Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Engineering

Kalibrering af Vector Network Analyzer for målinger i radiofrekvensformeringskanaler

doi: 10.3791/60874 Published: June 2, 2020

Summary

Denne protokol beskriver de bedste fremgangsmåder for kalibrering af en vektornetværksanalysator, før den bruges som et nøjagtigt instrument, der er beregnet til at måle komponenter i et testsystem til måling af radiofrekvensformer.

Abstract

In situ målinger af radiofrekvens (RF) spektrum aktivitet giver indsigt i fysik radiofrekvens bølge formering og validere eksisterende og nye spektrum formering modeller. Begge disse parametre er afgørende for at støtte og bevare frekvensdeling uden interferens, da frekvensanvendelsen fortsat øges. Det er afgørende, at sådanne formeringsmålinger er nøjagtige, reproducerbare og fri for artefakter og bias. Karakterisering af gevinster og tab af komponenter, der anvendes i disse målinger er afgørende for deres nøjagtighed. En vektor netværk analysator (VNA) er en veletableret, meget præcis, og alsidig stykke udstyr, der måler både størrelsesorden og fase af signaler, hvis korrekt kalibreret. Denne artikel beskriver de bedste fremgangsmåder for kalibrering af en VNA. Når den er kalibreret, kan den bruges til nøjagtigt at måle komponenter i et korrekt konfigureret overførselsmålingssystem (eller kanalkling) system eller kan bruges som et målesystem selv.

Introduction

Institut for Telekommunikation Sciences (ITS) er forskningslaboratoriet for National Telecommunications and Information Administration (NTIA), et agentur under det amerikanske handelsministerium. ITS har været aktiv i radioformeringsmålinger siden 1950'erne. Frekvensdeling, det nye paradigme for føderale og kommercielle frekvensbrugere, kræver, at to forskellige systemer deler det samme radiofrekvensspektrum på samme tid. Efterhånden som scenarierne for frekvensdeling øges, øges behovet for nøjagtige og reproducerbare radiospredningsmålinger, der giver en bedre forståelse af radiomiljøet, som flere tjenester skal dele. Formålet med den beskrevne procedure er at sikre, at alle komponenter, der udgør et sådant system, er godt karakteriseret ved en nøjagtigt konfigureret VNA.

Mens efterspørgslen efter frekvenser stiger, er det ikke altid muligt hurtigt at frit spektrum, der i øjeblikket bruges af føderale agenturer til kommercielle formål. F.eks. er der i AWS-3-båndet (1755-1780 MHz) ved at blive udviklet frekvensdelingsordninger mellem militære tjenester og kommercielle trådløseluftfartsselskaber 1. Disse ordninger gør det muligt for kommercielle trådløse luftfartsselskaber at komme ind i AWS-3-båndet, før overgangen af militære tjenester ud af båndet.

Defense Spectrum Organization (DSO) har fået til opgave at styre AWS-3 overgangen. En vigtig del af overgangen indebærer udvikling af nye formeringsmodeller for at vurdere potentialet for RF-interferens mellem militære og kommercielle trådløse systemer, der deler båndet. DSO har til opgave ITS og andre med at udføre en række kanal klingende målinger til at bygge nye modeller, der bedre beregne virkningen af løv og menneskeskabte strukturer i miljøet (kollektivt kendt som rod). Forbedret formering modellering, der mener rod vil føre til færre restriktioner på kommercielle sendere i nærheden af militære systemer.

In situ målinger af RF spektrum aktivitet giver indsigt i fysik RF bølge formering og validere eksisterende og nye radio formering modeller. Begge disse komponenter er afgørende for at støtte og bevare interferensfri frekvensdeling. Kanalklingteknikker, hvor et kendt testsignal overføres fra et bestemt sted til enten en mobil eller stationær modtager, leverer data, der anslår radiokanalegenskaber i forskellige miljøer. Dataene bruges til at udvikle og forbedre modeller, der mere præcist forudsiger spredning tab eller dæmpelse af signalet. Disse tab kan skyldes blokering og refleksion fra bygninger og andre forhindringer (dvs. træer eller terræn i bykløfter). Disse forhindringer producerer flere, lidt variant, formering stier resulterer i signaltab eller dæmpelse mellem den transmitterende og modtagende antenne.

ITS-måleteknikker giver nøjagtige, repeterbare og upartiske resultater. DSO har opfordret ITS til at dele sin institutionelle viden med det bredere tekniske samfund. Denne viden omfatter, hvordan man kan måle og behandle RF-formeringsdata optimalt. Det nyligt offentliggjorte NTIA Technical Memorandum TM-19-5352,3,4,5 beskriver en række bedste praksis for forberedelse og verifikation af radioformeringsmålingssystemer. Som en del af disse bedste praksisser bruges en VNA til præcist at måle komponenttab eller gevinster ved et målesystem. Gevinster og tab bruges derefter til at beregne signaldæmpningen mellem to antenner.

