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TDR-Messung im Vergleich: Wann eignen sich VNA und Oszilloskop?

Dieser Artikel vergleicht zwei Ansätze für die TDR-Messung (Zeitbereichsreflektometrie): mit dem Vektor-Netzwerkanalysator PicoVNA sowie mit einem Sampling-Oszilloskop der PicoScope-Serie 9300.

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Inhaltsverzeichnis.

  1. Was ist Zeitbereichsreflektometrie?
  2. Welche Erkenntnisse liefert die TDR?
  3. Wichtige Parameter der Zeitbereichsmessung.
  4. Produktempfehlungen.
  5. PicoScope und PicoVNA im Vergleich.
  6. TDR-Messungen an Messleitungen richtig interpretieren.
  7. Zusammenfassung.

Was ist Zeitbereichsreflektometrie?

Die TDR ist eine bewährte Methode zur Messung der Impedanz von Übertragungsleitungen und zur Bestimmung von Diskontinuitäten, die durch Steckverbindungen oder beschädigte Kabelstellen verursacht werden. Impedanz-Fehlanpassungen erzeugen Reflexionen, deren Signalform und Amplitude Hinweise auf die Art der Fehlanpassung liefern. Bei der methodenverwandten Time Domain Transmission (TDT) wird das Signal nach dem Durchlaufen des Prüflings (DUT, device under test) gemessen. Die TDT eignet sich, um das Übertragungsverhalten, Verluste und Signalverformungen korrekt zu bewerten.

TDR- und TDT-Messungen erfolgen im Zeitbereich. Ein Vektor-Netzwerkanalysator (VNA) arbeitet dagegen im Frequenzbereich und erfasst Amplitude und Phase als Vektorgröße. VNA-Messungen geben Aufschluss über die Anpassungsqualität zwischen Quelle (dem VNA) und DUT. TDR/TDT-Analysen liefern schnelle Ergebnisse, während skalare und vektorielle Frequenzanalysen einen größeren Dynamikbereich bieten. Über Verfahren wie die inverse Fourier-Transformation lassen sich die Ergebnisse zwischen Zeit- und Frequenzbereich umrechnen, was mehr Flexibilität bei der Analyse ermöglicht. Zeitbereichsmessungen sind besonders hilfreich, wenn die Position einer Störkomponente bestimmt werden soll. Aus der Laufzeit der Reflexion und der Ausbreitungsgeschwindigkeit ergibt sich die physikalische Entfernung zur Fehlerstelle.

Welche Erkenntnisse liefert die TDR?

Aus TDR-Messungen lassen sich konkrete Diagnoseinformationen ableiten. Die resultierenden Messkurven machen sichtbar, an welchen Stellen der Übertragungsleitung induktive oder kapazitive Impedanzänderungen auftreten. Solche Effekte lassen sich anschließend auf greifbare Ursachen wie Lötqualität, Steckverbinder-Geometrie oder Montagefehler zurückführen. Genau darin liegt der praktische Nutzen der TDR: Sie liefert nicht nur ein Signalbild, sondern eine handlungsrelevante Fehlerdiagnose.

Wichtige Parameter der Zeitbereichsmessung.

Die Systembandbreite, genauer gesagt die Systemanstiegszeit des gesamten Messaufbaus (Signalquelle, Oszilloskop und Messleitungen), bestimmt die Zeitauflösung der TDR-Messung und damit die räumliche Auflösung. Für die Quantifizierung einer Fehlanpassung muss die Pulsamplitude über die vollständige Anstiegs- und Abfallzeit sauber abgebildet sein. Um die Position einer Fehlanpassung zu erkennen, genügt dagegen eine deutlich feinere Distanzauflösung, typischerweise etwas das Fünffache.

Die verfügbare Pulsamplitude und Amplitudenstabilität können ebenfalls eine Rolle spielen, sind aber weniger entscheidend als häufig angenommen. In der Praxis bedeutet dies: Auch wenn die Signalquelle eine hohe Spannung liefern kann, ist der tatsächlich nutzbare Pegel durch die maximale Eingangsspannung des Oszilloskops begrenzt. Eine große Quellamplitude ist dennoch nützlich, weil sie den Einsatz eines Dämpfungsglieds zwischen Quelle und Prüfling erlaubt und damit die Impedanzanpassung und Messqualität des Testsystems verbessert.

Eine einstellbare Amplitude bietet den Vorteil, dass der Signalpegel optimal an den Prüfling angepasst werden kann. Dadurch lässt sich der verfügbare Dynamikbereich besser nutzen und spannungsempfindliche DUTs werden geschützt. Systembedingte Pulsverzerrungen sind bei der TDR/TDT eher nachrangig, weil sie durch die Portkalibrierung (open, short, load) weitestgehend kompensiert werden.

Methode 1: TDR mit dem PicoScope 9300

Für den vorliegenden Methodenvergleich wird ein Kabel aus der Rüstungsindustrie gemessen. Um die TDR-Messung mit VNA und Sampling-Oszilloskop zu demonstrieren, wird eine typische Fragestellung zugrunde gelegt: Wo in dem Kabel tritt eine Fehlanpassung auf, die die Zuverlässigkeit der Signalübertragung beeinträchtigen oder sogar zu Ausfällen führen kann?

