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.
Artykuł metodologiczny
Kalibracja wektorowego analizatora sieci do pomiarów w kanałach propagacji częstotliwości radiowych
W tym artykule
Podsumowanie
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-19-5352,3,4,5 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 błędów6,7, 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
- Zgromadzić wszystkie elementy systemu pomiarów propagacji, w tym kable, wzmacniacze, filtry, badane urządzenie (DUT, które może być podzespołem) oraz inne komponenty.
- Włączyć VNA (Rysunek 1) i pozostawić go do rozgrzania przez co najmniej 0,5 h, aby upewnić się, że wszystkie wewnętrzne komponenty VNA osiągnęły stabilną temperaturę pracy i zminimalizowano dryft fazowy.
- Nacisnąć przycisk Preset.
- Podłączyć wysokiej jakości kable o stabilnej fazie do portów 1 i 2 VNA (Rysunek 2).
- Dokręcić złącza w portach VNA kluczem dynamometrycznym z momentem 8 in.lbf. Aby prawidłowo dokręcić połączenie, należy trzymać koniec rączki i delikatnie ją naciskać, nie dopuszczając do całkowitego przeskoczenia rączki.
- Wizualnie sprawdzić wszystkie kable i złącza pod kątem oczywistych oznak zużycia, takich jak nacięcia, wgniecenia i niedoskonałości gwintów złączy.
- Sprawdzić specyfikacje producenta w celu ustalenia dopuszczalnych zakresów pomiarowych dla wszystkich kabli, złączy i DUT. Specyfikacje te mogą obejmować temperaturę, wilgotność, częstotliwość i moc.
- Oczyścić złącza we wszystkich urządzeniach i końcówkach kabli. Należy używać patyczków zaprojektowanych specjalnie do czyszczenia czułej elektroniki i złączy. Używanie kabli z zabrudzonymi złączami może doprowadzić do uszkodzenia powierzchni przewodzących kabli i spowodować niedokładne pomiary.
- Zanurzyć patyczek bawełniany w alkoholu izopropylowym.
- Delikatnie wyczyścić przewodnik wewnętrzny (Rysunek 3A) za pomocą nawilżonego patyczka. Nie należy wywierać zbyt dużego nacisku na przewodnik wewnętrzny, ponieważ jest on łatwo uszkadzany.
- Wyczyścić przewodnik zewnętrzny każdego złącza (Rysunek 3B). Wyczyścić gwinty nakrętek sprzęgających.
- Osuszyć wszystkie końcówki kabli i złączy za pomocą czystego sprężonego powietrza (Rysunek 3C). Jeśli sprężone powietrze schłodzi złącze, należy poczekać, aż złącze powróci do temperatury pokojowej (RT) przed wykonaniem i dokręceniem wszystkich połączeń.
- Wyrównać i wykonać połączenia między kablami VNA w portach 1 i 2 a DUT. W przypadku złączy typu N dokręcić kluczem dynamometrycznym z momentem 12 in.lb. (Rysunek 4). Upewnić się, że końcówki kabli są prawidłowo wyrównane.
- Zacząć nakręcać złącze od strony DUT na gwinty kabla VNA. Prawidłowe połączenia pozwalają nakrętce obracać się swobodnie, przy niewielkim oporze. Opór jest oznaką przekręcenia gwintu. Niewłaściwe wyrównanie może uszkodzić złącze lub spowodować odbicia sygnału i jego straty. Nie dokręcać złącza zbyt mocno, gdyż może to doprowadzić do jego uszkodzenia.
- Ułożyć kable VNA w taki sposób, aby minimalnie przemieszczały się podczas kalibracji. Kable kalibracyjne są stabilne fazowo i w idealnym przypadku nie powinny być zginane ani przesuwane podczas kalibracji.
- Dostosować parametry pomiarowe VNA zgodnie ze specyfikacją DUT. Zakres częstotliwości można również wybrać, korzystając z częstotliwości środkowej i zakresu częstotliwości znanego jako „span”.