Den protokol, der præsenteres her, omhandler de bedste fremgangsmåder for kalibrering af en VNA5 forud for testning i laboratorie- eller feltapplikationer. Disse omfatter opvarmningstid, valg af RF-stiktype, korrekt tilslutning og ydeevne af passende kalibreringstrin. Kalibrering bør udføres i et kontrolleret laboratoriemiljø forud for dataindsamling i forbindelse med et bestemt scenarie for overførselsmåling. Yderligere overvejelser kan være relevante for specifikke miljøer til måling af formering, som ligger uden for denne protokols anvendelsesområde.

VNA bruges til at måle enhedens egenskaber af komponenter og underenheder, når der samles andre målesystemer. Effektforstærkere, modtagere, filtre, forstærkere med lavt støjniveau, mixere, kabler og antenner er alle komponenter, der kan karakteriseres ved en VNA. Før test og/eller kalibrering af et system udarbejdes en liste over alle nødvendige komponenter i systemet, og alle systemkomponenter samles. Hver komponent i et system måles separat ved at indsætte dem mellem VNA-kablerne. Dette sikrer, at alle komponenter fungerer inden for producentens specifikationer. Når komponenterne er blevet kontrolleret, samles systemet, og tab i hele systemet måles. Dette sikrer, at refleksioner og transmissioner mellem komponenter er korrekt karakteriseret.

En VNA måler spredningsparametre (S-parametre), som er komplekse mængder med både størrelse og fase. En S-parameter er en ratioed måling af enten 1) reflekteret signal til hændelsessignalet (refleksionsmåling) eller 2) transmitteret signal til hændelsessignalet (transmissionsmåling). For en to-port enhed kan fire S-parametre (S11,S21,S12og S22) måles. Den første sænket skrift henviser til den port, hvor signalet modtages, og den anden henviser til den port, hvor signalet sendes. S11 betyder således, at det transmitterede signal stammer fra port 1 og blev modtaget i port 1. Derudover betyder S21, at det transmitterede signal stammer igen ved port 1, men modtages i port 2. S11 måler den signalmængde, der reflekteres af den undersøgte enhed (DUT) i port 1, med henvisning til det oprindelige signal, der var hændelse ved port 1. S21 måler mængden af signal, der sendes gennem DUT og ankommer til port 2 med henvisning til hændelsessignalet ved port 1. S11 er et mål for refleksionskoefficienten for DUT i port 1, og S21 er et mål for DUT's transmissionskoefficient fra port 1 til port 2.

En kalibrering af VNA er nødvendig for at fjerne de systematiske fejl fra komponenter op til (og inklusive) målingsreferenceplanet, som typisk er ved slutningen af VNA-målekablerne. En kalibrering fjerner systemfejl ved at måle "perfekte" kendte standarder (åbne, shorts, belastninger, thru/ line) og sammenligne det med den værdi, som VNA måler. Gennem en række fejlrettelser vises en korrigeret værdi for DUT. Der er i øjeblikket 12 fejl vilkår6,7, der er karakteriseret under kalibrering. For mere information, henvises til originale S-parameter målinger, der blev foretaget på seks-port netværk analysatorer8 understøttet af klassisk mikrobølgekredsløb teori9,10.

De mest almindelige typer af S-parameter refleksionsmålinger er returtab, stående bølgeforhold (SWR), refleksionkoefficient og impedansmatchning. De mest almindelige typer af S-parameter transmissionsmålinger er indsætningstab, transmissionskoefficient, gevinst/tab, gruppeforsinkelse, fase- eller faseforsinkelse og elektrisk forsinkelse. Målinger af transmissionstab fremhæves i den beskrevne protokol.

Måling af gevinster og tab af systemkomponenter ved hjælp af en VNA er godt forstået. Men vigtige trin springes ofte over, såsom rengøring af stik og ved hjælp af en korrekt momentnøgle. Denne protokol indeholder alle nødvendige skridt og forklaringer på, hvorfor nogle er særligt vigtige. Det vil også fungere som en optakt til en fremtidig artikel, der beskriver, hvordan man udfører RF-formeringsmålinger, herunder beregninger af signaldæmpning.