Die PicoScope-Serie 9300 umfasst Sampling-Oszilloskope mit einer Bandbreite von bis zu 30 GHz. Die maximale Eingangsspannung beträgt 1 V (Peak). Der integrierte Pulsgenerator erzeugt schrittweise 2,5 bis 7 V (60 ps Anstiegszeit), sodass der Messaufbau mit einem Dämpfungsglied optimieren werden kann. Alternativ kann ein externer PG900-Pulsgenerator verwendet werden.

Da ein Oszilloskop nur skalare Größen erfasst, lassen sich aus der Messung keine S-Parameter ableiten.

Blockschaltbild eines typischen TDR-Messaufbaus: Links das Messgerät PicoScope 9311-20, in der Mitte Verbindungen und Schaltelemente, rechts der Prüfling (DUT). Vom Gerät führen Leitungen zum DUT; die TDR-Messung erfolgt über die dargestellte Signalführun
Screenshot der PicoScope-9300-Software mit einem TDR-Messergebnis für ein Rüstungskabel als Prüfling. Auf dunklem Hintergrund ist eine Messkurve mit einem ausgeprägten Peak am Anfang und weiteren abklingenden Signalverläufen über der Distanzachse dargeste

Bild: Schematische Darstellung eines typischen Testaufbaus unter Verwendung des PicoScope 9300 mit TDR-Funktion // Quelle: Pico Technology

Bild: TDR-Messergebnis mit dem PicoScope 9300 (DUT: Rüstungskabel) // Quelle: Pico Technology

Methode 2: TDR mit dem PicoVNA

Bei der klassischen TDR-Messung wird ein schneller Spannungspuls in den Prüfling eingespeist. Je schneller die Puls-Anstiegszeit, desto höher ist die Testfrequenz.

Der PicoVNA erzeugt die TDR-Antwort nicht über einen real eingespeisten Puls wie das Sampling-Oszilloskop, sondern aus einer breitbandigen Frequenzmessung (Sweep) der reflektierten Vektordaten S11. Durch inverse diskrete Fourier-Transformation (IDFT) wird daraus zunächst die Pulsantwort des Prüflings berechnet; ihre Integration liefert anschließend die TDR-typische Sprungantwort. Dies erlaub die Zeitbereichsanalyse, obwohl der VNA im Frequenzbereich arbeitet.

Zeitbereichsinformationen aus Frequenzdaten werden üblicherweise über Lowpass- und Bandpass-Verfahren gewonnen. Die Mess-Software des PicoVNA verwendet die Lowpass-Methode.

Bei der Transformation vom Frequenz- in den Zeitbereich ist eine Fensterfunktion erforderlich, um die Frequenzdaten an den Rändern sauber gegen null auslaufen zu lassen. Konkret wird die Fensterfunktion auf den endlichen Satz von S-Parameterdaten im Frequenzbereich angewendet, bevor die inverse schnelle Fourier-Transformation (IFFT) durchgeführt wird.

Der PicoVNA bietet folgende Optionen:

  • Nowindow (rechteckiges Fenster, Standard)
  • Hanning-Fenster (Raised-Cosine-Fenster)
  • Kaiser-Bessel-Fenster (Ordnung konfigurierbar)

Screenshot der PicoVNA-108-Software mit einem TDR-Messergebnis für ein Rüstungskabel. Oben ist der Verlauf der Impedanz über die Distanz mit mehreren deutlichen Peaks und kleineren Schwankungen zu sehen, unten die zugehörige Rückflussdämpfung als Kurve mi

Bild: TDR-Messergebnis mit dem PicoVNA 108 (DUT: Rüstungskabel, Zeitauflösung: 59 ps, Distanzauflösung: 19,5 mm) // Quelle: Pico Technology


Die nachfolgende Tabelle zeigt, wie sich eine Änderung des VNA Frequenz-Sweeps auf die Auflösung und den Messbereich auswirkt. Eine Änderung der Anzahl der Frequenzschritte (N) hat keinen Einfluss auf die Auflösung, verändert jedoch den Messbereich. Eine Erhöhung der maximalen Frequenz verbessert die Auflösung, verringert jedoch den Messbereich.

Tabelle mit sechs Messkonfigurationen, die zeigen, wie untere und obere Frequenz, Anzahl der Messpunkte sowie Messbereich in Nanosekunden und Metern die zeitliche Auflösung beeinflussen. Höhere obere Frequenzen führen zu besserer Auflösung, mehr Messpunkt

Tabelle: Frequenz- und Sweep-Einstellungen am VNA beeinflussen Auflösung und Messbereich // Quelle: Pico Technology

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PicoScope und PicoVNA im Vergleich.

Sowohl das PicoScope 9300 als auch der PicoVNA liefern bei korrekter Konfiguration und Kalibrierung präzise und vergleichbare TDR-Messergebnisse. Aus den Messungen lassen sich umsetzbare Diagnoseergebnisse ableiten, indem sie Impedanz-Fehlanpassungen aufgrund induktiver oder kapazitiver Übergänge (Steckverbindungen) aufdecken, die zum Beispiel auf Löt- oder Montageprobleme zurückgeführt werden können.

Liniendiagramm zum Vergleich zweier TDR-Messungen an einem Testkabel aus der Rüstungsindustrie. Die blaue Kurve zeigt das PicoScope 9300, die rote das PicoVNA 108. Dargestellt ist die Impedanz über der Zeit; beide Verläufe sind ähnlich, unterscheiden sich

Bild: Unterschiede zwischen den TDR-Messergebnissen des PicoScope 9300 (blau) und PicoVNA 108 (rot) am Beispiel eines Testkabels aus der Rüstungsindustrie // Quelle: Pico Technology

TDR-Messungen an Messleitungen richtig interpretieren.

Beide Messsysteme liefern präzise TDR-Ergebnisse. Für die Praxis ist jedoch entscheidend, wie solche Messungen bei der Diagnose von Signal-Übertragungsproblemen helfen. Ein Anwendungsbeispiel dient der Veranschaulichung:
Ein Testkabel besteht aus einem SMA-Steckverbinder mit Ferrule an einem starren Koaxialkabel und einem BNC-Steckverbinder mit Ferrule am anderen Ende. Für die Beurteilung der Verbindungsqualität wird die Time Domain Transmission (TDT) statt der TDR verwendet. Warum?

  1. Übertragungsqualität statt Reflexionen
    Die TDT misst, wie gut ein Signal von einem Ende des Kabels zum anderen übertragen wird. Es wird also die gesamte Signalstrecke beurteilt.
  2. Eingeschränkte Sicht auf Fehlanpassungen
    Die TDR erfasst Reflexionen aufgrund von Impedanzfehlern, betrachtet diese jedoch ausschließlich vom Einspeisepunkt aus.
  3. Höhere Empfindlichkeit gegenüber Verlusten
    Die TDT macht Signalverluste und Verzerrungen der Übertragung zuverlässiger sichtbar.

Die TDR eignet sich, um Impedanzsprünge und Reflexionen zu lokalisieren. Die TDT ist in diesem Anwendungsfall besser geeignet, weil damit das Übertragungsverhalten über die gesamte Kabelstrecke beurteilt wird. Für die Bewertung eines konfektionierten Kabels liegt dieser Aspekt näher an der eigentlichen Fragestellung: Kommt das Signal sauber und mit ausreichender Qualität am anderen Ende an?

Screenshot einer PicoVNA-Messung mit markiertem Signalverlauf eines Testkabels. Beschriftet sind mehrere Übergänge und Referenzebenen, darunter SMA, BNC, BNC-zu-Koax, Koax-zu-SMA, Kabelanfang, Kabelende und SMA-Referenzlast. Die Kurve zeigt deutliche Sign

Bild: Ergebnis einer TDT-Messung mit dem PicoVNA (Testkabel) // Quelle: Pico Technology


Erklärung: Der Übergang vom PicoVNA 108 zum SMA-BNC-Adapter wirkt leicht induktiv, daher ist der Widerstand niedrig. Die BNC-BNC-Verbindung zeigt ein kapazitives Verhalten. Der Übergang von der Ferrule zum Koaxialkabel zeigt einen Peak von 55 Ω, entsprechend der Spezifikation. Der annähernd flache Kurvenabschnitt entspricht dem Kabel selbst. Am Kabelende zeigt sich ein zweiter Übergang; aufgrund einer besseren Lötung ist dieser weniger stark ausgeprägt. Zudem zeigt sich, dass SMA-Verbindungen für Hochfrequenzsysteme besser geeignet sind als BNC-Anschlüsse.

Zusammenfassung:
Welche Lösung eignet sich wann?

Sampling-Oszilloskop und VNA sind keine konkurrierenden, sondern komplementäre Werkzeuge. Beide Systeme zusammen bieten eine umfassende Sicht auf die Signalintegrität moderner Hochfrequenzsysteme.

Zeitbereichs- und Frequenzbereichsmessungen ergänzen sich bei der Charakterisierung von Übertragungsleitungen. TDR und TDT mit dem Oszilloskop ermöglichen die schnelle Lokalisierung von Fehlerstellen in Kabeln und Steckverbindungen. Der Vektor-Netzwerkanalysator bietet dagegen eine detaillierte Analyse im Frequenzbereich und kann Messdaten zusätzlich im Zeitbereich darstellen. Beide Messansätze liefern bei korrekter Kalibrierung verlässliche Ergebnisse. Die Wahl des Verfahrens hängt vom Diagnoseziel ab: Zeitbereichsmessungen mit dem Oszilloskop sind besonders für die Fehlerortung geeignet – VNAs für die umfassende spektrale Bewertung oder bei stark frequenzabhängigen Anwendungen.

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