LSNA characterization and calibration

Abstract

Messungen der Streuparameter mit vektoriellen Netzwerkanalysatoren (VNA) werden häufig eingesetzt, um das Kleinsignalverhalten von Bauelementen zu beschreiben. Während mit VNA Messungen die vollständige Beschreibung von linearen Bauteilen möglich ist, versagen diese bei nichtlinearen Elementen. Um besseren Einblick in die nichtlinearen Eigenschaften eines Bauteils zu erhalten, werden typischerweise Messungen im Zeitbereich, Spektrumanalysatoren, oder "load pull"-Systeme eingesetzt, deren Möglichkeiten aber sogar durch Kombination aller Methoden begrenzt ist. Der sogenannte "large signal netwok analyzer" (LSNA) bietet eine Lösung: Basierend auf einem rückführbaren Kalibrationsnormal können nichtlineare Effekte erfasst werden. Vor kurzem wurde die Dokumentation des Agilent N4464A "Sampling Downconverter" öffentlich verfügbar, der ein Hauptbestandteil des kommerziell erhältlichen LSNA-Systems ist und dem Institute of Electrodynamics, Microwave and Circuit Engineering zur Verfügung steht. Da das bestehende System und dessen Software Einschränkungen im Bezug auf breitbandige Messungen besitzt, wurde im Verlauf dieser Diplomarbeit eine erweiterte LSNA-Plattform entwickelt. Dafür wurden verschiedene breitbandige Kalibrierungs- und Messverfahren für periodische Signale mit beliebigen Messfrequenzrastern entwickelt und verifiziert. Das realisierte LSNA-System ersetzt die wenig flexible vorhandene Software durch ein in Matlab implementiertes Software-Framework. Die geschaffene LSNA-Software unterstützt den Benutzer bei der Initialisierung der Geräte, der Kalibrierung und bei der Messung selbst. Verifikationsmessungen bestätigten die korrekte Funktion des Systems und zeigten eine hohe Genauigkeit für die angestrebten Anwendungsgebiete. Die Flexibilität des entstandenen LSNAs konnte im Vergleich zum kommerziellen System enorm gesteigert werden. Anwendungen, wie z.B. Breitband "load pull" im Zusammenhang mit sogenanntem "waveform engineering" sind nun möglich.

Vector network analyzers (VNA) and scattering parameter measurements are commonly used to characterize devices and components in the small-signal regime. While VNA measurements allow a full characterization of linear elements, they fail for non-linear elements, like for power amplifiers or other active circuits driven at high power levels. To get a better insight in a device's nonlinear properties, VNA measurements are typically extended by spectrum analyzer, time domain, or load-pull (LP) measurements. But even the combination of all these measurements has limitations. Here, the so-called large signal network analyzer (LSNA) provides a solution: It allows capturing a device's nonlinear effects based on a traceable nonlinear calibration standard. Recently, the documentation of the Sampling Downconverter Agilent N4464A, which is an integral part of the commercial LSNA system available at the Institute of Electrodynamics, Microwave and Circuit Engineering, became public domain. Because the existing system and software framework experiences some limitations, e.g. for broadband signal characterization, a modified and extended LSNA platform has been developed. First, the realized LSNA system updated the previous non-flexible software implementation by a fully custom implementation of the LSNA software and calibration framework using Matlab. Second, different broadband calibration and measurement techniques for arbitrary periodic signals utilizing arbitrary measurement frequency grids have been introduced and verified in this thesis. The realized Matlab LSNA software framework assists the user in the stages of instrument initialization, calibration, and the measurement itself. The setup verification measurements demonstrate proper operation of the LSNA system and high accuracy of the calibration for the targeted applications. The flexibility of the LSNA was increased enormously compared to the commercial system. For example, applications like broadband load-pull waveform engineering under pulsed periodic excitation are now possible.