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Calibração do Analisador de Rede Vetorial para Medições em Canais de Propagação de Radiofrequência

doi: 10.3791/60874 Published: June 2, 2020

Summary

Este protocolo descreve as melhores práticas para calibrar um analisador de rede vetorial antes de ser usado como um instrumento preciso, destinado a medir componentes de um sistema de teste de medição de propagação de radiofrequência.

Abstract

As medições in situ da atividade de espectro de radiofrequência (RF) fornecem uma visão da física da propagação de ondas de radiofrequência e validam modelos existentes e novos modelos de propagação de espectro. Ambos os parâmetros são essenciais para apoiar e preservar o compartilhamento de espectro livre de interferências, uma vez que o uso do espectro continua a aumentar. É vital que tais medidas de propagação sejam precisas, reprodutíveis e livres de artefatos e preconceitos. Caracterizar os ganhos e perdas dos componentes utilizados nessas medições é vital para sua precisão. Um analisador de rede vetorial (VNA) é um equipamento bem estabelecido, altamente preciso e versátil que mede a magnitude e a fase dos sinais, se devidamente calibrado. Este artigo detalha as melhores práticas para calibrar um VNA. Uma vez calibrado, pode ser usado para medir com precisão componentes de um sistema de medição de propagação (ou sondagem de canal) configurado corretamente ou pode ser usado como um sistema de medição em si.

Introduction

O Institute for Telecommunication Sciences (ITS) é o laboratório de pesquisa da National Telecommunications and Information Administration (NTIA), uma agência do Departamento de Comércio dos EUA. A ITS atua nas medições de propagação de rádio desde a década de 1950. O compartilhamento de espectro, o novo paradigma para usuários federais e comerciais de espectro, exige que dois sistemas diferentes compartilhem o mesmo espectro de radiofrequência ao mesmo tempo. À medida que os cenários de compartilhamento de espectro aumentam, também aumenta a necessidade de medições precisas e reprodutíveis de propagação de rádio que proporcionem uma melhor compreensão do ambiente de rádio, que vários serviços devem compartilhar. O objetivo do procedimento descrito é garantir que quaisquer componentes que compõem tal sistema sejam bem caracterizados por um VNA configurado com precisão.

Embora a demanda por espectro aumente, nem sempre é possível liberar rapidamente o espectro que atualmente é usado por agências federais para fins comerciais. Por exemplo, na banda Advanced Wireless Services (AWS)-3 (1755-1780 MHz), acordos de compartilhamento de espectro estão sendo desenvolvidos entre serviços militares e operadoras sem fio comerciais1. Esses arranjos permitem que as operadoras sem fio comerciais entrem na banda AWS-3 antes de completar a transição dos serviços militares para fora da banda.

A Defense Spectrum Organization (DSO) foi encarregada de gerenciar a transição AWS-3. Uma parte fundamental da transição envolve o desenvolvimento de novos modelos de propagação para avaliar o potencial de interferência de RF entre sistemas sem fio militares e comerciais que compartilham a banda. O DSO encarregou a ITS e outras de realizar uma série de medições de som de canais para construir novos modelos que calculem melhor o impacto das folhagens e das estruturas artificiais no ambiente (coletivamente conhecidas como desordem). Uma modelagem de propagação melhorada que considera desordem levará a menos restrições aos transmissores comerciais nas proximidades dos sistemas militares.

Medições in situ da atividade do espectro RF fornecem insights sobre a física da propagação de ondas RF e validam modelos existentes e novos de propagação de rádio. Ambos os componentes são essenciais para apoiar e preservar o compartilhamento de espectro livre de interferências. Técnicas de som do canal, nas quais um sinal de teste conhecido é transmitido de um local específico para um receptor móvel ou estacionário, fornecem dados que estimam características de canais de rádio em diferentes ambientes. Os dados são usados para desenvolver e melhorar modelos que predizem com mais precisão perdas de propagação ou atenuação do sinal. Essas perdas podem ser decorrentes de bloqueio e reflexão por edifícios e outros obstáculos (ou seja, árvores ou terrenos em cânions urbanos). Esses obstáculos produzem múltiplos, ligeiramente variantes, caminhos de propagação resultando em perda de sinal ou atenuação entre a antena de transmissão e recebimento.

As técnicas de medição ITS produzem resultados precisos, repetitivos e imparcial. O DSO tem incentivado a ITS a compartilhar seu conhecimento institucional com a comunidade técnica mais ampla. Esse conhecimento inclui como medir e processar os dados de propagação de RF de forma otimizada. O memorando técnico recentemente publicado NTIA TM-19-5352,3,4,5 descreve um conjunto de melhores práticas para a preparação e verificação de sistemas de medição de radioapropriação de rádio. Como parte dessas práticas recomendadas, um VNA é usado para medir com precisão as perdas ou ganhos de componentes de um sistema de medição. Os ganhos e perdas são então usados para calcular a atenuação do sinal entre duas antenas.