Protocol

1. VNA-opsætning

  1. Saml alle komponenter i formeringsmålesystemet, herunder kabler, forstærkere, filtre, DUTs (som kan være undersamlinger) og andre komponenter.
  2. Tænd for VNA (Figur 1), og lad den varme i mindst 0,5 timer for at sikre, at alle interne komponenter i VNA er en stabil driftstemperatur, og at faseafdrift minimeres.
  3. Tryk på knappen Forudindstilling.
  4. Fastgør fasestabil kabler af høj kvalitet til havne 1 og 2 i VNA (Figur 2).
  5. Stram stikkene ved VNA-portene med en 8 in.lbf. momentnøgle. For korrekt drejningsmoment en forbindelse, holde enden af håndtaget og forsigtigt skubbe håndtaget uden at lade håndtaget til at bryde hele vejen over.
  6. Undersøg visuelt alle kabler og stik for tydelige tegn på slid såsom rifter, buler og ufuldkomne stiktråde.
  7. Kontroller producentens specifikationer for gyldige måleområder for alle kabler, stik og DUT'er. Disse specifikationer kan omfatte temperatur, fugtighed, frekvens og effekt.
  8. Rengør stikkene på alle enheder og kabelender. Brug svaberprøver, der er specielt designet til rengøring af følsom elektronik og stik. Brug af kabler med snavsede stik kan resultere i at beskadige kablernes ledende overflader og give unøjagtige målinger.
    1. Dyp en vatpind i isopropylalkohol.
    2. Rengør forsigtigt centerlederen (Figur 3A) ved hjælp af den fugtede podepind. Udtøv ikke for meget kraft på midterlederen, da den let kan beskadiges.
    3. Rengør den ydre leder af hvert stik (Figur 3B). Rengør koblingsmøtrikerne.
    4. Tør alle kabel- og stikender af med ren trykluft (Figur 3C). Hvis trykluften køler stikket, skal du lade stikket vende tilbage til rumtemperaturen (RT), før du foretager og strammer alle tilslutninger.
  9. Juster og foretag forbindelser mellem VNA-kabler på port 1 og 2 og DUT. Stram med en 12 in.lb. momentnøgle til type N-forbindelser (Figur 4). Sørg for, at kabelenderne er korrekt justeret.
    1. Begynd at dreje stikket på DUT-siden på VNA-kabeltrådene. Korrekt tilslutninger tillader møtrikken at spinde frit med lidt modstand. Modstand er et tegn på krydsvind. Forkert justering kan beskadige stikket eller forårsage signalrefleksioner og signaltab. Undgå at overspænd stikket, da dette vil beskadige stikket.
    2. Anbring VNA's kabler, så de bevæger sig minimalt under kalibreringen. Kalibreringskablerne er fasestlige og ideelt set ikke bøjede eller flyttes under kalibrering.
  10. Juster VNA-måleparametrene i overensstemmelse med specifikationerne for DUT. Frekvensområdet kan også vælges ved hjælp af den centerfrekvens og frekvensområde, der kaldes "span".
    1. Vælg frekvensområdet. Vælg Stimulus Menu | Freq | Startfrekvens: 1700 MHz. Vælg Stimulus Menu | Freq | Stopfrekvens: 1900 MHz.
    2. Vælg måletypen (f.eks. Vælg menuen Svar | Foranstaltning | S21.
    3. Vælg og juster portens strøm. Vælg Stimulus Menu | Strøm | Juster porteffekt: 0 dBm. Sørg for, at udgangseffekten er lig med (eller under) DUT's maksimale effektspecifikation.
    4. Vælg og juster indstillingerne for oprydning. Vælg Stimulus Menu | Sweep | Fejetype: Trådte. Vælg Stimulus Menu | Sweep | tid | Fejetid: 1 sek. Vælg derefter Stimulus Menu | Sweep | Opsætning af oprydning | Dvæle tid: 0 μsec.
      BEMÆRK: En trinvis sweep er den mest nøjagtige fejetype, da den trin til hver frekvens og bor på en frekvens, før du foretager en måling. Hvis der bruges lange kabler, skal opholdstiden muligvis øges for at sikre, at signalet ankommer til modtageren efter målingen. En 0 μs dvæle tid er en optimal standardindstilling.
    5. Vælg og juster gennemsnitstilstand ved at vælge Menuen Svar | Gennemsnit | Gennemsnit: IFBW: 1 kHz.
      BEMÆRK: Vælg den relevante gennemsnitstype: "punktgennemsnit" gennemsnit hvert frekvenspunkt et antal angivne tidspunkter (dvs. 2, 4 16, 32 osv.), hvilket reducerer støjgulvet og usikkerheden, men øger fejetiden. IFBW bruger et filter til at måle effekten i en lille båndbredde, hvilket også reducerer støjgulvet, men kræver mindre måletid. IFWB gennemsnit tendens til at være en mere optimal gennemsnit teknik.
    6. Vælg det viste dataformat (f.eks. Format | LogMag.
    7. Vælg antallet af datapunkter i den viste sporing ved hjælp af stimulusmenuen | Sweep | Antal point: 1601.
      BEMÆRK: Antallet af punkter er indstillet således, at maksimal frekvensdækning kan opnås mellem start- og stopfrekvenserne:

Equation 1

I eksemplet ovenfor er trinstørrelsen eller frekvensafstanden 0,125 MHz, så frekvens(1) = 1700,000 MHz, frekvens(2) = 1700,125 MHz, ... frekvens(1600) = 1899,875 MHz, frekvens(1601) = 1900 MHz.

