Netwerk & impedantie analyser, DIY meet setup & test fixtures

Nieuwe S11 testadapter voor laagOhmige impedantiemetingen

Ik heb een nieuwe test adapter gemaakt voor impedantie metingen met een S11 (reflectie) meting.

Ik was bezig met het meten van impedanties van elco's. Maar liep tegen het probleem aan dat ik de lage imedanties in de buurt van de ESR niet nauwkeurig kon meten. Probleem: bij zulke lage impedanties (milliOhms) spelen variaties van de test adapter mee. Je calibreert de impedantie van de test adapter er uit, maar als die weerstand verandert als je hem beweegt, dan wordt die verandering natuurlijk mee gemeten

Voor S11 metingen met de 4395A gebruik ik mijn HP 35676B Transmission-Reflection Test Kit. Die heeft weliswaar een 75Ω testpoort, maar dat maakt hier niet uit. (de te meten impedanties hebben ten slotte alle waarden, en slechts zelden precies 50Ω of 75Ω)

Ik gebruikte een N naar BNC verloop, met daarop weer een verloop naar apparaatklemmen, zoals hier te zien is.

Oplossing is een betere testadapter maken, direct van N naar apparaatklemmen, met stevige, solide verbindingen.
Op zich niet ingewikkeld, maar er is een probleem: het vinden van een Male 75Ω N chassisdeel. Die zijn zeldzaam....
Wel had ik nog een stel 75Ω adapters van N naar BNC, dus ik heb zo'n adapter omgebouwd naar chassisdeel

Na wat denken, meten en rekenen zou je zo'n adapter net met M2 schroefjes moeten kunnen vastzetten.

Hier heb ik in de adapter gaatjes geboord, en M2 schroefdraad getapt.
In de achtergrond het bijbehorende frontje waar de adapter op moet komen.

En hier is de ombouw van adapter naar chassisdeel voltooid:

Er naast een identieke, nog originele N-BNC adapter.

Ik heb geprobeerd de verbindingen zo kort en stevig mogelijk te houden.

Pogingen op karakteristieke impedantie te benaderen leken me hier zinloos. Aanwezige parasitaire capaciteiten en zelfinducties worden er na calibreren uitgerekend. Maar ze moeten dus wel stabiel zijn (Het helpt dat de adapter is bedoeld voor relatief lage frequenties, 10Hz tot meestal niet meer dan 10MHz)

Hier nog een plaatje van de adapter op z'n plek op de testpoort van de HP 35676B:

Hier tijdens calibreren. Voor de LOAD gebruik ik een uitgezochte 75Ω weerstand.

Natuurlijk zit "the proof of the pudding in the eating"
Dus gekeken naar de meetvloer, en de eerder gemeten elco's opnieuw gemeten:

^{klik op plaatje voor grotere versie}

Te zien is dat de meetvloer nu comfortabel onder de laagste impedanties van de elco's blijft. En vooral ook stabiel is. Bij morrelen aan de testopstelling blijven de meetwaarden stabiel, in tegenstelling tot de oude opzet met de verlopen via BNC.

Ook valt op dat bij deze S11 meting de meetvloer mooi stabiel blijft. Als ik het zelfde doe met een S21 (transmissie) meting, dan drift de meetvloer vrij snel omhoog na calibreren. De analyser moet vele uren aanstaan voordat die drift ophoudt. (de meetvloer ligt dan ook een stuk hoger, richting 0,01Ω)

groet, Gertjan.

Hi Gertjan,

Mooi gedaan en goed test resultaten.

Zoals ik het nu kan zien meet je ruim boven je ruisvloer.
Zit daar nu al veel middeling in?

Dat het lang duurt voordat je de optimale metingen krijgt, hang helemaal vast aan de "Boat Anchor" meetapparatuur, even wachten en dan heb je wat
We hebben het er al over gehad, wat één van de grote voordelen is van de moderne meetapparatuur en dat is de snelle "klaar met opwarmen" tijd (mits goed ontworpen)

Echt netjes mechanisch werk Gertjan! zowel het boren en het tappen, alsook het afzagen en netjes maken van de BNC bus.

Groet,
Bram

Ha Blackdog,

Die ruisvloermeting is zonder middelen. Met een sweeptijd van 95 seconden vond ik het zo wel mooi genoeg .
Die lange tijd komt natuurlijk door de erg lage IF BW van 10Hz, noodzakelijk omdat de sweep bij 10Hz start (IF BW is eigenlijk voor een VNA wat de RBW voor een spectrum analyser is)

Op zich heb ik eigenlijk niet veel opwarmtijd nodig met deze Agilent 4395A. Maar wat er met deze impedantie metingen aan de hand is, is dat je uit reflectie metingen de impedantie wilt berekenen. Bij kortsluiting heb je volledige reflectie, en een paar tiende Ohm meer maakt dan heel weinig uit. Toch wil je die lage impedantie uit dat minieme verschil in die volledige reflectie halen, vandaar.....
(Er zijn dan ook betere methodes, zoals RF V/I, maar dat werkt dan weer pas vanaf 100kHz of zo...)