O protocolo aqui apresentado aborda as melhores práticas para calibrar um VNA5 antes de testes em aplicações de laboratório ou de campo. Estes incluem tempo de aquecimento, seleção do tipo de conector RF, fazer conexões adequadas e desempenho de etapas de calibração apropriadas. A calibração deve ser realizada em um ambiente de laboratório controlado antes da coleta de dados no contexto de um cenário específico de medição de propagação. Considerações adicionais podem ser relevantes para ambientes específicos de medição de propagação, que estão fora do escopo deste protocolo.

O VNA é usado para medir características do dispositivo de componentes e sub-conjuntos ao montar outros sistemas de medição. Amplificadores de energia, receptores, filtros, amplificadores de baixo ruído, misturadores, cabos e antenas são todos componentes que podem ser caracterizados por um VNA. Antes de testar e/ou calibrar um sistema, uma lista de todos os componentes necessários do sistema é preparada e todos os componentes do sistema são montados. Cada componente de um sistema é medido separadamente inserindo-os entre os cabos VNA. Isso garante que todos os componentes estejam operando dentro das especificações do fabricante. Uma vez verificados os componentes, o sistema é montado, e as perdas em todo o sistema são medidas. Isso garante que reflexões e transmissões entre componentes sejam devidamente caracterizadas.

Um VNA mede parâmetros de dispersão (parâmetros S), que são quantidades de valor complexo com magnitude e fase. Um parâmetro S é uma medição racionada do sinal refletido 1 para o sinal de incidente (medição de reflexo) ou 2) do sinal transmitido para o sinal incidente (medição de transmissão). Para um dispositivo de duas portas, podem ser medidos quatro parâmetros S (S11, S21, S12e S22). O primeiro subscrito refere-se à porta onde o sinal é recebido, e o segundo refere-se à porta onde o sinal é transmitido. Assim, s11 significa que o sinal transmitido originou-se na porta 1 e foi recebido no porto 1. Além disso, s21 significa que o sinal transmitido originou-se novamente na porta 1, mas é recebido na porta 2. S11 mede a quantidade de sinal que é refletida pelo dispositivo em teste (DUT) na porta 1 com referência ao sinal original que foi incidente na porta 1. S21 mede a quantidade de sinal que é transmitida através do DUT e chega ao porto 2 com referência ao sinal de incidente na porta 1. S11 é uma medida do coeficiente de reflexão do DUT na porta 1, e S21 é uma medida do coeficiente de transmissão do DUT da porta 1 para a porta 2.

É necessária uma calibração do VNA para remover os erros sistemáticos dos componentes até (e incluindo) o plano de referência de medição, que normalmente está no final dos cabos de medição VNA. Uma calibração remove os erros do sistema medindo padrões conhecidos "perfeitos" (aberto, shorts, cargas, thru/line) e comparando-os com o valor que o VNA mede. Através de uma série de correções de erro, um valor corrigido para o DUT é exibido. Atualmente, existem 12 termos de erro6,7 que são caracterizados durante a calibração. Para obter mais informações, consulte as medições originais de parâmetros S que foram feitas em analisadores de rede de seis portas8 suportados pela teoria clássica do circuito de micro-ondas9,,10.

Os tipos mais comuns de medições de reflexão de parâmetros S são perda de retorno, relação de onda permanente (SWR), coeficiente de reflexão e correspondência de impedância. Os tipos mais comuns de medições de transmissão de parâmetros S são perda de inserção, coeficiente de transmissão, ganho/perda, atraso de grupo, atraso de fase ou fase e atraso elétrico. As medidas de perda de transmissão são enfatizadas no protocolo descrito.

A medição dos ganhos e perdas dos componentes do sistema usando um VNA é bem compreendida. No entanto, passos importantes são muitas vezes ignorados, como limpar conectores e usar uma chave de torque adequada. Este protocolo fornece todas as etapas e explicações necessárias sobre por que algumas são particularmente importantes. Também servirá como um prelúdio para um artigo futuro descrevendo como realizar medições de propagação de RF, incluindo os cálculos de atenuação de sinal.

