Kalibracja wektorowego analizatora sieci do pomiarów w kanałach propagacji częstotliwości radiowych

Podsumowanie

Ten protokół opisuje najlepsze praktyki kalibracji wektorowego analizatora sieci przed użyciem go jako dokładnego instrumentu, przeznaczonego do pomiaru komponentów systemu testowego pomiaru propagacji częstotliwości radiowej.

Streszczenie

Pomiary in situ aktywności widma częstotliwości radiowej (RF) dostarczają wglądu w fizykę propagacji fal o częstotliwości radiowej i weryfikują istniejące i nowe modele propagacji widma. Oba te parametry mają zasadnicze znaczenie dla wspierania i utrzymywania współdzielenia widma wolnego od zakłóceń, ponieważ wykorzystanie widma stale rośnie. Istotne jest, aby takie pomiary propagacji były dokładne, powtarzalne i wolne od artefaktów i uprzedzeń. Scharakteryzowanie zysków i strat komponentów używanych w tych pomiarach ma kluczowe znaczenie dla ich dokładności. Wektorowy analizator sieci (VNA) to dobrze znany, bardzo dokładny i wszechstronny sprzęt, który mierzy zarówno wielkość, jak i fazę sygnałów, jeśli jest odpowiednio skalibrowany. W tym artykule szczegółowo opisano sprawdzone metody kalibracji VNA. Po skalibrowaniu może być używany do dokładnego pomiaru elementów prawidłowo skonfigurowanego systemu pomiaru propagacji (lub sondowania kanałów) lub może być używany jako sam system pomiarowy.

Wprowadzenie

Instytut Nauk Telekomunikacyjnych (ITS) jest laboratorium badawczym Narodowej Administracji Telekomunikacji i Informacji (NTIA), agencji Departamentu Handlu Stanów Zjednoczonych. ITS jest aktywny w pomiarach propagacji fal radiowych od 1950 roku. Współdzielenie widma, nowy paradygmat dla federalnych i komercyjnych użytkowników widma, wymaga, aby dwa różne systemy korzystały z tego samego widma częstotliwości radiowych w tym samym czasie. Wraz ze wzrostem liczby scenariuszy współdzielenia widma rośnie zapotrzebowanie na dokładne i powtarzalne pomiary propagacji radiowej, które zapewniają lepsze zrozumienie środowiska radiowego, które musi być współdzielone przez wiele usług. Celem opisanej procedury jest upewnienie się, że wszelkie elementy składające się na taki układ są dobrze scharakteryzowane przez dokładnie skonfigurowany VNA.

Chociaż zapotrzebowanie na widmo rośnie, nie zawsze jest możliwe szybkie uwolnienie widma, które jest obecnie wykorzystywane przez agencje federalne do celów komercyjnych. Na przykład w paśmie Advanced Wireless Services (AWS)-3 (1755–1780 MHz) opracowywane są porozumienia o współdzieleniu widma między służbami wojskowymi a komercyjnymi operatorami bezprzewodowymi¹. Ustalenia te umożliwiają komercyjnym operatorom bezprzewodowym wejście w pasmo AWS-3 przed zakończeniem przenoszenia usług wojskowych z tego pasma.

Organizacja Defense Spectrum (DSO) otrzymała zadanie zarządzania przejściem na AWS-3. Kluczowym elementem transformacji jest opracowanie nowych modeli propagacji w celu oceny potencjału zakłóceń radiowych między wojskowymi i komercyjnymi systemami bezprzewodowymi, które współdzielą to pasmo. DSO zleciło ITS i innym podmiotom wykonanie serii pomiarów sondowania kanałów w celu zbudowania nowych modeli, które lepiej obliczają wpływ liści i struktur stworzonych przez człowieka na środowisko (zbiorczo znanych jako bałagan). Ulepszone modelowanie propagacji, które uwzględnia bałagan, doprowadzi do zmniejszenia ograniczeń dotyczących komercyjnych nadajników w pobliżu systemów wojskowych.

Pomiary in situ aktywności widma RF dostarczają wglądu w fizykę propagacji fal RF oraz weryfikują istniejące i nowe modele propagacji radiowej. Oba te elementy są niezbędne do wspierania i zachowania współdzielenia widma wolnego od zakłóceń. Techniki sondowania kanałów, w których znany sygnał testowy jest przesyłany z określonej lokalizacji do odbiornika mobilnego lub stacjonarnego, dostarczają danych, które pozwalają oszacować charakterystykę kanału radiowego w różnych środowiskach. Dane są wykorzystywane do opracowywania i ulepszania modeli, które dokładniej przewidują straty propagacji lub tłumienie sygnału. Straty te mogą być spowodowane blokowaniem i odbijaniem się od budynków i innych przeszkód (np. drzew lub terenu w miejskich kanionach). Przeszkody te wytwarzają wiele, nieco różniących się ścieżek propagacji, co powoduje utratę lub tłumienie sygnału między anteną nadawczą i odbiorczą.

Techniki pomiarowe ITS dają dokładne, powtarzalne i bezstronne wyniki. OSD zachęca ITS do dzielenia się swoją wiedzą instytucjonalną z szerszą społecznością techniczną. Wiedza ta obejmuje sposób optymalnego pomiaru i przetwarzania danych propagacji fal radiowych. Niedawno opublikowane Memorandum Techniczne NTIA TM-19-535^2,3,4,5 opisuje zestaw najlepszych praktyk w zakresie przygotowania i weryfikacji systemów pomiaru propagacji radiowej. W ramach tych najlepszych praktyk VNA jest używany do dokładnego pomiaru strat lub zysków komponentów systemu pomiarowego. Zyski i straty są następnie wykorzystywane do obliczenia tłumienia sygnału między dwiema antenami.

