Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Engineering

Kalibratie van Vector Network Analyzer voor metingen in radiofrequentievoortplantingskanalen

doi: 10.3791/60874 Published: June 2, 2020

Summary

Dit protocol beschrijft best practices voor het kalibreren van een vectornetwerkanalyzer voordat deze wordt gebruikt als een nauwkeurig instrument, bedoeld om componenten van een testsysteem voor voortplantingsmetlening van radiofrequentie te meten.

Abstract

In situ metingen van radiofrequentie (RF) spectrumactiviteit geven inzicht in de fysica van radiofrequentiegolfvoortplanting en valideren bestaande en nieuwe spectrumvoortplantingsmodellen. Beide parameters zijn essentieel voor het ondersteunen en behouden van interferentievrije spectrumdeling, aangezien het spectrumgebruik blijft toenemen. Het is van vitaal belang dat dergelijke voortplantingsmetingen nauwkeurig, reproduceerbaar en vrij zijn van artefacten en bias. Het karakteriseren van de winsten en verliezen van componenten die in deze metingen worden gebruikt is essentieel voor hun nauwkeurigheid. Een vector netwerk analyzer (VNA) is een gevestigde, zeer nauwkeurige en veelzijdige stuk van apparatuur die zowel de omvang en de fase van de signalen meet, indien goed gekalibreerd. In dit artikel worden de aanbevolen procedures voor het kalibreren van een VNA beschreven. Eenmaal gekalibreerd, kan het worden gebruikt om nauwkeurig te meten componenten van een correct geconfigureerde voortplantingsmeting (of kanaal klinkende) systeem of kan worden gebruikt als een meetsysteem zelf.

Introduction

Het Institute for Telecommunication Sciences (ITS) is het onderzoekslaboratorium van de National Telecommunications and Information Administration (NTIA), een agentschap van het Amerikaanse Ministerie van Handel. ITS is sinds de jaren vijftig actief in radiovoortplantingsmetingen. Spectrum delen, het nieuwe paradigma voor federale en commerciële spectrum gebruikers, vereist dat twee verschillende systemen delen hetzelfde radiofrequentiespectrum op hetzelfde moment. Naarmate spectrumdelingsscenario's toenemen, neemt ook de behoefte aan nauwkeurige en reproduceerbare radiovoortplantingsmetingen toe die een beter begrip bieden van de radioomgeving, die meerdere diensten moeten delen. Het doel van de beschreven procedure is ervoor te zorgen dat alle componenten die een dergelijk systeem vormen goed worden gekenmerkt door een nauwkeurig geconfigureerde VNA.

Terwijl de vraag naar spectrum toeneemt, is het niet altijd mogelijk om snel vrij spectrum dat momenteel wordt gebruikt door federale agentschappen voor commerciële doeleinden. In de Advanced Wireless Services (AWS)-3-band (1755-1780 MHz) worden bijvoorbeeld spectrumdelingsregelingen ontwikkeld tussen militaire diensten en commerciële draadloze dragers1. Deze regelingen kunnen commerciële draadloze dragers om de AWS-3 band in te voeren voorafgaand aan het voltooien van de overgang van militaire diensten uit de band.

De Defense Spectrum Organization (DSO) is belast met het beheer van de AWS-3 overgang. Een belangrijk onderdeel van de overgang bestaat uit het ontwikkelen van nieuwe voortplantingsmodellen om het potentieel voor RF-interferentie tussen militaire en commerciële draadloze systemen die de band delen te evalueren. De DSO heeft its en anderen belast met het uitvoeren van een reeks kanaalklinkende metingen om nieuwe modellen te bouwen die de impact van bladeren en door de mens gemaakte structuren in de omgeving (gezamenlijk bekend als rommel) beter berekenen. Verbeterde voortplanting modellering die rekening houdt met rommel zal leiden tot minder beperkingen op commerciële zenders in de buurt van militaire systemen.

In situ metingen van RF spectrum activiteit geven inzicht in de fysica van RF golf voortplanting en valideren van bestaande en nieuwe radio voortplanting modellen. Beide componenten zijn essentieel voor het ondersteunen en behouden van interferentievrij spectrumdeling. Kanaalgeluidstechnieken, waarbij een bekend testsignaal wordt verzonden van een specifieke locatie naar een mobiele of stationaire ontvanger, leveren gegevens die de kenmerken van het radiokanaal in verschillende omgevingen inschatten. De gegevens worden gebruikt om modellen te ontwikkelen en te verbeteren die de voortplantingsverliezen nauwkeuriger voorspellen of het signaal afzwakken. Deze verliezen kunnen te wijten zijn aan het blokkeren en reflectie door gebouwen en andere obstakels (d.w.z. bomen of terrein in stedelijke canyons). Deze obstakels produceren meerdere, enigszins variant, voortplantingspaden wat resulteert in signaalverlies of verzwakking tussen de zend- en ontvangstantenne.