2. Kalibrering af VNA

  1. Vælg en manuel eller elektronisk kalibrering, hvis et elektronisk kalibreringsmodul er tilgængeligt og ønsket (se punkt 2.11). Enten er kalibreringen nøjagtig.
  2. Vælg Manuel kalibrering ved at vælge Svar | Cal Menu | Start Cal | Guiden Kalibrering | Ustyret.
    1. Vælg det relevante kalibreringssæt, så der er kendt en nøjagtig værdi af standarderne i det specifikke kalibreringssæt (Figur 5). Her skal du vælge 85054D, og vælg derefter den to-port short-open-load-thru (SOLT) kalibrering (for en DUT med to porte). Andre tilgængelige kalibreringer er en én port til en enhed med en enkelt port ud over en responskalibrering. SOLT er den mest nøjagtige løsning11.
    2. Vælg Næste for at gå til næste skærm.
  3. Fastgør en åben kalibreringsstandard (Figur 6) til det kabel, der er fastgjort til port 1. En åben kalibreringsstandard har et åbent hulrum bag stikket for at simulere en frirumsimpedans på 377 Ω.
  4. Fastgør en kort kalibreringsstandard til det kabel, der er fastgjort til port 2. En kortplade har en metalplade bag stikket, så den indkommende spænding er helt reflekteret.
    1. Vælg Port 1 | ÅBEN | Type N (50) hunnen er åben, som udfører en måling af den åbne påskrift. Der vises et spor på VNA-skærmen, der forsigtigt skrånende væk fra et 0 dB-referenceniveau på et S11-visningsformatfor den åbne standard. Når målingen er fuldført (der vises en markering over standarden), skal du trykke på OK-knappen for at fortsætte. Dette vil sende brugeren tilbage til det forrige skærmbillede.
    2. Vælg en mandlig eller kvindelig kalibreringsstandard med stik af samme køn som DUT(dvs. en mandlig kalibreringsstandard har midterstiften, og en kvindelig kalibreringsstandard vil have en indskærbar port). Ældre VNAs kræver en kalibreringsstandard baseret på kønnet på VNA-kablet.
    3. Vælg Port 2 | KORT | Type N (50) kvindelige kort, som udfører en måling af den vedhæftede kort. Der vises et spor på VNA-skærmen, der forsigtigt skrånende væk fra et 0 dB-referenceniveau på et S11-visningsformatfor den korte standard. Når målingen er fuldført (der vises en markering over standarden), skal du trykke på OK-knappen for at fortsætte. Dette vil sende brugeren tilbage til det forrige skærmbillede.
  5. Ombyt kalibreringsstandarder mellem porte (dvs. fastgør den åbne kalibreringsstandard til port 2, og fastgør derefter den korte kalibreringsstandard til port 1).
    1. Vælg Port 1 | KORT | Type N (50) kvinde kort til at måle den korte på port 1. Der vises et spor på VNA-skærmen, der forsigtigt skrånende væk fra et 0 dB-referenceniveau på et S11-visningsformatfor den korte standard. Når målingen er fuldført (der vises en markering over standarden), skal du trykke på OK-knappen for at fortsætte. Dette vil sende brugeren tilbage til det forrige skærmbillede.
    2. Vælg Port 2 | ÅBEN | Type N (50) kvinde åben for at måle den åbne på port 2. Der vises et spor på VNA-skærmen, der forsigtigt skrånende væk fra et 0 dB-referenceniveau på et S11-visningsformatfor den åbne standard. Når målingen er fuldført (der vises en markering over standarden), skal du trykke på OK-knappen for at fortsætte. Dette vil sende brugeren tilbage til det forrige skærmbillede.
  6. Fjern den korte fra port 1 og placere en bredbåndsbelastning på port 1. En belastning absorberer den indkommende energi, hvilket resulterer i en lille refleksion over en lang række frekvenser.
    1. Vælg Port 1 | BELASTNINGER | Type N (50) bredbåndsbelastning for at måle belastningen på port 1. Når målingen er fuldført (der vises en markering over standarden), skal du trykke på OK-knappen for at fortsætte. Dette vil sende brugeren tilbage til det forrige skærmbillede.
    2. Bevar den aktuelle kalibreringsstandard på port 2. Lad ikke porten stå åben, da den kan give en sti til lækagesignaler. Der vises et spor på VNA-skærmen, som varierer hen over skærmen. Alle målte værdier på et S11-logonformat vil være mindre end -20 dB for at få en god belastning.
  7. Fjern den åbne fra port 2, tag bredbåndsbelastningen fra port 1, og placer bredbåndsbelastningen på port 2. Placer den åbne fra port 2 på port 1 for at forhindre lækagesignaler.
    1. Vælg Port 2 | BELASTNINGER | Type N (50) bredbåndsbelastning for at måle belastningen på port 2. Der vises et spor på VNA-skærmen, som varierer hen over skærmen. Alle målte værdier på et S11-logonformat vil være mindre end -20 dB for at få en god belastning. Når målingen er fuldført (der vises en markering over standarden), skal du trykke på OK-knappen for at fortsætte. Dette vil sende brugeren tilbage til det forrige skærmbillede.
  8. Sæt en thru kalibreringsstandard mellem de kabler, der er tilsluttet port 1 og 2. Dette er typisk en adapter med stik af samme køn i begge ender.
    1. Vælg THRU for at måle thru kalibreringsstandarden. Når målingen er færdig, vises der en markering over THRU-standarden på denne skærm.
      BEMÆRK: Isolationsmålingen kan typisk udelades under kalibrering, da isolation måler krydstale mellem kabler og dens værdi ofte er meget lille sammenlignet med andre standarder. Ovenstående kalibreringsmålinger kan udføres i vilkårlig rækkefølge.
  9. Når alle standarder har en markering over dem, skal du gemme kalibreringen. Vælg Næste | Gem som Brugerkaldet. Angiv et navn til kalibreringen, og tryk på SAVE-knappen.
  10. Kontroller kalibreringen som beskrevet i punkt 3.
  11. Hvis der ikke vælges en manuel kalibrering, skal du vælge den elektroniske kalibreringsmulighed12. Fastgør det elektroniske kalibreringssæt (Figur 7) til kablerne mellem port 1 og 2. Vælg Svar | Cal Menu | Start Cal | Guiden Kalibrering | Elektronisk kalibrering med den elektroniske kalibreringsmulighed.
    1. Vælg 2-port ECal | Vælgderefter knappen Målpunkt. Det elektroniske kalibreringsmodul måler automatisk en række forskellige standarder og beder brugeren om at gemme kalibreringen i slutningen.
    2. Vælg Næste | Gem som Brugerkaldet. Angiv et navn til kalibreringen, og tryk på SAVE-knappen.
      BEMÆRK: Ved en elektronisk kalibrering er det kun kablerne fra port 1 og 2, der er tilsluttet modulet. Alle kalibreringsstandarder er indeholdt i modulet. Den elektroniske kalibrering kalibrerer automatisk de interne standarder. Hvis det elektroniske kalibreringsmodul ikke har de samme stiktyper som kablerne, skal der udføres en yderligere kalibrering for at ændre kalibreringsfejlkorrektionerne i modulet for at tage højde for adapterne. Sørg for at kontakte producenten for at få vejledning.