Przedstawiony tutaj protokół omawia najlepsze praktyki kalibracji klasy VNA5 przed testami w laboratoriach lub zastosowaniach terenowych. Obejmują one czas nagrzewania, wybór typu złącza RF, wykonanie prawidłowych połączeń i wykonanie odpowiednich kroków kalibracji. Kalibracja powinna być przeprowadzana w kontrolowanym środowisku laboratoryjnym przed zebraniem danych w kontekście określonego scenariusza pomiaru propagacji. Dodatkowe względy mogą być istotne dla określonych środowisk pomiaru propagacji, które nie są objęte zakresem tego protokołu.

VNA jest używany do pomiaru charakterystyk komponentów i podzespołów urządzeń podczas montażu innych systemów pomiarowych. Wzmacniacze mocy, odbiorniki, filtry, wzmacniacze o niskim poziomie szumów, miksery, i anteny to komponenty, które można scharakteryzować za pomocą VNA. Przed testowaniem i/lub kalibracją systemu przygotowywana jest lista wszystkich wymaganych komponentów systemu, a następnie montowane są wszystkie elementy systemu. Każdy element systemu jest mierzony oddzielnie poprzez włożenie go między VNA. Gwarantuje to, że wszystkie komponenty działają zgodnie ze specyfikacjami producenta. Po sprawdzeniu komponentów system jest montowany i mierzone są straty w całym systemie. Zapewnia to prawidłowe scharakteryzowanie odbić i transmisji między komponentami.

A VNA mierzy parametry rozpraszania (parametry S), które są wielkościami o złożonych wartościach, zarówno z wielkością, jak i fazą. Parametr S jest stosunkiem 1) sygnału odbitego do sygnału padającego (pomiar odbicia) lub 2) sygnału przesyłanego do sygnału padającego (pomiar transmisyjny). W przypadku urządzenia dwuportowego można zmierzyć cztery parametry S (S₁₁, S₂₁, S₁₂ i S₂₂). Pierwszy indeks dolny odnosi się do portu, w którym odbierany jest sygnał, a drugi odnosi się do portu, w którym sygnał jest przesyłany. Zatem S₁₁ oznacza, że transmitowany sygnał pochodził z portu 1 i został odebrany przez port 1. Dodatkowo S₂₁ oznacza, że przesyłany sygnał ponownie pochodzi z portu 1, ale jest odbierany przez port 2. S₁₁ mierzy ilość sygnału, który jest odbijany przez testowane urządzenie (DUT) na porcie 1 w odniesieniu do oryginalnego sygnału, który padł na porcie 1. S₂₁ mierzy ilość sygnału, który jest przesyłany przez testowane urządzenie i dociera do portu 2 w odniesieniu do sygnału zdarzenia na porcie 1. S₁₁ jest miarą współczynnika odbicia testowanego urządzenia w porcie 1, a S₂₁ jest miarą współczynnika transmisji testowanego urządzenia od portu 1 do portu 2.

Kalibracja VNA jest wymagana do usunięcia błędów systematycznych z komponentów aż do (włącznie) płaszczyzny odniesienia pomiaru, która zazwyczaj znajduje się na końcu pomiarowych VNA. Kalibracja usuwa błędy systemowe poprzez pomiar "idealnych" znanych wzorców (otwartych, zwarć, obciążeń, przelotowych/liniowych) i porównanie ich z wartością mierzoną przez VNA. Poprzez serię poprawek błędów wyświetlana jest skorygowana wartość testowanego urządzenia. Obecnie istnieje 12 terminów błędów^6,7, które są charakteryzowane podczas kalibracji. Aby uzyskać więcej informacji, zapoznaj się z oryginalnymi pomiarami parametru S, które zostały wykonane na sześcioportowych analizatorach sieciowych⁸ wspierane przez klasyczną teorię obwodów mikrofalowych9^,10.

Najczęstszymi typami pomiarów odbicia parametru S są straty odbicia, współczynnik fali stojącej (SWR), współczynnik odbicia i dopasowanie impedancji. Najczęstszymi typami pomiarów transmisji parametru S są tłumienie wtrąceniowe, współczynnik transmisji, wzmocnienie/strata, opóźnienie grupowe, opóźnienie fazowe lub fazowe oraz opóźnienie elektryczne. Pomiary strat transmisyjnych są podkreślone w opisanym protokole.

Pomiar zysków i strat komponentów systemu za pomocą VNA jest dobrze zrozumiały. Jednak ważne kroki są często pomijane, takie jak czyszczenie złączy i używanie odpowiedniego klucza dynamometrycznego. Protokół ten zawiera wszystkie niezbędne kroki i wyjaśnienia, dlaczego niektóre z nich są szczególnie ważne. Będzie on również preludium do przyszłego artykułu opisującego sposób wykonywania pomiarów propagacji fal radiowych, w tym obliczeń tłumienia sygnału.

