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Engineering

Calibrazione dell'analizzatore di rete vettoriale per le misurazioni nei canali di propagazione della frequenza radio

doi: 10.3791/60874 Published: June 2, 2020

Summary

Questo protocollo descrive le procedure consigliate per la calibrazione di un analizzatore di rete vettoriale prima dell'uso come strumento accurato, destinato a misurare i componenti di un sistema di test di misurazione della propagazione a radiofrequenza.

Abstract

Le misurazioni in situ dell'attività dello spettro a radiofrequenza (RF) forniscono informazioni sulla fisica della propagazione delle onde a radiofrequenza e convalidano modelli di propagazione dello spettro nuovi e esistenti. Entrambi questi parametri sono essenziali per supportare e preservare la condivisione dello spettro senza interferenze, poiché l'uso dello spettro continua ad aumentare. È fondamentale che tali misurazioni di propagazione siano accurate, riproducibili e prive di artefatti e pregiudizi. Caratterizzare i guadagni e le perdite dei componenti utilizzati in queste misurazioni è fondamentale per la loro accuratezza. Un analizzatore di rete vettoriale (VNA) è un'apparecchiatura consolidata, altamente accurata e versatile che misura sia la grandezza che la fase dei segnali, se correttamente calibrata. Questo articolo descrive in dettaglio le procedure consigliate per la calibrazione di un VNA. Una volta calibrato, può essere utilizzato per misurare con precisione i componenti di un sistema di misurazione della propagazione (o suono del canale) configurato correttamente o può essere utilizzato come sistema di misurazione stesso.

Introduction

L'Institute for Telecommunication Sciences (ITS) è il laboratorio di ricerca della National Telecommunications and Information Administration (NTIA), un'agenzia del Dipartimento del Commercio degli Stati Uniti. Its è attiva nelle misurazioni della radiopropagazione fin dagli anni '50. La condivisione dello spettro, il nuovo paradigma per gli utenti dello spettro federale e commerciale, richiede che due sistemi diversi condividano contemporaneamente lo stesso spettro di radiofrequenza. Con l'aumentare degli scenari di condivisione dello spettro, aumenta anche la necessità di misurazioni accurate e riproducibili della propagazione radio che forniscano una migliore comprensione dell'ambiente radio, che più servizi devono condividere. L'obiettivo della procedura descritta è quello di garantire che tutti i componenti che imspecificano un tale sistema siano ben caratterizzati da un VNA accuratamente configurato.

Mentre la domanda di spettro aumenta, non è sempre possibile rapidamente libero spettro che è attualmente utilizzato dalle agenzie federali per scopi commerciali. Ad esempio, nella banda Advanced Wireless Services (AWS)-3 (1755–1780 MHz), sono in fase di sviluppo accordi di condivisione dello spettro tra i servizi militari e i vettori wireless commerciali1. Questi accordi consentono ai vettori wireless commerciali di entrare nella banda AWS-3 prima di completare la transizione dei servizi militari fuori dalla banda.

La Defense Spectrum Organization (DSO) ha il compito di gestire la transizione AWS-3. Una parte fondamentale della transizione consiste nello sviluppo di nuovi modelli di propagazione per valutare il potenziale di interferenza RF tra sistemi wireless militari e commerciali che condividono la banda. Il DSO ha incaricato ITS e altri di eseguire una serie di misurazioni del suono del canale per costruire nuovi modelli che calcolano meglio l'impatto del fogliame e delle strutture costruite dall'uomo nell'ambiente (collettivamente noto come disordine). Una migliore modellazione della propagazione che tenga conto del disordine porterà a un minor numero di restrizioni per i trasmettitori commerciali nelle vicinanze dei sistemi militari.

Le misurazioni in situ dell'attività dello spettro RF forniscono informazioni sulla fisica della propagazione delle onde RF e convalidano i modelli di propagazione radio esistenti e nuovi. Entrambi questi componenti sono essenziali per supportare e preservare la condivisione dello spettro senza interferenze. Le tecniche di suono del canale, in cui un segnale di prova noto viene trasmesso da una posizione specifica a un ricevitore mobile o stazionario, forniscono dati che stimano le caratteristiche del canale radio in ambienti diversi. I dati vengono utilizzati per sviluppare e migliorare modelli che predicono con maggiore precisione le perdite di propagazione o l'attenuazione del segnale. Queste perdite possono essere dovute al blocco e alla riflessione da parte di edifici e altri ostacoli (ad esempio, alberi o terreni nei canyon urbani). Questi ostacoli producono percorsi di propagazione multipli, leggermente varianti, con conseguente perdita o attenuazione del segnale tra l'antenna di trasmissione e ricezione.