ITS-meettechnieken leveren nauwkeurige, herhaalbare en onbevooroordeelde resultaten op. De DSO heeft ITS aangemoedigd om haar institutionele kennis te delen met de bredere technische gemeenschap. Deze kennis omvat het optimaal meten en verwerken van RF-voortplantingsgegevens. In het onlangs gepubliceerde NTIA Technical Memorandum TM-19-5352,3,4,5wordt een reeks beste praktijken beschreven voor de voorbereiding en verificatie van radiopropagificatiemeetsystemen.5 Als onderdeel van deze best practices wordt een VNA gebruikt om de componentverliezen of winsten van een meetsysteem nauwkeurig te meten. De winsten en verliezen worden vervolgens gebruikt om de signaaldemping tussen twee antennes te berekenen.

Het hier gepresenteerde protocol behandelt de beste praktijken voor het kalibreren van een VNA5 voorafgaand aan het testen in laboratorium- of veldtoepassingen. Deze omvatten opwarmtijd, selectie van RF-connectortype, het maken van de juiste verbindingen en de prestaties van de juiste kalibratiestappen. Kalibratie moet worden uitgevoerd in een gecontroleerde laboratoriumomgeving voordat gegevens worden verzameld in de context van een specifiek propagatiemeetscenario. Aanvullende overwegingen kunnen relevant zijn voor specifieke voortplantingsmeetomgevingen, die buiten het toepassingsgebied van dit protocol vallen.

De VNA wordt gebruikt om apparaatkenmerken van componenten en subassemblages te meten bij het assembleren van andere meetsystemen. Eindversterkers, ontvangers, filters, geluidsarme versterkers, mixers, kabels en antennes zijn allemaal componenten die kunnen worden gekenmerkt door een VNA. Voorafgaand aan het testen en/of kalibreren van een systeem wordt een lijst van alle benodigde onderdelen van het systeem opgesteld en worden alle systeemcomponenten geassembleerd. Elk onderdeel van een systeem wordt afzonderlijk gemeten door ze tussen de VNA-kabels te plaatsen. Dit zorgt ervoor dat alle componenten werken binnen de specificaties van de fabrikant. Zodra de componenten zijn gecontroleerd, wordt het systeem geassembleerd en worden verliezen in het hele systeem gemeten. Dit zorgt ervoor dat reflecties en transmissies tussen componenten goed worden gekarakteriseerd.

Een VNA meet verstrooiingsparameters (S-parameters), die complexe hoeveelheden zijn met zowel omvang als fase. Een S-parameter is een metsing met een verhouding van het 1) gereflecteerde signaal naar het incidentsignaal (reflectiemeting) of 2) dat naar het incidentsignaal wordt verzonden (transmissiemeting). Voor een apparaat met twee poorten kunnen vier S-parameters (S11,S21, S12en S22)worden gemeten. Het eerste subscript verwijst naar de poort waar het signaal wordt ontvangen, en de tweede verwijst naar de poort waar het signaal wordt verzonden. S11 betekent dus dat het verzonden signaal afkomstig is van poort 1 en werd ontvangen in poort 1. Bovendien betekent S21 dat het verzonden signaal opnieuw is ontstaan in poort 1, maar wordt ontvangen in poort 2. S11 meet de hoeveelheid signaal die wordt weerspiegeld door het geteste apparaat (DUT) in poort 1 met verwijzing naar het oorspronkelijke signaal dat incident was in poort 1. S21 meet de hoeveelheid signaal die via het DUT wordt verzonden en komt in poort 2 met betrekking tot het incidentsignaal in poort 1. S11 is een maat voor de reflectiecoëfficiënt van het DUT in poort 1 en S21 is een maat voor de transmissiecoëfficiënt van het DUT van poort 1 naar poort 2.

Een kalibratie van de VNA is vereist om de systematische fouten te verwijderen uit componenten tot (en met inbegrip van) het referentievlak voor de meting, dat meestal aan het einde van de VNA-meetkabels ligt. Een kalibratie verwijdert systeemfouten door het meten van "perfecte" bekende standaarden (open, shorts, belastingen, thru/line) en het vergelijken met de waarde die de VNA meet. Door middel van een reeks foutcorrecties wordt een gecorrigeerde waarde voor het DUT weergegeven. Er zijn momenteel 12 fouttermen6,7 die worden gekenmerkt tijdens kalibratie. Voor meer informatie verwijzen we naar de originele S-parametermetingen die zijn uitgevoerd op zespoortige netwerkanalyzers8 ondersteund door klassieke microgolfcircuittheorie9,10.

De meest voorkomende typen S-parameter reflectiemetingen zijn retourverlies, staande golfverhouding (SWR), reflectiecoëfficiënt en impedantiematching. De meest voorkomende vormen van S-parameter transmissiemetingen zijn invoegverlies, transmissiecoëfficiënt, winst/verlies, groepsvertraging, fase- of fasevertraging en elektrische vertraging. Transmissieverliesmetingen worden benadrukt in het beschreven protocol.