Protocol

1. Configuração VNA

  1. Reúna todos os componentes do sistema de medição de propagação, incluindo cabos, amplificadores, filtros, DUTs (que podem ser subconjuntos) e outros componentes.
  2. Ligue o VNA (Figura 1),e deixe aquecer por pelo menos 0,5 h para garantir que todos os componentes internos do VNA sejam uma temperatura de funcionamento estável e que a deriva de fase seja minimizada.
  3. Pressione o botão Predefinição.
  4. Conecte cabos de alta qualidade e estáveis em fases às portas 1 e 2 do VNA(Figura 2).
  5. Aperte os conectores nas portas VNA com um 8 in.lbf. chave de torque. Para torque adequado uma conexão, segure a extremidade da pega e empurre suavemente a pega sem permitir que a pega quebre todo o caminho.
  6. Inspecione visualmente todos os cabos e conectores em busca de sinais óbvios de desgaste, como cortes, amassados e fios de conectore imperfeitos.
  7. Verifique as especificações do fabricante para obter faixas de medição válidas para todos os cabos, conectores e DUTs. Essas especificações podem incluir temperatura, umidade, frequência e potência.
  8. Limpe os conectores em todos os dispositivos e extremidades do cabo. Use cotonetes especificamente projetados para limpar eletrônicos e conectores sensíveis. O uso de cabos com conectores sujos pode resultar em danificar as superfícies condutoras dos cabos e produzir medidas imprecisas.
    1. Mergulhe um cotonete em álcool isopropílico.
    2. Limpe suavemente o condutor central (Figura 3A) usando o cotonete umedecido. Não exerça muita força no condutor central, pois é facilmente danificado.
    3. Limpe o condutor externo de cada conector(Figura 3B). Limpe os fios da porca de acoplamento.
    4. Seque todos os cabos e extremidades do conector usando ar comprimido limpo(Figura 3C). Se o ar comprimido esfriar o conector, permita que o conector retorne à temperatura ambiente (RT) antes de fazer e apertar todas as conexões.
  9. Alinhe e faça conexões entre cabos VNA nas portas 1 e 2 e no DUT. Aperte com 12 in.lb. chave de torque para conexões tipo N(Figura 4). Certifique-se de que as extremidades do cabo estão adequadamente alinhadas.
    1. Comece a girar o conector no lado DUT nos fios do cabo VNA. As conexões adequadas permitem que a porca gire livremente com pouca resistência. Resistência é um sinal de rosca cruzada. O desalinhamento pode danificar o conector ou causar reflexos de sinal e perda de sinal. Não aperte demais o conector, pois isso danificará o conector.
    2. Disponha os cabos do VNA para que se movam minimamente durante a calibração. Os cabos de calibração são estáveis em fase e, idealmente, não são dobrados ou movidos durante a calibração.
  10. Ajuste os parâmetros de medição VNA de acordo com as especificações do DUT. A faixa de frequência também pode ser selecionada usando a frequência central e a faixa de frequência conhecida como "extensão".
    1. Selecione o intervalo de frequência. Escolha menu de estímulo | Freq | Frequência inicial: 1700 MHz. Escolha menu de estímulo | Freq | Frequência de parada: 1900 MHz.
    2. Selecione o tipo de medição (por exemplo, S11, S12, S21, S22). Escolha menu de resposta | Medida | S21.
    3. Selecione e ajuste a energia da porta. Escolha menu de estímulo | Poder | Ajuste a potência da porta: 0 dBm. Certifique-se de que a potência de saída seja igual (ou abaixo) da especificação de potência máxima DUT.
    4. Selecione e ajuste as configurações de varredura. Escolha menu de estímulo | Varrer | Tipo de varredura: Pisou. Escolha menu de estímulo | Varrer | tempo | Tempo de varredura: 1 seg. Em seguida, escolha Menu de Estímulo | Varrer | Configuração de varredura | Tempo de moradia: 0 μseg.
      NOTA: Uma varredura escalonado é o tipo de varredura mais preciso, pois ele pisa em cada frequência e habita em uma frequência antes de fazer uma medição. Se usar cabos longos, o tempo de moradia pode precisar ser aumentado para garantir que o sinal chegue ao receptor após a medição. Um tempo de moradia de 0 μs é uma configuração padrão ideal.
    5. Selecione e ajuste o modo de média escolhendo o Menu de Resposta | Média | Média: IFBW: 1 kHz.
      NOTA: Escolha o tipo de média apropriada: "média de ponto" em médias a cada ponto de frequência um número de vezes especificadas (ou seja, 2, 4 16, 32, etc.), o que reduz o piso de ruído e a incerteza, mas aumenta o tempo de varredura. O IFBW usa um filtro para medir a energia em uma pequena largura de banda, o que também reduz o piso de ruído, mas requer menos tempo de medição. A média ifwb tende a ser uma técnica de média mais ideal.
    6. Escolha o formato de dados exibido (por exemplo, LogMag [configuração padrão], Gráfico de Smith, SWR, etc.) selecionando Menu de Resposta | Formato | LogMag.
    7. Escolha o número de pontos de dados no rastreamento exibido usando o Menu de Estímulo | Varrer | Número de pontos: 1601.
      NOTA: O número de pontos é definido para que a cobertura de frequência máxima possa ser alcançada entre as frequências de início e parada:

Equation 1

No exemplo acima, o tamanho da etapa ou espaçamento de frequência é de 0,125 MHz, de modo que a frequência(1) = 1700.000 MHz, frequência(2) = 1700.125 MHz, ... frequência(1600) = 1899.875 MHz, frequência(1601) = 1900 MHz.

2. Calibração do VNA

  1. Escolha uma calibração manual ou eletrônica, se um módulo de calibração eletrônica estiver disponível e desejado (ver seção 2.11). Qualquer calibração é precisa.
  2. Escolha calibração manual selecionando resposta | Cardápio cal | Start Cal | Assistente de Calibração | Sem orientação.
    1. Escolha o kit de calibração adequado para que se saiba um valor preciso das normas do kit de calibração específico(Figura 5). Aqui, escolha 85054D e escolha a calibração de carga aberta de duas portas (SOLT) (para um DUT com duas portas). Outras calibrações disponíveis são uma porta única para um dispositivo com uma única porta, além de uma calibração de resposta. O SOLT é a opção mais precisa11.
    2. Escolha o Next para ir para a próxima tela.
  3. Conecte um padrão de calibração aberto(Figura 6) ao cabo ligado à porta 1. Um padrão de calibração aberto tem uma cavidade aberta atrás do conector para simular uma impedância de espaço livre de 377 Ω.
  4. Conecte um curto padrão de calibração ao cabo ligado à porta 2. Um curto tem uma placa de metal atrás do conector para que a tensão de entrada seja completamente refletida.
    1. Escolha a Porta 1 | ABERTO | Tipo N (50) mulher aberta,que realiza uma medição do aberto anexado. Um traço aparecerá na tela VNA, inclinando-se suavemente para longe de um nível de referência de 0 dB em um formato de exibição S11, de magnitude de log para o padrão aberto. Uma vez que a medição esteja completa (uma marca de verificação aparecerá acima do padrão), pressione o botão OK para continuar. Isso enviará o usuário de volta para a tela anterior.
    2. Escolha um padrão de calibração masculino ou feminino com o conector do mesmo sexo como o do DUT (ou seja, um padrão de calibração masculino tem o pino central, e um padrão de calibração feminino terá uma porta inserível). VNAs mais antigas requerem um padrão de calibração baseado no sexo do cabo VNA.
    3. Escolha a Porta 2 | CURTO | Tipo N (50) curta feminina,que realiza uma medição do curto anexado. Um traço aparecerá na tela VNA, inclinando-se suavemente para longe de um nível de referência de 0 dB em um formato de exibição S11, de magnitude de log para o padrão curto. Uma vez que a medição esteja completa (uma marca de verificação aparecerá acima do padrão), pressione o botão OK para continuar. Isso enviará o usuário de volta para a tela anterior.
  5. Troque os padrões de calibração entre as portas (ou seja, conecte o padrão de calibração aberta à porta 2 e, em seguida, conecte o padrão de calibração curto à porta 1).
    1. Escolha a Porta 1 | CURTO | Tipo N (50) curta feminina para medir o curto na porta 1. Um traço aparecerá na tela VNA, inclinando-se suavemente para longe de um nível de referência de 0 dB em um formato de exibição S11, de magnitude de log para o padrão curto. Uma vez que a medição esteja completa (uma marca de verificação aparecerá acima do padrão), pressione o botão OK para continuar. Isso enviará o usuário de volta para a tela anterior.
    2. Escolha a Porta 2 | ABERTO | Tipo N (50) fêmea aberta para medir a abertura na porta 2. Um traço aparecerá na tela VNA, inclinando-se suavemente para longe de um nível de referência de 0 dB em um formato de exibição S11, de magnitude de log para o padrão aberto. Uma vez que a medição esteja completa (uma marca de verificação aparecerá acima do padrão), pressione o botão OK para continuar. Isso enviará o usuário de volta para a tela anterior.
