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無線周波数伝搬チャネルにおける測定のためのベクトルネットワークアナライザのキャリブレーション

doi: 10.3791/60874 Published: June 2, 2020

Summary

このプロトコルは、無線周波数伝搬測定試験システムのコンポーネントを測定することを目的とした正確な計測器として使用する前にベクトルネットワークアナライザを較正するためのベストプラクティスを説明します。

Abstract

無線周波数(RF)スペクトル活動の場での測定は、無線周波数波の伝播の物理学に関する洞察を提供し、既存および新しいスペクトル伝播モデルを検証します。これらのパラメータはどちらも、スペクトラムの使用が増加し続けるため、干渉のないスペクトル共有をサポートし、維持するために不可欠です。このような伝播測定は、正確で再現性があり、アーティファクトやバイアスが含まれなくてはなくてはないです。これらの測定で使用される部品の損益を特徴付けるのは、その精度にとって非常に重要です。ベクトルネットワークアナライザ(VNA)は、適切に較正されていれば、信号の大きさと位相の両方を測定する、確立された、非常に正確で汎用性の高い機器です。この記事では、VNA のキャリブレーションに関するベスト プラクティスについて説明します。キャリブレーションが完了したら、正しく構成された伝播測定(またはチャネルサウンディング)システムのコンポーネントを正確に測定したり、測定システム自体として使用したりすることができます。

Introduction

電気通信科学研究所(ITS)は、米国商務省の機関である国家電気通信情報局(NTIA)の研究所です。ITSは1950年代から電波伝搬測定に積極的に取り上げられています。スペクトラム共有は、連邦および商用のスペクトルユーザーのための新しいパラダイムであり、2つの異なるシステムが同時に同じ無線周波数スペクトルを共有することを要求する。スペクトル共有のシナリオが増えるにしたがって、複数のサービスが共有する必要がある無線環境をより深く理解できる正確で再現可能な無線伝搬測定の必要性も高まります。上記手順の目的は、そのようなシステムを構成する任意のコンポーネントが、正確に構成されたVNAによって十分に特徴付けられることを保証することです。

スペクトルの需要が増加する一方で、現在連邦政府機関が商業目的で使用しているスペクトルを迅速に解放することは必ずしも可能ではありません。たとえば、高度なワイヤレス サービス (AWS)-3 帯域 (1755 ~ 1780 MHz) では、軍事サービスと商用ワイヤレス キャリア1との間でスペクトル共有の取り決めが開発されています。これらの取り決めにより、商用の無線通信事業者は、軍用サービスの帯域外への移行を完了する前に AWS-3 バンドに入ります。

防衛スペクトル組織 (DSO) は、AWS-3 の移行を管理する任務を負っています。この移行の重要な部分は、バンドを共有する軍用および商用ワイヤレス システム間の RF 干渉の可能性を評価する新しい伝播モデルの開発です。DSOは、環境(総称して雑然と呼ばれる)で葉や人工構造物の影響をより良く計算する新しいモデルを構築するために、一連のチャネルサウンディング測定を行う一連のチャンネルサウンド測定を行うITSなどを任命しました。乱雑さを考慮する改善された伝播モデリングは、軍事システムの近くの商用送信機に対する制限を減らすことにつながります。

RFスペクトル活動の場での測定はRF波伝播の物理学に関する洞察を提供し、既存および新しい無線伝播モデルを検証する。これらのコンポーネントはどちらも、干渉のないスペクトル共有をサポートし、維持するために不可欠です。既知のテスト信号が特定の場所から移動式または静止型受信機に送信されるチャネルサウンディング技術は、異なる環境における無線チャネル特性を推定するデータを提供する。このデータは、伝播損失や信号の減衰をより正確に予測するモデルの開発と改善に使用されます。これらの損失は、建物やその他の障害物(都市の峡谷の樹木や地形)によるブロックや反射が原因である可能性があります。これらの障害物は、送受信アンテナ間の信号損失または減衰をもたらす、複数の、わずかに変種の伝搬経路を生成します。

ITSの測定技術は正確、反復可能、そして公平な結果を生み出す。DSOは、より広範な技術コミュニティと制度的知識を共有するようITSに奨励しています。この知識には、RF 伝播データを最適に測定および処理する方法が含まれます。最近発表されたNTIA技術覚書TM-19-53522、3、4、53,4,5は、無線伝搬測定システムの準備と検証のための一連のベストプラクティスを説明しています。これらのベスト プラクティスの一環として、VNA を使用して、測定システムのコンポーネント損失またはゲインを正確に測定します。その後、ゲインと損失を使用して、2つのアンテナ間の信号減衰を計算します。

ここで示すプロトコルは、実験室または現場のアプリケーションでテストする前に VNA5を校正するためのベスト プラクティスを説明します。これには、ウォームアップ時間、RFコネクタタイプの選択、適切な接続の作成、適切なキャリブレーションステップのパフォーマンスが含まれます。特定の伝播測定シナリオのコンテキストでデータ収集する前に、制御されたラボ環境でキャリブレーションを行う必要があります。追加の考慮事項は、このプロトコルの範囲外の特定の伝播測定環境に関連する場合があります。

VNA は、他の測定システムを組み立てるときのコンポーネントおよびサブアセンブリのデバイス特性を測定するために使用されます。パワーアンプ、レシーバ、フィルタ、低ノイズアンプ、ミキサー、ケーブル、アンテナはすべてVNAを特徴とすることができるコンポーネントです。システムのテストやキャリブレーションを行う前に、システムの必要なコンポーネントのリストが準備され、すべてのシステムコンポーネントが組み立てられます。システムの各コンポーネントは、VNA ケーブル間に挿入することによって個別に測定されます。これにより、すべてのコンポーネントが製造元の仕様に従って動作します。コンポーネントを確認すると、システムが組み立てられ、システム全体の損失が測定されます。これにより、コンポーネント間の反射と透過が適切に特徴付けられるようになります。

VNA は、大きさと位相の両方を持つ複雑な値を持つ量である散乱パラメータ(S パラメータ)を測定します。Sパラメータとは、入射信号に対する反射信号(反射測定)または2)が入射信号に送信される信号(送信測定)のどちらかの比率測定である。2ポートデバイスの場合、4つのSパラメータ(S11、S21、S2112、およびS22)を測定することができます。最初の添字は、信号が受信されたポートを指し、2 番目の添字は信号が送信されるポートを指します。したがって、S11は、送信信号がポート1で発信され、ポート1で受信されたことを意味する。さらに、S21は、送信信号がポート 1 で再び発信されたが、ポート 2 で受信されることを意味します。S11は、ポート 1 で入射した元の信号を参照して、ポート 1 でテスト対象のデバイス(DUT)によって反射される信号量を測定します。S21は、DUT を介して送信され、ポート 1 のインシデント信号を参照してポート 2 に到達する信号量を測定します。S11は、ポート1におけるDUTの反射係数の尺度であり、S21は、ポート1からポート2へのDUTの伝送係数の尺度である。

VNA のキャリブレーションは、通常 VNA 測定ケーブルの終端にある測定参照面までのコンポーネントから系統的なエラーを除去するために必要です。キャリブレーションは、既知の「完全な」標準(オープン、ショート、ロード、スルー/ライン)を測定し、VNAが測定する値と比較することで、システムエラーを取り除きます。一連のエラー訂正を通じて、DUTの補正値が表示されます。現在、キャリブレーション中に特徴付けられる12の誤差項66、77があります。詳細については、古典的なマイクロ波回路理論9,10でサポートされている6ポートネットワークアナライザ8で行われたオリジナルのSパラメータ測定10参照してください。

S-パラメータ反射測定の最も一般的なタイプは、リターンロス、定在波比(SWR)、反射係数、インピーダンスマッチングです。Sパラメータ伝送測定の最も一般的なタイプは、挿入損失、伝達係数、ゲイン/ロス、グループ遅延、位相遅延、電気遅延です。伝送損失測定は、記載されたプロトコルにおいて強調される。

VNAを用いたシステムコンポーネントの損益の測定は、よく理解されています。ただし、コネクタのクリーニングや適切なトルクレンチの使用など、重要な手順はスキップされることがよくあります。このプロトコルは、特に重要な理由について、必要なすべての手順と説明を提供します。また、信号減衰の計算を含む RF 伝播測定の実行方法を説明する今後の記事の前兆としても役立ちます。

Protocol

1. VNA セットアップ

  1. 伝播測定システムのすべてのコンポーネント(ケーブル、アンプ、フィルタ、DUT(サブアセンブリ)、その他のコンポーネントを収集します。
  2. VNA (図1)をオンにし、少なくとも 0.5 時間温めて、VNA の内部コンポーネントがすべて安定した動作温度であり、位相ドリフトが最小化されるようにします。
  3. プリセットボタンを押します。
  4. VNA のポート 1 と 2 に高品質で位相安定なケーブルを接続します (図 2)。
  5. VNA ポートのコネクタを 8 インチ lbf で締め付けます。トルクレンチ。接続を適切にトルクするには、ハンドルの端を保持し、ハンドルがずっと壊れることなくハンドルを軽く押します。
  6. すべてのケーブルとコネクタを視覚的に検査し、ニック、へこみ、不完全なコネクタスレッドなどの摩耗の明らかな兆候がないかを確認します。
  7. すべてのケーブル、コネクタ、および DUT の有効な測定範囲については、製造元の仕様を確認してください。これらの仕様には、温度、湿度、周波数、および電力が含まれます。
  8. すべてのデバイスとケーブルの端部のクリーンなコネクタ。機密性の高い電子機器やコネクタのクリーニング用に設計された綿棒を使用します。ケーブルにダーティ コネクタを使用すると、ケーブルの導電面が損傷し、不正確な測定が発生する可能性があります。
    1. 綿棒をイソプロピルアルコールに浸します。
    2. 湿らせた綿棒を使用して、中心導体(図3A)を静かに清掃します。中心導体に強く加えすぎないように、破損しやすいので、あまり力を発揮しないでください。
    3. 各コネクタの外部導体をクリーニングします(図3B)。カップリングナットスレッドをクリーニングします。
    4. きれいな圧縮空気を使用して、すべてのケーブルとコネクタの端を乾燥させます(図3C)。圧縮空気がコネクタを冷却する場合は、コネクタが室温(RT)に戻ってから、すべての接続を作成して締め付けます。
  9. ポート 1 と 2 の VNA ケーブルと DUT を合わせて接続します。12in.lbで締めます。N型接続用のトルクレンチ(図4)。ケーブルの端が正しく位置合わせされていることを確認します。
    1. DUT側のコネクターをVNAケーブル・スレッドに回転させます。適切な接続により、ナットは抵抗がほとんどなく自由に回転します。抵抗はクロススレッドのサインです。位置合わせが間違ってコネクタを損傷したり、信号の反射や信号損失を引き起こす可能性があります。コネクタが破損するので、コネクタを締め過ぎないでください。
    2. VNAのケーブルを並べて、キャリブレーション中に最小限に動かします。校正ケーブルは位相安定であり、キャリブレーション中に曲げたり移動したりしないことが理想的です。
  10. DUTの仕様に従ってVNA測定パラメータを調整します。周波数範囲は、中心周波数と周波数範囲を使用して選択することもできます。
    1. 周波数範囲を選択します。刺激メニューを選択 |フレク |開始周波数:1700 MHz。刺激メニューを選択 |フレク |停止周波数:1900 MHz。
    2. 測定タイプ(例えば、S11、S12、S21、S22)を選択します。応答メニューを選択する |測定 |S21.
    3. ポートの電源を選択して調整します。刺激メニューを選択 |パワー |ポート電源を調整する: 0 dBm.出力電力がDUT最大電力仕様と同じ(または以下)であることを確認します。
    4. スイープの設定を選択して調整します。刺激メニューを選択 |スイープ |スイープタイプ: ステップ。刺激メニューを選択 |スイープ |時間 |スイープ時間:1秒。次に、刺激メニューを選択します。スイープ |スイープ設定 |ドウェル時間:0 μ秒
      注: ステップ スイープは、各周波数にステップして、測定を行う前に周波数で変化するので、最も正確なスイープ タイプです。長いケーブルを使用する場合は、測定後に信号が受信機に届くように、ドウェル時間を長くする必要があります。0 μs のデュエルタイムは、最適なデフォルト設定です。
    5. 応答メニューを選択して平均モードを調整する|平均化 |平均: IFBW: 1 kHz.
      注: 適切な平均化タイプを選択してください: 「ポイント平均」は、各周波数ポイントに指定された回数(すなわち、2、4 16、32など)を平均します。IFBWはフィルタを使用して小さな帯域幅で電力を測定するため、ノイズフロアも削減されますが、計測時間は短くなります。IFWB平均化は、より最適な平均化手法となる傾向があります。
    6. 表示されるデータ形式 (LogMag [デフォルト設定]、スミスチャート、SWR など) を選択するには、[応答メニュー ] を選択します。フォーマット |ログマグ.
    7. [刺激メニュー]で、表示されたトレースのデータポイント数を選択する |スイープ |ポイント数:1601。
      注: ポイント数は、開始周波数と停止周波数の間で最大周波数カバレッジを達成できるように設定されています。

Equation 1

上記の例では、ステップサイズまたは周波数間隔は0.125 MHzであるため、周波数(1)= 1700.000 MHz、周波数(2)=1700.125 MHz..周波数(1600)=1899.875 MHz、周波数(1601)=1900 MHz。

2. VNAのキャリブレーション

  1. 電子キャリブレーションモジュールが利用可能で希望の場合は、手動または電子キャリブレーションを選択します(セクション2.11を参照)。どちらの校正も正確です。
  2. [応答 | ] を選択して手動調整を選択します。カルメニュー |カルを開始 |キャリブレーションウィザード |無案内.
    1. 特定のキャリブレーションキットの規格の正確な値がわかっているように、適切なキャリブレーションキットを選択します(図5)。ここでは、85054D を選択し、2 ポートのショートオープンロードスルー(SOLT)キャリブレーション(2 つのポートを持つ DUT 用)を選択します。その他のキャリブレーションは、応答キャリブレーションに加えて、単一ポートを持つデバイスの1ポートです。SOLT は最も正確なオプション11です。
    2. [次へ] を選択して次の画面に移動します。
  3. ポート 1 に接続されているケーブルに、開いた校正標準 (図 6)を取り付けます。オープンキャリブレーション規格は、377 Ωの空き領域インピーダンスをシミュレートするために、コネクタの背後に開いたキャビティを備えています。
  4. ポート2に接続されているケーブルに短い校正規格を取り付けます。ショートは、入ってくる電圧が完全に反射されるように、コネクタの後ろに金属板を持っています。
    1. ポート 1 を選択する |オープン |N(50)の雌オープンと入力し、添付されたオープンの測定を行う。トレースは、オープン規格のS11、対数大きさ表示形式の0 dB参照レベルから緩やかに傾斜して、VNA画面に表示されます。測定が完了したら(標準の上にチェックマークが表示されます)、[OK]ボタンを押して続行します。これにより、ユーザーは前の画面に戻ります。
    2. DUTと同じ性別コネクタを持つ男女の校正規格を選択します(すなわち、男性のキャリブレーション規格には中央ピンがあり、女性のキャリブレーション規格には挿入可能なポートがあります)。古いVNAはVNAケーブルの性別に基づいて校正標準を必要とします。
    3. ポート 2 を選択する |ショート |タイプN(50)女性ショート、添付ショートの測定を行う。トレースは、短い標準の S11の 0 dB 参照レベルから離れて、VNA 画面に緩やかに傾斜して表示されます。測定が完了したら(標準の上にチェックマークが表示されます)、[OK]ボタンを押して続行します。これにより、ユーザーは前の画面に戻ります。
  5. ポート間でキャリブレーション標準をスワップします(つまり、ポート2にオープンキャリブレーション標準を取り付け、ポート1に短いキャリブレーション標準を取り付けます)。
    1. ポート 1 を選択する |ショート |ポート 1 のショートを測定するために、タイプ N (50) 女性ショート。トレースは、短い標準の S11の 0 dB 参照レベルから離れて、VNA 画面に緩やかに傾斜して表示されます。測定が完了したら(標準の上にチェックマークが表示されます)、[OK]ボタンを押して続行します。これにより、ユーザーは前の画面に戻ります。
    2. ポート 2 を選択する |オープン |タイプN(50)の女性はポート2の開いたを測定するために開きます。トレースは、オープン規格のS11、対数大きさ表示形式の0 dB参照レベルから緩やかに傾斜して、VNA画面に表示されます。測定が完了したら(標準の上にチェックマークが表示されます)、[OK]ボタンを押して続行します。これにより、ユーザーは前の画面に戻ります。
  6. ポート 1 から短いショートを取り外し、ポート 1 にブロードバンド負荷を設定します。負荷は、周波数の広い範囲にわたって小さな反射をもたらす着信エネルギーを吸収します。
    1. ポート 1 を選択する |負荷 |タイプ N (50) 広帯域負荷ポート 1 の負荷を測定します。測定が完了したら(標準の上にチェックマークが表示されます)、[OK]ボタンを押して続行します。これにより、ユーザーは前の画面に戻ります。
    2. ポート2の現在のキャリブレーション標準を維持します。ポートは漏出信号の経路を提供する可能性があるため、ポートを開いたままにしないでください。トレースは VNA 画面に表示され、画面全体で異なります。S11の測定値はすべて、ログの大きさの表示形式は、負荷が良い場合は -20 dB 未満になります。
  7. ポート 2 から開いているポートを取り外し、ポート 1 からブロードバンド負荷を取り出し、ポート 2 にブロードバンド負荷を設定します。ポート 1 のポート 2 から開いたポートを開いて、漏出信号を防ぎます。
    1. ポート 2 を選択する |負荷 |タイプ N (50) 広帯域負荷ポート 2 の負荷を測定します。トレースは VNA 画面に表示され、画面全体で異なります。S11の測定値はすべて、ログの大きさの表示形式は、負荷が良い場合は -20 dB 未満になります。測定が完了したら(標準の上にチェックマークが表示されます)、[OK]ボタンを押して続行します。これにより、ユーザーは前の画面に戻ります。
  8. ポート 1 と 2 に接続されているケーブルの間に、スルーキャリブレーション標準を挿入します。これは通常、両端に同じ性別コネクタを持つアダプタです。
    1. THRUを選択して、スルーキャリブレーション標準を測定します。測定が完了すると、この画面のTHRU規格の上にチェック・マークが表示されます。
      注: 絶縁測定は、ケーブルとその値の間のクロストーク測定が他の規格に比べて非常に小さいことが多いため、校正時に通常は絶縁測定を省略できます。上記の校正測定は任意の順序で行うことができます。
  9. すべての規格にチェックマークが付いたら、キャリブレーションを保存します。次へを選択 |ユーザーカルセットとして保存します。キャリブレーションの名前を入力し、[保存]ボタンを押します。
  10. セクション3の詳細に合わせ、キャリブレーションを確認します。
  11. 手動キャリブレーションが選択されていない場合は、電子キャリブレーションオプション12を選択します。電子キャリブレーションキット(図7)をポート1と2の間のケーブルに接続します。応答を選択する |カルメニュー |カルを開始 |キャリブレーションウィザード |電子キャリブレーションオプションを使用した電子キャリブレーション。
    1. 2 ポート ECal を選択してください|[次へ] をクリックし、[計測] ボタンを選択します。電子キャリブレーションモジュールは、自動的に異なる標準の数を測定し、最後にキャリブレーションを保存するようにユーザーに促します。
    2. 次へを選択 |ユーザーカルセットとして保存します。キャリブレーションの名前を入力し、[保存]ボタンを押します。
      メモ:電子キャリブレーションの場合、ポート1と2のケーブルのみがモジュールに接続されています。すべての校正基準はモジュールに含まれています。電子較正は内部標準を自動的に調整する。電子キャリブレーションモジュールがケーブルと同じコネクタタイプを持たない場合、アダプタを考慮してモジュール内に含まれるキャリブレーションエラーの修正を変更するために、追加のキャリブレーションを完了する必要があります。製造元に確認してガイダンスを確認してください。

3. キャリブレーションの確認

  1. キャリブレーションを確認するためにスルーを使用してください。
    1. スルーアダプタ(図6)を、ポート1と2の間のケーブルに明らかな摩耗の兆候を持たせずに接続します。スルー標準を測定しないでください。別のスルーを選択してください。
    2. 応答を選択する |測定 |S21、その後の応答 |スケール |スケール。下矢印ボタンを押して、除算単位の値を 0.1 に設定します。刺激メニューを選択 |トリガー |スルーの挿入損失を測定するシングル。周波数範囲に 1 つのスイープが表示されます。
      注: 対数の大きさプロットのスルーの値は、十分なキャリブレーションのために 0 dB 参照 (図 8)の 0.05 dB 以内にあります。これは、長年の校正で得られた経験的価値です。これは、分割ごとにスケールを 0.05 dB に変更することで確認できます。
    3. スルーがチェックされたら、応答を選択してスケールを10 dB/除算に戻す|スケール |[分割単位] の値を 10 にスケールおよび設定します。応答を選択する |測定 |S11.
    4. 刺激メニューを選択 |トリガー |シングルS11を測定する。良いスルーの値は次のとおりです。 |S11|= -20 dB(電力の1%の反射と電圧の10%の反射)。
      注: スミス図13の表示にはインピーダンスが表示されます。S11S22の測定値は、チャートの中央に小さな円として表示されます。インピーダンス値は、50 Ω 基準から 0.5 Ω 以内の範囲で十分なキャリブレーションを行います。
  2. 50 Ωの負荷を使用してキャリブレーションを確認します。
    1. 50 Ω の一致した負荷をポート 1 に取り付けます。
    2. 刺激メニューを選択 |トリガー |シングルS11を測定する。
      注: 一致した荷重は-20 dB 未満です(理想的な荷重の反射係数は 0 です)。これは、スミス図の中央に小さな円として表示されます (図 9)。
  3. オープンキャリブレーション標準を使用して、キャリブレーションをチェックします。
    1. オープンキャリブレーション標準を接続します。
    2. 刺激メニューを選択 |トリガー |シングルS11を測定する。オープンは、対数大きさプロットで 0 dB です(理想的なオープンの反射係数は 1 です)。Smith 図では、十分なキャリブレーションを行う場合、右の 0 (図 9) に、オープンが小さな円で表示されます。
  4. キャリブレーションをチェックするには、短いキャリブレーション標準を使用します。
    1. 短いキャリブレーション標準を接続します。
    2. 刺激メニューを選択 |トリガー |シングルS11を測定する。対数の大きさプロットでは、短い値は 0 dB (理想の短さの反射係数は -1) です。Smith 図では、値は、十分なキャリブレーションのために左端の円 (図 9)に円で表示されます。
      注: キャリブレーション テストが失敗した場合は、接続を確認し、キャリブレーションを繰り返します。キャリブレーションが良好な場合は、セクション 4 に進みます。

4. コンポーネントまたはシステム損失の測定

  1. DUT を VNA に接続します。DUTに3つ以上のポート(スイッチ、電力分配装置など)がある場合は、VNAに接続されていないポートに50 Ωの一致した負荷を接続し、これらのポートから電力が反射し、測定を変更します。
  2. 応答を選択する |測定 |S21.
  3. 刺激メニューを選択 |トリガー |DUTを測定するシングル。
  4. ファイルの選択 |データを名前で保存します。.ファイル名ボックスにファイル名を入力します。いずれかのファイルの種類を選択します。CSV またはトレース (*.s2p)。スコープを選択します (表示されるトレースのデフォルト値は、ここで適切です)。形式(例えば、対数の大きさと角度、線形の大きさと位相、実数と虚数、表示形式(スミス図など))を選択します。[保存]を押してデータを保存します。
  5. バンドパスフィルタのテスト結果を確認し、分析します。例は、次の手順で説明します。
    1. トレースにマーカーを配置して、トレースの部分を識別します。マーカー/解析を選択する |マーカー |マーカー 1を押し、[OK] をクリックします
    2. マーカー/解析を選択する |マーカー検索 |[最大]をクリックしてトレース フィルタの挿入損失を検出します。フロントパネルのノブは、周波数ポイントを越えてマーカーをスイープしながら、最大およびミニマを識別するためにも使用できます。
    3. マーカー/解析を選択する |マーカー < マーカー 1をクリックし、デルタ マーカー結合マーカーを選択します。このマーカーの値は、画面に表示される 0 dB になります。これにより、他のマーカーの参照値が設定されます。
    4. マーカー/解析を選択する |マーカー. |マーカー 2 |オン|結合マーカー.刺激ボックスの内側をクリックして周波数をハイライトし、画面のマーカー2の読み取り値が-3 dBになるまでノブを動かします。
    5. マーカー/解析を選択する |マーカー. |マーカー3 |オン|結合マーカー.刺激ボックスの内側をクリックして周波数をハイライトし、画面のマーカー3の読み取り値が-3 dBになるまでノブを動かします。
    6. 測定値をメーカーのフィルター仕様と比較します。

Representative Results

コンポーネントが正しく動作しているかどうかを確認する際には、それぞれの Web サイトで確認できる製造元の仕様を確認することが重要です。ここで、フィルタ(図10)は、その仕様14を調べた後に測定した。図11に示すように、挿入損失は3dB点と同様に同定された。マーカー1で示されるように、較正後の測定された挿入損失は、0.83dBの大きさを持っていた。負の符号は損失だったことを示します。参照内の挿入損失は、調整された 0.8 dB (dBa) に指定されます。測定された3dBのフィルタ帯域幅は1749 MHzから1854 MHzに変更されました。減算すると、105 MHzの値が得られ、これは104.5 MHzの典型的な値に近い値です。

メーカーの仕様15で説明されているように、50 Wの入力電力に耐えるように構築された10dBの減衰器があります。この減衰器の減衰仕様は10 dB ± 0.5 dB です。ある時点で、50 Wを超える入力電力が減衰器に入力され、減衰器が損傷しました。校正された VNA を使用して、このコンポーネントの品質を確認しました。再び、品質保証のためにすべてのフィールド測定の前に各コンポーネントを測定することが重要です。DUTの測定は図12に示す。比較すると、良好な10dBアッテナレータの測定を図13に示す。測定値は1750 MHzで9.88dBで、1700~1900MHzの全帯域幅にわたって-9.5~-10.5dBの範囲内です。

最後に、ケーブル損失は、無線周波数測定で頻繁に行われるもう一つの重要な測定です。測定されたケーブルの仕様は、データシート16の5ページに記載されている。1フィート当たりの減衰(dB/ft)は1GHzで0.05 dB、つまり0.16 dB/mでした。メーカーによると、長さ36フィート/11mの測定ケーブルは、指定された損失が〜1.8dBでした。測定された損失を図14に示します。1750 MHzの周波数では、測定損失は-1.88 dBでした(これは、デシベルの最も近い10分の1に切り上げられた場合、マグニチュード1.9dBです)。

Figure 1
図1:VNAの電源を入れ赤い円は、VNA 電源ボタンの位置を表します。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 2
図2:2つのVNAポートに接続された高品質で位相安定ケーブルケーブルは 8 in.lbf を使用して VNA の前面パネルに接続されます。トルクレンチ。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 3
図3:コネクタのクリーニング(A)内導体のクリーニング、(B)外導体と糸の洗浄、および(C)圧縮空気を用いてコネクタを静かに吹き飛ばします。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 4
図4:タイプNコネクタ用の12インチのトルクレンチ。このレンチはVNAケーブルとDUT間の接続を締付けるために使用されます。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 5
図5:タイプNキャリブレーションキット。ここに示されているのは、VNA のエラーを校正するために使用される、オープン、ショート、ロード、スルーの標準を含むキャリブレーション キットです。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 6
図6:タイプNキャリブレーション規格。キャリブレーションで使用される男性と女性のキャリブレーション基準の写真。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 7
図7:電子キャリブレーションモジュール。電子キャリブレーションモジュールの写真。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 8
図8:GHzの周波数の関数として、対数大きさプロットでキャリブレーション後のスルーキャリブレーションチェック。スルーの値は、1.8 GHzの周波数で0.01 dBです。キャリブレーション後のGHzの周波数の関数としてのスルーの値を示します。スルーは、キャリブレーションが有効であることを確認するためのキャリブレーションチェックとして使用されます。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 9
図9:スミスチャートの説明標準インピーダンスの実インピーダンス値と虚数値の位置を左側の図に示し、インピーダンスの大きさの値を右図17に示します。このスミス図の図面は、左側に実インピーダンスと仮想インピーダンスの両方を示し、右側にインピーダンスの大きさを示しています。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 10
図 10: ポート 1 と 2 の間に挿入された RF フィルタ。測定時に VNA ケーブルの端にあるポート 1 とポート 2 の間に挿入された RF フィルタの写真。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 11
図 11:図 9示す仕様を使用した RF フィルタの挿入損失と 3 dB ポイントの測定これは、図 10に示す RF フィルタの測定中に VNA のスクリーンショットを示しています。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 12
図12:仕様に含まれていない10dBアッテニュエータの測定。測定値は1.7 GHzで-22.70dB、その仕様は10dB±0.5dBです。また、仕様内に存在しない10dBアッテナレータの測定も示されています。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 13
図13:仕様内での10dBアッテニュエータの測定。測定値は-9.88dBであった。また、仕様内にある10dB減衰器の測定も示されています。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 14
図 14: 0.05 dB/ft が指定された同軸ケーブル 36 ft (11 m)の測定ケーブルの長さによる損失は、1.87 GHzで-1.9 dBの測定値と一致する〜1.8dBであると予想されました。また、測定された損失がメーカーの仕様の範囲内であることを示すケーブルの測定も表示されます。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Discussion

校正を行う前に、VNAが少なくとも0.5時間RTに暖かくすることが重要です(ただし、1時間は良いです)。1つのキャリブレーションは、精度の大きな損失なしに数日間続くことができます。ただし、校正は、測定の完全性を確保するために、校正標準を使用して毎日チェックされます。不良コネクタがVNAの精度を損なわないように、すべてのシステムコンポーネントの検査が不可欠です。VNA との低損失ケーブルを使用するのが最適です。キャリブレーションの整合性は、システムコンポーネントまたはDUTの測定前に確認する必要があります。ここで提供されている仕様以外の測定は、繰り返すか、新しいキャリブレーションが必要な場合があります。最後に、メーカーの仕様を使用して測定されたDUT値を確認することは、検証の必要な部分です。

VNAを測定器として使用する場合、その制限があります。DUTまたはシステムの損失が大きいため、測定されたSパラメータがVNAのノイズフロアを下回る場合、VNAでは測定できません。IF帯域幅を減らして掃引時間を増やすことで、ノイズフロアを下げることが可能です。これにより、測定取得時間が遅くなります。したがって、これらのパラメータを調整する際のトレードオフがあります。VNAは30dBmを超える入力電力を処理できないため、アンプの測定時に内部または外部減衰を使用する必要があります。VNAは同じ計測器にソースとレシーバを持っているので、電波伝搬測定システムとして使用されています。送信元と受信側は VNA に配置されているため、送信ポートは受信側ポートに何らかの方法で結合する必要があります。通常、これはケーブルで行われます。ただし、ケーブルは損失を増し、計測できる範囲のダイナミックレンジを減少します。さらに、分離距離が限られる。

損失を測定できるもう一つの方法は、信号発生器と電力計の使用です。パワーメーターはスカラー測定装置なので、信号の大きさしか測定できません。信号の位相を監視できないため、信号の正確な測定が行われなくなります。VNAは、より高品質な測定である、よく知られた入力信号に対して測定された信号の大きさと位相(実数成分と虚数成分)の両方を測定します。

VNAは、多くの種類の測定に適した選択肢です。この装置は、送信ポートおよび受信ポート18上のアンテナを使用して放射無線信号を測定するために使用することができる。時間領域分析を使用して、時間の経過に応じて信号を監視し、ケーブル内でどこでブレークが発生するかを判断できます。スイープ中に多くの周波数を測定することができ、これは、伝導された19または放射された環境20の中で、多くの周波数にわたる減衰損失を理解するために使用することができる。VNAのさまざまなパラメータ設定を理解すると、よく特徴付けられたDUT/システムが得られ、DUT/システムで得られる測定は、高い信頼度で使用することができます。

Disclosures

著者らは開示するものは何もない。

Acknowledgments

私たちは、この作業に資金を提供してくれた防衛スペクトラムオフィス(DSO)に感謝します。

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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無線周波数伝搬チャネルにおける測定のためのベクトルネットワークアナライザのキャリブレーション
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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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