Protokół

1. Konfiguracja VNA

1. Zbierz wszystkie elementy systemu pomiaru propagacji, w tym, wzmacniacze, filtry, testowane urządzenia (które mogą być podzespołami) i inne komponenty.
2. Włącz VNA (Rysunek 1) i pozwól mu się ogrzać przez co najmniej 0,5 godziny, aby upewnić się, że wszystkie wewnętrzne elementy VNA mają stabilną temperaturę roboczą i że dryft fazowy jest zminimalizowany.
3. Naciśnij przycisk Preset.
4. Podłącz wysokiej jakości, stabilne fazowo do portów 1 i 2 VNA (Rysunek 2).
5. Dokręć złącza w portach VNA za pomocą klucza dynamometrycznego 8 in.lbf. Aby prawidłowo dokręcić połączenie, przytrzymaj koniec uchwytu i delikatnie popchnij uchwyt, nie dopuszczając do całkowitego złamania uchwytu.
6. Sprawdź wzrokowo wszystkie i złącza pod kątem widocznych oznak zużycia, takich jak wyszczerbienia, wgniecenia i niedoskonałe gwinty złączy.
7. Sprawdź specyfikacje producenta, aby uzyskać prawidłowe zakresy pomiarowe dla wszystkich, złączy i testowanych urządzeń. Specyfikacje te mogą obejmować temperaturę, wilgotność, częstotliwość i moc.
8. Wyczyść złącza na wszystkich urządzeniach i końcach. Używaj wacików przeznaczonych specjalnie do czyszczenia wrażliwej elektroniki i złączy. Używanie z brudnymi złączami może spowodować uszkodzenie powierzchni przewodzących i spowodować niedokładne pomiary.
   1. Zanurz bawełniany wacik w alkoholu izopropylowym.
   2. Delikatnie wyczyść środkowy przewód (Rysunek 3A) za pomocą zwilżonego wacika. Nie należy wywierać zbyt dużej siły na środkowy przewód, ponieważ łatwo ulega on uszkodzeniu.
   3. Wyczyść zewnętrzny przewód każdego złącza (Rysunek 3B). Oczyść gwinty nakrętki łączącej.
   4. Osusz wszystkie końcówki i złączy czystym sprężonym powietrzem (Rysunek 3C). Jeśli sprężone powietrze chłodzi złącze, poczekaj, aż złącze powróci do temperatury pokojowej (RT) przed wykonaniem i dokręceniem wszystkich połączeń.
9. Wyrównaj i wykonaj połączenia między VNA na portach 1 i 2 a testowanym urządzeniem. Dokręć 12 in.lb. klucz dynamometryczny do połączeń typu N (Rysunek 4). Upewnij się, że końce są prawidłowo wyrównane.
   1. Rozpocznij obracanie złącza po stronie testowanego urządzenia na gwintach VNA. Prawidłowe połączenia pozwalają na swobodne obracanie się nakrętki z niewielkim oporem. Opór jest oznaką krzyżowania się wątków. Niewspółosiowość może uszkodzić złącze lub spowodować odbicia sygnału i utratę sygnału. Nie dokręcaj złącza zbyt mocno, ponieważ spowoduje to uszkodzenie złącza.
   2. Ułóż VNA tak, aby poruszały się minimalnie podczas kalibracji. kalibracyjne są stabilne fazowo i idealnie nie wyginają się ani nie przesuwają podczas kalibracji.
10. Dostosuj parametry pomiaru VNA zgodnie ze specyfikacją testowanego urządzenia. Zakres częstotliwości można również wybrać za pomocą częstotliwości środkowej i zakresu częstotliwości znanego jako "zakres".
    1. Wybierz zakres częstotliwości. Wybierz menu bodźców | Freq | Częstotliwość startowa: 1700 MHz. Wybierz menu bodźców | Freq | Częstotliwość zatrzymania: 1900 MHz.
    2. Wybierz typ pomiaru (np. S11, S12, S21, S22). Wybierz menu odpowiedzi | Środek | S21.
    3. Wybierz i dostosuj moc portu. Wybierz menu bodźców | Zasilanie | Dostosuj moc portu: 0 dBm. Upewnij się, że moc wyjściowa jest równa (lub niższa) specyfikacji maksymalnej mocy testowanego urządzenia.
    4. Wybierz i dostosuj ustawienia zamiatania. Wybierz menu bodźców | Zamiatanie | Typ przeciągnięcia: schodkowy. Wybierz menu bodźców | Zamiatanie | czas | Czas przemiatania: 1 sek. Następnie wybierz Menu bodźców | Zamiatanie | Konfiguracja zamiatania | Czas przebywania: 0 μsec.
       UWAGA: Przemiatanie schodkowe jest najdokładniejszym typem przemiatania, ponieważ przechodzi do każdej częstotliwości i zatrzymuje się na określonej częstotliwości przed wykonaniem pomiaru. W przypadku korzystania z długich może być konieczne wydłużenie czasu przebywania, aby sygnał dotarł do odbiornika po pomiarze. Czas przebywania 0 μs jest optymalnym ustawieniem domyślnym.
    5. Wybierz i dostosuj tryb uśredniania, wybierając Menu odpowiedzi | Uśrednianie | Uśrednienie: IFBW: 1 kHz.
       UWAGA: Wybierz odpowiedni typ uśredniania: "uśrednianie punktowe" uśrednia każdy punkt częstotliwości określoną liczbę razy (tj. 2, 4, 16, 32 itd.), co zmniejsza poziom szumów i niepewność, ale wydłuża czas przemiatania. IFBW wykorzystuje filtr do pomiaru mocy w małym paśmie, co również zmniejsza poziom szumów, ale wymaga mniej czasu pomiaru. Uśrednianie IFWB wydaje się być bardziej optymalną techniką uśredniania.
    6. Wybierz wyświetlany format danych (np. LogMag [ustawienie domyślne], wykres Smitha, SWR itp.), wybierając Menu odpowiedzi | Format | LogMag.
    7. Wybierz liczbę punktów danych w wyświetlanym śladzie za pomocą menu bodźców | Zamiatanie | Liczba punktów: 1601.
       UWAGA: Liczba punktów jest ustawiona tak, aby można było osiągnąć maksymalne pokrycie częstotliwości między częstotliwościami start i stop:

W powyższym przykładzie rozmiar kroku lub odstęp między częstotliwościami wynosi 0,125 MHz, więc częstotliwość(1) = 1700,000 MHz, częstotliwość(2) = 1700,125 MHz, ... częstotliwość(1600) = 1899,875 MHz, częstotliwość(1601) = 1900 MHz.

2. Kalibracja VNA

1. Należy wybrać kalibrację ręczną lub elektroniczną, jeśli dostępny i pożądany jest elektroniczny moduł kalibracyjny (patrz rozdział 2.11). Każda kalibracja jest dokładna.
2. Wybierz opcję Kalibracja ręczna, wybierając pozycję Odpowiedź | Menu Cal | Rozpocznij kalibrację | Kreator kalibracji | Bez przewodnika.
   1. Wybierz odpowiedni zestaw kalibracyjny, aby znać dokładną wartość wzorców w konkretnym zestawie kalibracyjnym (Rysunek 5). Tutaj wybierz 85054D, a następnie wybierz dwuportową kalibrację SOLT (short-open-load-thru) (dla testowanego urządzenia z dwoma portami). Inne dostępne kalibracje to jeden port dla urządzenia z jednym portem, a także kalibracja odpowiedzi. SOLT jest najdokładniejszą opcją¹¹.
   2. Wybierz przycisk Dalej, aby przejść do następnego ekranu.
3. Podłącz otwarty wzorzec kalibracji (Rysunek 6) do podłączonego do portu 1. Otwarty wzorzec kalibracyjny ma otwartą wnękę za złączem, aby symulować impedancję w wolnej przestrzeni wynoszącą 377 Ω.
4. Podłącz krótki wzorzec kalibracyjny do podłączonego do portu 2. Zwarcie ma metalową płytkę za złączem, dzięki czemu napięcie wejściowe jest całkowicie odbite.
   1. Wybierz port 1 | OTWARTE | Typ N (50) żeński otwarty, który wykonuje pomiar dołączonego otworu. Na ekranie VNA pojawi się ślad, delikatnie odchylający się od poziomu odniesienia 0 dB w formacie wyświetlania S₁₁, logarytmicznym wielkości gwiazdowej dla otwartego standardu. Po zakończeniu pomiaru (nad standardem pojawi się znacznik wyboru), naciśnij przycisk OK, aby kontynuować. Spowoduje to odesłanie użytkownika z powrotem do poprzedniego ekranu.
   2. Wybierz męski lub żeński wzorzec kalibracji z tym samym złączem płci, co testowane urządzenie (tj. męski wzorzec kalibracji ma środkowy pin, a żeński wzorzec kalibracji będzie miał wsuwany port). Starsze VNA wymagają standardu kalibracji opartego na płci VNA.
   3. Wybierz port 2 | KRÓTKI | Krótkie żeńskie typu N (50), które dokonuje pomiaru dołączonego zwarcia. Na ekranie VNA pojawi się ślad, delikatnie odchylający się od poziomu odniesienia 0 dB w formacie wyświetlania S₁₁, logarytmicznym dla krótkiego standardu. Po zakończeniu pomiaru (nad standardem pojawi się znacznik wyboru), naciśnij przycisk OK, aby kontynuować. Spowoduje to odesłanie użytkownika z powrotem do poprzedniego ekranu.
5. Zamień wzorce kalibracji między portami (tj. podłącz otwarty standard kalibracji do portu 2, a następnie dołącz krótki standard kalibracji do portu 1).
   1. Wybierz port 1 | KRÓTKI | Zwarcie żeńskie typu N (50) do pomiaru zwarcia na porcie 1. Na ekranie VNA pojawi się ślad, delikatnie odchylający się od poziomu odniesienia 0 dB w formacie wyświetlania S₁₁, logarytmicznym dla krótkiego standardu. Po zakończeniu pomiaru (nad standardem pojawi się znacznik wyboru), naciśnij przycisk OK, aby kontynuować. Spowoduje to odesłanie użytkownika z powrotem do poprzedniego ekranu.
   2. Wybierz port 2 | OTWARTE | Typ N (50) żeński otwarty do pomiaru otwarcia na porcie 2. Na ekranie VNA pojawi się ślad, delikatnie odchylający się od poziomu odniesienia 0 dB w formacie wyświetlania S₁₁, logarytmicznym wielkości gwiazdowej dla otwartego standardu. Po zakończeniu pomiaru (nad standardem pojawi się znacznik wyboru), naciśnij przycisk OK, aby kontynuować. Spowoduje to odesłanie użytkownika z powrotem do poprzedniego ekranu.