- Wybrać zakres częstotliwości. Wybrać Stimulus Menu | Freq | Start Frequency: 170 MHz. Wybrać Stimulus Menu | Freq | Stop Frequency: 190 MHz.
- Wybrać typ pomiaru (np. S11, S12, S21, S22). Wybrać Response Menu | Measure | S21.
- Wybrać i dostosować moc portu. Wybrać Stimulus Menu | Power | Adjust Port Power: 0 dBm. Upewnić się, że moc wyjściowa jest równa (lub niższa od) maksymalnej mocy określonej w specyfikacji DUT.
- Wybrać i dostosować ustawienia sweepu. Wybrać Stimulus Menu | Sweep | Sweep Type: Stepped. Wybrać Stimulus Menu | Sweep | time | Sweep Time: 1 sec. Następnie wybrać Stimulus Menu | Sweep | Sweep Setup | Dwell Time: 0 μsec.
UWAGA: Sweep skokowy (stepped) jest najdokładniejszym typem sweepu, ponieważ przeskakuje do każdej częstotliwości i zatrzymuje się na niej przed dokonaniem pomiaru. Przy użyciu długich kabli może być konieczne zwiększenie czasu zatrzymania (dwell time), aby zapewnić dotarcie sygnału do odbiornika po wykonaniu pomiaru. Czas zatrzymania 0 μs jest optymalnym ustawieniem domyślnym. - Wybrać i dostosować tryb uśredniania, wybierając Response Menu | Averaging | Averaging: IFBW: 1 kHz.
UWAGA: Wybrać odpowiedni typ uśredniania: „uśrednianie punktowe” (point averaging) uśrednia każdy punkt częstotliwości określoną liczbę razy (np. 2, 4, 16, 32 itd.), co obniża poziom szumów i niepewność, ale zwiększa czas sweepu. IFBW wykorzystuje filtr do pomiaru mocy w wąskim pasmie, co również obniża poziom szumów, ale wymaga krótszego czasu pomiaru. Uśrednianie IFBW ma tendencję do bycia bardziej optymalną techniką uśredniania. - Wybrać format wyświetlanych danych (np. LogMag [ustawienie domyślne], wykres Smitha, SWR itp.), wybierając Response Menu | Format | LogMag.
- Wybrać liczbę punktów danych w wyświetlanym śladzie za pomocą Stimulus Menu | Sweep | Number of Points: 1601.
UWAGA: Liczba punktów jest ustawiona tak, aby uzyskać maksymalne pokrycie częstotliwości między częstotliwością początkową a końcową:
W powyższym przykładzie wielkość kroku lub odstęp częstotliwości wynosi 0,125 MHz, zatem częstotliwość(1) = 170,0 MHz, częstotliwość(2) = 170,125 MHz, … częstotliwość(1600) = 189,875 MHz, częstotliwość(1601) = 190 MHz.
2. Kalibracja VNA
- Wybierz kalibrację ręczną lub elektroniczną, jeśli dostępny jest i jest pożądany moduł kalibracji elektronicznej (patrz sekcja 2.1). Obie metody kalibracji są dokładne.
- Wybierz Manual Calibration (kalibracja ręczna), przechodząc do Response | Cal Menu | Start Cal | Calibration Wizard | Unguided.
- Wybierz odpowiedni zestaw kalibracyjny, tak aby znane były dokładne wartości wzorców w konkretnym zestawie kalibracyjnym (Rysunek 5). W tym przypadku wybierz 85054D, a następnie wybierz kalibrację dwuportową typu short-open-load-thru (SOLT) (dla DUT z dwoma portami). Inne dostępne kalibracje to kalibracja jednoportowa dla urządzenia z pojedynczym portem oraz kalibracja odpowiedzi (response calibration). SOLT jest najdokładniejszą opcją1.
- Wybierz Next, aby przejść do następnego ekranu.