  6. Remova o curto da porta 1 e coloque uma carga de banda larga na porta 1. Uma carga absorve a energia de entrada, o que resulta em um pequeno reflexo sobre uma grande variedade de frequências.
    1. Escolha a Porta 1 | CARGAS | Carga de banda larga tipo N (50) para medir a carga na porta 1. Uma vez que a medição esteja completa (uma marca de verificação aparecerá acima do padrão), pressione o botão OK para continuar. Isso enviará o usuário de volta para a tela anterior.
    2. Mantenha o padrão de calibração atual na porta 2. Não deixe a porta aberta, pois pode fornecer um caminho para sinais de vazamento. Um traço aparecerá na tela VNA e variará através da tela. Todos os valores medidos em um S11, formato de exibição de magnitude de log serão inferiores a -20 dB para uma boa carga.
  7. Remova o aberto da porta 2, pegue a carga de banda larga da porta 1 e coloque a carga de banda larga na porta 2. Coloque a abertura da porta 2 na porta 1 para evitar sinais de vazamento.
    1. Escolha a Porta 2 | CARGAS | Carga de banda larga tipo N (50) para medir a carga na porta 2. Um traço aparecerá na tela VNA e variará através da tela. Todos os valores medidos em um S11, formato de exibição de magnitude de log serão inferiores a -20 dB para uma boa carga. Uma vez que a medição esteja completa (uma marca de verificação aparecerá acima do padrão), pressione o botão OK para continuar. Isso enviará o usuário de volta para a tela anterior.
  8. Insira um padrão de calibração entre os cabos ligados às portas 1 e 2. Este é tipicamente um adaptador com os conectores do mesmo sexo em ambas as extremidades.
    1. Escolha THRU para medir o padrão de calibração. Uma vez que a medição esteja concluída, uma marca de verificação aparecerá acima do padrão THRU nesta tela.
      NOTA: A medição de isolamento pode normalmente ser omitida durante a calibração, pois o isolamento mede o crosstalk entre os cabos e seu valor é muitas vezes muito pequeno em comparação com outras normas. As medidas de calibração acima podem ser feitas em qualquer ordem.
  9. Uma vez que todos os padrões tenham uma marca de verificação acima deles, salve a calibração. Escolha o Próximo | Salvar como Calset do usuário. Digite um nome para a calibração e pressione o botão SAVE.
  10. Verifique a calibração conforme detalhado na seção 3.
  11. Se uma calibração manual não for escolhida, escolha a opção de calibração eletrônica12. Conecte o kit de calibração eletrônica(Figura 7) aos cabos entre as portas 1 e 2. Selecionar resposta | Cardápio cal | Start Cal | Assistente de Calibração | Calibração Eletrônica com a opção de calibração eletrônica.
    1. Escolha ECal de 2 portas | Em seguida,selecione o botão Medir. O módulo de calibração eletrônica irá medir automaticamente uma série de padrões diferentes e solicitará ao usuário que salve a calibração no final.
    2. Escolha o Próximo | Salvar como Calset do usuário. Digite um nome para a calibração e pressione o botão SAVE.
      NOTA: Para uma calibração eletrônica apenas os cabos das portas 1 e 2 estão conectados ao módulo. Todas as normas de calibração estão contidas no módulo. A calibração eletrônica calibrará automaticamente as normas internas. Se o módulo de calibração eletrônica não tiver os mesmos tipos de conectores que os cabos, então uma calibração adicional precisará ser concluída para modificar as correções de erro de calibração contidas no módulo para contabilizar os adaptadores. Certifique-se de verificar com o fabricante para obter orientações.