6. Usuń zwarcie z portu 1 i umieść obciążenie szerokopasmowe na porcie 1. Obciążenie pochłania przychodzącą energię, co powoduje niewielkie odbicie w dużym zakresie częstotliwości.
   1. Wybierz port 1 | ŁADUNKI | Obciążenie szerokopasmowe typu N (50) do pomiaru obciążenia na porcie 1. Po zakończeniu pomiaru (nad standardem pojawi się znacznik wyboru), naciśnij przycisk OK, aby kontynuować. Spowoduje to odesłanie użytkownika z powrotem do poprzedniego ekranu.
   2. Zachowaj aktualny standard kalibracji na porcie 2. Nie zostawiaj portu otwartego, ponieważ może on stanowić ścieżkę dla sygnałów wycieku. Ślad pojawi się na ekranie VNA i będzie się różnił na ekranie. Wszystkie zmierzone wartości w formacie wyświetlania S₁₁, logarytmicznie wielkości będą mniejsze niż -20 dB dla dobrego obciążenia.
7. Usuń przerwę z portu 2, weź obciążenie szerokopasmowe z portu 1 i umieść obciążenie szerokopasmowe na porcie 2. Umieść otwarty port 2 na porcie 1, aby zapobiec sygnałom wycieku.
   1. Wybierz port 2 | ŁADUNKI | Obciążenie szerokopasmowe typu N (50) do pomiaru obciążenia na porcie 2. Ślad pojawi się na ekranie VNA i będzie się różnił na ekranie. Wszystkie zmierzone wartości w formacie wyświetlania S₁₁, logarytmicznie wielkości będą mniejsze niż -20 dB dla dobrego obciążenia. Po zakończeniu pomiaru (nad standardem pojawi się znacznik wyboru), naciśnij przycisk OK, aby kontynuować. Spowoduje to odesłanie użytkownika z powrotem do poprzedniego ekranu.
8. Włóż wzorzec kalibracji przelotowej między podłączone do portów 1 i 2. Jest to zazwyczaj adapter ze złączami tej samej płci na obu końcach.
   1. Wybierz THRU, aby zmierzyć wzorzec kalibracji THRU. Po zakończeniu pomiaru na tym ekranie nad standardem THRU pojawi się znacznik wyboru.
      UWAGA: Pomiar izolacji można zazwyczaj pominąć podczas kalibracji, ponieważ izolacja mierzy przesłuch między, a jego wartość jest często bardzo mała w porównaniu z innymi standardami. Powyższe pomiary kalibracyjne można wykonać w dowolnej kolejności.
9. Gdy nad wszystkimi wzorcami pojawi się znacznik wyboru, zapisz kalibrację. Wybierz pozycję Dalej | Zapisz jako calset użytkownika. Wprowadź nazwę kalibracji i naciśnij przycisk ZAPISZ.
10. Sprawdź kalibrację zgodnie z opisem w rozdziale 3.
11. Jeśli kalibracja ręczna nie zostanie wybrana, wybierz opcję kalibracji elektronicznej¹². Podłącz elektroniczny zestaw kalibracyjny (Rysunek 7) do między portami 1 i 2. Wybierz pozycję Odpowiedź | Menu Cal | Rozpocznij kalibrację | Kreator kalibracji | Kalibracja elektroniczna z opcją kalibracji elektronicznej.
    1. Wybierz 2-portowy ECal | Następnie wybierz przycisk Zmierz. Elektroniczny moduł kalibracyjny automatycznie zmierzy szereg różnych wzorców i poprosi użytkownika o zapisanie kalibracji na końcu.
    2. Wybierz pozycję Dalej | Zapisz jako calset użytkownika. Wprowadź nazwę kalibracji i naciśnij przycisk ZAPISZ.
       UWAGA: W przypadku kalibracji elektronicznej do modułu podłączone są tylko z portów 1 i 2. Wszystkie wzorce kalibracyjne są zawarte w module. Kalibracja elektroniczna automatycznie skalibruje wzorce wewnętrzne. Jeśli elektroniczny moduł kalibracyjny nie ma tych samych typów złączy co, konieczne będzie wykonanie dodatkowej kalibracji w celu zmodyfikowania korekcji błędów kalibracji zawartych w module w celu uwzględnienia adapterów. Upewnij się, że skontaktowałeś się z producentem w celu uzyskania wskazówek.