Le tecniche di misurazione ITS producono risultati accurati, ripetibili e imparziali. Il DSO ha incoraggiato l'ITS a condividere le proprie conoscenze istituzionali con la più ampia comunità tecnica. Questa conoscenza include come misurare ed elaborare in modo ottimale i dati di propagazione RF. Il memorandum tecnico NTIA pubblicato di recente TM-19-5352,,3,4,5 descrive una serie di best practice per la preparazione e la verifica dei sistemi di misurazione della propagazione radio. Come parte di queste best practice, un VNA viene utilizzato per misurare con precisione le perdite di componenti o guadagni di un sistema di misurazione. I guadagni e le perdite vengono quindi utilizzati per calcolare l'attenuazione del segnale tra due antenne.

Il protocollo qui presentato affronta le migliori pratiche per la calibrazione di un VNA5 prima del test in applicazioni di laboratorio o sul campo. Questi includono il tempo di riscaldamento, la selezione del tipo di connettore RF, la connessione corretta e le prestazioni delle fasi di calibrazione appropriate. La calibrazione deve essere eseguita in un ambiente di laboratorio controllato prima della raccolta dei dati nel contesto di uno scenario di misurazione della propagazione specifico. Ulteriori considerazioni possono essere rilevanti per ambienti di misurazione della propagazione specifici, che non rientrano nell'ambito di questo protocollo.

Il VNA viene utilizzato per misurare le caratteristiche del dispositivo di componenti e sottoassemblaggi durante l'assemblaggio di altri sistemi di misurazione. Amplificatori di potenza, ricevitori, filtri, amplificatori a basso rumore, miscelatori, cavi e antenne sono tutti componenti che possono essere caratterizzati da un VNA. Prima di testare e/o calibrare un sistema, viene preparato un elenco di tutti i componenti necessari del sistema e vengono assemblati tutti i componenti del sistema. Ogni componente di un sistema viene misurato separatamente inserendoli tra i cavi VNA. Ciò garantisce che tutti i componenti funzionino entro le specifiche del produttore. Una volta che i componenti sono stati controllati, il sistema viene assemblato e vengono misurate le perdite in tutto il sistema. Ciò garantisce che le riflessioni e le trasmissioni tra i componenti siano caratterizzate correttamente.

Un VNA misura i parametri di dispersione (S-parametri), che sono quantità con valori complessi con grandezza e fase. Un parametro S è una misura ratio del 1) riflesso segnale al segnale incidente (misurazione della riflessione) o 2) segnale trasmesso al segnale incidente (misurazione della trasmissione). Per un dispositivo a due porte, è possibile misurare quattro parametri S (S11, S21, S12e S22). Il primo pedice si riferisce alla porta in cui viene ricevuto il segnale, e il secondo si riferisce alla porta in cui viene trasmesso il segnale. Pertanto, S11 significa che il segnale trasmesso ha avuto origine alla porta 1 ed è stato ricevuto alla porta 1. Inoltre, S21 indica che il segnale trasmesso ha avuto origine nuovamente alla porta 1 ma viene ricevuto alla porta 2. S11 misura la quantità di segnale che viene riflessa dal dispositivo sottoposto a test (DUT) alla porta 1 con riferimento al segnale originale che è stato incidente alla porta 1. S21 misura la quantità di segnale che viene trasmesso attraverso il DUT e arriva alla porta 2 con riferimento al segnale incidente alla porta 1. S11 è una misura del coefficiente di riflessione del DUT alla porta 1 e S21 è una misura del coefficiente di trasmissione del DUT dalla porta 1 alla porta 2.

È necessaria una calibrazione del VNA per rimuovere gli errori sistematici dai componenti fino al piano di riferimento di misurazione (escluso), che in genere si trova alla fine dei cavi di misura VNA. Una calibrazione rimuove gli errori di sistema misurando gli standard noti "perfetti" (aperti, corti, carichi, attraverso/linea) e confrontandoli con il valore che il VNA misura. Attraverso una serie di correzioni di errore, viene visualizzato un valore corretto per il DUT. Ci sono attualmente 12 termini di errore6,7 che sono caratterizzati durante la calibrazione. Per ulteriori informazioni, fare riferimento alle misurazioni originali dei parametri S effettuate su analizzatori di rete a sei porte8 supportati dalla teoria classica dei circuiti a microonde9,10.

I tipi più comuni di misurazioni di riflessione dei parametri S sono la perdita di rendimento, il rapporto d'onda in piedi (SWR), il coefficiente di riflessione e la corrispondenza impedibile. I tipi più comuni di misurazione della trasmissione dei parametri A sono la perdita di inserimento, il coefficiente di trasmissione, il guadagno/perdita, il ritardo di gruppo, di fase o di fase e il ritardo elettrico. Le misurazioni della perdita di trasmissione sono enfatizzate nel protocollo descritto.

La misurazione dei guadagni e delle perdite dei componenti del sistema utilizzando un VNA è ben compresa. Tuttavia, i passaggi importanti vengono spesso saltati, ad esempio la pulizia dei connettori e l'utilizzo di una chiave di coppia appropriata. Questo protocollo fornisce tutti i passaggi e le spiegazioni necessari del motivo per cui alcuni sono particolarmente importanti. Servirà anche come preludio a un futuro articolo che descrive come eseguire misurazioni della propagazione RF, compresi i calcoli dell'attenuazione del segnale.