3. Kontrol af kalibreringen

  1. Brug en thru til at kontrollere kalibreringen.
    1. Tilslut en gennemgående adapter (Figur 6)uden tydelige tegn på slid på kablerne mellem port 1 og 2. Mål ikke thru standard. Vælg en anden igennem.
    2. Vælg Svar | Foranstaltning | S21, derefter Svar | Skala | Skala. Indstil værdien pr. division til 0,1 ved at trykke på pil ned. Vælg Stimulus Menu | Udløser | Enkelt til at måle indsættelsen tab af thru. Der vises et enkelt gennemsøgningsområde på tværs af frekvensområdet.
      BEMÆRK: Værdien af thru på en log størrelsesorden plot ligger inden for 0,05 dB af 0 dB reference (Figur 8) for tilstrækkelig kalibrering. Dette er en empirisk værdi opnået over mange års kalibreringer. Dette kan ses ved at ændre skalaen til 0,05 dB per division.
    3. Når thru er blevet kontrolleret, returnere skalaen tilbage til 10 dB / division ved at vælge Response | Skala | Skaler og angiv værdien pr. division til 10. Vælg Svar | Foranstaltning | S11.
    4. Vælg Stimulus Menu | Udløser | Enkelt til foranstaltning S11. Værdien af en god thru er følgende: | S11| = -20 dB (1% refleksion i magt og 10% refleksion i spænding).
      BEMÆRK: Smith Chart13 repræsentation viser impedans. Målinger af S11 og S22 vises som en lille cirkel i midten af diagrammet. Impedansværdien er inden for 0,5 Ω fra 50 Ω-referencen for tilstrækkelig kalibrering.
  2. Brug en 50 Ω belastning til at kontrollere kalibreringen.
    1. Fastgør en 50 Ω matchet belastning til porten 1.
    2. Vælg Stimulus Menu | Udløser | Enkelt til foranstaltning S11.
      BEMÆRK: En matchende belastning er mindre end -20 dB (refleksionskoefficienten for en ideel belastning er 0). Dette vises også som en lille cirkel i midten af Smith-diagrammet (Figur 9).
  3. Brug en åben kalibreringsstandard til at kontrollere kalibreringen.
    1. Tilslut en åben kalibreringsstandard.
    2. Vælg Stimulus Menu | Udløser | Enkelt til foranstaltning S11. En åben er 0 dB på en log-størrelsesorden plot (refleksionkoefficienten for en ideel åben er 1). På et Smith-diagram vises det åbne som en lille cirkel ved 0 yderst til højre (Figur 9) for tilstrækkelig kalibrering.
  4. Brug en kort kalibreringsstandard til at kontrollere kalibreringen.
    1. Tilslut en kort kalibreringsstandard.
    2. Vælg Stimulus Menu | Udløser | Enkelt til foranstaltning S11. En kort er 0 dB (refleksionkoefficienten for en ideel kort er -1) på log-størrelsesorden plot. På Smith-diagrammet vises værdien som en cirkel yderst til venstre (Figur 9) for tilstrækkelig kalibrering.
      BEMÆRK: Hvis en kalibreringstest mislykkes, skal du kontrollere forbindelserne og gentage kalibreringen. Hvis kalibreringen er god, skal du fortsætte til punkt 4.