3. Sprawdzanie kalibracji

1. Użyj przelota, aby sprawdzić kalibrację.
   1. Podłącz adapter przelotowy (Rysunek 6) bez widocznych oznak zużycia do między portami 1 i 2. Nie mierz wzorca przelotowego. Wybierz inny thru.
   2. Wybierz pozycję Odpowiedź | Środek | S21, a następnie odpowiedź | Skala | Skala. Ustaw wartość Na działkę na 0,1, naciskając przycisk strzałki w dół. Wybierz menu bodźców | Wyzwalacz | Pojedynczy do pomiaru tłumienia wtrąceniowego przelotowego. W całym zakresie częstotliwości pojawi się pojedyncze przemiatanie.
      UWAGA: Wartość thru na wykresie logarytmicznej wielkości mieści się w zakresie 0,05 dB od odniesienia 0 dB ( Rysunek 8) w celu wystarczającej kalibracji. Jest to wartość empiryczna uzyskana w ciągu wielu lat kalibracji. Można to zauważyć, zmieniając skalę na 0,05 dB na działkę.
   3. Po sprawdzeniu przelota przywróć skalę z powrotem do 10 dB/działkę, wybierając Odpowiedź | Skala | Przeskaluj i ustaw wartość Na działkę na 10. Wybierz pozycję Odpowiedź | Środek | S11.
   4. Wybierz menu bodźców | Wyzwalacz | Pojedynczy do miary S₁₁. Wartość dobrego przejazdu jest następująca: |S₁₁| = -20 dB (1% odbicia w mocy i 10% odbicia w napięciu ).
      UWAGA: Reprezentacja Smith Chart¹³ wyświetla impedancję. Pomiary S₁₁ i S₂₂ pojawiają się jako małe kółko na środku wykresu. Wartość impedancji mieści się w granicach 0,5 Ω od odniesienia 50 Ω, co zapewnia wystarczającą kalibrację.
2. Użyj obciążenia 50 Ω, aby sprawdzić kalibrację.
   1. Podłącz dopasowane obciążenie o długości 50 Ω do portu 1.
   2. Wybierz menu bodźców | Wyzwalacz | Pojedynczy na miarę S₁₁,
      UWAGA: Dopasowane obciążenie jest mniejsze niż -20 dB (współczynnik odbicia idealnego obciążenia wynosi 0). Pojawi się to również jako małe kółko w środku wykresu Smitha (Rysunek 9).
3. Użyj otwartego wzorca kalibracji, aby sprawdzić kalibrację.
   1. Podłącz otwarty wzorzec kalibracji.
   2. Wybierz menu bodźców | Wyzwalacz | Pojedynczy do miary S₁₁. Przerwa wynosi 0 dB na wykresie logarytmicznym wielkości (współczynnik odbicia idealnego otwarcia wynosi 1). Na wykresie Smitha otwarcie pojawia się jako małe kółko w punkcie 0 po prawej stronie (Rysunek 9) w celu wystarczającej kalibracji.
4. Użyj krótkiego wzorca kalibracji, aby sprawdzić kalibrację.
   1. Podłącz krótki wzorzec kalibracji.
   2. Wybierz menu bodźców | Wyzwalacz | Pojedynczy do miary S₁₁. Zwarcie wynosi 0 dB (współczynnik odbicia idealnego zwarcia wynosi -1) na wykresie logarytmicznym. Na wykresie Smitha wartość jest wyświetlana jako okrąg po lewej stronie (Rysunek 9) w celu wystarczającej kalibracji.
      UWAGA: Jeśli test kalibracyjny zakończy się niepowodzeniem, sprawdź połączenia i powtórz kalibrację. Jeśli kalibracja jest dobra, przejdź do sekcji 4.

4. Pomiar strat komponentów lub systemu

1. Podłącz testowane urządzenie do VNA. Jeśli testowane urządzenie ma więcej niż dwa porty (tj. przełączniki, dzielniki mocy itp.), Podłącz 50 Ω dopasowanych obciążeń do portów, które nie są podłączone do VNA, ponieważ moc zostanie odbita od tych portów i zmieni pomiar.
2. Wybierz pozycję Odpowiedź | Środek | S21.
3. Wybierz menu bodźców | Wyzwalacz | Pojedynczy do pomiaru testowanego urządzenia.
4. Wybierz punkt menu Plik | Zapisz dane jako... . Wpisz nazwę pliku w polu nazwy pliku. Wybierz typ pliku . CSV lub śledzenie (*.s2p). Wybierz Zakres (w tym miejscu odpowiednia jest domyślna wartość Wyświetlane ślady). Wybierz format (np. logarytm wielkości i kąta, liniowa wielkość i faza, rzeczywisty i urojony oraz wyświetlany format [np. Wykres Smitha]). Naciśnij ZAPISZ, aby zapisać dane.
5. Sprawdź i przeanalizuj wyniki testów filtra pasmowoprzepustowego. Przykład został opisany w poniższych krokach.
   1. Zidentyfikuj części śladu, umieszczając znaczniki na śladzie. Wybierz Znacznik/Analiza | Znacznik | Znacznik 1 i naciśnij OK.
   2. Wybierz Znacznik/Analiza | Wyszukiwanie znaczników | Max, aby znaleźć tłumienie wtrąceniowe filtra śladowego. Pokrętło na panelu przednim może być również używane do identyfikacji maksimów i minimów podczas przesuwania znacznika przez punkty częstotliwości.
   3. Wybierz Znacznik/Analiza | Znacznik < Znacznik 1, a następnie wybierz znacznik delta i sprzężone znaczniki. Wartość tego znacznika, jak pokazano na ekranie, powinna wynosić 0 dB. Spowoduje to ustawienie wartości odniesienia dla innych znaczników.
   4. Wybierz Znacznik/Analiza | Znacznik... | Znacznik 2 | WŁ. | sprzężone znaczniki. Kliknij wewnątrz pola bodźca, aby podświetlić częstotliwość, a następnie przesuwaj pokrętło, aż odczyt znacznika 2 na ekranie pokaże -3 dB.
   5. Wybierz Znacznik/Analiza | Znacznik... | Znacznik 3 | WŁ. | sprzężone znaczniki. Kliknij wewnątrz pola bodźca, aby podświetlić częstotliwość i przesuwaj pokrętło, aż odczyt znacznika 3 na ekranie pokaże -3 dB.
   6. Porównaj zmierzone wartości ze specyfikacjami filtrów podanymi przez producenta.

