Denne protokollen beskriver anbefalte fremgangsmåter for kalibrere en vektornettverksanalysator før bruk som et nøyaktig instrument, ment å måle komponenter i et testsystem for måling av radiofrekvensoverføringsmåling.
In situ målinger av radiofrekvens (RF) spektrum aktivitet gir innsikt i fysikken til radiofrekvensbølgeforplantning og validere eksisterende og nye spektrumforplantningsmodeller. Begge disse parametrene er avgjørende for å støtte og bevare interferensfri spektrumdeling, ettersom spektrumbruken fortsetter å øke. Det er viktig at slike forplantningsmålinger er nøyaktige, reproduserbare og fri for gjenstander og bias. Karakterisere gevinster og tap av komponenter som brukes i disse målingene er avgjørende for deres nøyaktighet. En vektor nettverksanalysator (VNA) er et veletablert, svært nøyaktig og allsidig utstyr som måler både størrelse og fase av signaler, hvis riktig kalibrert. Denne artikkelen beskriver de beste fremgangsmåtene for kalibrere en VNA. Når den er kalibrert, kan den brukes til å måle komponenter i et riktig konfigurert forplantningsmålingssystem (eller kanallyding) eller kan brukes som et målesystem selv.
Institute for Telecommunication Sciences (ITS) er forskningslaboratoriet til National Telecommunications and Information Administration (NTIA), et byrå i det amerikanske handelsdepartementet. ITS har vært aktiv i radioforplantningsmålinger siden 1950-tallet. Spectrum-deling, det nye paradigmet for føderale og kommersielle spektrumbrukere, krever at to ulike systemer deler samme radiofrekvensspektrum samtidig. Etter hvert som scenariene for spektrumdeling øker, øker også behovet for nøyaktige og reproduserbare radioforplantningsmålinger som gir en bedre forståelse av radiomiljøet, som flere tjenester må dele. Målet med den beskrevne prosedyren er å sikre at alle komponenter som utgjør et slikt system er godt preget av en nøyaktig konfigurert VNA.
Mens etterspørselen etter spektrum øker, er det ikke alltid mulig å raskt fritt spektrum som i dag brukes av føderale etater for kommersielle formål. I Advanced Wireless Services (AWS)-3-båndet (1755–1780 MHz) utvikles for eksempel spektrumdelingsordninger mellom militære tjenester og kommersielle trådløseoperatører 1. Disse arrangementene tillater kommersielle trådløse operatører å gå inn i AWS-3-båndet før overgangen av militære tjenester ut av bandet.
Defense Spectrum Organization (DSO) har fått i oppgave å administrere AWS-3-overgangen. En viktig del av overgangen innebærer å utvikle nye forplantningsmodeller for å evaluere potensialet for RF-interferens mellom militære og kommersielle trådløse systemer som deler bandet. DSO har gitt ITS og andre i oppgave å utføre en rekke kanallydsmålingsmålinger for å bygge nye modeller som bedre beregner effekten av løvverk og menneskeskapte strukturer i miljøet (kollektivt kjent som rot). Forbedret forplantningsmodellering som vurderer rot, vil føre til færre restriksjoner på kommersielle sendere i nærheten av militære systemer.
In situ målinger av RF spektrum aktivitet gir innsikt i fysikken til RF bølgeforplantning og validere eksisterende og nye radioforplantningsmodeller. Begge disse komponentene er avgjørende for å støtte og bevare interferensfri spektrumdeling. Kanallydingsteknikker, der et kjent testsignal overføres fra et bestemt sted til enten en mobil eller stasjonær mottaker, gir data som estimerer radiokanalegenskaper i forskjellige miljøer. Dataene brukes til å utvikle og forbedre modeller som mer nøyaktig forutsi forplantningstap eller demping av signalet. Disse tapene kan skyldes blokkering og refleksjon av bygninger og andre hindringer (dvs. trær eller terreng i urbane daler). Disse hindringene produserer flere, litt variant, forplantningsbaner som resulterer i signaltap eller demping mellom sender og mottak av antenne.