4. Måling af komponenter eller systemtab

  1. Tilslut DUT til VNA. Hvis DUT har mere end to porte (dvs. afbrydere, strømdelere osv.), skal du fastgøre 50 Ω matchede belastninger til de porte, der ikke er tilsluttet VNA, da strømmen vil blive afspejlet fra disse porte og ændre målingen.
  2. Vælg Svar | Foranstaltning | S21.
  3. Vælg stimulusmenu | Udløser | Enkelt til at måle DUT.
  4. Vælg Fil | Gem data som... . Skriv et filnavn i filnavnet. Vælg en filtype af enten . CSV eller Trace (*.s2p). Vælg området (standardværdien for Viste spor er relevant her). Vælg et format (f.eks. logstørrelse og vinkel, lineær størrelse og fase, reel og imaginær og vist format [f.eks. et Smith-diagram]). Tryk på SAVE for at gemme dataene.
  5. Kontroller og analyser testresultaterne af et bandpass-filter. Et eksempel er beskrevet i følgende trin.
    1. Identificer dele af sporingen ved at placere markører på sporingen. Vælg mærke/analyse | Markør | Marker 1, og tryk på OK.
    2. Vælg mærke/analyse | Markør Søg | Max for at finde indsætningstabet af sporingsfilteret. Knappen på frontpanelet kan også bruges til at identificere maxima og minima, mens markøren fejes på tværs af frekvenspunkter.
    3. Vælg mærke/analyse | Marker < Marker 1, vælg derefter deltamarkør og tilkoblede markører. Værdien af denne markør som vist på skærmen skal læse 0 dB. Der er angivet en referenceværdi for de andre mærker.
    4. Vælg mærke/analyse | Markør... | Markør 2 | TIL | koblede markører. Klik inde i stimulus boksen for at fremhæve frekvensen, og derefter flytte knappen, indtil aflæsningen af Marker 2 på skærmen viser -3 dB.
    5. Vælg mærke/analyse | Markør... | Markør 3 | TIL | koblede markører. Klik inde i stimulus boksen for at fremhæve frekvensen og flytte knappen, indtil aflæsningen af Marker 3 på skærmen viser -3 dB.
    6. Sammenlign de målte værdier med værdierne i producentens filterspecifikationer.

Representative Results

Når du kontrollerer, om en komponent fungerer korrekt, er det vigtigt at konsultere producentens specifikationer, som kan findes på deres respektive hjemmesider. Her blev filteret (Figur 10) målt efter at have konsulteret dets specifikationer14. Som vist i figur 11blev indsætningstabet identificeret samt de 3 dB-punkter. Det målte indføringstab efter kalibrering, som vist ved markør 1, havde en størrelse på 0,83 dB. Det negative tegn indikerer, at det var et tab. Indsætningstabet i referencen er angivet til 0,8 dB justeret (dBa). Filterets målte 3 dB-båndbredde blev ændret fra 1749 MHz til 1854 MHz. Ved fratrækkes, dette gav en værdi på 105 MHz, hvilket er tæt på den typiske værdi af 104,5 MHz.

Der er 10 dB dæmpere bygget til at modstå en indgangseffekt på 50 W, som beskrevet af producentens specifikationer15. Dæmpningsspecifikationen for denne dæmper er 10 dB ± 0,5 dB. På et tidspunkt blev en indgangseffekt på mere end 50 W indtastet i dæmperen, hvilket beskadigede dæmperen. En kalibreret VNA blev brugt til at kontrollere kvaliteten af denne komponent. Igen er det vigtigt at måle hver komponent før alle feltmålinger for kvalitetssikring. Måling af DUT er vist i figur 12. Til sammenligning er måling af en god 10 dB-dæmper vist i figur 13. Det skal bemærkes, at den målte værdi var 9,88 dB ved 1750 MHz, hvilket er inden for det angivne interval på -9,5 til -10,5 dB på tværs af hele båndbredden på 1700-1900 MHz.