Wyniki

Podczas sprawdzania, czy komponent działa poprawnie, ważne jest, aby zapoznać się ze specyfikacjami producenta, które można znaleźć na ich stronach internetowych. W tym przypadku filtr (Rysunek 10) został zmierzony po zapoznaniu się z jego specyfikacją¹⁴. Jak pokazano na Rysunek 11, zidentyfikowano tłumienie wtrąceniowe, a także 3 punkty dB. Zmierzona tłumienność wtrąceniowa po kalibracji, jak pokazano za pomocą znacznika 1, miała wielkość 0,83 dB. Znak ujemny wskazuje, że była to strata. Tłumienie wtrąceniowe w odniesieniu określa się na 0,8 dB skorygowane (dBa). Zmierzona szerokość pasma 3 dB filtra zmieniła się z 1749 MHz na 1854 MHz. Po odjęciu dało to wartość 105 MHz, która jest bliska typowej wartości 104,5 MHz.

Istnieją tłumiki 10 dB, które są zbudowane tak, aby wytrzymać moc wejściową 50 W, zgodnie z opisem w specyfikacji producenta¹⁵. Specyfikacja tłumienia dla tego tłumika wynosi 10 dB ± 0,5 dB. W pewnym momencie do tłumika została wprowadzona moc wejściowa większa niż 50 W, co spowodowało uszkodzenie tłumika. Do sprawdzenia jakości tego komponentu użyto skalibrowanego VNA. Również w tym przypadku ważne jest, aby zmierzyć każdy komponent przed wszystkimi pomiarami w terenie w celu zapewnienia jakości. Pomiar testowanego urządzenia jest pokazany w Rysunek 12. Dla porównania, pomiar dobrego tłumika 10 dB jest pokazany na Rysunek 13. Należy zauważyć, że zmierzona wartość wynosiła 9,88 dB na częstotliwości 1750 MHz, czyli w określonym zakresie od -9,5 do -10,5 dB w całym paśmie 1700–1900 MHz.

Na koniec, utrata to kolejny ważny pomiar często wykonywany w pomiarach częstotliwości radiowych. Dane techniczne mierzonego można znaleźć na stronie 5 karty katalogowej¹⁶. Tłumienie na stopę (dB/ft) wynosiło 0,05 dB w paśmie 1 GHz lub 0,16 dB/m. Zmierzony o długości 36 stóp/11 m miał według producenta określoną stratę ~1,8 dB. Zmierzona strata jest pokazana w Rysunek 14. Przy częstotliwości 1750 MHz zmierzona strata wyniosła -1,88 dB (co po zaokrągleniu w górę do najbliższej dziesiątej części decybela daje wielkość 1,9 dB).

Rysunek 1: Włączanie VNA. Czerwone kółko reprezentuje lokalizację przycisku zasilania VNA. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Ilustracja 2: wysokiej jakości, stabilne fazowo podłączone do dwóch portów VNA. są przymocowane do przedniego panelu VNA za pomocą 8 in.lbf. Dynamometryczny. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Czyszczenie złączy. (A) Czyszczenie przewodu wewnętrznego, (B) czyszczenie przewodu zewnętrznego i gwintów oraz (C) delikatne suszenie złącza za pomocą sprężonego powietrza. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Klucz dynamometryczny 12 cali funta mechanicznego do złączy typu N. Ten klucz służy do dokręcania połączeń między VNA a testowanym urządzeniem. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Zestaw kalibracyjny typu N. Pokazany tutaj jest zestaw kalibracyjny zawierający wzorce otwarte, krótkie, obciążeniowe i przelotowe używane do kalibracji błędów w VNA. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 6: Wzorce kalibracyjne typu N. Fotografie męskich i żeńskich wzorców kalibracyjnych użytych do kalibracji. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 7: Elektroniczny moduł kalibracyjny. Zdjęcie elektronicznego modułu kalibracyjnego. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 8: Kontrola kalibracji przelotowej po kalibracji na wykresie logarytmicznym wielkości w funkcji częstotliwości w GHz. Wartość przelota wynosi 0,01 dB przy częstotliwości 1,8 GHz. Pokazuje wartość thru w funkcji częstotliwości w GHz po kalibracji. Przez jest używany jako kontrola kalibracji, aby upewnić się, że kalibracja jest ważna. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 9: Wyjaśnienie wykresu Smitha. Rzeczywiste i urojone lokalizacje wartości impedancji dla impedancji standardowych są pokazane na rysunku po lewej stronie, a wartości wielkości impedancji są pokazane na rysunku po prawej stronie¹⁷. Ten rysunek wykresu Smitha pokazuje zarówno impedancję rzeczywistą, jak i urojoną po lewej stronie oraz wielkość impedancji po prawej. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 10: Filtr RF umieszczony między portami 1 i 2. Zdjęcie filtra RF umieszczonego między portami 1 i 2 na końcu VNA podczas pomiarów. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 11: Zmierzona tłumienność wtrąceniowa i 3 dB punkty dla filtra RF ze specyfikacjami podanymi w Rysunek 9. To jest zrzut ekranu z VNA podczas pomiaru filtra RF, który jest pokazany na Rysunek 10. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 12: Pomiar tłumika 10 dB niezgodny z jego specyfikacją. Zmierzona wartość wynosi -22,70 dB w paśmie 1,7 GHz, a jej specyfikacja to 10 dB ± 0,5 dB. Pokazany jest również pomiar tłumika 10 dB, który nie jest już zgodny z jego specyfikacją. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 13: Pomiar tłumika 10 dB w jego specyfikacji. Zmierzona wartość wyniosła -9,88 dB. Pokazano również pomiar tłumika 10 dB, który jest zgodny z jego specyfikacją. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 14: Pomiar koncentrycznego o długości 36 stóp (11 m) o określonej wartości tłumienia 0,05 dB/ft. Straty na całej długości miały wynosić ~1,8 dB, co jest zgodne z zmierzoną wartością -1,9 dB przy 1,87 GHz. Wyświetlany jest również pomiar pokazujący, że zmierzona strata mieści się w specyfikacji producenta. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Dyskusja

Ważne jest, aby pozwolić VNA rozgrzać się do RT przez co najmniej 0,5 godziny (chociaż 1 godzina jest lepsza) przed wykonaniem kalibracji, co pozwala wszystkim komponentom wewnętrznym dojść do RT i skutkuje bardziej stabilnymi kalibracjami. Jedna kalibracja może trwać kilka dni bez dużej utraty dokładności; Jednak kalibracja jest sprawdzana codziennie przy użyciu wzorca kalibracyjnego, aby zapewnić integralność pomiaru. Kontrola wszystkich elementów systemu jest niezbędna, aby złe złącza nie uszkodziły precyzji VNA. Z VNA najlepiej stosować kable niskostratne. Integralność kalibracji musi zostać sprawdzona przed pomiarem jakiegokolwiek elementu systemu lub testowanego urządzenia. Każdy pomiar wykraczający poza podane tutaj specyfikacje powinien zostać powtórzony lub może wymagać nowej kalibracji. Wreszcie, korzystanie ze specyfikacji producenta w celu sprawdzenia zmierzonych wartości testowanego urządzenia jest niezbędną częścią walidacji.

Używanie VNA jako przyrządu pomiarowego ma swoje ograniczenia. Jeśli testowane urządzenie lub system ma straty tak duże, że zmierzone parametry S spadają poniżej poziomu szumów VNA, nie można go zmierzyć za pomocą VNA. Możliwe jest obniżenie poziomu szumów poprzez zmniejszenie szerokości pasma IF i wydłużenie czasu przemiatania. Spowolni to czas akwizycji pomiaru; W związku z tym istnieje kompromis przy dostosowywaniu tych parametrów. VNA nie może obsługiwać mocy wejściowych większych niż 30 dBm, dlatego wymagane jest użycie wewnętrznego lub zewnętrznego tłumienia przy pomiarach wzmacniaczy. VNA ma źródło i odbiornik umieszczone w tym samym instrumencie, więc był używany jako system pomiaru propagacji radiowej. Ponieważ źródło i odbiornik znajdują się w VNA, port nadawczy musi być w jakiś sposób połączony z portem odbiorczym. Zazwyczaj odbywa się to za pomocą kabli; Jednak kable zwiększają straty, zmniejszając zakres dynamiki tego, co można zmierzyć. Ponadto odległości między nimi stają się ograniczone.

Inną metodą, za pomocą której można zmierzyć straty, jest użycie generatora sygnału i miernika mocy. Miernik mocy jest urządzeniem do pomiaru skalarnego, więc może mierzyć tylko wielkość sygnału. Nie może monitorować fazy sygnału, co skutkuje mniej dokładnymi pomiarami sygnału. VNA mierzy zarówno wielkość, jak i fazę (rzeczywistych i wyimaginowanych komponentów) mierzonego sygnału w stosunku do dobrze znanego sygnału wejściowego, co jest pomiarem wyższej jakości.

VNA są wszechstronną opcją dla wielu rodzajów pomiarów. Przyrząd może być używany do pomiaru wypromieniowanych sygnałów radiowych za pomocą anten na portach nadawczych i odbiorczych¹⁸. Analiza w dziedzinie czasu może być wykorzystana do monitorowania sygnałów w czasie i określenia, gdzie następuje przerwanie kabla. Może mierzyć wiele częstotliwości podczas przemiatania, co można wykorzystać do zrozumienia strat tłumienia na wielu częstotliwościach w środowisku przewodzonym¹⁹ lub napromieniowanym²⁰. Zrozumienie różnych ustawień parametrów VNA skutkuje dobrze scharakteryzowanymi testowanymi urządzeniami/systemami, a pomiary uzyskane za pomocą testowanego urządzenia/systemu mogą być wykorzystywane z dużą dozą pewności.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Klucz dynamometryczny 12 cali	Maury Microwave		TW-12
Klucz dynamometryczny 8 cali	Keysight Technologies		8710-1764
Tłumiki	Mini-obwody		BW-N10W50 +
1	Micro-Coax		UFB311A – 36 stóp
Standardowy zestaw kalibracji (1) (ręczny)	Keysight Technologies		Ekonomiczny zestaw kalibracyjny typu N, zestaw wzorców kalibracyjnych 85054 D
(2) (E-cal)	Elektroniczny zestaw kalibracyjny Agilent Technologies		, N4693-60001, wacik czyszczący od 10 MHz do 50 GHz
	Chemtronics		Flextips Mini
sprężone powietrze	Techspray		Potrzebujesz ultrafiltrowanego filtra
1	K & L Kuchenka mikrofalowa, Inc.		8FV50-1802-T95-O/O
Alkohol izopropylowy	Dowolna marka
VNA	Keysight Technologies Dostępnych		jest wiele opcji dla badacza – skonsultuj się ze stroną internetową