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Engineering

Kalibrierung von Vector Network Analyzer für Messungen in Hochfrequenzausbreitungskanälen

doi: 10.3791/60874 Published: June 2, 2020

Summary

Dieses Protokoll beschreibt bewährte Methoden für die Kalibrierung eines Vektornetzwerkanalysators vor der Verwendung als genaues Instrument, das Komponenten eines Hochfrequenz-Propagationsmesstestssystems messen soll.

Abstract

In-situ-Messungen der Radiofrequenz-Spektrumaktivität geben Einblick in die Physik der Hochfrequenzwellenausbreitung und validieren bestehende und neue Spektrumausbreitungsmodelle. Beide Parameter sind für die Unterstützung und Erhaltung der störungsfreien Frequenzfreigabe von wesentlicher Bedeutung, da die Frequenznutzung weiter zunimmt. Es ist wichtig, dass solche Ausbreitungsmessungen genau, reproduzierbar und frei von Artefakten und Voreingenommenheit sind. Die Charakterisierung der Gewinne und Verluste von Komponenten, die bei diesen Messungen verwendet werden, ist entscheidend für ihre Genauigkeit. Ein Vector Network Analyzer (VNA) ist ein bewährtes, hochpräzises und vielseitiges Gerät, das sowohl die Größe als auch die Phase der Signale misst, wenn sie richtig kalibriert werden. In diesem Artikel werden die bewährten Methoden zum Kalibrieren einer VNA beschrieben. Nach der Kalibrierung kann es verwendet werden, um Komponenten eines korrekt konfigurierten Ausbreitungsmesssystems (oder Kanalsondierungssystems) genau zu messen oder als Messsystem selbst zu verwenden.

Introduction

Das Institute for Telecommunication Sciences (ITS) ist das Forschungslabor der National Telecommunications and Information Administration (NTIA), einer Behörde des US-Handelsministeriums. ITS ist seit den 1950er Jahren in Derfunkvermehrungsmessungen tätig. Die gemeinsame Nutzung von Frequenzen, dem neuen Paradigma für Nutzer von Bundes- und kommerziellen Frequenzen, erfordert, dass zwei unterschiedliche Systeme gleichzeitig das gleiche Funkfrequenzspektrum aufweisen. Mit zunehmender Frequenzteilungsszenarien steigt auch der Bedarf an genauen und reproduzierbaren Funkausbreitungsmessungen, die ein besseres Verständnis der Funkumgebung ermöglichen, die von mehreren Diensten gemeinsam verwendet werden muss. Ziel des beschriebenen Verfahrens ist es, sicherzustellen, dass alle Komponenten, die ein solches System bilden, durch eine genau konfigurierte VNA gut charakterisiert sind.

Während die Nachfrage nach Frequenzen steigt, ist es nicht immer möglich, Frequenzen, die derzeit von Bundesbehörden für kommerzielle Zwecke genutzt werden, schnell freizugeben. Im Advanced Wireless Services (AWS)-3-Band (1755–1780 MHz) werden beispielsweise Frequenzfreigabevereinbarungen zwischen militärischen Diensten und kommerziellen Mobilfunkanbieternentwickelt 1. Diese Vereinbarungen ermöglichen es kommerziellen Mobilfunkanbietern, das AWS-3-Band zu betreten, bevor der Übergang von militärischen Diensten aus dem Band abgeschlossen wird.

Die Defense Spectrum Organization (DSO) wurde mit der Verwaltung des AWS-3-Übergangs beauftragt. Ein wichtiger Teil des Übergangs besteht in der Entwicklung neuer Ausbreitungsmodelle, um das Potenzial für HF-Interferenzen zwischen militärischen und kommerziellen drahtlosen Systemen, die das Band teilen, zu bewerten. Die DSO hat ITS und andere mit der Durchführung einer Reihe von kanalklingenden Messungen beauftragt, um neue Modelle zu erstellen, die die Auswirkungen von Laub und von Menschen geschaffenen Strukturen in der Umwelt besser berechnen (zusammen als Unordnung bekannt). Eine verbesserte Verbreitungsmodellierung, die Unordnung berücksichtigt, wird zu weniger Einschränkungen für kommerzielle Sender in der Nähe militärischer Systeme führen.

In-situ-Messungen der HF-Spektrumaktivität geben Einblick in die Physik der HF-Wellenausbreitung und validieren bestehende und neue Funkausbreitungsmodelle. Beide Komponenten sind für die Unterstützung und Erhaltung der störungsfreien Frequenzfreigabe unerlässlich. Kanalsondierungstechniken, bei denen ein bekanntes Testsignal von einem bestimmten Standort an einen mobilen oder stationären Empfänger übertragen wird, liefern Daten, die die Funkkanaleigenschaften in verschiedenen Umgebungen schätzen. Die Daten werden verwendet, um Modelle zu entwickeln und zu verbessern, die Ausbreitungsverluste oder Dämpfung des Signals genauer vorhersagen. Diese Verluste können auf die Blockierung und Reflexion durch Gebäude und andere Hindernisse (z. B. Bäume oder Gelände in städtischen Schluchten) zurückzuführen sein. Diese Hindernisse erzeugen mehrere, leicht variante Ausbreitungspfade, die zu Signalverlust oder Dämpfung zwischen sende- und Empfangsantenne führen.

ITS-Messtechniken erzeugen genaue, wiederholbare und unvoreingenommene Ergebnisse. Das DSO hat ITS ermutigt, sein institutionelles Wissen mit der breiteren technischen Gemeinschaft zu teilen. Dieses Wissen beinhaltet, wie HF-Verbreitungsdaten optimal gemessen und verarbeitet werden können. Das kürzlich veröffentlichte NTIA Technical Memorandum TM-19-5352,3,4,5 beschreibt eine Reihe von Best Practices für die Vorbereitung und Verifizierung von Funkausbreitungsmesssystemen. Als Teil dieser Best Practices wird ein VNA verwendet, um die Komponentenverluste oder -gewinne eines Messsystems genau zu messen. Die Gewinne und Verluste werden dann verwendet, um die Signaldämpfung zwischen zwei Antennen zu berechnen.

Das hier vorgestellte Protokoll befasst sich mit den Best Practices für die Kalibrierung eines VNA5 vor Tests in Labor- oder Feldanwendungen. Dazu gehören die Aufwärmzeit, die Auswahl des HF-Steckverbindertyps, das Herstellen geeigneter Verbindungen und die Leistung geeigneter Kalibrierungsschritte. Die Kalibrierung sollte in einer kontrollierten Laborumgebung vor der Datenerfassung im Kontext eines bestimmten Ausbreitungsmessszenarios durchgeführt werden. Zusätzliche Überlegungen können für bestimmte Ausbreitungsmessumgebungen relevant sein, die außerhalb des Geltungsbereichs dieses Protokolls liegen.

Der VNA wird verwendet, um die Geräteeigenschaften von Bauteilen und Baugruppen bei der Montage anderer Messsysteme zu messen. Leistungsverstärker, Empfänger, Filter, geräuscharme Verstärker, Mischer, Kabel und Antennen sind Komponenten, die durch einen VNA charakterisiert werden können. Vor dem Testen und/oder Kalibrieren eines Systems wird eine Liste aller erforderlichen Komponenten des Systems erstellt und alle Systemkomponenten montiert. Jede Komponente eines Systems wird separat gemessen, indem sie zwischen die VNA-Kabel eingesetzt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass alle Komponenten im Rahmen der Herstellerspezifikationen arbeiten. Nach der Prüfung der Komponenten wird das System montiert und Verluste im gesamten System gemessen. Dadurch wird sichergestellt, dass Reflexionen und Übertragungen zwischen Komponenten richtig charakterisiert werden.

Ein VNA misst Streuparameter (S-Parameter), bei denen es sich um komplex bewertete Mengen mit Größe und Phase handelt. Ein S-Parameter ist eine ratioierte Messung des 1) reflektierten Signals zum Ereignissignal (Reflexionsmessung) oder 2) des übertragenen Signals zum Ereignissignal (Übertragungsmessung). Für ein Gerät mit zwei Ports können vier S-Parameter (S11, S21, S12und S22) gemessen werden. Der erste Subskript bezieht sich auf den Port, an dem das Signal empfangen wird, und der zweite bezieht sich auf den Port, an dem das Signal übertragen wird. S11 bedeutet also, dass das übertragene Signal an Port 1 stammt und an Port 1 empfangen wurde. Darüber hinaus bedeutet S21, dass das übertragene Signal wieder an Port 1 entstanden ist, aber an Port 2 empfangen wird. S11 misst die Signalmenge, die von dem zu prüfenden Gerät (DUT) an Port 1 in Bezug auf das ursprüngliche Signal, das an Port 1 vorkam, reflektiert wird. S21 misst die Signalmenge, die über das DUT übertragen wird und an Port 2 mit Bezug auf das Störsignal an Port 1 ankommt. S11 ist ein Maß für den Reflexionskoeffizienten des DUT an Port 1, und S21 ist ein Maß für den Übertragungskoeffizienten des DuT von Port 1 zu Port 2.

Eine Kalibrierung des VNA ist erforderlich, um die systematischen Fehler von Bauteilen bis (und einschließlich) der Messreferenzebene zu entfernen, die sich typischerweise am Ende der VNA-Messkabel befindet. Eine Kalibrierung beseitigt Systemfehler, indem "perfekte" bekannte Standards (Open, Shorts, Lasten, Durch/Linie) gemessen und mit dem Wert verglichen werden, den die VNA misst. Durch eine Reihe von Fehlerkorrekturen wird ein korrigierter Wert für die DUT angezeigt. Es gibt derzeit 12 Fehlerbegriffe6,7, die während der Kalibrierung charakterisiert werden. Weitere Informationen finden Sie in den ursprünglichen S-Parametermessungen, die auf Sechs-Port-Netzwerkanalysatoren8 durchgeführt wurden, die von der klassischen Mikrowellenkreistheorie9,10unterstützt werden.

Die häufigsten Arten von S-Parameterreflexionsmessungen sind Return Loss, Standing Wave Ratio (SWR), Reflexionskoeffizient und Impedanzabgleich. Die häufigsten Arten von S-Parameter-Übertragungsmessungen sind Einsteckverlust, Transmissionskoeffizient, Verstärkung/Verlust, Gruppenverzögerung, Phasen- oder Phasenverzögerung und elektrische Verzögerung. Übertragungsverlustmessungen werden im beschriebenen Protokoll hervorgehoben.

Die Messung von Gewinnen und Verlusten von Systemkomponenten mit einem VNA ist gut verstanden. Wichtige Schritte werden jedoch häufig übersprungen, z. B. die Reinigung von Steckverbindern und die Verwendung eines richtigen Drehmomentschlüssels. Dieses Protokoll enthält alle notwendigen Schritte und Erklärungen, warum einige besonders wichtig sind. Es wird auch als Vorspiel zu einem zukünftigen Artikel dienen, der beschreibt, wie HF-Propagationsmessungen durchgeführt werden, einschließlich der Berechnungen der Signaldämpfung.

Protocol

1. VNA-Einrichtung

  1. Sammeln Sie alle Komponenten des Ausbreitungsmesssystems, einschließlich Kabel, Verstärker, Filter, DUTs (die Unterbaugruppen sein können) und andere Komponenten.
  2. Schalten Sie den VNA ein (Abbildung 1), und lassen Sie ihn mindestens 0,5 h erwärmen, um sicherzustellen, dass alle internen Komponenten von VNA eine stabile Betriebstemperatur haben und diese Phasendrift minimiert wird.
  3. Drücken Sie die Preset-Taste.
  4. Befestigen Sie hochwertige, phasenstabile Kabel an den Anschlüssen 1 und 2 der VNA (Abbildung 2).
  5. Ziehen Sie die Anschlüsse an den VNA-Ports mit einem 8 in.lbf fest. Drehmomentschlüssel. Um eine Verbindung richtig zu drehen, halten Sie das Ende des Griffs und drücken Sie vorsichtig den Griff, ohne dass der Griff den ganzen Weg über bricht.
  6. Überprüfen Sie alle Kabel und Anschlüsse visuell auf offensichtliche Verschleißerscheinungen wie Nicks, Dellen und unvollkommene Steckverbindergewinde.
  7. Überprüfen Sie die Herstellerspezifikationen auf gültige Messbereiche für alle Kabel, Steckverbinder und Prüfstände. Diese Spezifikationen können Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Frequenz und Leistung umfassen.
  8. Reinigen Sie die Anschlüsse an allen Geräten und Kabelenden. Verwenden Sie Tupfer, die speziell für die Reinigung empfindlicher Elektronik und Steckverbinder entwickelt wurden. Die Verwendung von Kabeln mit schmutzigen Steckverbindern kann dazu führen, dass die leitenden Oberflächen von Kabeln beschädigt werden und ungenaue Messungen durchgeführt werden.
    1. Tauchen Sie einen Wattestäbchen in Isopropylalkohol.
    2. Reinigen Sie den Mittelleiter(Abbildung 3A) vorsichtig mit dem befeuchteten Tupfer. Üben Sie nicht zu viel Kraft auf den Mittelleiter aus, da er leicht beschädigt werden kann.
    3. Reinigen Sie den Außenleiter jedes Steckers (Abbildung 3B). Reinigen Sie die Kupplungsmuttergewinde.
    4. Trocknen Sie alle Kabel- und Steckerenden mit sauberer Druckluft(Abbildung 3C). Wenn die Druckluft den Stecker kühlt, lassen Sie den Stecker auf Raumtemperatur (RT) zurückkehren, bevor Alle Verbindungen hergestellt und anzieht werden.
  9. Richten Sie Die Verbindung zwischen VNA-Kabeln an den Ports 1 und 2 und dem DUT aus und stellen Sie diese her. Ziehen Sie mit einem 12 in.lb. Drehmomentschlüssel für Typ-N-Anschlüsse (Abbildung 4). Stellen Sie sicher, dass die Kabelenden richtig ausgerichtet sind.
    1. Beginnen Sie mit dem Spinnen des Steckers auf der DUT-Seite auf die VNA-Kabelgewinde. Richtige Verbindungen ermöglichen es der Mutter, sich mit wenig Widerstand frei zu drehen. Widerstand ist ein Zeichen des Kreuzeinfädelns. Fehlausrichtung kann den Stecker beschädigen oder Signalreflexionen und Signalverlust verursachen. Verziehen Sie den Stecker nicht zu festanziehen, da dadurch der Stecker beschädigt wird.
    2. Ordnen Sie die Kabel des VNA so an, dass sie sich während der Kalibrierung minimal bewegen. Kalibrierkabel sind phasenstabil und idealerweise während der Kalibrierung nicht gebogen oder bewegt.
  10. Passen Sie die VNA-Messparameter gemäß den Spezifikationen des DUT an. Der Frequenzbereich kann auch über den Mittelfrequenz- und Frequenzbereich ausgewählt werden, der als "Span" bezeichnet wird.
    1. Wählen Sie den Frequenzbereich aus. Wählen Sie Stimulus Menü | Freq | Startfrequenz: 1700 MHz. Wählen Sie Stimulus Menü | Freq | Stoppfrequenz: 1900 MHz.
    2. Wählen Sie den Messtyp (z. B. S11, S12, S21, S22). Wählen Sie Antwortmenü | Maßnahme | S21.
    3. Wählen Sie die Anschlussleistung aus, und passen Sie sie an. Wählen Sie Stimulus Menü | Leistung | Anschlussleistung einstellen: 0 dBm. Stellen Sie sicher, dass die Ausgangsleistung der TL-Maximalleistungsspezifikation (oder darunter) entspricht.
    4. Wählen Sie die Sweep-Einstellungen aus, und passen Sie sie an. Wählen Sie Stimulus Menü | Sweep | Sweep-Typ: Geeint. Wählen Sie Stimulus Menü | Sweep | Zeit | Sweep-Zeit: 1 Sek. Wählen Sie dann Stimulus Menu | Sweep | Sweep-Setup | Verweilzeit: 0 Sek.
      HINWEIS: Ein gestufter Sweep ist der genaueste Sweep-Typ, da er zu jeder Frequenz schritt und mit einer Frequenz verweilt, bevor er eine Messung vornimmt. Bei Verwendung langer Kabel muss die Verweilzeit möglicherweise erhöht werden, um sicherzustellen, dass das Signal nach der Messung beim Empfänger eintrifft. Eine Verweilzeit von 0 ist eine optimale Standardeinstellung.
    5. Wählen und anpassen Mittelungsmodus durch Auswahl Antwortmenü | Mittelwertung | Mittelwert: IFBW: 1 kHz.
      HINWEIS: Wählen Sie den geeigneten Mittelungstyp: "Punktmittelung" durchschnittlich jeden Frequenzpunkt eine Reihe von angegebenen Zeiten (d. h. 2, 4 16, 32, etc.), die den Geräuschpegel und die Unsicherheit reduziert, aber die Sweep-Zeit erhöht. IFBW verwendet einen Filter, um die Leistung in einer kleinen Bandbreite zu messen, was auch den Geräuschpegel reduziert, aber weniger Messzeit erfordert. IFWB Mittelung neigt dazu, eine optimale Mittelung Sendetechnik zu sein.
    6. Wählen Sie das angezeigte Datenformat (z. B. LogMag [Standardeinstellung], Smith Chart, SWR usw.) aus, indem Sie Antwortmenü | Format | LogMag.
    7. Wählen Sie die Anzahl der Datenpunkte in der angezeigten Ablaufverfolgung mit Stimulus Menu | Sweep | Anzahl der Punkte: 1601.
      ANMERKUNG: Die Anzahl der Punkte wird so eingestellt, dass die maximale Frequenzabdeckung zwischen Start- und Stoppfrequenz erreicht werden kann:

Equation 1

Im obigen Beispiel beträgt die Schrittgröße oder der Frequenzabstand 0,125 MHz, so dass frequenz(1) = 1700.000 MHz, frequency(2) = 1700.125 MHz, ... frequenz(1600) = 1899.875 MHz, frequenz(1601) = 1900 MHz.

2. Kalibrierung der VNA

  1. Wählen Sie eine manuelle oder elektronische Kalibrierung, wenn ein elektronisches Kalibriermodul verfügbar und gewünscht ist (siehe Abschnitt 2.11). Beide Kalibrierungen sind genau.
  2. Wählen Sie Manuelle Kalibrierung, indem Sie Antwort | Cal Menü | Starten Sie Cal | Kalibrierungs-Assistent | Ungeführt.
    1. Wählen Sie das entsprechende Kalibrierkit aus, damit ein genauer Wert der Standards im jeweiligen Kalibrierkit bekannt ist (Abbildung 5). Wählen Sie hier 85054D und dann die Zwei-Port-Kurz-Open-Load-Thru-Kalibrierung (SOLT) (für einen DUT mit zwei Anschlüssen). Andere verfügbare Kalibrierungen sind ein One-Port für ein Gerät mit einem einzigen Port, zusätzlich zu einer Reaktionskalibrierung. Die SOLT ist die genaueste Option11.
    2. Wählen Sie Weiter, um zum nächsten Bildschirm zu wechseln.
  3. Schließen Sie einen offenen Kalibrierstandard(Abbildung 6) an das Kabel an, das an Port 1 angeschlossen ist. Ein offener Kalibrierstandard verfügt über einen offenen Hohlraum hinter dem Stecker, um eine Freiraumimpedanz von 377 ° zu simulieren.
  4. Schließen Sie einen kurzen Kalibrierstandard an das Kabel an, das an Anschluss 2 angeschlossen ist. Eine Kurze hat eine Metallplatte hinter dem Stecker, so dass die eingehende Spannung vollständig reflektiert wird.
    1. Wählen Sie Port 1 | ÖFFNEN | Typ N (50) buchse offen, die eine Messung der angeschlossenen öffnung durchführt. Auf dem VNA-Bildschirm wird eine Ablaufverfolgung angezeigt, die sanft von einem Referenzpegel von 0 dB auf einem S11-Anzeigeformatfür den offenen Standard abgeneigt ist. Sobald die Messung abgeschlossen ist (ein Häkchen OK wird über dem Standard angezeigt), drücken Sie die OK-Taste, um fortzufahren. Dadurch wird der Benutzer zurück zum vorherigen Bildschirm gesendet.
    2. Wählen Sie einen männlichen oder weiblichen Kalibrierstandard mit dem gleichen Geschlechtsstecker wie der des DUT (d. h. ein männlicher Kalibrierstandard hat den mittleren Stift, und ein weiblicher Kalibrierungsstandard hat einen einführbaren Anschluss). Ältere VNAs benötigen einen Kalibrierungsstandard basierend auf dem Geschlecht des VNA-Kabels.
    3. Wählen Sie Port 2 | Kurz | Typ N (50) weiblich kurz, die eine Messung der angebrachten short durchführt. Auf dem VNA-Bildschirm wird eine Ablaufverfolgung angezeigt, die sanft von einem Referenzpegel von 0 dB auf einem S11-Anzeigeformatfür den kurzen Standard abgeneigt ist. Sobald die Messung abgeschlossen ist (ein Häkchen OK wird über dem Standard angezeigt), drücken Sie die OK-Taste, um fortzufahren. Dadurch wird der Benutzer zurück zum vorherigen Bildschirm gesendet.
  5. Tauschen Sie die Kalibrierstandards zwischen den Ports aus (d. h. schließen Sie den offenen Kalibrierstandard an Port 2 an, und schließen Sie dann den kurzen Kalibrierungsstandard an Port 1 an).
    1. Wählen Sie Port 1 | Kurz | Typ N (50) buchse kurz, um die kurze auf Port 1 zu messen. Auf dem VNA-Bildschirm wird eine Ablaufverfolgung angezeigt, die sanft von einem Referenzpegel von 0 dB auf einem S11-Anzeigeformatfür den kurzen Standard abgeneigt ist. Sobald die Messung abgeschlossen ist (ein Häkchen OK wird über dem Standard angezeigt), drücken Sie die OK-Taste, um fortzufahren. Dadurch wird der Benutzer zurück zum vorherigen Bildschirm gesendet.
    2. Wählen Sie Port 2 | ÖFFNEN | Typ N (50) Buchse offen, um das Offene an Port 2 zu messen. Auf dem VNA-Bildschirm wird eine Ablaufverfolgung angezeigt, die sanft von einem Referenzpegel von 0 dB auf einem S11-Anzeigeformatfür den offenen Standard abgeneigt ist. Sobald die Messung abgeschlossen ist (ein Häkchen OK wird über dem Standard angezeigt), drücken Sie die OK-Taste, um fortzufahren. Dadurch wird der Benutzer zurück zum vorherigen Bildschirm gesendet.
  6. Entfernen Sie den Kurzschluss von Port 1, und legen Sie eine Breitbandlast auf Port 1. Eine Last absorbiert die eintreffende Energie, was zu einer kleinen Reflexion über einen großen Frequenzbereich führt.
    1. Wählen Sie Port 1 | LOADS | Breitbandlast Typ N (50), um die Last an Port 1 zu messen. Sobald die Messung abgeschlossen ist (ein Häkchen OK wird über dem Standard angezeigt), drücken Sie die OK-Taste, um fortzufahren. Dadurch wird der Benutzer zurück zum vorherigen Bildschirm gesendet.
    2. Halten Sie den aktuellen Kalibrierstandard an Port 2. Lassen Sie den Port nicht offen, da er einen Pfad für Leckagesignale bieten kann. Eine Ablaufverfolgung wird auf dem VNA-Bildschirm angezeigt und variiert auf dem Bildschirm. Alle Gemessenen Werte auf einem S11,Log-Magnitude-Anzeigeformat wird kleiner als -20 dB für eine gute Last sein.
  7. Entfernen Sie das Öffnen von Port 2, nehmen Sie die Breitbandlast von Port 1, und platzieren Sie die Breitbandlast auf Port 2. Platzieren Sie das Öffnen von Port 2 an Port 1, um Leckagesignale zu verhindern.
    1. Wählen Sie Port 2 | LOADS | Breitbandlast Typ N (50), um die Last an Port 2 zu messen. Eine Ablaufverfolgung wird auf dem VNA-Bildschirm angezeigt und variiert auf dem Bildschirm. Alle Gemessenen Werte auf einem S11,Log-Magnitude-Anzeigeformat wird kleiner als -20 dB für eine gute Last sein. Sobald die Messung abgeschlossen ist (ein Häkchen OK wird über dem Standard angezeigt), drücken Sie die OK-Taste, um fortzufahren. Dadurch wird der Benutzer zurück zum vorherigen Bildschirm gesendet.
  8. Legen Sie einen Durchkalibrierungsstandard zwischen die Kabel ein, die an den Anschlüssen 1 und 2 angeschlossen sind. Dies ist in der Regel ein Adapter mit den gleichen Geschlechtsanschlüssen an beiden Enden.
    1. Wählen Sie THRU, um den Kalibrierungsstandard zu messen. Sobald die Messung abgeschlossen ist, wird auf diesem Bildschirm ein Häkchen über dem THRU-Standard angezeigt.
      HINWEIS: Die Isolationsmessung kann in der Regel während der Kalibrierung weggelassen werden, da isolationsmisst, dass der Überlauf zwischen den Kabeln und sein Wert im Vergleich zu anderen Standards oft sehr klein ist. Die oben genannten Kalibrierungsmessungen können in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden.
  9. Sobald alle Standards ein Häkchen darüber haben, speichern Sie die Kalibrierung. Wählen Sie Weiter | Speichern als Benutzer-Calset. Geben Sie einen Namen für SAVE die Kalibrierung ein und drücken Sie die Save-Taste.
  10. Überprüfen Sie die Kalibrierung gemäß Abschnitt 3.
  11. Wenn keine manuelle Kalibrierung gewählt wurde, wählen Sie die elektronische Kalibrierungsoption12. Schließen Sie das elektronische Kalibrierkit (Abbildung 7) an den Kabeln zwischen den Anschlüssen 1 und 2 an. Antwort auswählen | Cal Menü | Starten Sie Cal | Kalibrierungs-Assistent | Elektronische Kalibrierung mit der elektronischen Kalibrierungsoption.
    1. Wählen Sie 2-Port ECal | WählenSie als Nächstes die Schaltfläche Messen aus. Das elektronische Kalibriermodul misst automatisch eine Reihe unterschiedlicher Standards und fordert den Benutzer auf, die Kalibrierung am Ende zu speichern.
    2. Wählen Sie Weiter | Speichern als Benutzer-Calset. Geben Sie einen Namen für SAVE die Kalibrierung ein und drücken Sie die Save-Taste.
      HINWEIS: Bei einer elektronischen Kalibrierung sind nur die Kabel der Ports 1 und 2 an das Modul angeschlossen. Alle Kalibrierstandards sind im Modul enthalten. Die elektronische Kalibrierung kalibriert die internen Standards automatisch. Wenn das elektronische Kalibriermodul nicht über die gleichen Steckertypen wie die Kabel verfügt, muss eine zusätzliche Kalibrierung durchgeführt werden, um die im Modul enthaltenen Kalibrierungsfehlerkorrekturen so zu ändern, dass die Adapter berücksichtigt werden. Wenden Sie sich an den Hersteller, um Eine Anleitung zu erhalten.

3. Überprüfen der Kalibrierung

  1. Verwenden Sie ein Durch, um die Kalibrierung zu überprüfen.
    1. Schließen Sie einen Durchadapter (Abbildung 6) ohne offensichtliche Verschleißerscheinungen an die Kabel zwischen den Anschlüssen 1 und 2 an. Messen Sie nicht den Durch-Standard. Wählen Sie ein anderes Durch.
    2. Wählen Sie Antwort | Maßnahme | S21, dann Antwort | Skala | Skala. Legen Sie den Wert pro Division auf 0,1 fest, indem Sie die Pfeiltaste nach unten drücken. Wählen Sie Stimulus Menü | Auslöser | Single, um den Einfügeverlust des Durchsetzwegs zu messen. Ein einzelner Sweep wird über den Frequenzbereich angezeigt.
      ANMERKUNG: Der Wert des Durchsablaufs auf einem Protokollgrößendiagramm liegt innerhalb von 0,05 dB der 0 dB-Referenz (Abbildung 8) für eine ausreichende Kalibrierung. Dies ist ein empirischer Wert, der über viele Jahre der Kalibrierungen ermittelt wurde. Dies kann durch eine Änderung der Skala auf 0,05 dB pro Division gesehen werden.
    3. Nachdem das Durchdurch überprüft wurde, geben Sie die Skala zurück auf 10 dB/Division, indem Sie Antwort | Skala | Skalieren und legen Sie den Wert pro Division auf 10 fest. Wählen Sie Antwort | Maßnahme | S11.
    4. Wählen Sie Stimulus Menü | Auslöser | Single nach Maß S11. Der Wert eines guten Durchsdurchs ist folgender: | S11| = -20 dB (1% Reflexion in Leistung und 10% Reflexion in Spannung).
      HINWEIS: Die Smith Chart13-Darstellung zeigt Impedanz an. Messungen von S11 und S22 werden als kleiner Kreis in der Mitte des Diagramms angezeigt. Der Impedanzwert liegt innerhalb von 0,5 ° von der 50-Zoll-Referenz für eine ausreichende Kalibrierung.
  2. Verwenden Sie eine 50-Zoll-Last, um die Kalibrierung zu überprüfen.
    1. Schließen Sie eine 50-Zoll-Last an den Port 1 an.
    2. Wählen Sie Stimulus Menü | Auslöser | Single nach Maß S11.
      HINWEIS: Eine übereinstimmende Last beträgt weniger als -20 dB (der Reflexionskoeffizient einer idealen Last ist 0). Dies wird auch als kleiner Kreis in der Mitte des Smith-Diagramms angezeigt (Abbildung 9).
  3. Verwenden Sie einen offenen Kalibrierungsstandard, um die Kalibrierung zu überprüfen.
    1. Schließen Sie einen offenen Kalibrierstandard an.
    2. Wählen Sie Stimulus Menü | Auslöser | Single nach Maß S11. Ein Offen ist 0 dB auf einem Log-Magnituden-Diagramm (der Reflexionskoeffizient einer idealen Öffnung ist 1). Auf einem Smith-Diagramm erscheint das Öffnen als kleiner Kreis bei 0 ganz rechts(Abbildung 9) für eine ausreichende Kalibrierung.
  4. Verwenden Sie einen kurzen Kalibrierungsstandard, um die Kalibrierung zu überprüfen.
    1. Schließen Sie einen kurzen Kalibrierstandard an.
    2. Wählen Sie Stimulus Menü | Auslöser | Single nach Maß S11. Ein Kurzwert ist 0 dB (der Reflexionskoeffizient eines idealen Kurzwerts ist -1) auf dem Log-Magnituden-Diagramm. Im Smith-Diagramm wird der Wert als Kreis ganz links (Abbildung 9) für eine ausreichende Kalibrierung angezeigt.
      HINWEIS: Wenn ein Kalibrierungstest fehlschlägt, überprüfen Sie die Anschlüsse, und wiederholen Sie die Kalibrierung. Wenn die Kalibrierung gut ist, fahren Sie mit Abschnitt 4 fort.

4. Messung von Bauteilen oder Systemverlusten

  1. Schließen Sie den DUT an den VNA an. Wenn der Prüfstand über mehr als zwei Anschlüsse verfügt (z. B. Schalter, Leistungsteiler usw.), schließen Sie 50,-Zoll-Lasten an die Ports an, die nicht mit dem VNA verbunden sind, da die Stromversorgung von diesen Anschlüssen reflektiert wird, und ändern Sie die Messung.
  2. Antwort auswählen | Maßnahme | S21.
  3. Wählen Sie Stimulus-Menü | Auslöser | Single zur Messung des DUT.
  4. Datei auswählen | Daten speichern als... . Geben Sie einen Dateinamen in das Dateinamenfeld ein. Wählen Sie einen Dateityp von beiden aus. CSV oder Trace (*.s2p). Wählen Sie den Bereich (der Standardwert von Angezeigte Ablaufverfolgungen ist hier geeignet). Wählen Sie ein Format (z. B. Protokollgröße und -winkel, lineare Größe und Phase, real und imaginär, und angezeigtes Format [z. B. ein Smith-Diagramm]). Drücken Sie SAVE, um die Daten zu speichern.
  5. Überprüfen und analysieren Sie die Testergebnisse eines Bandpassfilters. Ein Beispiel wird in den folgenden Schritten beschrieben.
    1. Identifizieren Sie Teile der Ablaufverfolgung, indem Sie Markierungen auf der Ablaufverfolgung platzieren. Marker/Analyse auswählen | Marker | Marker 1 und drücken Sie OK.
    2. Marker/Analyse auswählen | Marker-Suche | Max, um den Einfügeverlust des Ablaufverfolgungsfilters zu finden. Der Knopf auf der Frontplatte kann auch verwendet werden, um Maxima und Minima zu identifizieren, während der Marker über Frequenzpunkte geschwungen wird.
    3. Marker/Analyse auswählen | Marker < Marker 1, wählen Sie dann Delta-Marker und gekoppelte Marker. Der Wert dieser Markierung, wie auf dem Bildschirm angezeigt, sollte 0 dB lesen. Dadurch wird ein Referenzwert für die anderen Marker festgelegt.
    4. Marker/Analyse auswählen | Marker... | Marker 2 | AUF | gekoppelte Marker. Klicken Sie in das Stimulusfeld, um die Frequenz hervorzuheben, und bewegen Sie dann den Knopf, bis der Messwert von Marker 2 auf dem Bildschirm -3 dB anzeigt.
    5. Marker/Analyse auswählen | Marker... | Marker 3 | AUF | gekoppelte Marker. Klicken Sie in das Stimulusfeld, um die Frequenz hervorzuheben und den Knopf zu bewegen, bis der Messwert von Marker 3 auf dem Bildschirm -3 dB anzeigt.
    6. Vergleichen Sie die Messwerte mit denen der Filterspezifikationen des Herstellers.

Representative Results

Bei der Überprüfung, ob ein Bauteil ordnungsgemäß funktioniert, ist es wichtig, die Spezifikationen des Herstellers zu konsultieren, die auf den jeweiligen Websites zu finden sind. Hier wurde der Filter (Abbildung 10) nach Rücksprache mit den Spezifikationen14gemessen. Wie in Abbildung 11dargestellt, wurde der Einfügeverlust sowie die 3 dB-Punkte identifiziert. Der gemessene Einfügeverlust nach der Kalibrierung, wie durch Marker 1 dargestellt, hatte eine Magnitude von 0,83 dB. Das negative Vorzeichen weist darauf hin, dass es sich um einen Verlust handelte. Der Einfügeverlust in der Referenz wird mit 0,8 dB (dBa) angegeben. Die gemessene 3 dB Bandbreite des Filters änderte sich von 1749 MHz auf 1854 MHz. Bei Subtraktion ergab dies einen Wert von 105 MHz, der in der Nähe des typischen Wertes von 104,5 MHz liegt.

Es gibt 10 dB Dämpfer, die einer Eingangsleistung von 50 W standhalten, wie in den Herstellerspezifikationen15beschrieben. Die Dämpfungsspezifikation für diesen Dämpfer beträgt 10 dB bei 0,5 dB. Irgendwann wurde eine Eingangsleistung von mehr als 50 W in den Dämpfer eingegeben, wodurch der Dämpfer beschädigt wurde. Ein kalibrierter VNA wurde verwendet, um die Qualität dieses Bauteils zu überprüfen. Auch hier ist es wichtig, jedes Bauteil vor allen Feldmessungen zur Qualitätssicherung zu messen. Die Messung des DUT ist in Abbildung 12dargestellt. Im Vergleich dazu ist die Messung eines gut 10 dB Dämpfers in Abbildung 13dargestellt. Es sei darauf hingewiesen, dass der gemessene Wert 9,88 dB bei 1750 MHz betrug, was innerhalb des angegebenen Bereichs von -9,5 bis -10,5 dB über die gesamte Bandbreite von 1700–1900 MHz liegt.

Schließlich ist der Kabelverlust eine weitere wichtige Messung, die häufig bei Hochfrequenzmessungen durchgeführt wird. Die Spezifikationen für das gemessene Kabel finden Sie auf Seite 5 des Datenblatts16. Die Dämpfung pro Fuß (dB/ft) betrug 0,05 dB bei 1 GHz oder 0,16 dB/m. Ein gemessenes Kabel mit einer Länge von 11 m hatte nach Angaben des Herstellers einen spezifizierten Verlust von 1,8 dB. Der gemessene Verlust ist in Abbildung 14dargestellt. Bei einer Frequenz von 1750 MHz betrug der gemessene Verlust -1,88 dB (was bei Aufgerunde auf das nächste Zehntel eines Dezibels eine Magnitude von 1,9 dB beträgt).

Figure 1
Abbildung 1: Einschalten des VNA. Der rote Kreis stellt die Position des VNA-Netzschalters dar. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 2
Abbildung 2: Hochwertige, phasenstabile Kabel, die an zwei VNA-Anschlüssen angeschlossen sind. Die Kabel werden mit einem 8 in.lbf an der Vorderseite des VNA befestigt. Drehmomentschlüssel. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 3
Abbildung 3: Reinigungsverbinder. (A) Reinigung des Innenleiters, (B) Reinigung des Außenleiters und der Gewinde und (C) sanfte Saugentrocknung des Steckverbinders mit Druckluft. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 4
Abbildung 4: Ein Drehmomentschlüssel 12 in.lbf. für Steckverbinder des Typs N. Dieser Schraubenschlüssel wird verwendet, um die Verbindungen zwischen den VNA-Kabeln und dem DUT zu festigen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 5
Abbildung 5: Typ N Kalibrierkit. Hier ist ein Kalibrierkit mit offenen, kurzen, Last- und Durchstandards zu sehen, die zur Kalibrierung von Fehlern im VNA verwendet werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 6
Abbildung 6: Typ N-Kalibrierungsstandards. Fotos der bei der Kalibrierung verwendeten Kalibrierstandards für Männer und Frauen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 7
Abbildung 7: Elektronisches Kalibriermodul. Ein Foto eines elektronischen Kalibriermoduls. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 8
Abbildung 8: Durchkalibrierungsprüfung nach Kalibrierung auf einem Log-Magnitudendiagramm als Funktion der Frequenz in GHz. Der Wert des Thrus beträgt 0,01 dB bei einer Frequenz von 1,8 GHz. Dies zeigt den Wert des Durchsals als Funktion der Frequenz in GHz nach der Kalibrierung. Das Durchwird als Kalibrierungsprüfung verwendet, um sicherzustellen, dass die Kalibrierung gültig ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 9
Abbildung 9: Smith Chart-Erklärung. Reale und imaginäre Impedanzwertpositionen für Standardimpedanzen werden in der linken Abbildung und Impedanzgrößenwerte in der rechten Abbildung17dargestellt. Diese Smith-Diagramm-Zeichnung zeigt sowohl die reale als auch die imaginäre Impedanz auf der linken Seite und die Impedanzgröße auf der rechten Seite. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 10
Abbildung 10: HF-Filter zwischen den Ports 1 und 2 eingesetzt. Ein Foto eines HF-Filters, der während der Messungen zwischen den Anschlüssen 1 und 2 am Ende der VNA-Kabel eingesetzt wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 11
Abbildung 11: Gemessener Einfügeverlust und 3 dB-Punkte für HF-Filter mit Dendaten in Abbildung 9. Dies ist ein Screenshot aus dem VNA während der Messung des HF-Filters, der in Abbildung 10dargestellt ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 12
Abbildung 12: Messung eines 10 dB Dämpfers, der nicht innerhalb seiner Spezifikationen liegt. Der gemessene Wert beträgt -22,70 dB bei 1,7 GHz und seine Spezifikation beträgt 10 dB bei 0,5 dB. Gezeigt wird auch die Messung eines 10 dB Dämpfers, der nicht mehr innerhalb seiner Spezifikationen liegt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 13
Abbildung 13: Messung des 10 dB Dämpfers innerhalb seiner Spezifikationen. Der Messwert betrug -9,88 dB. Gezeigt wird auch die Messung eines 10-dB-Dämpfers, der innerhalb seiner Spezifikationen liegt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 14
Abbildung 14: Messung eines Koaxialkabels mit einem angegebenen Dämpfungswert von 0,05 dB/ft (11 m). Der Verlust durch die Länge des Kabels sollte 1,8 dB betragen, was dem Messwert von -1,9 dB bei 1,87 GHz entspricht. Ebenfalls angezeigt wird die Messung eines Kabels, das zeigt, dass der gemessene Verlust im Rahmen der Herstellerspezifikationen liegt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Discussion