Endelig er kabeltab en anden vigtig måling, der ofte udføres i radiofrekvensmålinger. Specifikationerne for det målte kabel findes på side 5 i databladet16. Dæmpningen pr. fod (dB/ft) var 0,05 dB ved 1 GHz eller 0,16 dB/m. Et målt kabel med en længde på 36 fod/11 m havde ifølge fabrikanten et specificeret tab på ~1,8 dB. Det målte tab er vist i figur 14. Med en frekvens på 1750 MHz var det målte tab -1,88 dB (som, når det rundes op til nærmeste tiendedel af en decibel, er en størrelsesorden på 1,9 dB).

Figure 1
Figur 1: Tænd for VNA' en. Den røde cirkel repræsenterer placeringen af VNA-tænd/sluk-knappen. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: Fasestabilabler af høj kvalitet, der er fastgjort til to VNA-porte. Kablerne er fastgjort til frontpanelet af VNA ved hjælp af en 8 in.lbf. momentnøgle. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: Rengøring af stik. (A) Rengøring af den indvendige leder, (B) rengøring af den ydre leder og tråde, og (C) forsigtigt blæse tørring stikket ved hjælp af trykluft. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: En momentnøgle på 12 in.lbf. til type N-stik. Denne skruenøgle bruges til at stramme forbindelserne mellem VNA-kablerne og DUT. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5: Type N kalibreringssæt. Vist her er en kalibrering kit, der indeholder åben, kort, belastning, og gennem standarder, der anvendes til at kalibrere fejl i VNA. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6: Standarderne for type N-kalibreringer. Fotografier af de mandlige og kvindelige kalibreringsstandarder, der anvendes i kalibreringen. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 7
Figur 7: Elektronisk kalibreringsmodul. Et fotografi af et elektronisk kalibreringsmodul. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 8
Figur 8: Efter kalibreringskontrol efter kalibrering på et log-magnitude-plot som funktion af frekvens i GHz. Værdien af thru er 0,01 dB med en frekvens på 1,8 GHz. Dette viser værdien af thru som en funktion af frekvens i GHz efter kalibrering. Gennem-delen bruges som kalibreringskontrol for at sikre, at kalibreringen er gyldig. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 9
Figur 9: Forklaring af Smith-diagram. Reelle og imaginære impedansværdiplaceringer for standardimpedanser vises i venstre figur, og impedansstørrelsesværdier vises i tallet højrefigur 17. Denne Smith Chart tegning viser både den virkelige og imaginære impedans til venstre og impedans størrelsesorden til højre. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 10
Figur 10: RF-filter indsat mellem port 1 og 2. Et fotografi af et RF-filter, der indsættes mellem port 1 og 2 for enden af VNA-kablerne under målinger. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 11
Figur 11: Målt indføringstab og 3 dB-punkter for RF-filter med specifikationer i figur 9. Dette er et skærmbillede fra VNA under måling af RF-filteret, der er vist i figur 10. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 12
Figur 12: Måling af 10 dB-dæmper, der ikke er omfattet af specifikationerne. Den målte værdi er -22,70 dB ved 1,7 GHz, og specifikationen er 10 dB ± 0,5 dB. Også vist er måling af en 10 dB dæmper, der ikke længere er inden for dens specifikationer. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 13
Figur 13: Måling af 10 dB-dæmper inden for specifikationerne. Den målte værdi var -9,88 dB. Også vist er måling af en 10-dB dæmper, der er inden for dens specifikationer. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 14
Figur 14: Måling af koaksialt kabel på 16 ft (11 m) med en 0,05 dB/ft specificeret dæmpningsværdi. Tabet gennem kablets længde forventedes at blive ~1,8 dB, hvilket er i overensstemmelse med den målte værdi på -1,9 dB ved 1,87 GHz. Der vises også måling af et kabel, der viser, at det målte tab ligger inden for producentens specifikationer. Klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

Det er vigtigt at lade VNA varme til RT i mindst 0,5 timer (selvom 1 time er bedre), før kalibreringer udføres, hvilket gør det muligt for alle interne komponenter at komme til RT og resulterer i mere stabile kalibreringer. En kalibrering kan vare flere dage uden et stort tab af nøjagtighed; Kalibreringen kontrolleres dog dagligt ved hjælp af en kalibreringsstandard for at sikre målingens integritet. Inspektion af alle systemkomponenter er afgørende, så dårlige stik ikke beskadiger VNA'ens præcision. Det er bedst at bruge kabler med lavt tab med VNA. Kalibreringens integritet skal kontrolleres, inden systemkomponenten eller DUT måles. Enhver måling uden for de her angivne specifikationer bør gentages eller kræve en ny kalibrering. Endelig er det en nødvendig del af valideringen at bruge producentens specifikationer til at kontrollere de målte DUT-værdier.