Ik ben inderdaad ook blij, hoe de mechanische aanpak gelukt is. Een goed voorbeeld dat met huis-tuin en keuken gereedschap (handgereedschap aangevuld met boortol in vertikale boorstandaard) en van te voren nadenken toch best iets fatsoenlijks te maken valt .

groet!, Gertjan.

Gertjan,

Dat ziet er goed uit. Wel de eerste keer dat ik een verloop adapter van N naar 4 mm banaan zie.

Hi René,

En dan ook nog met die lage reflectie waarde.

Uit betrouwbare bron weet ik dat Gertjan dit op de markt gaat brengen... *grin*

Groet,
Bram

Duidelijk te zien wat de betere elco is kwa ESR. Je adapter is mooi gemaakt zwarte bussen voor de S11 en rode voor de S21.

Heb ook nog gezocht voor Male N 75Ω chassisdelen, maar kan alleen 50Ω vinden. Wel verloop van male N 75Ω naar F female gevonden. Dan kan je met een wartel de F female vast zetten en hoef je niet te boren en te tappen.

Ha René,

! En nog wel 75Ω N....
Het vergelijken & meten van een elco van flash2b was de aanleiding om deze adapter te maken.

@ flash2b
Inderdaad, de rode bussen uit m'n bakje zitten al in de S21 adapter.
Hier had rood + zwart wel op z'n plek geweest (signaal en massa), maar van die hier handig kleine klemmen waren alleen nog 2 zwarte over....

Dank voor je zoeken. Mijn oplossing kwam voort uit m'n eigen voorraad, en is HF natuurlijk wel netjes, met z'n goede massa koppeling aan de kast.

Dat kastje is trouwens een e-bay kloon van de bekende (en dure) RF kastjes. Ik moest wel een tap door alle kast-schroefgaten halen om de lak er weer af te halen, om zo een goede massa koppeling te krijgen...

groet! Gertjan.

Ha Gertjan,

Dit is weer een mooie aanvulling op je meet inventaris betreffende je analyser! Mooi gemaakt, zo bewijs je maar weer dat je met een beetje knutselen heel ver komt.

Groet,
Christiaan

Op 4 maart 2018 17:55:41 schreef rbeckers:
Gertjan,

Dat ziet er goed uit. Wel de eerste keer dat ik een verloop adapter van N naar 4 mm banaan zie.

Ik heb er een

Edit: de zelfde als op de fotos hieronder van NKHteB, de mijne heb ik altijd op een GR adapter geschroefd zitten omdat dat mijn lab-standaard connector systeem is.

[Bericht gewijzigd door fred101 op maandag 5 maart 2018 10:11:29 (16%)

Op 4 maart 2018 23:25:38 schreef fred101:
[...]

Ik heb er een

Het zal ook weer niet...

deze is van ome Flip. Hoop dat de foto scherp genoeg is voor Maarten.

Helaas alleen in 50 Ohm gevonden.

Wel in 75 Ohm techniek.

N.

S11 testadapter voor laagOhmige impedantiemetingen vervolg....

Inmiddels ben ik nog wel een paar dagen zoet geweest om m'n S11 impedantie metingen te optimaliseren en betrouwbaar te krijgen.

Dat zat deels in het optimaliseren van m'n meetadapter, en deels in het vinden van de juiste (en betrouwbare!) calibratie methode.

Bij m'n experimenten bleek dat hoe minder capaciteiten en zelfinductie in de adapter, hoe beter ik bij hoge frequenties kan meten. Die capaciteiten etc, worden dus niet volledig weg gekalibreerd, zoals ik eerder dacht...
In feite is de Philips adapter die NKHteB hier boven laat zien vrij ideaal: minimale capaciteit naar massa voor de middenpen, en een brede zelfinductiearme aansluiting voor massa.

M'n meetadapter is gemodificeerd naar versie 2:

De schattige kleine zwarte apparaatklemmen zijn vervangen door Hirschmann bussen. De Hirschmann klemmen hebben veel dikkere isolatieringen, waardoor de capaciteit van de plusklem naar massa verkleind is. Verder is die isolatiering ook hoger, zodat cal standaards en DUT wat hoger boven het kastje zweven, scheelt ook weer.

Om betrouwbaar kleine impedanties te meten (≤0,1Ω) moet de SHORT cal standaard een betrouwbare, goed reproduceerbare lage weerstand hebben. Dat bleek met de zo'n 20 jaar oude zwarte klemmetjes toch lastig. Ook na goed schoonmaken. De nieuwe Hirschmanns doen dat duidelijk beter. Ook al omdat het contactvlak in de klem aanzienlijk breder is.