3. Verificando a calibração

  1. Use um thru para verificar a calibração.
    1. Conecte um adaptador thru (Figura 6) sem sinais óbvios de desgaste aos cabos entre as portas 1 e 2. Não meça o padrão thru. Escolha um thru diferente.
    2. Escolha resposta | Medida | S21, depois Resposta | Escala | Escala. Defina o valor de Per Division para 0.1 pressionando o botão de seta para baixo. Escolha menu de estímulo | Gatilho | Único para medir a perda de inserção do thru. Uma única varredura aparecerá em toda a faixa de frequência.
      NOTA: O valor do thru em uma parcela de magnitude de registro está dentro de 0,05 dB da referência 0 dB(Figura 8) para calibração suficiente. Este é um valor empírico obtido ao longo de muitos anos de calibrações. Isso pode ser visto alterando a escala para 0,05 dB por divisão.
    3. Uma vez verificado o thru, devolva a escala de volta para 10 dB/divisão escolhendo Resposta | Escala | Dimensione e defina o valor por divisão para 10. Escolha resposta | Medida | S11.
    4. Escolha menu de estímulo | Gatilho | Único para medir S11. O valor de um bom thru é o seguinte: | S11| = -20 dB (1% de reflexo na potência e 10% de reflexão na tensão).
      NOTA: A representação do GráficoSmith 13 exibe impedância. As medições de S11 e S22 aparecem como um pequeno círculo no centro do gráfico. O valor de impedância está dentro de 0,5 Ω da referência de 50 Ω para calibração suficiente.
  2. Use uma carga de 50 Ω para verificar a calibração.
    1. Conecte uma carga de 50 Ω combinada à porta 1.
    2. Escolha menu de estímulo | Gatilho | Único para medir S11.
      NOTA: Uma carga combinada é inferior a -20 dB (o coeficiente de reflexão de uma carga ideal é 0). Isso também aparecerá como um pequeno círculo no centro do Gráfico smith (Figura 9).
  3. Use um padrão de calibração aberto para verificar a calibração.
    1. Conecte um padrão de calibração aberto.
    2. Escolha menu de estímulo | Gatilho | Único para medir S11. Uma abertura é 0 dB em um gráfico de magnitude de tronco (o coeficiente de reflexão de um aberto ideal é 1). Em um Gráfico Smith, o aberto aparece como um pequeno círculo em 0 na extrema direita (Figura 9) para calibração suficiente.
  4. Use um padrão de calibração curto para verificar a calibração.
    1. Conecte um padrão de calibração curto.
    2. Escolha menu de estímulo | Gatilho | Único para medir S11. Um curto é 0 dB (o coeficiente de reflexão de um curto ideal é -1) na trama de magnitude do tronco. No Gráfico smith, o valor aparece como um círculo na extrema esquerda (Figura 9) para calibração suficiente.
      NOTA: Se um teste de calibração falhar, verifique as conexões e repita a calibração. Se a calibração for boa, continue até a seção 4.

4. Medição de componentes ou perdas do sistema

  1. Conecte o DUT ao VNA. Se o DUT tiver mais de duas portas (ou seja, interruptores, divisores de energia, etc.), conecte cargas combinadas de 50 Ω às portas que não estão conectadas ao VNA, pois a energia será refletida a partir dessas portas e alterará a medição.
  2. Selecionar resposta | Medida | S21.
  3. Selecione menu de estímulo | Gatilho | Único para medir o DUT.
  4. Selecionar arquivo | Salvar dados como... . Digite um nome de arquivo na caixa de nome do arquivo. Escolha um tipo de arquivo de qualquer um . CSV ou Trace (*.s2p). Escolha o Escopo (o valor padrão dos traços exibidos é apropriado aqui). Escolha um formato (por exemplo, magnitude e ângulo de registro, magnitude e fase linear, real e imaginário, e formato exibido [como um Gráfico smith]). Pressione SAVE para salvar os dados.
  5. Verifique e analise os resultados dos testes de um filtro de bandpass. Um exemplo é descrito nas etapas a seguir.
    1. Identifique partes do traço colocando marcadores no rastro. Selecione marcador/análise | Marcador | Marcador 1 e pressione OK.
    2. Selecione marcador/análise | Pesquisa de marcadores | Max para encontrar a perda de inserção do filtro de rastreamento. O botão no painel frontal também pode ser usado para identificar maxima e minima enquanto varre o marcador através de pontos de frequência.
    3. Selecione marcador/análise | Marcador < Marcador 1, em seguida, selecione marcador delta e marcadores acoplado. O valor deste marcador como mostrado na tela deve ler 0 dB. Isso definirá um valor de referência para os outros marcadores.
    4. Selecione marcador/análise | Marcador... | Marcador 2 | ON | marcadores acoplado. Clique dentro da caixa de estímulo para destacar a frequência e, em seguida, mova o botão até que a leitura do Marcador 2 na tela mostre -3 dB.
    5. Selecione marcador/análise | Marcador... | Marcador 3 | ON | marcadores acoplado. Clique dentro da caixa de estímulo para destacar a frequência e mover o botão até que a leitura do Marcador 3 na tela mostre -3 dB.
    6. Compare os valores medidos com os das especificações do filtro do fabricante.

Representative Results

Ao verificar se um componente está funcionando corretamente, é importante consultar as especificações do fabricante, que podem ser encontradas em seus respectivos sites. Aqui, o filtro (Figura 10) foi medido após consulta às suas especificações14. Conforme mostrado na Figura 11,identificou-se a perda de inserção, bem como os 3 pontos dB. A perda de inserção medida após a calibração, como mostrado pelo marcador 1, teve uma magnitude de 0,83 dB. O sinal negativo indica que foi uma perda. A perda de inserção na referência é especificada para ser ajustada em 0,8 dB (dBa). A largura de banda de 3 dB medida do filtro mudou de 1749 MHz para 1854 MHz. Quando subtraído, isso rendeu um valor de 105 MHz, que é próximo ao valor típico de 104,5 MHz.