DENS måleteknikker gir nøyaktige, repeterbare og objektive resultater. DSO har oppfordret ITS til å dele sin institusjonelle kunnskap med det bredere tekniske samfunnet. Denne kunnskapen omfatter hvordan man optimalt måler og behandler RF-forplantningsdata. Den nylig publiserte NTIA Technical Memorandum TM-19-5352,3,4,5 beskriver et sett med beste praksis for utarbeidelse og verifisering av radioforplantningsmålingssystemer. Som en del av disse anbefalte fremgangsmåtene brukes en VNA til å måle komponenttapene eller gevinstene til et målesystem nøyaktig. Gevinsten og tapene brukes deretter til å beregne signaldempingen mellom to antenner.
Protokollen som presenteres her tar for seg de beste fremgangsmåtene for å kalibrere en VNA5 før testing i laboratorie- eller feltapplikasjoner. Disse inkluderer oppvarmingstid, valg av RF-kontakttype, riktig tilkobling og ytelse av passende kalibreringstrinn. Kalibrering bør utføres i et kontrollert laboratoriemiljø før datainnsamling i forbindelse med et bestemt forplantningsmålingsscenario. Ytterligere hensyn kan være relevante for spesifikke forplantningsmålingsmiljøer, som er utenfor omfanget av denne protokollen.
VNA brukes til å måle enhetens egenskaper for komponenter og underenheter ved montering av andre målesystemer. Effektforsterkere, mottakere, filtre, lav støyforsterkere, miksere, kabler og antenner er alle komponenter som kan karakteriseres av en VNA. Før testing og/eller kalibrering av et system, er det utarbeidet en liste over alle nødvendige komponenter i systemet, og alle systemkomponenter monteres. Hver komponent i et system måles separat ved å sette dem inn mellom VNA-kablene. Dette sikrer at alle komponenter fungerer innenfor produsentens spesifikasjoner. Når komponentene er kontrollert, er systemet montert, og tap i hele systemet måles. Dette sikrer at refleksjoner og overføringer mellom komponenter er riktig preget.
En VNA måler spredningsparametere (S-parametere), som er komplekse verdimengder med både størrelse og fase. En S-parameter er en forholdsbasert måling av enten 1) reflektert signal til hendelsessignalet (refleksjonsmåling) eller 2) overført signal til hendelsessignalet (overføringsmåling). For en to-port enhet, kan fire S-parametere (S11,S21,S12og S22) måles. Det første senket skrift refererer til porten der signalet mottas, og den andre refererer til porten der signalet overføres. S11 betyr dermed at det overførte signalet oppsto ved port 1 og ble mottatt ved port 1. I tillegg betyr S21 at det overførte signalet oppsto igjen ved port 1, men mottas ved port 2. S11 måler signalmengden som gjenspeiles av enheten under test (DUT) ved port 1 med henvisning til det opprinnelige signalet som var hendelse ved port 1. S21 måler signalmengden som overføres gjennom DUT og ankommer port 2 med henvisning til hendelsessignalet ved port 1. S11 er et mål på refleksjonskoeffisienten til DUT ved port 1, og S21 er et mål på overføringskoeffisienten til DUT fra port 1 til port 2.
En kalibrering av VNA er nødvendig for å fjerne de systematiske feilene fra komponenter opp til (og inkludert) målereferanseplanet, som vanligvis er på slutten av VNA-målekablene. En kalibrering fjerner systemfeil ved å måle “perfekte” kjente standarder (åpen, shorts, belastninger, gjennom /linje) og sammenligne den med verdien som VNA måler. Gjennom en rekke feilrettelser vises en korrigert verdi for DUT. Det er for tiden 12 feilvilkår6,7 som er preget under kalibrering. Hvis du vil ha mer informasjon, kan du se originale S-parametermålinger som ble gjort på seks-porters nettverksanalysatorer8 støttet av klassisk mikrobølgekretsteori9,10.