Daarom zit er nu ook een pootje onder het kastje: als je de klemmen flink aan draait voor minimale contactweerstand, dan druk je er ook flink op....

De massaklem maakt nu ook rechtstreeks contact met de kast, zodat kast en massaverbinding nu parallel staan. Scheelt weer in de zelfinductie. Ook nog wat weggefreesd aan de binnenkant van de massa soldering aan de N connector.
(Na het goed bekijken van deze foto heb ik de binnenkant goed schoongepoetst voor het dichtschroeven )

En wat levert dat voor winst op? Hier een plaatje van een aantal weerstanden, gemeten met de eerste versie van de adapter:

^{klik op plaatje voor grotere versie}

De rode curve is een meting met dezelfde SHORT als waarmee ik gekalibreerd heb. De overige curven spreken voor zich
Merkwaardig daarbij is dat met name de 0,1Ω curve verder recht doorloopt dan de meting van de (in principe 0Ω) SHORT...

En hier dezelfde meting met de nieuwe versie van de adapter:

^{klik op plaatje voor grotere versie}

Het schuine deel van de (rode) SHORT meting is wat opgeschoven naar rechts, en de weerstandcurven lopen wat vlakker in het hoog.

Bij beide bovenstaande metingen heb ik een stukje montagedraad bij de calibratie gebruikt voor de SHORT standaard. Aanvankelijk gebruikte ik een lekker dikke shortingbar. Zoals hier:

Dat lijkt een goed idee: lekker zelfinductiearm, en zeer lage weerstand.
Maar kijk nog eens goed naar het plaatje: die strip vormt ook een mooie condensator met de behuizing! Dat was goed te testen: als ik dezelfde shorting bar wat hoger hing in klemmen, dan was die capaciteit grotendeels verdwenen. (vandaar dat ik ook blij was dat de Hirschmann klemmen wat hoger staan)

Ik heb natuurlijk ook gekeken wat het verschil was in kalibreren met montagedraad of deze shortingbar:

^{klik op plaatje voor grotere versie}

Bij deze meting heb ik de shortingbar gebruikt als SHORT bij de calibratie.
In eerste instantie denk je: logisch dat die curven in het hoog eerder gaan oplopen. Dat is de zelfinductie van de aansluitdraden, die was met de SHORT cal met montagedraad (die òòk zelfinductie heeft) weg gekalibreerd, en met de cal met de (zelfinductie vrije) shortingbar niet.

Maar dat is maar een (klein?) deel van het verhaal: die shortingbar heeft een extra capaciteit naar massa! En die capaciteit wordt meegenomen in de calibratie... Dus zelfs al zou je een ideaal Ohmse weerstand meten, dan loopt de curve hier nog op!

groet, Gertjan.

Handig is dat je nu ook een steuntje hebt onder je adapter afkomstig van de zwarte pool klem.

Krijgt de S21 nu ook een revisie ?

Ha flash2b,

Het pootje is gewoon een rubber kastpootje van de correcte hoogte.....

Aan die S21 adapter revisie heb ik gedacht. Maar daar spelen niet dezelfde problemen. Laag Ohmig contact van de klemmen is minder belangrijk, immers ze staan in serie met de 50Ω in- en uitgangsimpedantie van de analyser.
Verder speelt de capaciteit naar massa veel minder mee omdat de DUT (zwevend) tussen uitgang en meetingang zit, en niet naar massa zoals bij S11.
Met m'n S21 impedantie metingen zie ik ook geen verschillen tussen opeenvolgende metingen, zoals ik hier met S11 meten aanvankelijk wel zag.

groet! Gertjan.

Bij een VNA geef je bij het calibreren de specs van je cal kit in. En op die manier corrigeert je VNA de zelfinductie of capaciteit.

Wat je nu doet is tegen de analyser zeggen dat je er ideale standaard aanhangt terwijl hij niet ideaal is. Als je ipv 50 ohm een 55 ohm zou nemen voor calibratiew en daarna een perfecte 50 ohm gaat meten dan zal het apparaat dit als 45 ohm laten zien.

Je kunt perfect calibreren met een 55 ohm als je de analyser maar verteld dat het 55 ohm is. Een short van 1 ohm en 100 nH is ook geen ramp, als je het maar tegen de VNA verteld.

Hele lage impedanties kun je beter in serie met een 50 ohm meten. Die 50 ohm trek je er daarna weer af maar zo blijf je uit de ruis en in het gebied waar hij het best presteert.
Hele hoge impedanties meet je parallel aan 50 ohm
Nog beter gaat het in S21 maar dan moet je analyser programeerbaar zijn. Bij de VNWA kun je dat middels een custom trace.