- Podłącz wzorzec kalibracyjny przerwy (open) (Rysunek 6) do kabla podłączonego do portu 1. Wzorzec przerwy posiada otwartą wnękę za złączem, aby symulować impedancję wolnej przestrzeni wynoszącą 37 Ω.
- Podłącz wzorzec kalibracyjny zwarcia (short) do kabla podłączonego do portu 2. Zwarcie posiada metalową płytkę za złączem, dzięki czemu przychodzące napięcie jest całkowicie odbite.
- Wybierz Port 1 | OPEN | Type N (50) female open, co uruchomi pomiar podłączonej przerwy. Na ekranie VNA pojawi się ślad, łagodnie oddalający się od referencyjnego poziomu 0 dB w formacie wyświetlania log-magnitude dla parametru S1 dla wzorca przerwy. Po zakończeniu pomiaru (nad wzorcem pojawi się znak haczyka), naciśnij przycisk OK, aby kontynuować. Spowoduje to powrót użytkownika do poprzedniego ekranu.
- Wybierz męski lub żeński wzorzec kalibracyjny z złączem tej samej płci co w DUT (tzn. męski wzorzec kalibracyjny posiada pin centralny, a żeński wzorzec kalibracyjny posiada gniazdo wkładkowe). Starsze analizatory VNA wymagają wzorca kalibracyjnego dostosowanego do płci złącza kabla VNA.
- Wybierz Port 2 | SHORT | Type N (50) female short, co uruchomi pomiar podłączonego zwarcia. Na ekranie VNA pojawi się ślad, łagodnie oddalający się od referencyjnego poziomu 0 dB w formacie wyświetlania log-magnitude dla parametru S1 dla wzorca zwarcia. Po zakończeniu pomiaru (nad wzorcem pojawi się znak haczyka), naciśnij przycisk OK, aby kontynuować. Spowoduje to powrót użytkownika do poprzedniego ekranu.
- Zamień wzorce kalibracyjne między portami (tzn. podłącz wzorzec przerwy do portu 2, a wzorzec zwarcia do portu 1).
- Wybierz Port 1 | SHORT | Type N (50) female short, aby zmierzyć zwarcie na porcie 1. Na ekranie VNA pojawi się ślad, łagodnie oddalający się od referencyjnego poziomu 0 dB w formacie wyświetlania log-magnitude dla parametru S1 dla wzorca zwarcia. Po zakończeniu pomiaru (nad wzorcem pojawi się znak haczyka), naciśnij przycisk OK, aby kontynuować. Spowoduje to powrót użytkownika do poprzedniego ekranu.
- Wybierz Port 2 | OPEN | Type N (50) female open, aby zmierzyć przerwę na porcie 2. Na ekranie VNA pojawi się ślad, łagodnie oddalający się od referencyjnego poziomu 0 dB w formacie wyświetlania log-magnitude dla parametru S1 dla wzorca przerwy. Po zakończeniu pomiaru (nad wzorcem pojawi się znak haczyka), naciśnij przycisk OK, aby kontynuować. Spowoduje to powrót użytkownika do poprzedniego ekranu.
- Zdejmij zwarcie z portu 1 i podłącz szerokopasmowe obciążenie (load) do portu 1. Obciążenie pochłania przychodzącą energię, co skutkuje niewielkim odbiciem w szerokim zakresie częstotliwości.
- Wybierz Port 1 | LOADS | Type N (50) broadband load, aby zmierzyć obciążenie na porcie 1. Po zakończeniu pomiaru (nad wzorcem pojawi się znak haczyka), naciśnij przycisk OK, aby kontynuować. Spowoduje to powrót użytkownika do poprzedniego ekranu.
- Pozostaw obecny wzorzec kalibracyjny na porcie 2. Nie pozostawiaj portu otwartego, ponieważ może to stworzyć ścieżkę dla sygnałów upływu. Na ekranie VNA pojawi się zmienny ślad. Wszystkie zmierzone wartości w formacie wyświetlania log-magnitude dla parametru S1 wyniosą mniej niż -20 dB dla dobrego obciążenia.