De vanligste typene S-parameterrefleksjonsmålinger er returtap, stående bølgeforhold (SWR), refleksjonskoeffisient og impedansmatching. De vanligste typene S-parameteroverføringsmålinger er innsettingstap, overføringskoeffisient, forsterkning/tap, gruppeforsinkelse, fase- eller faseforsinkelse og elektrisk forsinkelse. Overføringstapsmålinger vektlegges i den beskrevne protokollen.
Måling av gevinster og tap av systemkomponenter ved hjelp av en VNA er godt forstått. Viktige trinn hoppes imidlertid ofte over, for eksempel rengjøringskontakter og bruk av en riktig momentnøkkel. Denne protokollen gir alle nødvendige trinn og forklaringer på hvorfor noen er spesielt viktige. Det vil også fungere som et forspill til en fremtidig artikkel som beskriver hvordan man utfører RF-forplantningsmålinger, inkludert beregninger av signaldemping.
Det er viktig at VNA kan varmes opp til RT i minst 0,5 timer (selv om 1 timer er bedre) før kalibreringer utføres, noe som gjør at alle interne komponenter kan komme til RT og resulterer i mer stabile kalibreringer. En kalibrering kan vare i flere dager uten et stort tap av nøyaktighet; Kalibreringen kontrolleres imidlertid daglig ved hjelp av en kalibreringsstandard for å sikre integriteten til målingen. Inspeksjon av alle systemkomponenter er avgjørende, slik at dårlige kontakter ikke skader presisjonen til VNA. Det er best å bruke lavtrykkskabler med VNA. Kalibreringens integritet må kontrolleres før måling av en hvilken som helst systemkomponent eller DUT. Enhver måling utenfor spesifikasjonene som er angitt her, bør gjentas eller kreve en ny kalibrering. Til slutt, ved hjelp av produsentens spesifikasjoner for å sjekke de målte DUT-verdiene er en nødvendig del av validering.
Bruk av VNA som måleinstrument har sine begrensninger. Hvis DUT eller systemet har tap så store at de målte S-parametrene faller under støygulvet på VNA, kan det ikke måles med VNA. Det er mulig å senke støygulvet ved å redusere IF-båndbredden og øke feietiden. Dette vil redusere måleoppkjøpstiden; Dermed er det en avveining når du justerer disse parametrene. VNA kan ikke håndtere inngangskrefter som er større enn 30 dBm, så bruk av intern eller ekstern demping ved måling av forsterkere er nødvendig. VNA har en kilde og mottaker plassert i samme instrument, så det har blitt brukt som et radioforplantningsmålingssystem. Fordi kilden og mottakeren er plassert i VNA, må senderporten kobles sammen på en eller annen måte til mottaksporten. Vanligvis gjøres dette med kabler; Kabler legger imidlertid til tap, noe som reduserer det dynamiske omfanget av det som kan måles. Videre blir separasjonsavstander begrenset.
Den andre metoden som tap kan måles på er bruk av en signalgenerator og kraftmåler. Strømmåleren er en skalarmålingsenhet, slik at den bare kan måle et signals størrelse. Den kan ikke overvåke fasen av signalet, noe som resulterer i mindre nøyaktige målinger av signalet. VNA måler både størrelsen og fasen (av ekte og imaginære komponenter) av et målt signal i forhold til et velkjent inngangssignal, som er en måling av høyere kvalitet.
VNAs er et allsidig alternativ for mange typer målinger. Instrumentet kan brukes til å måle utstrålte radiosignaler ved hjelp av antenner på sende- og mottaksportene18. Tid domeneanalyse kan brukes til å overvåke signaler over tid og bestemme hvor en pause oppstår i en kabel. Det kan måle mange frekvenser under et sveip, som kan brukes til å forstå demping tap over mange frekvenser enten i en gjennomført19 eller utstrålt miljø20. Forstå de ulike parameterinnstillingene for VNA resulterer i godt karakteriserte DUTs / systemer, og målinger oppnådd med DUT / systemet kan brukes med høy grad av tillit.
The authors have nothing to disclose.
Vi takker Defense Spectrum Office (DSO) for å finansiere dette arbeidet.
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 |