Existem 10 atenuadores dB construídos para suportar uma potência de entrada de 50 W, conforme descrito pelas especificações do fabricante15. A especificação de atenuação para este atenuador é de 10 dB ± 0,5 dB. Em algum momento, uma potência de entrada maior que 50 W foi entrada no atenuante, o que danificou o atenuante. Um VNA calibrado foi usado para verificar a qualidade deste componente. Mais uma vez, é importante medir cada componente antes de todas as medições de campo para garantia de qualidade. A medição do DUT é mostrada na Figura 12. Em comparação, a medição de um bom atenuador de 10 dB é mostrada na Figura 13. Deve-se notar que o valor medido foi de 9,88 dB a 1750 MHz, que está dentro da faixa especificada de -9,5 a -10,5 dB em toda a largura de banda de 1700-1900 MHz.

Finalmente, a perda de cabos é outra medida importante frequentemente realizada em medições de radiofrequência. As especificações do cabo medido podem ser encontradas na página 5 da fichatécnica 16. A atenuação por pé (dB/ft) foi de 0,05 dB a 1 GHz, ou 0,16 dB/m. Um cabo medido com um comprimento de 36 pés/11 m teve uma perda especificada de ~1,8 dB, de acordo com o fabricante. A perda medida é mostrada na Figura 14. Em uma frequência de 1750 MHz, a perda medida foi de -1,88 dB (que, quando arredondada até o décimo mais próximo de um decibéis, é de magnitude de 1,9 dB).

Figure 1
Figura 1: Ligar o VNA. O círculo vermelho representa a localização do botão de alimentação VNA. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: Cabos de alta qualidade e estáveis em fases ligados a duas portas VNA. Os cabos são anexados ao painel frontal do VNA usando um 8 in.lbf. chave de torque. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: Limpeza de conectores. (A) Limpeza do condutor interno, (B) limpeza do condutor externo e roscas, e (C) soprar suavemente secando o conector usando ar comprimido. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: Uma chave de torque de 12 in.lbf. para conectores tipo N. Esta chave é usada para apertar conexões entre os cabos VNA e DUT. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5: Kit de calibração tipo N. Aqui mostrado é um kit de calibração contendo padrões abertos, curtos, de carga e através dos padrões usados para calibrar erros no VNA. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 6
Figura 6: Padrões de calibração tipo N. Fotografias dos padrões de calibração masculino e feminino utilizados na calibração. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 7
Figura 7: Módulo de calibração eletrônica. Uma fotografia de um módulo de calibração eletrônica. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 8
Figura 8: Através da verificação de calibração após a calibração em uma parcela de magnitude de tronco em função da frequência em GHz. O valor do thru é de 0,01 dB em uma frequência de 1,8 GHz. Isso mostra o valor do thru em função da frequência em GHz após a calibração. O thru é usado como uma verificação de calibração para garantir que a calibração seja válida. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 9
Figura 9: Explicação do Gráfico smith. Locais de valor de impedância real e imaginário para impedâncias padrão são mostrados na figura esquerda, e valores de magnitude de impedância são mostrados na figura direita17. Este desenho de Smith Chart mostra tanto a impedância real quanto a imaginária à esquerda e a magnitude da impedância à direita. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 10
Figura 10: Filtro RF inserido entre as portas 1 e 2. Uma fotografia de um filtro RF inserido entre as portas 1 e 2 no final dos cabos VNA durante as medições. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 11
Figura 11: Perda de inserção medida e 3 pontos dB para filtro RF com especificações fornecidas na Figura 9. Esta é uma captura de tela do VNA durante a medição do filtro RF que é mostrado na Figura 10. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 12
Figura 12: Medição de atenuador de 10 dB não dentro de suas especificações. O valor medido é de -22,70 dB a 1,7 GHz e sua especificação é de 10 dB ± 0,5 dB. Também é mostrada a medição de um atenuador de 10 dB que não está mais dentro de suas especificações. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 13
Figura 13: Medição de atenuador de 10 dB dentro de suas especificações. O valor medido foi de -9,88 dB. Também é mostrada a medição de um atenuador de 10 dB que está dentro de suas especificações. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 14
Figura 14: Medição de cabo coaxial de 11 m com um valor de atenuação especificado de 0,05 dB/ft. Esperava-se que a perda ao longo do cabo fosse de ~1,8 dB, o que é consistente com o valor medido de -1,9 dB a 1,87 GHz. Também é exibida a medição de um cabo mostrando que a perda medida está dentro das especificações do fabricante. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