- Zdejmij przerwę z portu 2, zdejmij szerokopasmowe obciążenie z portu 1 i podłącz szerokopasmowe obciążenie do portu 2. Podłącz przerwę z portu 2 do portu 1, aby zapobiec sygnałom upływu.
- Wybierz Port 2 | LOADS | Type N (50) broadband load, aby zmierzyć obciążenie na porcie 2. Na ekranie VNA pojawi się zmienny ślad. Wszystkie zmierzone wartości w formacie wyświetlania log-magnitude dla parametru S1 wyniosą mniej niż -20 dB dla dobrego obciążenia. Po zakończeniu pomiaru (nad wzorcem pojawi się znak haczyka), naciśnij przycisk OK, aby kontynuować. Spowoduje to powrót użytkownika do poprzedniego ekranu.
- Wstaw wzorzec kalibracyjny przejścia (thru) pomiędzy kable podłączone do portów 1 i 2. Zazwyczaj jest to adapter złączami tej samej płci na obu końcach.
- Wybierz THRU, aby zmierzyć wzorzec przejścia. Po zakończeniu pomiaru na tym ekranie nad wzorcem THRU pojawi się znak haczyka.
UWAGA: Pomiar izolacji można zazwyczaj pominąć podczas kalibracji, ponieważ izolacja mierzy przesłuchy między kablami, a jej wartość jest często bardzo mała w porównaniu z innymi wzorcami. Powyższe pomiary kalibracyjne można wykonywać w dowolnej kolejności.
- Wybierz THRU, aby zmierzyć wzorzec przejścia. Po zakończeniu pomiaru na tym ekranie nad wzorcem THRU pojawi się znak haczyka.
- Gdy nad wszystkimi wzorcami pojawi się znak haczyka, zapisz kalibrację. Wybierz Next | Save as User Calset. Wpisz nazwę kalibracji i naciśnij przycisk SAVE.
- Sprawdź kalibrację zgodnie ze szczegółami opisanymi w sekcji 3.
- Jeśli nie wybrano kalibracji ręcznej, wybierz opcję kalibracji elektronicznej12. Podłącz zestaw do kalibracji elektronicznej (Rysunek 7) do kabli między portami 1 i 2. Wybierz Response | Cal Menu | Start Cal | Calibration Wizard | Electronic Calibration z opcją kalibracji elektronicznej.
- Wybierz 2-port ECal | Next, a następnie wybierz przycisk Measure. Moduł kalibracji elektronicznej automatycznie zmierzy szereg różnych wzorców i poprosi użytkownika o zapisanie kalibracji na koniec.
- Wybierz Next | Save as User Calset. Wpisz nazwę kalibracji i naciśnij przycisk SAVE.
UWAGA: W przypadku kalibracji elektronicznej do modułu podłączone są tylko kable z portów 1 i 2. Wszystkie wzorce kalibracyjne znajdują się w module. Kalibracja elektroniczna automatycznie skalibruje wzorce wewnętrzne. Jeśli moduł kalibracji elektronicznej nie posiada takich samych typów złączy jak kable, konieczne będzie przeprowadzenie dodatkowej kalibracji, aby zmodyfikować korekcje błędów kalibracji zawarte w module, uwzględniając adaptery. W celu uzyskania instrukcji należy skonsultować się z producentem.
3. Sprawdzanie kalibracji
- Użyj wzorca przejścia (thru), aby sprawdzić kalibrację.
- Podłącz adapter przejścia (Rysunek 6) bez widocznych oznak zużycia do kabli pomiędzy portami 1 i 2. Nie mierz wzorca przejścia używanego do kalibracji. Wybierz inny wzorzec przejścia.
- Wybierz Response | Measure | S21, a następnie Response | Scale | Scale. Ustaw wartość Per Division na 0.1, naciskając przycisk strzałki w dół. Wybierz Stimulus Menu | Trigger | Single, aby zmierzyć straty wstawkowe przejścia. W zakresie częstotliwości pojawi się pojedynczy przebieg.
