämpfung, Rückflussdämpfung, Stehwellenverhältnis, Antenne/Antenne-Iso­lation und Fehlerort-Entfer­nung braucht man oft verschiedene Adapter und Anschlusskabel. Die meisten modernen HF- und Mikrowellenanalysatoren verfügen über eine Kalibrierfunktion, mithilfe derer man den Einfluss solcher Komponenten aus den Messergebnissen herausrechnen kann. Man unterscheidet hierbei zwei Kategorien: mechanische Kalibrierung und analysatorspezifische interne Kalibrierung. Beispiele für die mechanische Kalibrierung sind: Ein-Port-OSL-Kali­brie­rung (Open, Short, Load, offen, kurzgeschlossen, Last), Normalisierung, Frequenzgangkorrektur und voll­ständige Zwei-Tor-Kalibrierung. Solche Möglichkeiten bieten die meisten Analysatoren. Cal Ready, eine herstellerseitige Kalibrierung, die auf NIST-Standards fußt, und QuickCal, die erste Kalibrierfunktion der Branche, die ganz problemlos ohne externes Mess­zubehör funktioniert, sind hervorragende Beispiele für interne Kalibrierfunktionen, die es nur beim Field Fox gibt.