Het meten van winsten en verliezen van systeemcomponenten met behulp van een VNA is goed begrepen. Echter, belangrijke stappen worden vaak overgeslagen, zoals het reinigen van connectoren en het gebruik van een goede koppelmoersleutel. Dit protocol biedt alle nodige stappen en uitleg waarom sommige bijzonder belangrijk zijn. Het zal ook dienen als een prelude op een toekomstig artikel waarin wordt beschreven hoe RF-voortplantingsmetingen moeten worden uitgevoerd, inclusief de berekeningen van signaaldemping.

Protocol

1. VNA-opstelling

  1. Verzamel alle componenten van het voortplantingsmeetsysteem, inclusief kabels, versterkers, filters, DUT's (die subassemblages kunnen zijn) en andere componenten.
  2. Zet de VNA aan (figuur 1), en laat het minstens 0,5 uur warm maken om ervoor te zorgen dat alle interne componenten van VNA een stabiele bedrijfstemperatuur hebben en dat fasedrift tot een minimum wordt beperkt.
  3. Druk op de knop Vooraf instellen.
  4. Bevestig hoogwaardige, fasestalre kabels aan poorten 1 en 2 van de VNA (figuur 2).
  5. Draai de connectoren aan de VNA-poorten aan met een 8 in.lbf. koppelsleutel. Om een verbinding goed te koppelen, houdt u het uiteinde van de handgreep vast en duwt u de handgreep voorzichtig zonder dat de handgreep helemaal over breekt.
  6. Inspecteer alle kabels en connectoren visueel op duidelijke tekenen van slijtage, zoals inkepingen, deuken en onvolmaakte connectorthreads.
  7. Controleer de specificaties van de fabrikant op geldige meetbereiken voor alle kabels, connectoren en DUT's. Deze specificaties kunnen temperatuur, vochtigheid, frequentie en vermogen omvatten.
  8. Maak de connectoren op alle apparaten en kabeluiteinden schoon. Gebruik wattenstaafjes die speciaal zijn ontworpen voor het reinigen van gevoelige elektronica en connectoren. Het gebruik van kabels met vuile connectoren kan leiden tot beschadiging van de geleidende oppervlakken van kabels en het produceren van onjuiste metingen.
    1. Dompel een wattenstaafje in isopropylalcohol.
    2. Maak de middengeleider(figuur 3A)voorzichtig schoon met behulp van het bevochtigde wattenstaafje. Oefen niet te veel kracht uit op de middengeleider, omdat deze gemakkelijk beschadigd is.
    3. Reinig de buitenste geleider van elke connector (figuur 3B). Maak de koppelingsdraaddraden schoon.
    4. Droog alle kabel- en verbindingsuiteinden met behulp van schone perslucht(figuur 3C). Als de perslucht de connector koelt, laat u de connector terug naar kamertemperatuur (RT) voordat u alle aansluitingen maakt en aandraaid.
  9. Uitlijnen en verbindingen maken tussen VNA-kabels op poorten 1 en 2 en de DUT. Draai aan met een 12 in.lb. koppelsleutel voor aansluitingen van het type N (figuur 4). Zorg ervoor dat de uiteinden van de kabel goed zijn uitgelijnd.
    1. Begin met het draaien van de connector aan de DUT-kant op de VNA-kabeldraden. De juiste verbindingen zorgen ervoor dat de moer vrij kan draaien met weinig weerstand. Weerstand is een teken van kruisdraad. Verkeerde uitlijning kan de connector beschadigen of signaalreflecties en signaalverlies veroorzaken. Niet overtighten connector, omdat dit de connector zal beschadigen.
    2. Schik de kabels van de VNA zodanig dat ze minimaal bewegen tijdens het kalibreren. Kalibratiekabels zijn faselijk en idealiter niet gebogen of verplaatst tijdens kalibratie.
  10. Pas de VNA-meetparameters aan volgens de specificaties van het DUT. Het frequentiebereik kan ook worden geselecteerd met behulp van het centrum frequentie en frequentiebereik bekend als de "span".
    1. Selecteer het frequentiebereik. Kies Stimulusmenu | Freq | Startfrequentie: 1700 MHz. Kies Stimulusmenu | Freq | Stopfrequentie: 1900 MHz.
    2. Selecteer het meettype (bijvoorbeeld S11, S12, S21, S22). Kies Antwoordmenu | Maatregel | S21.
    3. Selecteer en pas de poortstroom aan. Kies Stimulusmenu | Vermogen | Poortvermogen aanpassen: 0 dBm. Zorg ervoor dat het uitgangsvermogen gelijk is aan (of lager) de DUT maximale vermogensspecificatie.
    4. Selecteer en pas de veeginstellingen aan. Kies Stimulusmenu | Vegen | Sweep Type: Getrapt. Kies Stimulusmenu | Vegen | tijd | Sweep Tijd: 1 sec. Kies vervolgens Stimulusmenu | Vegen | Sweep Setup | Verblijfstijd: 0 μsec.
      OPMERKING: Een getrapte sweep is het meest nauwkeurige veegtype, omdat het naar elke frequentie stapt en op een frequentie woont voordat u een meting uitvoert. Bij gebruik van lange kabels moet de verblijfstijd mogelijk worden verhoogd om ervoor te zorgen dat het signaal na de meting bij de ontvanger aankomt. Een verblijfstijd van 0 μs is een optimale standaardinstelling.
    5. De gemiddelde modus selecteren en aanpassen door het antwoordmenu te kiezen | Middeling | Gemiddeld: IFBW: 1 kHz.
      OPMERKING: Kies het juiste middelingtype: "punt middeling" gemiddelden elk frequentiepunt een aantal opgegeven tijden (d.w.z. 2, 4 16, 32, enz.), wat de geluidsvloer en onzekerheid vermindert, maar de veegtijd verhoogt. IFBW gebruikt een filter om het vermogen in een kleine bandbreedte te meten, wat ook de geluidsvloer vermindert, maar minder meettijd vereist. IFWB middeling heeft de neiging om een meer optimale middeling techniek.
    6. Kies de weergegeven gegevensnotatie (bijvoorbeeld LogMag [standaardinstelling], Smith Chart, SWR, enz.) door antwoordmenu te selecteren | Formaat | LogMag.
    7. Kies het aantal gegevenspunten in het weergegeven spoor met stimulusmenu | Vegen | Aantal punten: 1601.
      OPMERKING: Het aantal punten is zo ingesteld dat maximale frequentiedekking kan worden bereikt tussen de start- en stopfrequenties:

Equation 1

In het bovenstaande voorbeeld is de stapgrootte of frequentieafstand 0,125 MHz, zodat frequentie(1) = 1700.000 MHz, frequentie(2) = 1700,125 MHz, ... frequentie(1600) = 1899.875 MHz, frequentie(1601) = 1900 MHz.

2. Kalibratie van de VNA

  1. Kies een handmatige of elektronische kalibratie als er een elektronische kalibratiemodule beschikbaar en gewenst is (zie punt 2.11). Beide kalibratie is nauwkeurig.
  2. Handmatige kalibratie kiezen door Antwoord te selecteren | Cal Menu | Begin Cal | Wizard Kalibratie | Ongeleid.
    1. Kies de juiste kalibratiekit zodat een nauwkeurige waarde van de normen in de specifieke kalibratiekit bekend is(figuur 5). Kies hier 85054D en kies vervolgens de tweepoortige korte-open-load-thru (SOLT) kalibratie (voor een DUT met twee poorten). Andere beschikbare kalibraties zijn een one-port voor een apparaat met een enkele poort, naast een responskalibratie. De SOLT is de meest nauwkeurige optie11.
    2. Kies Volgende om naar het volgende scherm te gaan.
  3. Bevestig een open kalibratienorm (figuur 6) aan de kabel die aan poort 1 is bevestigd. Een open kalibratiestandaard heeft een open holte achter de connector om een vrije ruimteimpedantie van 377 Ω te simuleren.
  4. Bevestig een korte kalibratiestandaard aan de kabel die aan poort 2 is bevestigd. Een korte heeft een metalen plaat achter de connector, zodat de inkomende spanning volledig wordt gereflecteerd.
    1. Kies Poort 1 | OPEN | Type N (50) vrouwelijke open, die een meting van de bijgevoegde open voert. Een spoor verschijnt op het VNA-scherm, voorzichtig schuin weg van een referentieniveau van 0 dB op een S11,log-magnitude display formaat voor de open standaard. Zodra de meting is voltooid (een vinkje verschijnt boven de standaard), drukt u op de OK-knop om door te gaan. Dit stuurt de gebruiker terug naar het vorige scherm.
    2. Kies een mannelijke of vrouwelijke kalibratiestandaard met dezelfde geslachtsconnector als die van de DUT (d.w.z. een mannelijke kalibratiestandaard heeft de middelste pin en een vrouwelijke kalibratiestandaard heeft een insteekbare poort). Oudere VNA's vereisen een kalibratiestandaard op basis van het geslacht van de VNA-kabel.
    3. Kies Poort 2 | KORT | Type N (50) vrouwelijke kort, die een meting van de bijgevoegde korte voert. Een spoor zal verschijnen op de VNA scherm, zachtjes glooiende uit de buurt van een 0 dB referentieniveau op een S11, log-magnitude display formaat voor de korte standaard. Zodra de meting is voltooid (een vinkje verschijnt boven de standaard), drukt u op de OK-knop om door te gaan. Dit stuurt de gebruiker terug naar het vorige scherm.
  5. Wissel kalibratiestandaarden tussen poorten (d.w.z. bevestig de open kalibratiestandaard aan poort 2 en bevestig vervolgens de korte kalibratiestandaard aan poort 1).
    1. Kies Poort 1 | KORT | Type N (50) vrouwelijke kort om de korte op poort 1 te meten. Een spoor zal verschijnen op de VNA scherm, zachtjes glooiende uit de buurt van een 0 dB referentieniveau op een S11, log-magnitude display formaat voor de korte standaard. Zodra de meting is voltooid (een vinkje verschijnt boven de standaard), drukt u op de OK-knop om door te gaan. Dit stuurt de gebruiker terug naar het vorige scherm.
    2. Kies Poort 2 | OPEN | Type N (50) vrouw open om de open op poort 2 te meten. Een spoor verschijnt op het VNA-scherm, voorzichtig schuin weg van een referentieniveau van 0 dB op een S11,log-magnitude display formaat voor de open standaard. Zodra de meting is voltooid (een vinkje verschijnt boven de standaard), drukt u op de OK-knop om door te gaan. Dit stuurt de gebruiker terug naar het vorige scherm.