UWAGA: Dla poprawnej kalibracji wartość przejścia na wykresie logarytmicznej amplitudy powinna mieścić się w granicach 0.05 dB od punktu odniesienia 0 dB (Rysunek 8). Jest to wartość empiryczna uzyskana w ciągu wielu lat kalibracji. Można to zweryfikować, zmieniając skalę na 0.05 dB na działkę. - Po sprawdzeniu przejścia przywróć skalę do 10 dB/działkę, wybierając Response | Scale | Scale i ustawiając wartość Per Division na 10. Wybierz Response | Measure | S1.
- Wybierz Stimulus Menu | Trigger | Single, aby zmierzyć S1. Wartość dla dobrego przejścia wynosi: |S1| = -20 dB (1% odbicia mocy i 10% odbicia napięcia).
UWAGA: Reprezentacja na wykresie Smitha13 wyświetla impedancję. Pomiary S11 i S2 pojawiają się jako mały okrąg w centrum wykresu. Dla poprawnej kalibracji wartość impedancji powinna mieścić się w granicach 0.5 Ω od punktu odniesienia 50 Ω.
- Użyj obciążenia 50 Ω, aby sprawdzić kalibrację.
- Podłącz dopasowane obciążenie 50 Ω do portu 1.
- Wybierz Stimulus Menu | Trigger | Single, aby zmierzyć S1.
UWAGA: Obciążenie dopasowane wynosi mniej niż -20 dB (współczynnik odbicia idealnego obciążenia wynosi 0). Będzie to również widoczne jako mały okrąg w centrum wykresu Smitha (Rysunek 9).
- Użyj otwartego wzorca kalibracyjnego, aby sprawdzić kalibrację.
- Podłącz otwarty wzorzec kalibracyjny.
- Wybierz Stimulus Menu | Trigger | Single, aby zmierzyć S1. Dla obwodu otwartego wartość wynosi 0 dB na wykresie logarytmicznej amplitudy (współczynnik odbicia idealnego obwodu otwartego wynosi 1). Na wykresie Smitha, dla poprawnej kalibracji, obwód otwarty pojawia się jako mały okrąg przy wartości 0 po prawej stronie (Rysunek 9).
- Użyj zwartego wzorca kalibracyjnego, aby sprawdzić kalibrację.
- Podłącz zwarty wzorzec kalibracyjny.
- Wybierz Stimulus Menu | Trigger | Single, aby zmierzyć S1. Dla zwarcia wartość wynosi 0 dB (współczynnik odbicia idealnego zwarcia wynosi -1) na wykresie logarytmicznej amplitudy. Na wykresie Smitha, dla poprawnej kalibracji, wartość pojawia się jako okrąg po lewej stronie (Rysunek 9).
UWAGA: Jeśli test kalibracji nie powzie się, sprawdź połączenia i powtórz kalibrację. Jeśli kalibracja jest poprawna, przejdź do sekcji 4.
4. Pomiar strat komponentów lub układu
- Podłącz badany układ (DUT) do analizatora sieci wektorowego (VNA). Jeśli DUT posiada więcej niż dwa porty (np. przełączniki, dzielniki mocy itp.), do portów niepodłączonych do VNA przytwierdź obciążenia dopasowane 50 Ω, ponieważ moc będzie odbijać się od tych portów i zmieni wynik pomiaru.
- Wybierz Response | Measure | S21.
- Wybierz Stimulus Menu | Trigger | Single, aby zmierzyć DUT.
- Wybierz File | Save Data As…. Wpisz nazwę pliku w polu nazwy pliku. Wybierz typ pliku .CSV lub Trace (*.s2p). Wybierz Scope (w tym przypadku odpowiednia jest wartość domyślna Displayed Traces). Wybierz Format (np. log magnitude and angle, linear magnitude and phase, real and imaginary oraz format wyświetlania [np. wykres Smitha]). Naciśnij SAVE, aby zapisać dane.
- Sprawdź i przeanalizuj wyniki testów filtra pasmowoprzepustowego. Przykład przedstawiono w poniższych krokach.