Es ist wichtig, dass sich der VNA mindestens 0,5 h auf RT erwärmt (obwohl 1 h besser ist), bevor Kalibrierungen durchgeführt werden, was es allen internen Komponenten ermöglicht, zu RT zu kommen, was zu stabileren Kalibrierungen führt. Eine Kalibrierung kann mehrere Tage ohne großen Genauigkeitsverlust dauern; Die Kalibrierung wird jedoch täglich mit einem Kalibrierstandard überprüft, um die Integrität der Messung zu gewährleisten. Die Inspektion aller Systemkomponenten ist unerlässlich, damit fehlerhafte Steckverbinder die Genauigkeit des VNA nicht beschädigen. Es ist am besten, verlustarme Kabel mit dem VNA zu verwenden. Die Integrität der Kalibrierung muss vor der Messung einer Systemkomponente oder eines Prüfsteins überprüft werden. Jede Messung außerhalb der hier angegebenen Spezifikationen sollte wiederholt werden oder eine neue Kalibrierung erfordern. Schließlich ist die Verwendung der Herstellerspezifikationen zur Überprüfung der gemessenen DUT-Werte ein notwendiger Bestandteil der Validierung.

Die Verwendung des VNA als Messgerät hat seine Grenzen. Wenn der Prüfstand oder das System so große Verluste hat, dass die gemessenen S-Parameter unter den Geräuschboden des VNA fallen, kann er nicht mit dem VNA gemessen werden. Es ist möglich, den Geräuschboden zu senken, indem die IF-Bandbreite verringert und die Sweep-Zeit erhöht wird. Dies verlangsamt die Messerfassungszeit; Daher gibt es einen Kompromiss bei der Anpassung dieser Parameter. Der VNA kann keine Eingangsleistungen von mehr als 30 dBm verarbeiten, daher wird bei der Messung von Verstärkern eine interne oder externe Dämpfung verwendet. Der VNA hat eine Quelle und einen Empfänger, die sich im selben Gerät befinden, so dass er als Funkausbreitungsmesssystem verwendet wurde. Da sich Quelle und Empfänger im VNA befinden, muss der Sendeanschluss in gewisser Weise mit dem empfangenden Port verbunden werden. In der Regel geschieht dies mit Kabeln; Kabel sorgen jedoch für Verluste, wodurch der Dynamikbereich dessen, was gemessen werden kann, verringert wird. Darüber hinaus werden die Trennungsabstände begrenzt.

Die andere Methode, mit der Verluste gemessen werden können, ist die Verwendung eines Signalgenerators und eines Leistungsmessers. Der Leistungsmesser ist ein Skalarmessgerät, so dass er nur die Größe eines Signals messen kann. Es kann die Phase des Signals nicht überwachen, was zu weniger genauen Messungen des Signals führt. Die VNA misst sowohl die Größe als auch die Phase (von realen und imaginären Komponenten) eines gemessenen Signals relativ zu einem bekannten Eingangssignal, das eine höhere Qualitätsmessung darstellt.

VNAs sind eine vielseitige Option für viele Arten von Messungen. Das Gerät kann verwendet werden, um abgestrahlte Funksignale mit Antennen an den Sende- und Empfangsanschlüssen18zu messen. Die Zeitdomänenanalyse kann verwendet werden, um Signale im Laufe der Zeit zu überwachen und zu bestimmen, wo ein Bruch in einem Kabel auftritt. Es kann viele Frequenzen während eines Sweeps messen, die verwendet werden können, um Dämpfungsverluste über viele Frequenzen entweder in einer geführten19 oder abgestrahlten Umgebung zu verstehen20. Das Verständnis der verschiedenen Parametereinstellungen des VNA führt zu gut charakterisierten DUTs/Systemen, und Messungen, die mit dem DUT/System erhalten werden, können mit einem hohen Maß an Vertrauen verwendet werden.

Disclosures

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Acknowledgments

Wir danken dem Defense Spectrum Office (DSO) für die Finanzierung dieser Arbeit.

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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Kalibrierung von Vector Network Analyzer für Messungen in Hochfrequenzausbreitungskanälen
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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).

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