Brug af VNA som måleinstrument har sine begrænsninger. Hvis DUT eller systemet har tab så store, at de målte S-parametre falder til under VNA'ens støjgulv, kan det ikke måles med VNA. Det er muligt at sænke støjgulvet ved at reducere IF-båndbredden og øge fejetiden. Dette vil bremse måleerhvervelsestiden. der er således en afvejning, når disse parametre justeres. VNA kan ikke håndtere indgangskræfter på mere end 30 dBm, så det er nødvendigt at bruge intern eller ekstern dæmpning, når der måles forstærkere. VNA har en kilde og modtager placeret i samme instrument, så det har været brugt som en radio formering målesystem. Da kilden og modtageren er placeret i VNA'en, skal sendeporten på en eller anden måde tilsluttes den modtagende port. Dette gøres typisk med kabler. Kabler tilføjer dog tab, hvilket reducerer det dynamiske område af, hvad der kan måles. Desuden bliver adskillelsesafstandene begrænsede.

Den anden metode, som tab kan måles ved, er brug af en signalgenerator og effektmåler. Effektmåleren er en skalarmåleenhed, så den kun kan måle et signals størrelse. Den kan ikke overvåge signalets fase, hvilket resulterer i mindre nøjagtige målinger af signalet. VNA måler både omfanget og fasen (af reelle og imaginære komponenter) af et målt signal i forhold til et velkendt indgangssignal, som er en måling af højere kvalitet.

VNA'er er en alsidig mulighed for mange typer målinger. Instrumentet kan bruges til at måle udstrålede radiosignaler ved hjælp af antenner på sende- og modtageportene18. Tid domæne analyse kan bruges til at overvåge signaler over tid og bestemme, hvor en pause forekommer i et kabel. Det kan måle mange frekvenser under en sweep, som kan bruges til at forstå dæmpning tab over mange frekvenser enten i en gennemført19 eller udstrålede miljø20. Forståelse af VNA's forskellige parameterindstillinger resulterer i veldemede karakteriserede DUTs/systemer, og målinger opnået med DUT/systemet kan anvendes med en høj grad af tillid.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Vi takker Forsvarsspektrumkontoret (DSO) for at have finansieret dette arbejde.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Commerce Spectrum Management Advisory Committee. 1755-1850 MHz Airborne Operations: Air Combat Training System Sub-Working Group Final Report. (2014).
  2. 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).
  3. Molisch, A. Wireless Communications - 2nd edition. J. Wiley & Sons, Ltd. Hoboken, NJ. (2010).
  4. 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).
  5. Network Analyzer Basics. Keysight Technologies. Available from: http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5965-7917E.pdf (2019).
  6. Rytting, D. Network Analyzer Error Models and Calibration Methods. Available from: http://emlab.uiuc.edu/ece451/appnotes/Rytting_NAModels.pdf (2019).
  7. 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).
  8. Kerns, D. M., Beatty, R. W. Basic Theory of Waveguide Junctions and Introductory Microwave Network Analysis (Monographs on Electromagnetic Waves). Pergamon Press. (1967).
  9. Engen, G. F. Microwave Circuit Theory and Foundations of Microwave Metrology. Peter Peregrinus, Ltd. London, UK. (1992).
  10. Witte, R. A. Spectrum and Network Measurements. Noble Publishing Corporation. Atlanta, GA. (2001).
  11. 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).
  12. Keysight Electronic Calibration Modules. Keysight Technologies. Available from: https://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/N7550-90002.pdf?id=2852836 (2019).
  13. Smith, P. H. Electronic Applications of the Smith Chart. Electromagnetics and Radar, SciTech Publishing, Inc. Raleigh, NC. (2006).
  14. K&L Microwave. Available from: http://www.klfilterwizard.com/klfwpart.aspx?FWS=1222001&PN=8FV50-1802_fT95-O_2fO (2019).
  15. Mini-Circuits. Available from: http://www.minicircuits.com/WebStore/dashboard.html?model=BW-N10W50_2B (2019).
  16. Utiflex Flexible Microwave Cable Assemblies Brochure. Available from: https://rf.cdiweb.com/datasheets/micro-coax/UtiflexCableAssemblies.pdf 5 (2019).
  17. Smith Chart Explanation. Available from: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Smith_chart_explanation.svg (2019).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
Kalibrering af Vector Network Analyzer for målinger i radiofrekvensformeringskanaler
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter