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Engineering

Calibration de Vector Network Analyzer pour les mesures dans les canaux de propagation des fréquences radio

doi: 10.3791/60874 Published: June 2, 2020

Summary

Ce protocole décrit les meilleures pratiques pour calibrer un analyseur de réseau vectoriel avant l’utilisation comme un instrument précis, destiné à mesurer les composants d’un système de mesure de propagation de la radiofréquence.

Abstract

Les mesures in situ de l’activité du spectre par radiofréquence (RF) donnent un aperçu de la physique de la propagation des ondes de radiofréquence et valident les modèles de propagation du spectre existants et nouveaux. Ces deux paramètres sont essentiels au soutien et à la préservation du partage du spectre sans interférence, car l’utilisation du spectre continue d’augmenter. Il est essentiel que ces mesures de propagation soient exactes, reproductibles et exemptes d’artefacts et de biais. Il est essentiel de caractériser les gains et les pertes de composants utilisés dans ces mesures. Un analyseur de réseau vectoriel (VNA) est une pièce d’équipement bien établie, très précise et polyvalente qui mesure à la fois l’ampleur et la phase des signaux, si elles sont correctement calibrées. Cet article détaille les meilleures pratiques pour calibrer un VNA. Une fois calibré, il peut être utilisé pour mesurer avec précision les composants d’un système de mesure de propagation correctement configuré (ou sonnage de canaux) ou peut être utilisé comme système de mesure lui-même.

Introduction

L’Institute for Telecommunication Sciences (ITS) est le laboratoire de recherche de la National Telecommunications and Information Administration (NTIA), une agence du Département du commerce des États-Unis. L’ITS est active dans les mesures de propagation radio depuis les années 1950. Le partage du spectre, le nouveau paradigme pour les utilisateurs du spectre fédéral et commercial, exige que deux systèmes disparates partagent le même spectre de fréquences radio en même temps. À mesure que les scénarios de partage du spectre augmentent, il en va de même pour la nécessité de mesurer la propagation radio précise et reproductible qui permettent de mieux comprendre l’environnement radio, que plusieurs services doivent partager. L’objectif de la procédure décrite est de s’assurer que tous les composants constituant un tel système sont bien caractérisés par un VNA configuré avec précision.

Bien que la demande de spectre augmente, il n’est pas toujours possible de libérer rapidement le spectre qui est actuellement utilisé par les organismes fédéraux à des fins commerciales. Par exemple, dans la bande Advanced Wireless Services (AWS)-3 (1755-1780 MHz), des ententes de partage du spectre sont en cours d’élaboration entre les services militaires et les transporteurs commerciaux sans fil1. Ces arrangements permettent aux fournisseurs de services sans fil commerciaux d’entrer dans la bande AWS-3 avant de terminer la transition des services militaires hors de la bande.

La Defense Spectrum Organization (DSO) a été chargée de gérer la transition AWS-3. Un élément clé de la transition consiste à développer de nouveaux modèles de propagation pour évaluer le potentiel d’interférence RF entre les systèmes sans fil militaires et commerciaux qui partagent la bande. Le DSO a chargé SES et d’autres d’effectuer une série de mesures de sondage de canal pour construire de nouveaux modèles qui calculent mieux l’impact du feuillage et des structures artificielles dans l’environnement (collectivement connu sous le nom d’encombrement). L’amélioration de la modélisation des propagations qui tient compte de l’encombrement entraînera moins de restrictions sur les émetteurs commerciaux à proximité des systèmes militaires.

Les mesures in situ de l’activité du spectre RF donnent un aperçu de la physique de la propagation des ondes RF et valident les modèles de propagation radio existants et nouveaux. Ces deux composantes sont essentielles au soutien et à la préservation du partage du spectre sans interférences. Les techniques de sondage des canaux, dans lesquelles un signal d’essai connu est transmis d’un endroit spécifique à un récepteur mobile ou stationnaire, fournissent des données qui estiment les caractéristiques des canaux radio dans différents environnements. Les données sont utilisées pour développer et améliorer des modèles qui prédisent plus précisément les pertes de propagation ou l’atténuation du signal. Ces pertes peuvent être dues au blocage et à la réflexion des bâtiments et d’autres obstacles (c.-à-d. les arbres ou les terrains dans les canyons urbains). Ces obstacles produisent des trajectoires multiples, légèrement variantes, de propagation entraînant une perte ou une atténuation du signal entre l’antenne de transmission et de réception.

Les techniques de mesure de l’ITS produisent des résultats précis, répétables et impartiaux. L’OSD a encouragé l’IST à partager ses connaissances institutionnelles avec l’ensemble de la communauté technique. Ces connaissances comprennent la façon de mesurer et de traiter de manière optimale les données de propagation des RF. Le mémorandum technique TM-19-5352,3,4,,5 décrit un ensemble de meilleures pratiques pour la préparation et la vérification des systèmes de mesure de la propagation radio. Dans le cadre de ces pratiques exemplaires, une VNA est utilisée pour mesurer avec précision les pertes ou les gains des composants d’un système de mesure. Les gains et les pertes sont ensuite utilisés pour calculer l’atténuation du signal entre deux antennes.

Le protocole présenté ici traite des meilleures pratiques pour étalonner un VNA5 avant d’être testé dans des applications en laboratoire ou sur le terrain. Il s’agit notamment du temps d’échauffement, de la sélection du type de connecteur RF, de l’établissement de connexions appropriées et de l’exécution des étapes d’étalonnage appropriées. L’étalonnage doit être effectué dans un environnement de laboratoire contrôlé avant la collecte de données dans le cadre d’un scénario spécifique de mesure de la propagation. D’autres considérations peuvent être pertinentes pour des environnements spécifiques de mesure de propagation, qui ne sont pas visés par ce protocole.

L’ANV est utilisée pour mesurer les caractéristiques des périphériques des composants et des sous-assemblages lors de l’assemblage d’autres systèmes de mesure. Les amplificateurs de puissance, les récepteurs, les filtres, les amplificateurs à faible bruit, les mélangeurs, les câbles et les antennes sont tous des composants qui peuvent être caractérisés par un VNA. Avant de tester et/ou d’étalonner un système, une liste de tous les composants requis du système est préparée, et tous les composants du système sont assemblés. Chaque composant d’un système est mesuré séparément en les insérant entre les câbles VNA. Cela garantit que tous les composants fonctionnent selon les spécifications du fabricant. Une fois que les composants ont été vérifiés, le système est assemblé et les pertes dans l’ensemble du système sont mesurées. Cela garantit que les reflets et les transmissions entre les composants sont correctement caractérisés.

Une VNA mesure les paramètres de diffusion (paramètres S), qui sont des quantités de valeur complexe avec à la fois l’ampleur et la phase. Un paramètre S est une mesure ratio du signal réfléchi 1 au signal d’incident (mesure de la réflexion) ou 2) signal transmis au signal incident (mesure de transmission). Pour un dispositif à deux ports, quatre paramètres S (S11, S21, S12et S22) peuvent être mesurés. Le premier sous-scriptum désigne le port où le signal est reçu, et le second se réfère au port où le signal est transmis. Ainsi, S11 signifie que le signal transmis a pris naissance au port 1 et a été reçu au port 1. En outre, S21 signifie que le signal transmis a repris à port 1, mais est reçu au port 2. S11 mesure la quantité de signal qui est reflétée par l’appareil à l’essai (DUT) au port 1 en fonction du signal original qui a été incident au port 1. S21 mesure la quantité de signal qui est transmise par le DUT et arrive au port 2 en référence au signal d’incident au port 1. S11 est une mesure du coefficient de réflexion du DUT au port 1, et S21 est une mesure du coefficient de transmission du DUT du port 1 au port 2.

Un étalonnage de l’ANV est nécessaire pour éliminer les erreurs systématiques des composants jusqu’à (et y compris) le plan de référence de mesure, qui est généralement à la fin des câbles de mesure VNA. Un étalonnage élimine les erreurs du système en mesurant les normes connues « parfaites » (ouvertes, shorts, charges, à travers/ligne) et en la comparant à la valeur que mesure la VNA. Grâce à une série de corrections d’erreur, une valeur corrigée pour le DUT est affichée. Il y a actuellement 12 termes d’erreur6,7 qui sont caractérisés pendant l’étalonnage. Pour plus d’informations, consultez les mesures originales des paramètres S qui ont été effectuées sur les analyseurs de réseau à six ports8, soutenus par la théorie classique du circuit à micro-ondes9,10.

Les types les plus courants de mesures de réflexion de paramètre S sont la perte de rendement, le rapport d’onde debout (SWR), le coefficient de réflexion et l’appariement d’impédance. Les types les plus courants de mesures de transmission de paramètres S sont la perte d’insertion, le coefficient de transmission, le gain/perte, le retard de groupe, le retard de phase ou de phase, et le retard électrique. Les mesures de perte de transmission sont soulignées dans le protocole décrit.

La mesure des gains et des pertes de composants du système à l’aide d’une VNA est bien comprise. Cependant, les étapes importantes sont souvent ignorées, telles que le nettoyage des connecteurs et l’utilisation d’une clé de couple appropriée. Ce protocole fournit toutes les étapes et explications nécessaires des raisons pour lesquelles certains sont particulièrement importants. Il servira également de prélude à un futur article décrivant comment effectuer des mesures de propagation RF, y compris les calculs de l’atténuation du signal.

Protocol

1. Configuration VNA

  1. Rassemblez tous les composants du système de mesure de propagation, y compris les câbles, les amplificateurs, les filtres, les DUT (qui peuvent être des sous-ensembles) et d’autres composants.
  2. Allumez l’ANV(figure 1), et laissez-le au chaud pendant au moins 0,5 h pour vous assurer que tous les composants internes de l’ANV sont une température de fonctionnement stable et que la dérive de phase est réduite au minimum.
  3. Appuyez sur le bouton Preset.
  4. Attachez des câbles de haute qualité et de phase stable aux ports 1 et 2 de la VNA(figure 2).
  5. Resserrer les connecteurs dans les ports VNA avec un 8 in.lbf. Dynamométrique. Pour bien coupler une connexion, maintenez l’extrémité de la poignée et poussez doucement la poignée sans permettre à la poignée de se briser tout le chemin.
  6. Inspectez visuellement tous les câbles et connecteurs pour les signes évidents d’usure tels que les entailles, les bosses et les fils de connecteur imparfaits.
  7. Vérifiez les spécifications du fabricant pour les plages de mesure valides pour tous les câbles, connecteurs et DUT. Ces spécifications peuvent inclure la température, l’humidité, la fréquence et la puissance.
  8. Nettoyez les connecteurs sur tous les appareils et les extrémités du câble. Utilisez des écouvillons spécialement conçus pour nettoyer l’électronique sensible et les connecteurs. L’utilisation de câbles avec des connecteurs sales peut endommager les surfaces conductrices des câbles et produire des mesures inexactes.
    1. Tremper un coton-tige dans de l’alcool isopropyl.
    2. Nettoyez doucement le conducteur central(figure 3A) à l’aide de l’écouvillon humidifié. N’exercez pas trop de force sur le conducteur central, car il est facilement endommagé.
    3. Nettoyer le conducteur externe de chaque connecteur(figure 3B). Nettoyez les fils de noix de couplage.
    4. Séchez tous les câbles et les extrémités du connecteur à l’aide d’air comprimé propre(figure 3C). Si l’air comprimé refroidit le connecteur, laissez le connecteur revenir à la température ambiante (RT) avant de faire et de resserrer toutes les connexions.
  9. Alignez et effectuez des connexions entre les câbles VNA sur les ports 1 et 2 et le DUT. Serrez avec un 12 in.lb. clé de couple pour les connexions de type N(figure 4). Assurez-vous que les extrémités du câble sont correctement alignées.
    1. Commencez à faire tourner le connecteur sur le côté DUT sur les fils de câble VNA. Des connexions appropriées permettent à l’écrou de tourner librement avec peu de résistance. La résistance est un signe de cross-threading. Le désalignement peut endommager le connecteur ou causer des reflets de signal et la perte de signal. Ne pas trop étancher le connecteur, car cela endommagera le connecteur.
    2. Disposer les câbles de la VNA de sorte qu’ils se déplacent au minimum pendant l’étalonnage. Les câbles d’étalonnage sont stables en phase et, idéalement, ne sont pas pliés ou déplacés pendant l’étalonnage.
  10. Ajuster les paramètres de mesure VNA selon les spécifications du DUT. La plage de fréquences peut également être sélectionnée en utilisant la fréquence centrale et la plage de fréquence connue sous le nom de « span ».
    1. Sélectionnez la plage de fréquences. Choisissez le menu Stimulus Freq - France Fréquence de démarrage: 1700 MHz. Choisissez le menu Stimulus Freq - France Fréquence d’arrêt: 1900 MHz.
    2. Sélectionnez le type de mesure (p. ex., S11, S12, S21, S22). Choisissez le menu de réponse Mesure S21.
    3. Sélectionnez et ajustez la puissance portuaire. Choisissez le menu Stimulus Puissance de l’énergie Ajuster Port Power: 0 dBm. Assurez-vous que la puissance de sortie est égale (ou inférieure) à la spécification de puissance maximale DUT.
    4. Sélectionnez et ajustez les paramètres de balayage. Choisissez le menu Stimulus Balayage Type de balayage: Stepped. Choisissez le menu Stimulus Balayage temps Temps de balayage: 1 sec. Ensuite, choisissez le menu Stimulus Balayage Configuration de balayage (fr) Temps de séjour: 0 's.
      REMARQUE : Un balayage en étapes est le type de balayage le plus précis, car il s’agit de chaque fréquence et habite à une fréquence avant de faire une mesure. Si vous utilisez de longs câbles, le temps de séjour peut devoir être augmenté pour s’assurer que le signal arrive au récepteur après la mesure. Un temps de 0 's habite est un paramètre par défaut optimal.
    5. Sélectionnez et ajustez le mode moyen en choisissant le menu de réponse . Moyenne Moyenne: IFBW: 1 kHz.
      REMARQUE : Choisissez le type de moyenne approprié : « moyenne de points » moyenne chaque point de fréquence un certain nombre de fois spécifiées (c.-à-d., 2, 4 16, 32, etc.), ce qui réduit le plancher de bruit et l’incertitude, mais augmente le temps de balayage. IFBW utilise un filtre pour mesurer la puissance dans une petite bande passante, ce qui réduit également le plancher de bruit, mais nécessite moins de temps de mesure. La moyenne DE l’IFWB tend à être une technique de moyenne plus optimale.
    6. Choisissez le format de données affiché (p. ex., LogMag [paramètre par défaut], Smith Chart, SWR, etc.) en sélectionnant le menu de réponse . Format ( LogMag.
    7. Choisissez le nombre de points de données dans la trace affichée à l’aide du menu Stimulus . Balayage Nombre de points: 1601.
      REMARQUE : Le nombre de points est défini de sorte que la couverture de fréquence maximale puisse être atteinte entre les fréquences de départ et d’arrêt :

Equation 1

Dans l’exemple ci-dessus, la taille de l’étape ou l’espacement de fréquence est de 0,125 MHz, de sorte que la fréquence(1) - 1700.000 MHz, fréquence(2) - 1700.125 MHz, ... fréquence(1600) à 1899,875 MHz, fréquence(1601) à 1900 MHz.

2. Étalonnage de l’ANR

  1. Choisissez un étalonnage manuel ou électronique, si un module d’étalonnage électronique est disponible et désiré (voir la section 2.11). L’étalonnage est exact.
  2. Choisissez l’étalonnage manuel en sélectionnant la réponse . Menu Cal Démarrer Cal ( Assistant d’étalonnage ( fr) Non guidé .
    1. Choisissez le kit d’étalonnage approprié afin qu’une valeur précise des normes dans le kit d’étalonnage spécifique soit connue(figure 5). Ici, choisissez 85054D, puis choisissez l’étalonnage à charge courte à charge ouverte à deux ports (SOLT) (pour un DUT avec deux ports). D’autres étalonnages disponibles sont un port unique pour un appareil avec un seul port, en plus d’un étalonnage de réponse. Le SOLT est l’option la plus précise11.
    2. Choisissez Next to go to the next screen.
  3. Fixez une norme d’étalonnage ouverte(figure 6) au câble attaché au port 1. Une norme d’étalonnage ouverte a une cavité ouverte derrière le connecteur pour simuler un impédance d’espace libre de 377 euros.
  4. Fixez une courte norme d’étalonnage au câble attaché au port 2. Un court a une plaque métallique derrière le connecteur de sorte que la tension entrante est complètement réfléchie.
    1. Choisissez Port 1 OUVERT Type N (50) femelle ouverte, qui effectue une mesure de l’ouverture attachée. Une trace apparaîtra sur l’écran VNA, en pente douce loin d’un niveau de référence de 0 dB sur un S11, format d’affichage de magnitude journal pour la norme ouverte. Une fois la mesure terminée (une marque de contrôle apparaîtra au-dessus de la norme), appuyez sur le bouton OK pour continuer. Cela renverra l’utilisateur à l’écran précédent.
    2. Choisissez une norme d’étalonnage mâle ou femelle avec le connecteur du même sexe que celle du DUT (c.-à-d. qu’une norme d’étalonnage masculine a la broche centrale, et une norme d’étalonnage féminin aura un port insérant). Les VNA plus anciens exigent une norme d’étalonnage basée sur le sexe du câble VNA.
    3. Choisissez Port 2 COURT -FR Type N (50) femme courte, qui effectue une mesure du court attaché. Une trace apparaîtra sur l’écran VNA, en pente douce loin d’un niveau de référence de 0 dB sur un S11, format d’affichage de magnitude journal pour la norme courte. Une fois la mesure terminée (une marque de contrôle apparaîtra au-dessus de la norme), appuyez sur le bouton OK pour continuer. Cela renverra l’utilisateur à l’écran précédent.
  5. Échanger les normes d’étalonnage entre les ports (c.-à-d., joindre la norme d’étalonnage ouverte au port 2, puis joindre la norme d’étalonnage courte au port 1).
    1. Choisissez Port 1 COURT -FR Type N (50) femelle courte pour mesurer le court sur le port 1. Une trace apparaîtra sur l’écran VNA, en pente douce loin d’un niveau de référence de 0 dB sur un S11, format d’affichage de magnitude journal pour la norme courte. Une fois la mesure terminée (une marque de contrôle apparaîtra au-dessus de la norme), appuyez sur le bouton OK pour continuer. Cela renverra l’utilisateur à l’écran précédent.
    2. Choisissez Port 2 OUVERT Type N (50) femelle ouverte pour mesurer l’ouverture sur le port 2. Une trace apparaîtra sur l’écran VNA, en pente douce loin d’un niveau de référence de 0 dB sur un S11, format d’affichage de magnitude journal pour la norme ouverte. Une fois la mesure terminée (une marque de contrôle apparaîtra au-dessus de la norme), appuyez sur le bouton OK pour continuer. Cela renverra l’utilisateur à l’écran précédent.
  6. Retirer le court-circuit du port 1 et placer une charge à large bande sur le port 1. Une charge absorbe l’énergie entrante, ce qui se traduit par une petite réflexion sur une large gamme de fréquences.
    1. Choisissez Port 1 CHARGES Charge à large bande de type N (50) pour mesurer la charge sur le port 1. Une fois la mesure terminée (une marque de contrôle apparaîtra au-dessus de la norme), appuyez sur le bouton OK pour continuer. Cela renverra l’utilisateur à l’écran précédent.
    2. Maintenez la norme d’étalonnage actuelle sur le port 2. Ne laissez pas le port ouvert, car il peut fournir un chemin pour les signaux de fuite. Une trace apparaîtra sur l’écran VNA et variera d’un écran à l’autre. Toutes les valeurs mesurées sur un format d’affichage de magnitude journal S11seront inférieures à -20 dB pour une bonne charge.
  7. Retirez l’ouverture du port 2, prenez la charge à large bande du port 1 et placez la charge à large bande sur le port 2. Placez l’ouverture du port 2 sur le port 1 pour éviter les signaux de fuite.
    1. Choisissez Port 2 CHARGES Charge à large bande de type N (50) pour mesurer la charge sur le port 2. Une trace apparaîtra sur l’écran VNA et variera d’un écran à l’autre. Toutes les valeurs mesurées sur un format d’affichage de magnitude journal S11seront inférieures à -20 dB pour une bonne charge. Une fois la mesure terminée (une marque de contrôle apparaîtra au-dessus de la norme), appuyez sur le bouton OK pour continuer. Cela renverra l’utilisateur à l’écran précédent.
  8. Insérez une norme d’étalonnage entre les câbles attachés aux ports 1 et 2. Il s’agit généralement d’un adaptateur avec les connecteurs de même sexe sur les deux extrémités.
    1. Choisissez THRU pour mesurer la norme d’étalonnage à travers. Une fois la mesure terminée, une marque de contrôle apparaîtra au-dessus de la norme THRU sur cet écran.
      REMARQUE : La mesure de l’isolement peut généralement être omise pendant l’étalonnage, car l’isolement mesure le croisement entre les câbles et sa valeur est souvent très faible par rapport à d’autres normes. Les mesures d’étalonnage ci-dessus peuvent être effectuées dans n’importe quel ordre.
  9. Une fois que toutes les normes ont une marque de contrôle au-dessus d’eux, enregistrer l’étalonnage. Choisissez la prochaine Enregistrer en tant qu’utilisateur Calset. Entrez un nom pour l’étalonnage et appuyez sur le bouton SAVE.
  10. Vérifiez l’étalonnage tel que détaillé à la section 3.
  11. Si un étalonnage manuel n’est pas choisi, choisissez l’option d’étalonnage électronique12. Fixez le kit d’étalonnage électronique(figure 7) aux câbles entre les ports 1 et 2. Sélectionnez la réponse Menu Cal Démarrer Cal ( Assistant d’étalonnage ( fr) Calibration électronique avec l’option d’étalonnage électronique.
    1. Choisissez 2 ports ECal Ensuite,sélectionnez ensuite le bouton Mesurer. Le module d’étalonnage électronique mesurera automatiquement un certain nombre de normes différentes et incitera l’utilisateur à enregistrer l’étalonnage à la fin.
    2. Choisissez la prochaine Enregistrer en tant qu’utilisateur Calset. Entrez un nom pour l’étalonnage et appuyez sur le bouton SAVE.
      REMARQUE : Pour un étalonnage électronique, seuls les câbles des ports 1 et 2 sont connectés au module. Toutes les normes d’étalonnage sont contenues dans le module. L’étalonnage électronique calibrera automatiquement les normes internes. Si le module d’étalonnage électronique n’a pas les mêmes types de connecteur que les câbles, alors un étalonnage supplémentaire devra être complété pour modifier les corrections d’erreur d’étalonnage contenues dans le module pour tenir compte des adaptateurs. Assurez-vous de vérifier avec le fabricant pour obtenir des conseils.

3. Vérification de l’étalonnage

  1. Utilisez un thru pour vérifier l’étalonnage.
    1. Connectez un adaptateur à travers(figure 6) sans signes évidents d’usure des câbles entre les ports 1 et 2. Ne mesurez pas la norme à travers. Choisissez un autre à travers.
    2. Choisissez la réponse Mesure S21, puis Réponse Échelle Échelle. Définissez la valeur par division à 0,1 en appuyant sur le bouton de flèche vers le bas. Choisissez le menu Stimulus Déclencheur Célibataire pour mesurer la perte d’insertion du thru. Un seul balayage apparaîtra à travers la plage de fréquences.
      REMARQUE : La valeur du montant d’une parcelle de magnitude de journal se situe dans un rayon de 0,05 dB de la référence de 0 dB(figure 8) pour un étalonnage suffisant. Il s’agit d’une valeur empirique obtenue sur de nombreuses années d’étalonnages. Cela peut être vu en changeant l’échelle à 0,05 dB par division.
    3. Une fois que le thru a été vérifié, retournez la balance à 10 dB/division en choisissant Response . Échelle Échelle et définir la valeur par division à 10. Choisissez la réponse Mesure S11.
    4. Choisissez le menu Stimulus Déclencheur Célibataire pour mesurer S11. La valeur d’un bon à travers est la suivante: S11- France -20 dB (1% de réflexion en puissance et 10% de réflexion dans la tension).
      REMARQUE : La représentation du graphique13 de Smith montre de l’impédance. Les mesures de S11 et S22 apparaissent comme un petit cercle au centre du graphique. La valeur d’obstacle est à moins de 0,5 'de la référence de 50 'pour un étalonnage suffisant.
  2. Utilisez une charge de 50 euros pour vérifier l’étalonnage.
    1. Fixez une charge assortie de 50 euros au port 1.
    2. Choisissez le menu Stimulus Déclencheur Célibataire pour mesurer S11.
      REMARQUE : Une charge assortie est inférieure à -20 dB (le coefficient de réflexion d’une charge idéale est de 0). Cela apparaîtra également comme un petit cercle au centre du tableau Smith(figure 9).
  3. Utilisez une norme d’étalonnage ouverte pour vérifier l’étalonnage.
    1. Connectez une norme d’étalonnage ouverte.
    2. Choisissez le menu Stimulus Déclencheur Célibataire pour mesurer S11. Une ouverture est de 0 dB sur une parcelle de magnitude log (le coefficient de réflexion d’un ouvert idéal est de 1). Sur un tableau Smith, l’ouverture apparaît comme un petit cercle à 0 à l’extrême droite(figure 9) pour un étalonnage suffisant.
  4. Utilisez une courte norme d’étalonnage pour vérifier l’étalonnage.
    1. Connectez une courte norme d’étalonnage.
    2. Choisissez le menu Stimulus Déclencheur Célibataire pour mesurer S11. Un court est de 0 dB (le coefficient de réflexion d’un court métrage idéal est de -1) sur la parcelle de l’ampleur du journal. Sur le tableau Smith, la valeur apparaît comme un cercle à l’extrême gauche (figure 9) pour un étalonnage suffisant.
      REMARQUE : Si un test d’étalonnage échoue, vérifiez les connexions et répétez l’étalonnage. Si l’étalonnage est bon, continuez à la section 4.

4. Mesure des composants ou des pertes de système

  1. Connectez le DUT à la VNA. Si le DUT dispose de plus de deux ports (c.-à-d. commutateurs, diviseurs d’électricité, etc.), attachez 50 charges appariées aux ports qui ne sont pas connectés à la VNA, car la puissance sera réfléchie par ces ports et modifierez la mesure.
  2. Sélectionnez la réponse Mesure S21.
  3. Sélectionnez le menu Stimulus Déclencheur Unique pour mesurer le DUT.
  4. Sélectionnez le fichier Enregistrer les données comme... . Tapez un nom de fichier dans la boîte de nom de fichier. Choisissez un type de fichier de l’un ou l’autre . CSV ou Trace (.s2p). Choisissez la portée (la valeur par défaut des traces affichées est appropriée ici). Choisissez un format (p. ex., magnitude et angle de journal, magnitude et phase linéaires, format réel et imaginaire et format affiché [comme un graphique Smith]). Appuyez sur SAVE pour enregistrer les données.
  5. Vérifiez et analysez les résultats des tests d’un filtre bandpass. Un exemple est décrit dans les étapes suivantes.
    1. Identifiez les parties de la trace en plaçant des marqueurs sur la trace. Sélectionnez Marqueur/Analyse Marqueur Marqueur 1 et appuyez SUR OK.
    2. Sélectionnez Marqueur/Analyse Recherche de marqueurs (en anglais) Max pour trouver la perte d’insertion du filtre à traces. Le bouton sur le panneau avant peut également être utilisé pour identifier les maxima et les minima tout en balayant le marqueur à travers les points de fréquence.
    3. Sélectionnez Marqueur/Analyse Marqueur 'lt; Marker 1, puis sélectionnez marqueur delta et marqueurs couplés. La valeur de ce marqueur tel qu’indiqué sur l’écran doit être lue à 0 dB. Cela établira une valeur de référence pour les autres marqueurs.
    4. Sélectionnez Marqueur/Analyse Marqueur... Marqueur 2 - SUR LE SUR marqueurs couplés. Cliquez à l’intérieur de la boîte de relance pour mettre en évidence la fréquence, puis déplacez le bouton jusqu’à ce que la lecture de Marker 2 sur l’écran montre -3 dB.
    5. Sélectionnez Marqueur/Analyse Marqueur... Marqueur 3 - SUR LE SUR marqueurs couplés. Cliquez à l’intérieur de la boîte de relance pour mettre en évidence la fréquence et déplacer le bouton jusqu’à ce que la lecture de Marker 3 sur l’écran montre -3 dB.
    6. Comparez les valeurs mesurées à celles des spécifications du filtre du fabricant.

Representative Results

Lors de la vérification du fonctionnement correct d’un composant, il est important de consulter les spécifications du fabricant, qui peuvent être trouvées sur leurs sites Web respectifs. Ici, le filtre(figure 10) a été mesuré après avoir consulté ses spécifications14. Comme le montre la figure 11, la perte d’insertion a été identifiée, ainsi que les 3 points dB. La perte d’insertion mesurée après l’étalonnage, comme le montre le marqueur 1, a eu une magnitude de 0,83 dB. Le signe négatif indique qu’il s’agissait d’une perte. La perte d’insertion dans la référence est spécifiée pour être ajustée de 0,8 dB (dBa). La bande passante mesurée de 3 dB du filtre a changé de 1749 MHz à 1854 MHz. Une fois soustrait, cela a donné une valeur de 105 MHz, ce qui est proche de la valeur typique de 104,5 MHz.

Il ya 10 atténuations dB construits pour résister à une puissance d’entrée de 50 W, tel que décrit par les spécifications du fabricant15. La spécification d’atténuation pour cet atténuation est de 10 dB et 0,5 dB. À un moment donné, une puissance d’entrée supérieure à 50 W a été entrée dans l’atténuation, qui a endommagé l’atténuation. Un VNA calibré a été utilisé pour vérifier la qualité de ce composant. Encore une fois, il est important de mesurer chaque composant avant toutes les mesures sur le terrain pour l’assurance de la qualité. La mesure du DUT est indiquée dans la figure 12. En comparaison, la mesure d’un bon atténuation de 10 dB est indiquée dans la figure 13. Il convient de noter que la valeur mesurée était de 9,88 dB à 1750 MHz, ce qui se situe dans la fourchette spécifiée de -9,5 à -10,5 dB sur l’ensemble de la bande passante de 1700 à 1900 MHz.

Enfin, la perte de câble est une autre mesure importante fréquemment effectuée dans les mesures de radiofréquence. Les spécifications du câble mesuré peuvent être trouvées à la page 5 de la feuille de données16. L’atténuation par pied (dB/pi) était de 0,05 dB à 1 GHz, soit 0,16 dB/m. Un câble mesuré d’une longueur de 36 pieds/11 m a subi une perte spécifiée de 1,8 dB, selon le fabricant. La perte mesurée est indiquée dans la figure 14. À une fréquence de 1750 MHz, la perte mesurée était de -1,88 dB (qui, une fois arrondie jusqu’au dixième le plus proche d’un décibels, est d’une magnitude de 1,9 dB).

Figure 1
Figure 1 : Allumer l’ANV. Le cercle rouge représente l’emplacement du bouton d’alimentation VNA. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure 2 : Câbles de haute qualité et de stabilité progressive attachés à deux ports VNA. Les câbles sont fixés au panneau avant de la VNA à l’aide d’un 8 in.lbf. Dynamométrique. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3
Figure 3 : Nettoyage des connecteurs. (A) Nettoyage du conducteur intérieur, (B) nettoyage du conducteur externe et des fils, et (C) souffler doucement le séchage du connecteur à l’aide d’air comprimé. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4
Figure 4 : Une clé de couple de 12 in.lbf pour les connecteurs de type N. Cette clé est utilisée pour resserrer les connexions entre les câbles VNA et DUT. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 5
Figure 5 : Kit d’étalonnage de type N. Voici un kit d’étalonnage contenant des normes ouvertes, courtes, de charge et de travers utilisées pour calibrer les erreurs dans l’ANV. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 6
Figure 6 : Normes d’étalonnage de type N. Photographies des normes d’étalonnage masculine et féminine utilisées dans l’étalonnage. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 7
Figure 7 : Module d’étalonnage électronique. Une photographie d’un module d’étalonnage électronique. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 8
Figure 8 : Contrôle d’étalonnage thru après l’étalonnage sur une parcelle de magnitude log en fonction de la fréquence dans GHz. La valeur du thru est de 0,01 dB à une fréquence de 1,8 GHz. Cela montre la valeur du thru en fonction de la fréquence dans GHz après l’étalonnage. Le thru est utilisé comme un contrôle d’étalonnage pour s’assurer que l’étalonnage est valide. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 9
Figure 9 : Explication du graphique Smith. Des emplacements réels et imaginaires de valeur d’impedance pour les obstacles standard sont indiqués dans la figure de gauche, et les valeurs de magnitude d’impedance sont indiquées dans la figure de droite17. Ce dessin de Smith Chart montre à la fois l’impédance réelle et imaginaire à gauche et l’ampleur de l’obstacle à droite. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 10
Figure 10 : filtre RF inséré entre les ports 1 et 2. Une photographie d’un filtre RF inséré entre les ports 1 et 2 à l’extrémité des câbles VNA pendant les mesures. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 11
Figure 11 : Perte d’insertion mesurée et 3 points dB pour le filtre RF avec les spécifications fournies dans la figure 9. Il s’agit d’une capture d’écran de la VNA lors de la mesure du filtre RF qui est montré dans la figure 10. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 12
Figure 12 : Mesure de l’atténuation de 10 dB qui ne fait pas partie de ses spécifications. La valeur mesurée est de -22,70 dB à 1,7 GHz et sa spécification est de 10 dB à 0,5 dB. On y voit également la mesure d’un atténuation de 10 dB qui n’est plus dans ses spécifications. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 13
Figure 13 : Mesure de 10 dB atténué dans ses spécifications. La valeur mesurée était de -9,88 dB. On y voit également la mesure d’un atténuation de 10 dB qui est dans ses spécifications. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 14
Figure 14 : Mesure du câble coaxial de 36 pi (11 m) avec une valeur d’atténuation spécifiée de 0,05 dB/pi. On s’attendait à ce que la perte sur la longueur du câble soit de 1,8 dB, ce qui est compatible avec la valeur mesurée de -1,9 dB à 1,87 GHz. La mesure d’un câble montrant que la perte mesurée est également dans les spécifications du fabricant. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Discussion

Il est important de permettre à la VNA de se réchauffer à RT pendant au moins 0,5 h (bien que, 1 h est mieux) avant que les étalonnages soient effectués, ce qui permet à tous les composants internes de venir à RT et se traduit par des étalonnages plus stables. Un étalonnage peut durer plusieurs jours sans une grande perte de précision; cependant, l’étalonnage est vérifié quotidiennement à l’aide d’une norme d’étalonnage pour assurer l’intégrité de la mesure. L’inspection de tous les composants du système est essentielle afin que les mauvais connecteurs n’endommagent pas la précision de la VNA. Il est préférable d’utiliser des câbles à faible perte avec le VNA. L’intégrité de l’étalonnage doit être vérifiée avant la mesure d’un composant du système ou du DUT. Toute mesure en dehors des spécifications fournies ici doit être répétée ou peut nécessiter un nouvel étalonnage. Enfin, l’utilisation des spécifications du fabricant pour vérifier les valeurs DUT mesurées est une partie nécessaire de la validation.

L’utilisation de l’ANV comme instrument de mesure a ses limites. Si le DUT ou le système a des pertes si importantes que les paramètres S mesurés tombent en dessous du plancher de bruit de la VNA, il ne peut pas être mesuré avec l’ANV. Il est possible d’abaisser le plancher de bruit en diminuant la bande passante IF et en augmentant le temps de balayage. Cela ralentira le temps d’acquisition de mesure; il y a donc un compromis lors de l’ajustement de ces paramètres. L’ANR ne peut pas gérer les pouvoirs d’entrée supérieurs à 30 dBm, donc en utilisant une atténuation interne ou externe lors de la mesure des amplificateurs est nécessaire. Le VNA a une source et un récepteur situés dans le même instrument, de sorte qu’il a été utilisé comme un système de mesure de la propagation radio. Étant donné que la source et le récepteur sont situés dans la VNA, le port de transmission doit être relié d’une manière ou d’une autre au port récepteur. Typiquement, cela se fait avec les câbles; cependant, les câbles ajoutent la perte, diminuant la plage dynamique de ce qui peut être mesuré. De plus, les distances de séparation deviennent limitées.

L’autre méthode par laquelle les pertes peuvent être mesurées est l’utilisation d’un générateur de signal et d’un compteur de puissance. Le compteur de puissance est un dispositif de mesure scalaire, de sorte qu’il ne peut mesurer l’ampleur d’un signal. Il ne peut pas surveiller la phase du signal, ce qui entraîne des mesures moins précises du signal. L’ANV mesure à la fois l’ampleur et la phase (des composants réels et imaginaires) d’un signal mesuré par rapport à un signal d’entrée bien connu, qui est une mesure de meilleure qualité.

Les VNA sont une option polyvalente pour de nombreux types de mesures. L’instrument peut être utilisé pour mesurer les signaux radio rayonné à l’aide d’antennes sur les ports de transmission et de réception18. L’analyse du domaine temporel peut être utilisée pour surveiller les signaux au fil du temps et déterminer où une rupture se produit dans un câble. Il peut mesurer de nombreuses fréquences lors d’un balayage, qui peut être utilisé pour comprendre les pertes d’atténuation sur de nombreuses fréquences soit dans un environnement mené19 ou rayonné20. La compréhension des différents paramètres de l’ANV entraîne des DUT/systèmes bien caractérisés, et les mesures obtenues avec le DUT/système peuvent être utilisées avec un degré élevé de confiance.

Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Nous remercions le Defense Spectrum Office (DSO) d’avoir financé ce travail.

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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  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).
Calibration de Vector Network Analyzer pour les mesures dans les canaux de propagation des fréquences radio
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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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