- Zidentyfikuj fragmenty śladu, umieszczając na nim markery. Wybierz Marker/Analysis | Marker | Marker 1 i naciśnij OK.
- Wybierz Marker/Analysis | Marker Search | Max, aby znaleźć stratę wstawkową filtra na śladzie. Do identyfikacji maksimów i minimów podczas przesuwania markera po punktach częstotliwości można użyć pokrętła na przednim panelu.
- Wybierz Marker/Analysis | Marker < Marker 1, a następnie zaznacz delta marker oraz coupled markers. Wartość tego markera wyświetlana na ekranie powinna wynosić 0 dB. Ustawi to wartość referencyjną dla pozostałych markerów.
- Wybierz Marker/Analysis | Marker… | Marker 2 | ON | coupled markers. Kliknij wewnątrz pola bodźca (stimulus box), aby zaznaczyć częstotliwość, a następnie obracaj pokrętłem, aż odczyt Markera 2 na ekranie wskaże -3 dB.
- Wybierz Marker/Analysis | Marker… | Marker 3 | ON | coupled markers. Kliknij wewnątrz pola bodźca, aby zaznaczyć częstotliwość i obracaj pokrętłem, aż odczyt Markera 3 na ekranie wskaże -3 dB.
- Porównaj zmierzone wartości ze specyfikacjami filtra podanymi przez producenta.
Wyniki
Podczas weryfikacji poprawności działania komponentu istotne jest zapoznanie się ze specyfikacją producenta, która dostępna jest na odpowiednich stronach internetowych. W tym przypadku pomiar filtra (Rysunek 10) przeprowadzono po przeanalizowaniu jego specyfikacji14. Jak pokazano na Rysunku 1, określono straty wstawkowe oraz punkty 3 dB. Zmierzona po kalibracji strata wstawkowa, wskazana przez marker 1, wyniosła 0,83 dB. Znak ujemny oznacza, że była to strata. Strata wstawkowa w referencji jest określona jako 0,8 dB skorygowane (dBa). Zmierzona szerokość pasma 3 dB filtra zmieniła się z 1749 MHz do 1854 MHz. Po odjęciu tych wartości otrzymano wynik 105 MHz, co jest bliskie wartości typowej wynoszącej 104,5 MHz.
Zastosowano tłumiki 10 dB zaprojektowane tak, aby wytrzymały moc wejściową 50 W, zgodnie ze specyfikacją producenta15. Specyfikacja tłumienia dla tego tłumika wynosi 10 dB ± 0,5 dB. W pewnym momencie do tłumika podano moc wejściową przekraczającą 50 W, co spowodowało jego uszkodzenie. Do sprawdzenia jakości tego komponentu użyto skalibrowanego analizatora sieci wektorowej (VNA). Ponownie podkreśla się, że w celu zapewnienia jakości należy zmierzyć każdy komponent przed wszystkimi pomiarami terenowymi. Pomiar badanego urządzenia (DUT) przedstawiono na Rysunku 12. Dla porównania, pomiar sprawnego tłumika 10 dB przedstawiono na Rysunku 13. Należy zauważyć, że zmierzona wartość przy 1750 MHz wynosiła 9,8 dB, co mieści się w określonym zakresie od -9,5 do -10,5 dB w całym pasmie 170–190 MHz.
Na koniec, straty na kablu są kolejnym ważnym pomiarem często wykonywanym podczas pomiarów wysokich częstotliwości. Specyfikacje dla mierzonego kabla znajdują się na stronie 5 arkusza danych16. Tłumienie na stopę (dB/ft) wynosiło 0,05 dB przy 1 GHz, czyli 0,16 dB/m. Według producenta, zmierzony kabel o długości 36 stóp/1 m miał określoną stratę na poziomie ~1,8 dB. Zmierzona strata jest przedstawiona na Rysunku 14. Przy częstotliwości 1750 MHz zmierzona strata wyniosła -1,8 dB (co po zaokrągleniu w górę do najbliższej dziesiątej decybela daje wartość 1,9 dB).