Ha Fred,

Klopt helemaal. Het is zelfs nog erger: ik gebruik de N 75Ω Cal kit preset. Met de bijbehorende (foutieve) parameters....
Na dagen experimenteren, en alle varianten uitproberen, bleek dat toch het beste te werken
Volgende stap is natuurlijk die N 75Ω Cal kit aanpassen naar de correcte parameters. Maar helaas is dat bij Agilent een vèèl ingewikkelder verhaal dan bij de VNWA... Dat wordt een volgend project...

Natuurlijk is er ook een calibratie mogelijkheid met "ideale cal standaards". Maar daarmee bleken m'n resultaten onbetrouwbaar. En gek genoeg ook afhankelijk van welke Cal kit ingesteld stond.. (terwijl die parameters dus niet gebruikt zouden moeten worden??)

Inderdaad gaat hoogOhmig meten beter met S21. Dat doe ik dus ook
Het leuke van de 4395A is dat hij zelf de reflectie (S11) of transmissie (S21) dB waarden kan omrekenen naar impedantie.

Inderdaad geeft m'n VNWA wat impedantie meet mogelijkheden die ik met de 4395A niet heb (V-Method, RF-IV).
Maar met de 4395A meet ik vanaf 10Hz, en dat lukt weer niet met de VNWA....
Ook onhandig van impedantie meten met de VNWA is dat je alleen een lineaire impedantieschaal kunt hebben. Dus het grote bereik van een C of L is niet mooi in 1 plaatje te vangen (zoals met een log verticale schaal wel mooi gaat).

groet! Gertjan.

Ha heer miedema,

Leuk doosje netjes gebouwd ik zou alleen in plaats van de dikke soldeer lip aan de rode aansluiting twee dunne draadjes gebruiken een links de ander rechts.
En voor de zwarte retour verbinding nog een verbinding er bij naar de onderkant van de N-connector.
Eigenlijk geldt in het algemeen probeer discontinuïteit te voorkomen dus abrupte overgangen dat vindt een EM veld niet prettig.
Nu is de frequentie niet hoog dus valt het uiteindelijk voor de amplitude wel mee maar de fase is veel eerder verstoord.

Verder is het wat @fred101 schrijft het maakt elektrisch niet uit of je nu een 50Ω systeem afsluit met 75Ω als je de offset maar inrekening breng bij het aflezen kalibreren heeft hier geen zin je kunt de elektrische lengte niet invoeren.
Dus je regelt je DUT af op optimale offset klaar is Geritjan

De opgeslagen cal. waarden die kan je in het geheel niet gebruiken want je heb de bijbehorende kit niet.
Ik denk dat je in een diep menu dit kan invoeren maar dan zal je wel een wachtwoord moeten invoeren dat mogen ze op de werkvloer niet wijzigen.

Ik ga weer verder uitpakken weg gooien enz enz.

Groet Henk.

Ha electron920,

Goed dat je ook weer van de partij bent

Dus je regelt je DUT af op optimale offset klaar is Gertjan

Dat begrijp ik niet.... zou je dat uitgebreider willen uitleggen?

Overigens heb ik wel een 75Ω N Cal kit (zat bij m'n 75Ω bruggen). Maar daar heb ik niks aan, want dan calibreer ik m'n meetadapter niet mee....
Dan ben ik beter af met simpel een draadje, een 75Ω weerstand en gewoon niks tussen m'n meetklemmen. (voor respectievelijk short, load en open)

Ik kan inderdaad op m'n analyser zelf de parameters van de cal. standaarden aanpassen. (geen wachtwoord nodig). Maar de notatie van HP is complex, en voor mij nog diffuus, dus dat vraagt nog nadere studie

groet, Gertjan.

Ha heer miedema,

Misschien heb ik de meetopstelling niet goed tussen de oren
Ik zie nu je werkt scalair ben er nog niet helemaal bij je gebruik de fase informatie niet.
Dan zou ik de meetadapter mee nemen maar dat doe je al of het nuttig is vraag ik me af maar kwaad kan het denk ik niet ik kom er op terug.

Ik zal kijken hoe de analyzer de cal. verwerkt in de meting.
Maar ik heb nog veel werk voordat ik weer opgebouwd ben bijna alles is over.

Het inrichten kost veel tijd nieuwe tafels alle beveiliging ook hier moet ik zelf aarde trekken ik zit wel een stuk hoger en kan op het dak mijn antennes kwijt.
Maar ik heb hier een berging 8m2 in plaats van 22m2 dus dat is veel heel veel weg doen.
Verder veel werk aan het leggen van alle coax kabels van GPS verdeler 10MHz signalen netwerk glasvezel ga maar door.

Maar het zal wel lukken hoop ik in ieder geval kan ik weer mee lezen.

Groet Henk.