  6. Verwijder de korte van poort 1 en plaats een breedbandbelasting op poort 1. Een belasting absorbeert de binnenkomende energie, wat resulteert in een kleine reflectie over een groot bereik van frequenties.
    1. Kies Poort 1 | LADINGEN | Breedbandbelasting van type N (50) om de belasting op poort 1 te meten. Zodra de meting is voltooid (een vinkje verschijnt boven de standaard), drukt u op de OK-knop om door te gaan. Dit stuurt de gebruiker terug naar het vorige scherm.
    2. Houd de huidige kalibratiestandaard op poort 2. Laat de poort niet open, omdat deze een pad kan bieden voor lekkagesignalen. Er verschijnt een trace op het VNA-scherm en varieert over het scherm. Alle gemeten waarden op een S11,log-magnitude display formaat zal minder dan -20 dB voor een goede belasting.
  7. Verwijder de open van poort 2, neem de breedbandbelasting van poort 1 en plaats de breedbandbelasting op poort 2. Plaats de open vanaf poort 2 op poort 1 om lekkagesignalen te voorkomen.
    1. Kies Poort 2 | LADINGEN | Type N (50) breedbandbelasting om de belasting op poort 2 te meten. Er verschijnt een trace op het VNA-scherm en varieert over het scherm. Alle gemeten waarden op een S11,log-magnitude display formaat zal minder dan -20 dB voor een goede belasting. Zodra de meting is voltooid (een vinkje verschijnt boven de standaard), drukt u op de OK-knop om door te gaan. Dit stuurt de gebruiker terug naar het vorige scherm.
  8. Plaats een doorkalibratiestandaard tussen de kabels die aan poorten 1 en 2 zijn bevestigd. Dit is meestal een adapter met hetzelfde geslacht connectoren aan beide uiteinden.
    1. Kies THRU om de door kalibratiestandaard te meten. Zodra de meting is voltooid, verschijnt er een vinkje boven de THRU-standaard op dit scherm.
      OPMERKING: De isolatiemeting kan meestal worden weggelaten tijdens de kalibratie, omdat isolatie meet de crosstalk tussen kabels en de waarde ervan is vaak zeer klein in vergelijking met andere normen. De kalibratiemetingen hierboven kunnen in willekeurige volgorde worden uitgevoerd.
  9. Zodra alle normen hebben een vinkje boven hen, sla de kalibratie. Kies Volgende | Opslaan als gebruiker Calset. Voer een naam in voor de kalibratie en druk op de knop OPSLAAN.
  10. Controleer de kalibratie zoals beschreven in punt 3.
  11. Als er geen handmatige kalibratie is gekozen, kiest u de elektronische kalibratieoptie12. Bevestig de elektronische kalibratiekit (figuur 7) aan de kabels tussen poorten 1 en 2. Antwoord selecteren | Cal Menu | Begin Cal | Wizard Kalibratie | Elektronische kalibratie met de elektronische kalibratieoptie.
    1. Kies 2-poorts ECal | Selecteer vervolgensde knop Meten. De elektronische kalibratiemodule meet automatisch een aantal verschillende normen en vraagt de gebruiker om de kalibratie aan het einde op te slaan.
    2. Kies Volgende | Opslaan als gebruiker Calset. Voer een naam in voor de kalibratie en druk op de knop OPSLAAN.
      LET OP: Voor een elektronische kalibratie zijn alleen de kabels van poorten 1 en 2 aangesloten op de module. Alle kalibratienormen zijn opgenomen in de module. De elektronische kalibratie kalibreert de interne normen automatisch. Als de elektronische kalibratiemodule niet dezelfde connectortypen heeft als de kabels, moet een extra kalibratie worden voltooid om de kalibratiefoutcorrecties in de module te wijzigen om rekening te houden met de adapters. Zorg ervoor dat u contact op met de fabrikant voor begeleiding.

3.

  1. Gebruik een thru om de kalibratie te controleren.
    1. Sluit een thru adapter(figuur 6) zonder duidelijke tekenen van slijtage aan de kabels tussen poorten 1 en 2. Meet de thru standaard niet. Kies een andere door.
    2. Antwoord kiezen | Maatregel | S21, dan Antwoord | Schaal | Schaal. Stel de waarde Per divisie in op 0,1 door op de pijl-omlaagknop te drukken. Kies Stimulusmenu | Trigger | Single om het invoegverlies van de thru te meten. Een enkele sweep verschijnt over het frequentiebereik.
      LET OP: De waarde van de doordenwaarde op een log magnitude plot ligt binnen 0,05 dB van de 0 dB referentie (Figuur 8) voor voldoende kalibratie. Dit is een empirische waarde verkregen over vele jaren van kalibraties. Dit kan worden gezien door het veranderen van de schaal naar 0,05 dB per divisie.
    3. Zodra de thru is gecontroleerd, terug te keren naar 10 dB / divisie door te kiezen voor Antwoord | Schaal | Schaal en stel de waarde per divisie in op 10. Antwoord kiezen | Maatregel | S11.
    4. Kies Stimulusmenu | Trigger | Single om S11te meten . De waarde van een goede thru is de volgende: | S11| = -20 dB (1% reflectie in vermogen en 10% reflectie in spanning).
      OPMERKING: De Smith Chart13-weergave geeft impedantie weer. Metingen van S11 en S22 worden weergegeven als een kleine cirkel in het midden van de grafiek. De impedantiewaarde is binnen 0.5 Ω van de 50 Ω verwijzing voor voldoende kaliberbepaling.
  2. Gebruik een belasting van 50 Ω om de kalibratie te controleren.
    1. Bevestig een 50 Ω afgestemde lading aan de poort 1.
    2. Kies Stimulusmenu | Trigger | Single om S11te meten .
      LET OP: Een overeenkomende belasting is minder dan -20 dB (de reflectiecoëfficiënt van een ideale belasting is 0). Dit wordt ook weergegeven als een kleine cirkel in het midden van de Smith Chart(figuur 9).
  3. Gebruik een open kalibratiestandaard om de kalibratie te controleren.
    1. Sluit een open kalibratiestandaard aan.
    2. Kies Stimulusmenu | Trigger | Single om S11te meten . Een open is 0 dB op een log-magnitude plot (de reflectiecoëfficiënt van een ideale open is 1). Op een Smith Chart, de open verschijnt als een kleine cirkel op 0 aan de rechterkant (Figuur 9) voor voldoende kalibratie.
  4. Gebruik een korte kalibratiestandaard om de kalibratie te controleren.
    1. Sluit een korte kalibratiestandaard aan.
    2. Kies Stimulusmenu | Trigger | Single om S11te meten . Een korte is 0 dB (de reflectiecoëfficiënt van een ideale short is -1) op het log-magnitude plot. Op de Smith Chart wordt de waarde weergegeven als een cirkel helemaal links(figuur 9) voor voldoende kalibratie.
      OPMERKING: Als een kalibratietest mislukt, controleert u de verbindingen en herhaalt u de kalibratie. Als de kalibratie goed is, ga dan verder naar sectie 4.

4. Meting van componenten of systeemverliezen

  1. Sluit het DUT aan op de VNA. Als het DUT meer dan twee poorten heeft (d.w.z. schakelaars, power dividers, enz.), bevestig dan 50 Ω gematchte ladingen aan de poorten die niet op de VNA zijn aangesloten, omdat het vermogen wordt weerspiegeld uit deze poorten en de meting verandert.
  2. Antwoord selecteren | Maatregel | S21.
  3. Stimulusmenu selecteren | Trigger | Single om de DUT te meten.
  4. Bestand selecteren | Gegevens opslaan als... . Typ een bestandsnaam in het vak Bestandsnaam. Kies een bestandstype van een van beide . CSV of Trace (*.s2p). Kies de scope (de standaardwaarde van Weergegeven traces is hier geschikt). Kies een opmaak (bijvoorbeeld logboekomvang en -hoek, lineaire omvang en fase, echt en denkbeeldig en weergegeven formaat [zoals een Smith-grafiek]). Druk op OPSLAAN om de gegevens op te slaan.
  5. Controleer en analyseer de testresultaten van een bandpassfilter. Een voorbeeld wordt beschreven in de volgende stappen.
    1. Identificeer delen van het spoor door markeringen op het spoor te plaatsen. Marker/Analyse selecteren | Merkpaal | Marker 1 en druk op OK.
    2. Marker/Analyse selecteren | Zoeken naar markeringen | Max om het invoegverlies van het traceerfilter te vinden. De knop op het voorpaneel kan ook worden gebruikt om maxima en minima te identificeren terwijl de markering over frequentiepunten wordt gereeg.
    3. Marker/Analyse selecteren | Marker < Marker 1, selecteer vervolgens deltamarkering en gekoppelde markeringen. De waarde van deze markering zoals weergegeven op het scherm moet 0 dB lezen. Hiermee wordt een referentiewaarde ingesteld voor de andere markeringen.
    4. Marker/Analyse selecteren | Markering... | Marker 2 | BETREFFENDE | gekoppelde markeringen. Klik in het stimulusvak om de frequentie te markeren en beweeg de knop totdat de meting van Marker 2 op het scherm -3 dB laat zien.
    5. Marker/Analyse selecteren | Markering... | Markering 3 | BETREFFENDE | gekoppelde markeringen. Klik in het stimulusvak om de frequentie te markeren en beweeg de knop totdat de lezing van Marker 3 op het scherm -3 dB laat zien.
    6. Vergelijk de gemeten waarden met die van de filterspecificaties van de fabrikant.

Representative Results

Bij het controleren of een onderdeel correct werkt, is het belangrijk om de specificaties van de fabrikant te raadplegen, die op hun respectievelijke websites te vinden zijn. Hier werd het filter (figuur 10) gemeten na raadpleging van de specificaties14. Zoals blijkt uit figuur 11werd het invoegverlies geïdentificeerd, evenals de 3 dB-punten. Het gemeten invoegverlies na kalibratie, zoals blijkt uit marker 1, had een magnitude van 0,83 dB. Het negatieve teken geeft aan dat het een verlies was. Het invoegverlies in de referentie wordt gespecificeerd als 0,8 dB aangepast (dBa). De gemeten 3 dB bandbreedte van het filter veranderde van 1749 MHz naar 1854 MHz. Bij aftrek leverde dit een waarde op van 105 MHz, wat dicht bij de typische waarde van 104,5 MHz ligt.

Er zijn 10 dB-verzwaktetenuatoren gebouwd om een invoervermogen van 50 W te weerstaan, zoals beschreven in de specificaties van de fabrikant15. De dempingsspecificatie voor deze verzwakking is 10 dB ± 0,5 dB. Op een gegeven moment werd een invoervermogen van meer dan 50 W ingevoerd in de verzwakte, die de verzwakte beschadigd. Een gekalibreerde VNA werd gebruikt om de kwaliteit van dit onderdeel te controleren. Nogmaals, het is belangrijk om elk onderdeel te meten voordat alle veldmetingen voor kwaliteitsborging. Meting van het DUT is weergegeven in figuur 12. Ter vergelijking: meting van een goede verzwakter van 10 dB wordt weergegeven in figuur 13. Opgemerkt moet worden dat de gemeten waarde 9,88 dB op 1750 MHz was, wat binnen het opgegeven bereik van -9,5 tot -10,5 dB ligt over de gehele bandbreedte van 1700-1900 MHz.

Ten slotte is kabelverlies een andere belangrijke meting die vaak wordt uitgevoerd in radiofrequentiemetingen. Specificaties voor de gemeten kabel zijn te vinden op pagina 5 van het gegevensblad16. De demping per voet (dB/ft) was 0,05 dB op 1 GHz, of 0,16 dB/m. Een gemeten kabel met een lengte van 36 voet/11 m had een gespecificeerd verlies van ~1.8 dB, volgens de fabrikant. Het gemeten verlies wordt weergegeven in figuur 14. Bij een frequentie van 1750 MHz bedroeg het gemeten verlies -1,88 dB (wat, wanneer afgerond op de dichtstbijzijnde tiende van een decibel, een magnitude van 1,9 dB is).

Figure 1
Figuur 1: De VNA aanzetten. De rode cirkel geeft de locatie van de VNA-aan/uit-knop weer. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 2
Figuur 2: Hoogwaardige, fasestalige kabels die aan twee VNA-poorten zijn bevestigd. De kabels zijn bevestigd aan het voorpaneel van de VNA met behulp van een 8 in.lbf. koppelsleutel. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 3
Figuur 3: Reinigingsconnectoren. (A) Reiniging van de binnengeleider, (B) reiniging van de buitenste geleider en draden, en (C) zachtjes föhnen de connector met behulp van perslucht. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 4
Figuur 4: Een koppelsleutel van 12 in.lbf. voor type N-connectoren. Deze moersleutel wordt gebruikt om de aansluitingen tussen de VNA kabels en DUT aan te spannen. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 5
Figuur 5: Type N kalibratiekit. Hier wordt een kalibratiekit getoond die open, kort, laden en standaarden bevat die worden gebruikt om fouten in de VNA te kalibreren. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 6
Figuur 6: Type N-kalibratiesnormen. Foto's van de mannelijke en vrouwelijke kalibratienormen die in de kalibratie worden gebruikt. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 7
Figuur 7: Elektronische kalibratiemodule. Een foto van een elektronische kalibratiemodule. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 8
Figuur 8: Door middel van kalibratie te controleren na kalibratie op een log-magnitude plot als een functie van de frequentie in GHz. De waarde van de thru is 0,01 dB op een frequentie van 1,8 GHz. Dit toont de waarde van de thru als functie van de frequentie in GHz na kalibratie. De thru wordt gebruikt als een kalibratie controle om ervoor te zorgen dat de kalibratie geldig is. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 9
Figuur 9: Smith Chart uitleg. Werkelijke en denkbeeldige impedantiewaardelocaties voor standaard impedantie worden weergegeven in de linkerfiguur en impedantiewaardewaarden worden weergegeven in het rechtercijfer17. Deze Smith Chart tekening toont zowel de echte als denkbeeldige impedantie aan de linkerkant en impedantie magnitude aan de rechterkant. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 10
Figuur 10: RF-filter ingevoegd tussen poorten 1 en 2. Een foto van een RF-filter ingevoegd tussen poorten 1 en 2 aan het einde van de VNA-kabels tijdens metingen. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 11
Figuur 11: Gemeten invoegverlies en 3 dB-punten voor RF-filter met specificaties in figuur 9. Dit is een screenshot van de VNA tijdens het meten van het RF-filter dat wordt weergegeven in figuur 10. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 12
Figuur 12: Meting van 10 dB-verzwakter niet binnen de specificaties. De gemeten waarde is -22,70 dB bij 1,7 GHz en de specificatie is 10 dB ± 0,5 dB. Ook wordt een 10 dB-detenuator gemeten die niet meer binnen de specificaties valt. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 13
Figuur 13: Meting van 10 dB-verzwakter binnen de specificaties. De gemeten waarde was -9,88 dB. Ook getoond is het meten van een 10-dB verzwakler die binnen de specificaties valt. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 14
Figuur 14: Meting van 11 m coaxiale kabel met een opgegeven dempingswaarde van 0,05 dB/ft. Het verlies door de lengte van de kabel zou ~1,8 dB bedragen, wat overeenkomt met de gemeten waarde van -1,9 dB op 1,87 GHz. Ook wordt een kabel gemeten waaruit blijkt dat het gemeten verlies binnen de specificaties van de fabrikant valt. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Discussion

Het is belangrijk om de VNA te warm te laten voor RT voor ten minste 0,5 uur (hoewel, 1 uur is beter) voordat kalibraties worden uitgevoerd, waardoor alle interne componenten te komen naar RT en resulteert in meer stabiele kalibraties. Eén kalibratie kan enkele dagen duren zonder een groot verlies van nauwkeurigheid; de kalibratie wordt echter dagelijks gecontroleerd met behulp van een kalibratiestandaard om de integriteit van de meting te waarborgen. Inspectie van alle systeemcomponenten is essentieel, zodat slechte connectoren de precisie van de VNA niet beschadigen. Het beste is om laag verlies kabels te gebruiken met de VNA. De integriteit van de kalibratie moet worden gecontroleerd voordat een systeemcomponent of DUT wordt gemeten. Elke meting buiten de hier verstrekte specificaties moet worden herhaald of kan een nieuwe kalibratie vereisen. Ten slotte is het gebruik van de specificaties van de fabrikant om de gemeten DUT-waarden te controleren een noodzakelijk onderdeel van de validatie.

Het gebruik van de VNA als meetinstrument heeft zijn beperkingen. Als het DUT of systeem verliezen heeft die zo groot zijn dat de gemeten S-parameters onder de geluidsvloer van de VNA vallen, kan het niet met de VNA worden gemeten. Het is mogelijk om de geluidsvloer te verlagen door de IF-bandbreedte te verlagen en de veegtijd te verhogen. Dit vertraagt de meettijd; Er is dus een trade-off bij het aanpassen van deze parameters. De VNA kan geen ingangsbevoegdheden van meer dan 30 dBm aan, dus het gebruik van interne of externe demping bij het meten van versterkers is vereist. De VNA heeft een bron en ontvanger in hetzelfde instrument, dus het is gebruikt als een radio voortplanting meetsysteem. Omdat de bron en de ontvanger zich in de VNA bevinden, moet de zendpoort op een bepaalde manier worden verbonden met de ontvangende poort. Meestal gebeurt dit met kabels; echter, kabels toe te voegen verlies, het verminderen van het dynamisch bereik van wat kan worden gemeten. Bovendien worden de scheidingsafstanden beperkt.

De andere methode waarmee verliezen kunnen worden gemeten is het gebruik van een signaalgenerator en vermogensmeter. De vermogensmeter is een scalaire meetapparaat, dus het kan alleen de omvang van een signaal meten. Het kan de fase van het signaal niet controleren, wat resulteert in minder nauwkeurige metingen van het signaal. De VNA meet zowel de omvang als de fase (van reële en imaginaire componenten) van een gemeten signaal ten opzichte van een bekend invoersignaal, dat een hogere kwaliteit meting is.

VNA's zijn een veelzijdige optie voor vele soorten metingen. Het instrument kan worden gebruikt om uitgestraalde radiosignalen te meten met behulp van antennes op de zend- en ontvangstpoorten18. Tijddomeinanalyse kan worden gebruikt om signalen in de loop van de tijd te controleren en te bepalen waar een onderbreking in een kabel plaatsvindt. Het kan veel frequenties meten tijdens een sweep, die kan worden gebruikt om dempingsverliezen over vele frequenties te begrijpen, hetzij in een uitgevoerde19 of uitgestraalde omgeving20. Inzicht in de verschillende parameterinstellingen van de VNA resulteert in goed gekarakteriseerde DUT's/systemen en metingen verkregen met het DUT/systeem kunnen met een hoge mate van vertrouwen worden gebruikt.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Wij danken het Defense Spectrum Office (DSO) voor de financiering van dit werk.

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).
Kalibratie van Vector Network Analyzer voor metingen in radiofrequentievoortplantingskanalen
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