Rycina 1: Włączanie VNA. Czerwone koło oznacza położenie przycisku zasilania VNA. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Rysunek 2: Wysokiej jakości kable o stabilnej fazie podłączone do dwóch portów VNA. Kable są mocowane do przedniego panelu VNA za pomocą klucza dynamometrycznego z momentem obrotowym 8 in.lbf. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Rysunek 3: Czyszczenie złączy. (A) czyszczenie wewnętrznego przewodnika, (B) oczyszczenie przewodnika zewnętrznego i gwintów, oraz (C) delikatnie osuszając złącze za pomocą sprężonego powietrza. Aby wyświetlić powiększoną wersję tej ilustracji, kliknij tutaj.
Rysunek 4: Klucz dynamometryczny o zakresie 12 cali-funtów (in.lbf) do złączy typu N. Ten klucz służy do dokręcania połączeń między kablami VNA a badanym urządzeniem (DUT). Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Rysunek 5: Zestaw kalibracyjny typu N. Przedstawiony tutaj zestaw kalibracyjny zawiera wzorce rozwarcia, zwarcia, obciążenia i przejścia, które są wykorzystywane do kalibracji błędów w VNA. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Rysunek 6: Standardy kalibracyjne typu N. Fotografie męskich i żeńskich wzorców kalibracyjnych wykorzystanych podczas kalibracji. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Rycina 7: Elektroniczny moduł kalibracyjny. Fotografia elektronicznego modułu kalibracyjnego. Aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.
Rysunek 8: Kontrola kalibracji Thru po kalibracji na wykresie logarytmicznej amplitudy w funkcji częstotliwości w GHz. Wartość przejścia (thru) wynosi 0,01 dB przy częstotliwości 1,8 GHz. Przedstawiono tutaj wartość przejścia jako funkcję częstotliwości w GHz po kalibracji. Przejście służy jako kontrola kalibracji w celu upewnienia się, że kalibracja jest prawidłowa. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Rysunek 9: Wyjaśnienie wykresu Smitha. Wartości rzeczywiste i urojone impedancji dla impedancji standardowych przedstawiono na rysunku po lewej stronie, natomiast wartości modułu impedancji przedstawiono na rysunku po prawej stronie.17Ten rysunek wykresu Smitha przedstawia zarówno rzeczywistą, jak i urojoną impedancję po lewej stronie, a także moduł impedancji po prawej stronie. Aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.
Rysunek 10: Filtr RF wstawiony pomiędzy portami 1 i 2. Fotografia filtra RF wstawionego pomiędzy portami 1 i 2 na końcach kabli VNA podczas pomiarów. Aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.
Rysunek 1: Pomiar strat wstawkowych i punktów 3 dB dla filtra RF o specyfikacjach podanych w Rysunek 9. Jest to zrzut ekranu z VNA wykonany podczas pomiaru filtra RF pokazanego w Rysunek 10. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Rycina 12: Pomiar tłumika 10 dB niezgodny z jego specyfikacją. Wartość pomiarowa wynosi -22,70 dB przy częstotliwości 1,7 GHz, a jej specyfikacja to 10 dB ± 0,5 dB. Przedstawiono również pomiar tłumika 10 dB, który nie mieści się już w ramach swojej specyfikacji. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Rysunek 13: Pomiar tłumika 10 dB w ramach jego specyfikacji. Zmierzona wartość wyniosła -9,8 dB. Przedstawiono również pomiar tłumika 10 dB, który mieści się w granicach specyfikacji. Aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.
Rycina 14: Pomiar 36-stopowego (1 m) kabla koncentrycznego o określonej wartości tłumienia 0,05 dB/ft. Przewidywane straty na długości kabla wynosiły ok. 1,8 dB, co jest zgodne z wartością pomiarową -1,9 dB przy częstotliwości 1,87 GHz. Przedstawiono również pomiar kabla wykazujący, że zmierzone straty mieszczą się w specyfikacji producenta. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
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.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
Dziękujemy Defense Spectrum Office (DSO) za sfinansowanie tej pracy.
Materiały
| 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 |
Bibliografia
- Commerce Spectrum Management Advisory Committee. 1755-1850 MHz Airborne Operations: Air Combat Training System Sub-Working Group Final Report. , (2014).
- Hammerschmidt, C. A., Johnk, R. T., McKenna, P. M., Anderson, C. R. Best Practices for Radio Propagation Measurements. U.S. Dept. of Commerce. , NTIA Technical Memo TM-19-535 (2018).
- Molisch, A. Wireless Communications - 2nd edition. , J. Wiley & Sons, Ltd. Hoboken, NJ. (2010).
- Anderson, C. R. Design and Implementation of an Ultrabroadband Millimeter-Wavelength Vector Sliding Correlator Channel Sounder and In-Building Multipath Measurements at 2.5 & 60 GHz. , Virginia Polytechnic Institute and State University. Master's Thesis (2002).
- Network Analyzer Basics. Keysight Technologies. , Available from: http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5965-7917E.pdf (2019).
- Rytting, D. Network Analyzer Error Models and Calibration Methods. , Available from: http://emlab.uiuc.edu/ece451/appnotes/Rytting_NAModels.pdf (2019).
- Rytting, D. Advances in Microwave Error Correction Techniques, Hewlett-Packard. RF & Microwave Measurement Symposium and Exhibition. , Available from: http://na.support.keysight.com/faq/adv-ocr.pdf (2019).
- Kerns, D. M., Beatty, R. W. Basic Theory of Waveguide Junctions and Introductory Microwave Network Analysis (Monographs on Electromagnetic Waves). , Pergamon Press. (1967).
- Engen, G. F. Microwave Circuit Theory and Foundations of Microwave Metrology. , Peter Peregrinus, Ltd. London, UK. (1992).
- Witte, R. A. Spectrum and Network Measurements. , Noble Publishing Corporation. Atlanta, GA. (2001).
- Jargon, J. A., Williams, D. F., Hale, P. D. Developing Models for Type-N Coaxial VNA Calibration Kits within the NIST Microwave Uncertainty Framework. 87th ARFTG Microwave Measurement Conference. , Francisco, CA. (2016).
- Keysight Electronic Calibration Modules. Keysight Technologies. , Available from: https://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/N7550-90002.pdf?id=2852836 (2019).
- Smith, P. H. Electronic Applications of the Smith Chart. , Electromagnetics and Radar, SciTech Publishing, Inc. Raleigh, NC. (2006).
- K&L Microwave. , Available from: http://www.klfilterwizard.com/klfwpart.aspx?FWS=1222001&PN=8FV50-1802_fT95-O_2fO (2019).
- Mini-Circuits. , Available from: http://www.minicircuits.com/WebStore/dashboard.html?model=BW-N10W50_2B (2019).
- Utiflex Flexible Microwave Cable Assemblies Brochure. , Available from: https://rf.cdiweb.com/datasheets/micro-coax/UtiflexCableAssemblies.pdf 5(2019).
- Smith Chart Explanation. , Available from: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Smith_chart_explanation.svg (2019).
- Camell, D., Johnk, R. T., Novotny, D., Grosvenor, C. Free-Space Antenna Factors through the Use of Time-Domain Signal Processing. IEEE Intl. Symp. Electromag. Compat. , (2007).
- Baker-Jarvis, J., Janezic, M. D., Krupka, J. Measurements of Coaxial Dielectric Samples Employing Both Transmission/Reflection and Resonant Techniques to Enhance Air-Gap Corrections+. Intl. Conf. Microw., Radar & Wireless Communications. , (2006).
- Grosvenor, C., Camell, D., Koepke, G., Novotny, D., Johnk, R. T. Electromagnetic Airframe Penetration Measurements of a Beechcraft Premiere 1A. NIST Technical Note 1548. , (2008).
Przedruki i uprawnienia