Protocol

1. Configurazione VNA

  1. Raccogliere tutti i componenti del sistema di misurazione della propagazione, inclusi cavi, amplificatori, filtri, DUT (che possono essere sottoassiemi) e altri componenti.
  2. Accendere il VNA(Figura 1),e lasciarlo caldo per almeno 0,5 h per garantire che tutti i componenti interni di VNA sono una temperatura di funzionamento stabile e che la deriva di fase è ridotta al minimo.
  3. Premere il pulsante Predefinito.
  4. Collegare cavi di alta qualità stabili in fase alle porte 1 e 2 del VNA(Figura 2).
  5. Stringere i connettori alle porte VNA con un 8 in.lbf. Dinamometrica. Per coppiare correttamente una connessione, tenere l'estremità della maniglia e spingere delicatamente la maniglia senza lasciare che la maniglia si rompa fino in fondo.
  6. Controlla visivamente tutti i cavi e i connettori alla ricerca di evidenti segni di usura come graffi, ammaccature e fili di connettori imperfetti.
  7. Controllare le specifiche del produttore per gli intervalli di misurazione validi per tutti i cavi, connettori e DUT. Queste specifiche possono includere temperatura, umidità, frequenza e potenza.
  8. Pulire i connettori su tutti i dispositivi e le estremità del cavo. Utilizzare tamponi appositamente progettati per la pulizia di elettronica e connettori sensibili. L'utilizzo di cavi con connettori sporchi può causare danni alle superfici conduttrici dei cavi e produrre misurazioni imprecise.
    1. Immergere un tampone di cotone nell'alcool isopropile.
    2. Pulire delicatamente il conduttore centrale (Figura 3A) utilizzando il tampone inumidito. Non esercitare troppa forza sul conduttore centrale, in quanto è facilmente danneggiato.
    3. Pulire il conduttore esterno di ogni connettore (Figura 3B). Pulire i fili di dado di accoppiamento.
    4. Asciugare tutte le estremità del cavo e del connettore utilizzando aria compressa pulita (Figura 3C). Se l'aria compressa raffredda il connettore, lasciare che il connettore torni alla temperatura ambiente (RT) prima di effettuare e stringere tutte le connessioni.
  9. Allineare ed effettuare collegamenti tra i cavi VNA sulle porte 1 e 2 e il DUT. Stringere con un 12 in.lb. chiave di coppia per connessioni di tipo N(Figura 4). Assicurarsi che le estremità del cavo siano allineate correttamente.
    1. Iniziare a girare il connettore sul lato DUT sui fili del cavo VNA. Connessioni adeguate permettono al dado di girare liberamente con poca resistenza. La resistenza è un segno di cross-threading. Il disallineamento può danneggiare il connettore o causare riflessi del segnale e perdita del segnale. Non stringere in modo eccessivo il connettore, in quanto ciò danneggerà il connettore.
    2. Disporre i cavi del VNA in modo che si muovano minimamente durante la calibrazione. I cavi di calibrazione sono stabili in fase e idealmente non piegati o spostati durante la calibrazione.
  10. Regolare i parametri di misura VNA in base alle specifiche del DUT. L'intervallo di frequenza può essere selezionato anche utilizzando la frequenza centrale e l'intervallo di frequenza noto come "span".
    1. Selezionare l'intervallo di frequenza. Scegli Menu Stimolo Proprietà Freq . Frequenza di avvio: 1700 MHz. Scegli Menu Stimolo Proprietà Freq . Frequenza di arresto: 1900 MHz.
    2. Selezionare il tipo di misurazione (ad esempio, S11, S12, S21, S22). Scegliere Menu di risposta . Proprietà Measure . S21.
    3. Selezionare e regolare l'alimentazione della porta. Scegli Menu Stimolo Proprietà Power . Regola porta energia: 0 dBm. Assicurarsi che la potenza di uscita sia uguale (o inferiore alla specifica di potenza massima DUT).
    4. Selezionare e regolare le impostazioni di sweep. Scegli Menu Stimolo Proprietà Sweep . Tipo di sweep: Stepd. Scegli Menu Stimolo Proprietà Sweep . all'ora di tempo Tempo di sweep: 1 sec. Quindi, scegliere Menu Stimolante . Proprietà Sweep . Impostazione della sweep Tempo di dorme: 0sec.
      NOTA: Uno sweep a gradini è il tipo di sweep più accurato, in quanto si atterra a ogni frequenza e si trova ad una frequenza prima di effettuare una misurazione. Se si utilizzano cavi lunghi, potrebbe essere necessario aumentare il tempo di permanenza per garantire che il segnale arrivi al ricevitore dopo la misurazione. Un tempo di dimora di 0 s è un'impostazione predefinita ottimale.
    5. Selezionare e regolare la modalità di media ingerendo scegliendo Menu di risposta . Proprietà Aree di calcolo della media Media: IFBW: 1 kHz.
      NOTA: Scegliere il tipo di media appropriato: "punto medio" medie ogni punto di frequenza un numero di volte specificate (cioè, 2, 4 16, 32, ecc), che riduce il rumore del pavimento e l'incertezza, ma aumenta il tempo di sweep. IFBW utilizza un filtro per misurare la potenza in una piccola larghezza di banda, che riduce anche il rumore, ma richiede meno tempo di misurazione. La media IFWB tende ad essere una tecnica di media più ottimale.
    6. Scegliere il formato dei dati visualizzati (ad esempio LogMag [impostazione predefinita], Grafico Smith, SWR, ecc.) selezionando Menu di risposta . Proprietà Format . LogMag.
    7. Scegliere il numero di punti dati nella traccia visualizzata utilizzando il menu Stimulus . Proprietà Sweep . Numero di punti: 1601.
      NOTA: il numero di punti è impostato in modo che la copertura della frequenza massima possa essere raggiunta tra le frequenze di avvio e di arresto:

Equation 1

Nell'esempio precedente, la dimensione del passaggio o la spaziatura di frequenza è di 0,125 MHz, in modo che la frequenza(1) - 1700.000 MHz, frequenza(2) - 1700.125 MHz, ... frequenza(1600) - 1899.875 MHz, frequenza(1601) - 1900 MHz.

2. Calibrazione del VNA

  1. Scegliere una calibrazione manuale o elettronica, se è disponibile e desiderato un modulo di calibrazione elettronica (vedere la sezione 2.11). Entrambe le calibrazioni sono accurate.
  2. Scegliere Calibrazione Manuale selezionando Risposta . Cal Menu Start Cal Procedura guidata di calibrazione - Non guidato.
    1. Scegliere il kit di calibrazione appropriato in modo che sia noto un valore accurato degli standard nel kit di calibrazione specifico (Figura 5). Qui, scegliere 85054D, quindi scegliere la calibrazione soLT (short-open-load-thru) a due porte (per un DUT con due porte). Altre calibrazioni disponibili sono una porta per un dispositivo con una singola porta, oltre a una calibrazione della risposta. Il SOLT è l'opzione più accurata11.
    2. Scegliere Avanti per passare alla schermata successiva.
  3. Collegare uno standard di calibrazione aperto (Figura 6) al cavo collegato alla porta 1. Uno standard di calibrazione aperto ha una cavità aperta dietro il connettore per simulare un impedimento spazio libero di 377 .
  4. Fissare uno standard di calibrazione breve al cavo collegato alla porta 2. Un corto ha una piastra metallica dietro il connettore in modo che la tensione in ingresso sia completamente riflessa.
    1. Scegliere la porta 1 . PROPRIETÀ OPEN . Tipo N (50) femmina aperta, che esegue una misurazione dell'apertura collegata. Apparirà una traccia sullo schermo VNA, inclinando delicatamente lontano da un livello di riferimento 0 dB su un formato di visualizzazione S11, log-magnitudine per lo standard aperto. Una volta completata la misurazione (un segno di spunta apparirà sopra lo standard), premere il pulsante OK per continuare. In questo modo l'utente tornerà alla schermata precedente.
    2. Scegliere uno standard di calibrazione maschile o femminile con lo stesso connettore sessuale come quello del DUT (cioè, uno standard di calibrazione maschile ha il perno centrale e uno standard di calibrazione femminile avrà una porta inseribile). I VNA più vecchi richiedono uno standard di calibrazione basato sul sesso del cavo VNA.
    3. Scegliere la porta 2 . PROPRIETÀ SHORT . Tipo N (50) femmina breve, che esegue una misurazione del corto allegato. Apparirà una traccia sullo schermo VNA, inclinando delicatamente lontano da un livello di riferimento 0 dB su un formato di visualizzazione S11, log-magnitudine per lo standard breve. Una volta completata la misurazione (un segno di spunta apparirà sopra lo standard), premere il pulsante OK per continuare. In questo modo l'utente tornerà alla schermata precedente.
  5. Scambiare gli standard di calibrazione tra le porte (ad esempio, collegare lo standard di calibrazione aperto alla porta 2, quindi collegare lo standard di calibrazione breve alla porta 1).
    1. Scegliere la porta 1 . PROPRIETÀ SHORT . Tipo N (50) femmina corta per misurare il corto sulla porta 1. Apparirà una traccia sullo schermo VNA, inclinando delicatamente lontano da un livello di riferimento 0 dB su un formato di visualizzazione S11, log-magnitudine per lo standard breve. Una volta completata la misurazione (un segno di spunta apparirà sopra lo standard), premere il pulsante OK per continuare. In questo modo l'utente tornerà alla schermata precedente.
    2. Scegliere la porta 2 . PROPRIETÀ OPEN . Tipo N (50) femminile aperto per misurare l'apertura sulla porta 2. Apparirà una traccia sullo schermo VNA, inclinando delicatamente lontano da un livello di riferimento 0 dB su un formato di visualizzazione S11, log-magnitudine per lo standard aperto. Una volta completata la misurazione (un segno di spunta apparirà sopra lo standard), premere il pulsante OK per continuare. In questo modo l'utente tornerà alla schermata precedente.
  6. Rimuovere il corto dalla porta 1 e posizionare un carico a banda larga sulla porta 1. Un carico assorbe l'energia in entrata, che si traduce in una piccola riflessione su una vasta gamma di frequenze.
    1. Scegliere la porta 1 . PROPRIETÀ LOADS . Tipo N (50) carico a banda larga per misurare il carico sulla porta 1. Una volta completata la misurazione (un segno di spunta apparirà sopra lo standard), premere il pulsante OK per continuare. In questo modo l'utente tornerà alla schermata precedente.
    2. Mantenere lo standard di calibrazione corrente sulla porta 2. Non lasciare la porta aperta, in quanto può fornire un percorso per i segnali di perdita. Una traccia apparirà sullo schermo VNA e varierà attraverso lo schermo. Tutti i valori misurati su un formato di visualizzazione S11, log-magnitudine saranno inferiori a -20 dB per un buon carico.
  7. Rimuovere l'apertura dalla porta 2, prendere il carico a banda larga dalla porta 1 e posizionare il carico a banda larga sulla porta 2. Posizionare l'apertura dalla porta 2 sulla porta 1 per evitare segnali di perdita.
    1. Scegliere la porta 2 . PROPRIETÀ LOADS . Tipo N (50) carico a banda larga per misurare il carico sulla porta 2. Una traccia apparirà sullo schermo VNA e varierà attraverso lo schermo. Tutti i valori misurati su un formato di visualizzazione S11, log-magnitudine saranno inferiori a -20 dB per un buon carico. Una volta completata la misurazione (un segno di spunta apparirà sopra lo standard), premere il pulsante OK per continuare. In questo modo l'utente tornerà alla schermata precedente.
  8. Inserire uno standard di calibrazione thru tra i cavi collegati alle porte 1 e 2. Si tratta in genere di un adattatore con gli stessi connettori di sesso su entrambe le estremità.
    1. Scegliere THRU per misurare lo standard di calibrazione thru. Una volta completata la misurazione, in questa schermata verrà visualizzato un segno di spunta sopra lo standard THRU.
      NOTA: La misura di isolamento può in genere essere omessa durante la calibrazione in quanto l'isolamento misura il crosstalk tra i cavi e il suo valore è spesso molto piccolo rispetto ad altri standard. Le misure di calibrazione di cui sopra possono essere eseguite in qualsiasi ordine.
  9. Una volta che tutti gli standard hanno un segno di spunta sopra di loro, salvare la calibrazione. Scegliere Avanti . Salva come utente Calset. Immettere un nome per la calibrazione e premere il pulsante SALVA.
  10. Controllare la calibrazione come descritto nella sezione 3.
  11. Se non si sceglie una calibrazione manuale, scegliere l'opzione di calibrazione elettronica12. Attaccare il kit di calibrazione elettronica (Figura 7) ai cavi tra le porte 1 e 2. Selezionare la risposta Cal Menu Start Cal Procedura guidata di calibrazione - Calibrazione elettronica con l'opzione di calibrazione elettronica.
    1. Scelta di ECal a 2 porte Avanti,quindi selezionare il pulsante Misura. Il modulo di calibrazione elettronica misurerà automaticamente una serie di standard diversi e richiederà all'utente di salvare la calibrazione alla fine.
    2. Scegliere Avanti . Salva come utente Calset. Immettere un nome per la calibrazione e premere il pulsante SALVA.
      NOTA: per una calibrazione elettronica solo i cavi delle porte 1 e 2 sono collegati al modulo. Tutti gli standard di calibrazione sono contenuti nel modulo. La calibrazione elettronica calibra automaticamente gli standard interni. Se il modulo di calibrazione elettronica non ha gli stessi tipi di connettore dei cavi, sarà necessario completare un'ulteriore calibrazione per modificare le correzioni degli errori di calibrazione contenute nel modulo per tenere conto degli adattatori. Assicurarsi di rivolgersi al produttore per una guida.

3. Controllare la calibrazione

  1. Utilizzare un tru per controllare la calibrazione.
    1. Collegare un adattatore thru (Figura 6) senza evidenti segni di usura ai cavi tra le porte 1 e 2. Non misurare lo standard thru. Scegliere un altro thru.
    2. Scegli La Risposta Proprietà Measure . S21, quindi Risposta Proprietà Scale . Scala. Impostare il valore Per divisione su 0,1 premendo il pulsante freccia giù. Scegli Menu Stimolo Proprietà Trigger . Singolo per misurare la perdita di inserimento del thru. Verrà visualizzata una singola sweep nell'intervallo di frequenza.
      NOTA: il valore del thru su un grafico di grandezza del log si trova all'interno di 0,05 dB del riferimento 0 dB (Figura 8) per una calibrazione sufficiente. Si tratta di un valore empirico ottenuto nel corso di molti anni di calibrazioni. Ciò può essere visto cambiando la scala a 0,05 dB per divisione.
    3. Una volta che il thru è stato controllato, riportare la scala a 10 dB/division e scegliendo Risposta . Proprietà Scale . Scalare e impostare il valore Per divisione su 10. Scegli La Risposta Proprietà Measure . S11.
    4. Scegli Menu Stimolo Proprietà Trigger . Singolo per misurare S11. Il valore di un buon thru è il seguente: S11 -20 dB (1% di riflessione in potenza e 10% di riflessione nella tensione).
      NOTA: la rappresentazione di Smith Chart13 mostra impedimento. Le misure di S11 e S22 vengono visualizzate come un piccolo cerchio al centro del grafico. Il valore di impedimento è all'interno di 0,5 s dal riferimento 50 per una calibrazione sufficiente.
  2. Utilizzare un carico di 50 s per controllare la calibrazione.
    1. Attaccare un carico abbinato di 50 s alla porta 1.
    2. Scegli Menu Stimolo Proprietà Trigger . Singolo per misurare S11.
      NOTA: un carico corrispondente è inferiore a -20 dB (il coefficiente di riflessione di un carico ideale è 0). Questo apparirà anche come un piccolo cerchio al centro del grafico Smith (Figura 9).
  3. Utilizzare uno standard di calibrazione aperto per controllare la calibrazione.
    1. Collegare uno standard di calibrazione aperto.
    2. Scegli Menu Stimolo Proprietà Trigger . Singolo per misurare S11. Un open è 0 dB su un grafico di grandezza log (il coefficiente di riflessione di un open ideale è 1). In un grafico Smith, l'apertura viene visualizzata come un piccolo cerchio a 0 all'estrema destra (Figura 9) per una calibrazione sufficiente.
  4. Utilizzare uno standard di calibrazione breve per controllare la calibrazione.
    1. Collegare uno standard di calibrazione breve.
    2. Scegli Menu Stimolo Proprietà Trigger . Singolo per misurare S11. Un breve è 0 dB (il coefficiente di riflessione di un corto ideale è -1) sul grafico di grandezza del log. Nel grafico Smith, il valore viene visualizzato come un cerchio all'estrema sinistra (Figura 9) per una calibrazione sufficiente.
      NOTA: se un test di calibrazione non riesce, controllare le connessioni e ripetere la calibrazione. Se la calibrazione è buona, continuare fino alla sezione 4.

4. Misurazione dei componenti o delle perdite del sistema

  1. Collegare il DUT al VNA. Se il DUT dispone di più di due porte (ad esempio, interruttori, divisori di alimentazione, ecc.), collegare carichi abbinati 50 , alle porte che non sono collegati alla VNA, come la potenza si rifletterà da queste porte e cambiare la misura.
  2. Selezionare la risposta Proprietà Measure . S21.
  3. Selezionare Menu Stimolo Proprietà Trigger . Singolo per misurare il DUT.
  4. Selezionare il file Salva dati con nome... . Digitare un nome di file nella casella Del nome file. Scegliere un tipo di file di entrambi . CSV o Traccia (.s2p). Scegliere l'ambito (il valore predefinito di Visualizzazioned Traces è appropriato qui). Scegliere un formato (ad esempio, grandezza e angolo del log, grandezza e fase lineari, reale e immaginario e formato visualizzato [ad esempio un grafico Smith]). Premere SALVA per salvare i dati.
  5. Controllare e analizzare i risultati dei test di un filtro passabanda. Un esempio è descritto nei passaggi seguenti.
    1. Identificare le parti della traccia posizionando marcatori sulla traccia. Marcatore/Analisi Proprietà Marker . Marcatore 1 e premere OK.
    2. Marcatore/Analisi Ricerca marcatore Max per trovare la perdita di inserimento del filtro di traccia. La manopola sul pannello anteriore può essere utilizzata anche per identificare maxima e minima mentre spazzare il marcatore attraverso i punti di frequenza.
    3. Marcatore/Analisi Marcatore < Marcatore 1, selezionare il marcatore delta e gli indicatori accoppiati. Il valore di questo marcatore come mostrato sullo schermo dovrebbe leggere 0 dB. Questo imposterà un valore di riferimento per gli altri marcatori.
    4. Marcatore/Analisi Proprietà Marker... Marcatore 2 ON . marcatori accoppiati. Fare clic all'interno della casella di stimolo per evidenziare la frequenza, quindi spostare la manopola fino a quando la lettura del marcatore 2 sullo schermo mostra -3 dB.
    5. Marcatore/Analisi Proprietà Marker... Marcatore 3 ON . marcatori accoppiati. Fare clic all'interno della casella di stimolo per evidenziare la frequenza e spostare la manopola fino a quando la lettura del marcatore 3 sullo schermo mostra -3 dB.
    6. Confrontare i valori misurati con quelli delle specifiche di filtro del produttore.

Representative Results

Quando si verifica se un componente funziona correttamente, è importante consultare le specifiche del produttore, che possono essere trovate sui rispettivi siti web. In questo caso, il filtro (Figura 10) è stato misurato dopo aver consultato le sue specifiche14. Come illustrato nella figura 11, è stata identificata la perdita di inserimento, nonché i 3 punti dB. La perdita di inserimento misurata dopo la calibrazione, come mostrato dal marcatore 1, aveva una magnitudine di 0,83 dB. Il segno negativo indica che si è trattato di una perdita. La perdita di inserimento nel riferimento è specificata per essere 0.8 dB rettificato (dBa). La larghezza di banda misurata di 3 dB del filtro è passata da 1749 MHz a 1854 MHz. Quando viene sottratto, questo ha prodotto un valore di 105 MHz, che è vicino al valore tipico di 104,5 MHz.

Ci sono 10 attenuatori dB costruiti per sopportare una potenza di ingresso di 50 W, come descritto dalle specifiche del produttore15. La specifica di attenuazione per questo attenuatore è 10 dB - 0,5 dB. Ad un certo punto, una potenza di ingresso maggiore di 50 W è stata inserita nell'attenuatore, che ha danneggiato l'attenuatore. Per verificare la qualità di questo componente è stato utilizzato un VNA calibrato. Anche in questo caso, è importante misurare ogni componente prima di tutte le misurazioni sul campo per garantire la qualità. La misurazione del DUT è illustrata nella figura 12. In confronto, la misurazione di un buon attenuatore 10 dB è illustrata nella figura 13. Va notato che il valore misurato era 9,88 dB a 1750 MHz, che è compreso nell'intervallo specificato di -9,5 a -10,5 dB per l'intera larghezza di banda di 1700-1900 MHz.

Infine, la perdita del cavo è un'altra misura importante eseguita frequentemente nelle misurazioni a radiofrequenza. Le specifiche per il cavo misurato sono reperibili a pagina 5 della scheda tecnica16. L'attenuazione per piede (dB/ft) era di 0,05 dB a 1 GHz, o 0,16 dB/m. Secondo il produttore, un cavo misurato con una lunghezza di 11 metri aveva una perdita specificata di 1,8 dB. La perdita misurata è illustrata nella figura 14. Ad una frequenza di 1750 MHz, la perdita misurata era di -1,88 dB (che, quando arrotondata per eccesso al decimo di decibel più vicino, è una magnitudine di 1,9 dB).

Figure 1
Figura 1: Accensione del VNA. Il cerchio rosso rappresenta la posizione del pulsante di accensione VNA. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: Cavi di alta qualità stabili in fase collegati a due porte VNA. I cavi sono collegati al pannello anteriore del VNA utilizzando un 8 in.lbf. Dinamometrica. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: Pulizia dei connettori. (A) Pulizia del conduttore interno, (B) pulizia del conduttore esterno e fili, e (C) soffiare delicatamente asciugando il connettore con aria compressa. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: una chiave a base di coppia 12 in.lbf. per connettori di tipo N. Questa chiave inglese viene utilizzata per stringere i collegamenti tra i cavi VNA e DUT. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5: Kit di calibrazione di tipo N. Di seguito è mostrato un kit di calibrazione contenente gli standard aperti, brevi, di carico e tonnei utilizzati per calibrare gli errori nel VNA. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 6
Figura 6: standard di calibrazione di tipo N. Fotografie degli standard di calibrazione maschile e femminile utilizzati nella calibrazione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 7
Figura 7: Modulo di calibrazione elettronica. Fotografia di un modulo di calibrazione elettronica. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 8
Figura 8: Controllo della calibrazione Thru dopo la calibrazione su un grafico di grandezza del registro in funzione della frequenza in GHz. Il valore del thru è 0,01 dB a una frequenza di 1,8 GHz. Questo mostra il valore del thru in funzione della frequenza in GHz dopo la calibrazione. Il tru viene utilizzato come controllo di calibrazione per garantire che la calibrazione sia valida. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 9
Figura 9: spiegazione del grafico Smith. Le posizioni dei valori di impeditura reale e immaginaria per gli impedimenti standard sono mostrate nella figura a sinistra e i valori di grandezza dell'impedito sono mostrati nella figura a destra17. Questo disegno Smith Chart mostra sia l'impedibile reale che quello immaginario a sinistra e la magnitudo impedibile a destra. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 10
Figura 10: filtro RF inserito tra le porte 1 e 2. Fotografia di un filtro RF inserito tra le porte 1 e 2 alla fine dei cavi VNA durante le misurazioni. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 11
Figura 11: Perdita di inserimento misurata e 3 punti dB per il filtro RF con le specifiche fornite nella figura 9. Questa è una schermata dal VNA durante la misurazione del filtro RF che è mostrato Figura 10. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 12
Figura 12: Misurazione dell'attenuatore 10 dB non rientra nelle sue specifiche. Il valore misurato è -22,70 dB a 1,7 GHz e la sua specifica è 10 dB - 0,5 dB. Viene inoltre illustrata la misurazione di un attenuatore 10 dB che non rientra più nelle sue specifiche. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 13
Figura 13: Misurazione di 10 dB attenuatore all'interno delle sue specifiche. Il valore misurato era -9,88 dB. Viene inoltre illustrata la misurazione di un attenuatore 10-dB che rientra nelle sue specifiche. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 14
Figura 14: Misurazione del cavo coassiale di 11 m con un valore di attenuazione specificato da 0,05 dB/ft. Si prevede va che la perdita per tutta la lunghezza del cavo sia di 1,8 dB, che è coerente con il valore misurato di -1,9 dB a 1,87 GHz. Viene visualizzata anche la misurazione di un cavo che mostra che la perdita misurata rientra nelle specifiche del produttore. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussion

È importante consentire al VNA di riscaldare RT per almeno 0,5 h (anche se, 1 h è meglio) prima che vengano eseguite le calibrazioni, che consente a tutti i componenti interni di arrivare a RT e si traduce in calibrazioni più stabili. Una calibrazione può durare diversi giorni senza una grande perdita di precisione; tuttavia, la calibrazione viene controllata quotidianamente utilizzando uno standard di calibrazione per garantire l'integrità della misurazione. L'ispezione di tutti i componenti del sistema è essenziale in modo che i connettori difettosi non danneggino la precisione del VNA. È meglio utilizzare cavi a bassa perdita con il VNA. L'integrità della calibrazione deve essere verificata prima della misurazione di qualsiasi componente del sistema o DUT. Qualsiasi misura al di fuori delle specifiche qui fornite deve essere ripetuta o può richiedere una nuova calibrazione. Infine, l'utilizzo delle specifiche del produttore per verificare i valori DUT misurati è una parte necessaria della convalida.

L'utilizzo del VNA come strumento di misura ha i suoi limiti. Se il DUT o il sistema presenta perdite così grandi che i parametri S misurati scendono al di sotto del fondo del rumore del VNA, non può essere misurato con il VNA. È possibile abbassare il rumore riducendo la larghezza di banda IF e aumentando il tempo di sweep. Questo rallenterà il tempo di acquisizione della misurazione; quindi, c'è un compromesso quando si regolano questi parametri. Il VNA non è in grado di gestire potenze di ingresso superiori a 30 dBm, quindi è richiesto l'utilizzo di attenuazione interna o esterna durante la misurazione degli amplificatori. Il VNA ha una sorgente e un ricevitore situati nello stesso strumento, quindi è stato utilizzato come sistema di misurazione della propagazione radio. Poiché l'origine e il ricevitore si trovano nel VNA, la porta di trasmissione deve essere unita in qualche modo alla porta ricevente. In genere, questo viene fatto con i cavi; tuttavia, i cavi aggiungono perdita, diminuendo l'intervallo dinamico di ciò che può essere misurato. Inoltre, le distanze di separazione diventano limitate.

L'altro metodo con cui è possibile misurare le perdite è l'uso di un generatore di segnale e di un misuratore di potenza. Il misuratore di potenza è un dispositivo di misurazione scalare, quindi può misurare solo la grandezza di un segnale. Non può monitorare la fase del segnale, che si traduce in misurazioni meno accurate del segnale. Il VNA misura sia la grandezza che la fase (di componenti reali e immaginari) di un segnale misurato rispetto a un segnale di ingresso noto, che è una misurazione di qualità superiore.

I VNA sono un'opzione versatile per molti tipi di misurazioni. Lo strumento può essere utilizzato per misurare i segnali radio irradiati utilizzando antenne sulla porta di trasmissione e ricezione18. L'analisi del dominio temporale può essere utilizzata per monitorare i segnali nel tempo e determinare dove si verifica un'interruzione in un cavo. Può misurare molte frequenze durante una sweep, che può essere utilizzato per comprendere le perdite di attenuazione su molte frequenze sia in un condotto19 o ambiente irradiato20. La comprensione delle varie impostazioni dei parametri del VNA produce DUT/sistemi ben caratterizzati e le misurazioni ottenute con il DUT/system possono essere utilizzate con un alto grado di confidenza.

Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgments

Ringraziamo il Defense Spectrum Office (DSO) per aver finanziato questo lavoro.

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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  10. Witte, R. A. Spectrum and Network Measurements. Noble Publishing Corporation. Atlanta, GA. (2001).
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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).
Calibrazione dell'analizzatore di rete vettoriale per le misurazioni nei canali di propagazione della frequenza 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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