É importante permitir que o VNA aqueça ao RT por pelo menos 0,5 h (embora, 1 h seja melhor) antes que as calibrações sejam realizadas, o que permite que todos os componentes internos cheguem ao RT e resulte em calibrações mais estáveis. Uma calibração pode durar vários dias sem uma grande perda de precisão; no entanto, a calibração é verificada diariamente usando um padrão de calibração para garantir a integridade da medição. A inspeção de todos os componentes do sistema é essencial para que os conectores ruins não prementem a precisão do VNA. É melhor usar cabos de baixa perda com o VNA. A integridade da calibração deve ser verificada antes da medição de qualquer componente do sistema ou DUT. Qualquer medição fora das especificações aqui fornecidas deve ser repetida ou pode exigir uma nova calibração. Finalmente, usar as especificações do fabricante para verificar os valores de DUT medidos é uma parte necessária da validação.

Usar o VNA como instrumento de medição tem suas limitações. Se o DUT ou sistema tiver perdas tão grandes que os parâmetros S medidos fiquem abaixo do piso de ruído do VNA, ele não poderá ser medido com o VNA. É possível baixar o piso de ruído diminuindo a largura de banda IF e aumentando o tempo de varredura. Isso reduzirá o tempo de aquisição da medição; portanto, há uma troca ao ajustar esses parâmetros. O VNA não pode lidar com potências de entrada superiores a 30 dBm, portanto, utilizando atenuação interna ou externa ao medir amplificadores. O VNA tem uma fonte e receptor localizados no mesmo instrumento, por isso tem sido usado como um sistema de medição de propagação de rádio. Como a fonte e o receptor estão localizados no VNA, a porta de transmissão deve ser juntada de alguma forma à porta receptora. Normalmente, isso é feito com cabos; no entanto, os cabos adicionam perda, diminuindo o alcance dinâmico do que pode ser medido. Além disso, as distâncias de separação tornam-se limitadas.

O outro método pelo qual as perdas podem ser mensuradas é o uso de um gerador de sinal e medidor de energia. O medidor de energia é um dispositivo de medição escalar, por isso só pode medir a magnitude de um sinal. Não é possível monitorar a fase do sinal, o que resulta em medições menos precisas do sinal. O VNA mede tanto a magnitude quanto a fase (de componentes reais e imaginários) de um sinal medido em relação a um sinal de entrada bem conhecido, que é uma medição de maior qualidade.

VNAs são uma opção versátil para muitos tipos de medições. O instrumento pode ser usado para medir sinais de rádio irradiados usando antenas nas portas de transmissão e recebimento18. A análise do domínio do tempo pode ser usada para monitorar sinais ao longo do tempo e determinar onde ocorre uma quebra em um cabo. Ele pode medir muitas frequências durante uma varredura, que pode ser usada para entender perdas de atenuação em muitas frequências, seja em um ambiente realizado19 ou irradiado20. Compreender as várias configurações de parâmetros do VNA resulta em DUTs/sistemas bem caracterizados, e as medições obtidas com o DUT/sistema podem ser usadas com um alto grau de confiança.

Disclosures

Os autores não têm nada a revelar.

Acknowledgments

Agradecemos ao Escritório de Espectro de Defesa (DSO) por financiar este trabalho.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
12 inch-pound torque wrench Maury Microwave TW-12
8 inch-pound torque wrench Keysight Technologies 8710-1764
Attenuators Mini-Circuits BW-N10W50+
Cable 1 Micro-Coax UFB311A – 36 feet
Calibration Standard Set (1) (manual) Keysight Technologies Economy Type-N Calibration kit, 85054 D
Calibration Standard Set (2) (E-cal) Agilent Technologies Electronic Calibration Kit, N4693-60001, 10 MHz to 50 GHz
Cleaning Swab Chemtronics Flextips Mini
Compressed Air Techspray Need ultra filtered
Filter 1 K&L Microwave, Inc. 8FV50-1802-T95-O/O
Isopropyl Alcohol Any brand
VNA Keysight Technologies There are many options available for a researcher – please consult the website

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References

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Calibração do Analisador de Rede Vetorial para Medições em Canais de Propagação de Radiofrequência
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Hammerschmidt, C., Johnk, R. T., Tran, S. Calibration of Vector Network Analyzer for Measurements in Radio Frequency Propagation Channels. J. Vis. Exp. (160), e60874, doi:10.3791/60874 (2020).More

Hammerschmidt, C., Johnk, R. T., Tran, S. Calibration of Vector Network Analyzer for Measurements in Radio Frequency Propagation Channels. J. Vis. Exp. (160), e60874, doi:10.3791/60874 (2020).

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