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Engineering

무선 주파수 전파 채널에서 측정을 위한 벡터 네트워크 분석기 교정

doi: 10.3791/60874 Published: June 2, 2020

Summary

이 프로토콜은 무선 주파수 전파 측정 테스트 시스템의 구성 요소를 측정하기 위한 정확한 계측기로 사용하기 전에 벡터 네트워크 분석기를 교정하는 모범 사례를 설명합니다.

Abstract

무선 주파수(RF) 스펙트럼 활성의 상태 측정에서 무선 주파수 전파 전파의 물리학에 대한 통찰력을 제공하고 기존 및 새로운 스펙트럼 전파 모델을 검증합니다. 스펙트럼 사용이 계속 증가함에 따라 이러한 매개 변수는 간섭없는 스펙트럼 공유를 지원하고 보존하는 데 필수적입니다. 이러한 전파 측정은 정확하고 재현 가능하며 아티팩트와 바이어스가 없어야 합니다. 이러한 측정에 사용되는 부품의 이득과 손실을 특성화하는 것은 정확도에 매우 중요합니다. 벡터 네트워크 분석기(VNA)는 적절하게 보정된 경우 신호의 크기와 위상을 모두 측정하는 잘 확립되고 매우 정확하며 다재다능한 장비입니다. 이 문서에서는 VNA 를 교정하기 위한 모범 사례를 자세히 설명합니다. 보정되면 올바르게 구성된 전파 측정(또는 채널 사운딩) 시스템의 구성 요소를 정확하게 측정하거나 측정 시스템 자체로 사용할 수 있습니다.

Introduction

전기 통신 과학 연구소 (ITS)는 미국 상무부의 기관인 국가 통신 및 정보 관리 (NTIA)의 연구 실입니다. ITS는 1950년대부터 전파 측정에 활발히 참여해 왔습니다. 연방 및 상용 스펙트럼 사용자를 위한 새로운 패러다임인 스펙트럼 공유는 두 개의 서로 다른 시스템이 동시에 동일한 무선 주파수 스펙트럼을 공유하도록 요구합니다. 스펙트럼 공유 시나리오가 증가함에 따라 여러 서비스가 공유해야 하는 무선 환경을 더 잘 이해할 수 있는 정확하고 재현 가능한 무선 전파 측정이 필요합니다. 설명된 절차의 목적은 이러한 시스템을 구성하는 모든 구성 요소가 정확하게 구성된 VNA에 의해 잘 특성화되도록 하는 것입니다.

스펙트럼에 대한 수요가 증가하는 동안, 현재 상업적 목적으로 연방 기관에서 사용하는 스펙트럼을 신속하게 해제하는 것이 항상 가능한 것은 아닙니다. 예를 들어 고급 무선 서비스(AWS)-3 대역(1755-1780 MHz)에서는 군사 서비스와 상용 무선 통신 사업자 간에 스펙트럼 공유 배열이 개발되고 있습니다1. 이러한 계약을 통해 상용 무선 사업자는 군대에서 벗어나 군사 서비스를 전환하기 전에 AWS-3 대역에 진입할 수 있습니다.

국방 스펙트럼 조직(DSO)은 AWS-3 전환을 관리하는 임무를 맡고 있습니다. 전환의 핵심 부분은 대역을 공유하는 군사 및 상용 무선 시스템 간의 RF 간섭 가능성을 평가하기 위한 새로운 전파 모델을 개발하는 것입니다. DSO는 ITS와 다른 사람들에게 일련의 채널 사운드 측정을 수행하여 환경에서 나뭇잎과 인공 구조물의 영향을 더 잘 계산하는 새로운 모델을 구축하도록 했습니다(통칭하여 혼란이라고 함). 혼란을 고려하는 향상된 전파 모델링은 군사 시스템 주변의 상업용 송신기에 대한 제한을 줄이게 됩니다.

RF 스펙트럼 활성의 상태 측정에서 RF 파 전파의 물리학에 대한 통찰력을 제공하고 기존 및 새로운 무선 전파 모델을 검증합니다. 이 두 구성 요소는 간섭없는 스펙트럼 공유를 지원하고 보존하는 데 필수적입니다. 알려진 테스트 신호가 특정 위치에서 모바일 또는 고정 수신기로 전송되는 채널 사운딩 기술은 다양한 환경에서 무선 채널 특성을 추정하는 데이터를 제공합니다. 이 데이터는 신호의 전파 손실 또는 감쇠를 보다 정확하게 예측하는 모델을 개발하고 개선하는 데 사용됩니다. 이러한 손실은 건물 및 기타 장애물(예: 도시 협곡의 나무 또는 지형)에 의한 차단 및 반사 때문일 수 있습니다. 이러한 장애물은 송신 안테나와 수신 안테나 간의 신호 손실 또는 감쇠를 초래하는 여러 가지 약간 변형된 전파 경로를 생성합니다.

ITS 측정 기술은 정확하고 반복 가능하며 공정한 결과를 생성합니다. DSO는 ITS가 보다 광범위한 기술 커뮤니티와 제도적 지식을 공유하도록 장려했습니다. 이 지식에는 RF 전파 데이터를 최적으로 측정하고 처리하는 방법을 포함합니다. 최근 발표된 NTIA 기술 각서 TM-19-5352,,3,,4,,5는 전파 측정 시스템의 준비 및 검증을 위한 모범 사례 세트를 설명합니다. 이러한 모범 사례의 일환으로 VNA는 측정 시스템의 부품 손실 또는 이득을 정확하게 측정하는 데 사용됩니다. 이득과 손실은 두 안테나 사이의 신호 감쇠를 계산하는 데 사용됩니다.

여기에 제시된 프로토콜은 실험실 또는 현장 응용 분야에서 테스트하기 전에 VNA5를 교정하기 위한 모범 사례를 다룹니다. 여기에는 예열 시간, RF 커넥터 유형 선택, 적절한 연결, 적절한 교정 단계의 성능이 포함됩니다. 교정은 특정 전파 측정 시나리오의 맥락에서 데이터를 수집하기 전에 제어된 실험실 환경에서 수행되어야 합니다. 추가 고려 사항은 이 프로토콜의 범위를 벗어난 특정 전파 측정 환경과 관련이 있을 수 있습니다.

VNA는 다른 측정 시스템을 조립할 때 부품 및 하위 어셈블리의 장치 특성을 측정하는 데 사용됩니다. 전력 증폭기, 수신기, 필터, 저잡음 증폭기, 믹서, 케이블 및 안테나는 VNA를 특징으로 할 수있는 모든 구성 요소입니다. 시스템을 테스트 및/또는 교정하기 전에 시스템의 모든 필수 구성 요소 목록이 준비되고 모든 시스템 구성 요소가 조립됩니다. 시스템의 각 구성 요소는 VNA 케이블 사이에 삽입하여 별도로 측정됩니다. 이렇게 하면 모든 구성 요소가 제조업체의 사양 내에서 작동할 수 있습니다. 구성 요소를 확인한 후 시스템이 조립되고 전체 시스템 전체의 손실이 측정됩니다. 이렇게 하면 구성 요소 간의 반사 및 전송이 적절하게 특성화됩니다.

VNA는 크기와 위상을 모두 가진 복잡한 값수인 산란 매개변수(S-매개변수)를 측정합니다. S-파라미터는 입사 신호에 대한 1) 반사 신호(반사 측정) 또는 2) 입사 신호(전송 측정)에 전송된 신호중 하나의 비비 측정이다. 2포트 장치의 경우 4개의 S 매개변수(S11,S21,S12및 S22)를측정할 수 있습니다. 첫 번째 서브스크립트는 신호가 수신되는 포트를 나타내고 두 번째 하위 스크립트는 신호가 전송되는 포트를 나타냅니다. 따라서,S11은 포트 1에서 송신된 신호가 포트 1에서 유래하고 포트 1에서 수신되었다는 것을 의미한다. 또한S21은 전송된 신호가 포트 1에서 다시 시작되었지만 포트 2에서 수신된다는 것을 의미합니다. S11은 포트 1에서 발생한 원래 신호를 참조하여 포트 1에서 테스트 중인 장치(DUT)에 의해 반사되는 신호의 양을 측정합니다. S21은 DUT를 통해 전송되고 포트 1의 입사 신호를 참조하여 포트 2에 도달하는 신호의 양을 측정합니다. S11은 포트 1에서 DUT의 반사 계수를 측정하고,S21은 포트 1에서 포트 2로의 DUT의 전송 계수를 측정한 값입니다.

VNA의 교정은 일반적으로 VNA 측정 케이블의 끝에 있는 측정 기준 평면까지(및 포함) 구성 요소에서 체계적인 오류를 제거해야 합니다. 교정은 알려진 "완벽한" 표준(개방, 반바지, 하중, 스루/라인)을 측정하고 이를 VNA가 측정하는 값과 비교하여 시스템 오류를 제거합니다. 일련의 오류 수정을 통해 DUT에 대한 수정된 값이 표시됩니다. 현재 교정 중에 특징지어지는 12개의 오류 용어6,,7이 있습니다. 자세한 내용은 고전적인 마이크로파 회로 이론99,10에의해 지원되는 6 포트 네트워크 분석기8에서 만들어진 원래의 S 매개 변수 측정을 참조하십시오.

S-파라미터 반사 측정의 가장 일반적인 유형은 리턴 손실, 스탠딩 파비(SWR), 반사 계수 및 임피던스 일치입니다. S-파라미터 전송 측정의 가장 일반적인 유형은 삽입 손실, 전송 계수, 이득/손실, 그룹 지연, 위상 또는 위상 지연 및 전기 지연입니다. 전송 손실 측정은 기재된 프로토콜에서 강조됩니다.

VNA를 사용한 시스템 구성 요소의 이득 및 손실 측정은 잘 이해됩니다. 그러나 커넥터 청소 및 적절한 토크 렌치 사용과 같은 중요한 단계는 종종 건너뜁니다. 이 프로토콜은 일부 가 특히 중요한 이유에 대한 모든 필요한 단계와 설명을 제공합니다. 또한 신호 감쇠 계산을 포함하여 RF 전파 측정을 수행하는 방법을 설명하는 향후 문서의 전주곡이 될 것입니다.

Protocol

1. VNA 설정

  1. 케이블, 증폭기, 필터, DUT(하위 어셈블리일 수 있음) 및 기타 구성 요소를 포함하여 전파 측정 시스템의 모든 구성 요소를 수집합니다.
  2. VNA(그림1)를켜고 VNA의 모든 내부 구성 요소가 안정적인 작동 온도이고 위상 드리프트가 최소화되도록 0.5시간 이상 따뜻하게 합니다.
  3. 사전 설정 버튼을 누릅니다.
  4. VNA의 포트 1과 2에 고품질의 위상 안정 케이블을부착합니다(그림 2).
  5. VNA 포트의 커넥터를 8in.lbf로 조입니다. 토크 렌치. 연결을 제대로 토크하려면 핸들끝을 잡고 핸들이 끝까지 부러지지 않고 핸들을 부드럽게 밀어 넣습니다.
  6. 모든 케이블과 커넥터를 시각적으로 검사하여 닉, 함몰 및 불완전한 커넥터 스레드와 같은 마모의 명백한 징후를 검사합니다.
  7. 모든 케이블, 커넥터 및 DUT에 대한 유효한 측정 범위에 대한 제조업체의 사양을 확인하십시오. 이러한 사양에는 온도, 습도, 주파수 및 전력이 포함될 수 있습니다.
  8. 모든 장치 와 케이블 끝에 커넥터를 청소합니다. 민감한 전자 장치 및 커넥터를 청소하기 위해 특별히 설계된 면봉을 사용하십시오. 더러운 커넥터가 있는 케이블을 사용하면 케이블의 전도성 표면이 손상되고 부정확한 측정이 발생할 수 있습니다.
    1. 면봉을 이소프로필 알코올에 담급.
    2. 촉촉한 면봉을 사용하여 중앙 도체(그림3A)를부드럽게 청소합니다. 쉽게 손상되기 때문에 센터 컨덕티드에 너무 많은 힘을 가하지 마십시오.
    3. 각 커넥터의 외부 컨덕터를청소합니다(그림 3B). 커플링 너트 나사를 청소합니다.
    4. 깨끗한 압축 공기를 사용하여 모든 케이블 및 커넥터 끝을 건조시십시오(그림3C). 압축 공기가 커넥터를 냉각하는 경우 모든 연결을 만들고 조이기 전에 커넥터가 실온(RT)으로 되돌아갈 수 있도록 하십시오.
  9. 포트 1과 2의 VNA 케이블과 DUT 케이블을 정렬하고 연결합니다. 12 in.lb 조입니다. N형 연결에 대한 토크 렌치(그림4). 케이블 끝이 제대로 정렬되었는지 확인합니다.
    1. DUT 측의 커넥터를 VNA 케이블 스레드로 회전시기 시작합니다. 적절한 연결을 통해 너트는 약간의 저항으로 자유롭게 회전할 수 있습니다. 저항은 크로스 스레딩의 표시입니다. 정렬이 잘못되면 커넥터가 손상될 수 있으며 신호 반사 및 신호 손실이 발생할 수 있습니다. 커넥터가 손상될 수 있기 때문에 커넥터를 과도하게 조이지 마십시오.
    2. VNA의 케이블이 보정 중에 최소한으로 이동하도록 정렬합니다. 교정 케이블은 위상에 안정적이며 교정 중에 구부러지거나 이동하지 않는 것이 이상적입니다.
  10. DUT의 사양에 따라 VNA 측정 파라미터를 조정합니다. 주파수 범위는 "범위"로 알려진 중심 주파수 및 주파수 범위를 사용하여 선택할 수도 있습니다.
    1. 주파수 범위를 선택합니다. 자극 메뉴 선택 | 프리크 | 시작 주파수 : 1700 MHz. 자극 메뉴 선택 | 프리크 | 정지 주파수: 1900MHz.
    2. 측정 유형(예: S11, S12, S21, S22)을 선택합니다. 응답 메뉴 선택 | 측정 | S21.
    3. 포트 전원을 선택하고 조정합니다. 자극 메뉴 선택 | 전원 | 포트 전원 조정: 0 dBm. 출력 전력이 DUT 최대 전력 사양과 같거나 그 미만인지 확인합니다.
    4. 스윕 설정을 선택하고 조정합니다. 자극 메뉴 선택 | 스윕 | 스윕 유형: 스프프-스프-스프-스프- 자극 메뉴 선택 | 스윕 | 시간 | 스윕 시간: 1초. 그런 다음 자극 메뉴를 선택 | 스윕 | 스윕 설정 | 거주 시간: 0 μsec.
      참고: 스텝스윕은 측정하기 전에 각 주파수를 단계별로 단계별로 밟고 주파수에 거주하기 때문에 가장 정확한 스윕 유형입니다. 긴 케이블을 사용하는 경우 측정 후 신호가 수신기에 도착하도록 거주 시간을 늘려야 할 수 있습니다. 0 μs 거주 시간은 최적의 기본 설정입니다.
    5. 응답 메뉴 | 선택 및 평균 모드 조정 평균화 | 평균: IFBW: 1 kHz.
      참고: 적절한 평균화 유형을 선택합니다: "점 평균화"는 각 주파수 포인트의 지정된 횟수(예: 2, 4 16, 32 등)를 평균화하여 노이즈 바닥과 불확실성을 줄이되 스윕 시간을 늘립니다. IFBW는 필터를 사용하여 작은 대역폭으로 전력을 측정하므로 노이즈 플로어를 줄이되 측정 시간이 줄어듭니다. IFWB 평균화는 보다 최적의 평균화 기법이 되는 경향이 있습니다.
    6. 응답 메뉴를 선택하여 표시된 데이터 형식(예: LogMag[기본 설정]), 스미스 차트, SWR 등)을 선택합니다| 형식 | LogMag.
    7. 자극 메뉴를 사용하여 표시된 추적에서 데이터 포인트 수를 선택 | 스윕 | 포인트 수: 1601.
      참고: 시작 주파수와 정지 주파수 사이에 최대 주파수 커버리지를 달성할 수 있도록 포인트 수가 설정됩니다.

Equation 1

위의 예에서, 단계 크기 또는 주파수 간격은 0.125 MHz, 그래서 주파수 (1) = 1700.000 MHz, 주파수 (2) = 1700.125 MHz, ... 주파수(1600) = 1899.875MHz, 주파수(1601) = 1900MHz.

2. VNA의 교정

  1. 전자 교정 모듈을 사용할 수 있고 원하는 경우 수동 또는 전자 교정을 선택하십시오(섹션 2.11 참조). 어느 교정이든 정확합니다.
  2. 응답을 선택하여 수동 교정선택 | 칼 메뉴 | 시작 칼 | 교정 마법사 | 가이드가 없는.
    1. 특정 교정 키트에서 표준의 정확한 값이 알려지도록 적절한 교정 키트를선택합니다(그림 5). 여기서 85054D를 선택한 다음 2포트 단락 오픈 로드 스루(SOLT) 보정(두 포트가 있는 DUT의 경우)을 선택합니다. 사용 가능한 다른 교정은 응답 보정 외에도 단일 포트가 있는 장치의 단일 포트입니다. SOLT는 가장 정확한 옵션11입니다.
    2. 다음 화면으로 이동하려면 다음을 선택합니다.
  3. 포트 1에 부착된 케이블에 개방형 교정표준(그림 6)을부착합니다. 개방형 교정 표준에는 377Ω의 여유 공간 임피던스를 시뮬레이션하기 위해 커넥터 뒤에 열린 캐비티가 있습니다.
  4. 포트 2에 부착된 케이블에 짧은 교정 표준을 부착합니다. 짧은 커넥터 뒤에는 금속 판이 있어 들어오는 전압이 완전히 반영됩니다.
    1. 포트 1 선택 | 오픈 | 타입 N(50) 여성 오픈,이는 부착된 개방의 측정을 수행한다. VNA 화면에 는 S11의0dB 기준 수준에서 부드럽게 기울어지는 추적이 나타나고 열려 있는 표준에 대한 로그 크기 표시 형식이 표시됩니다. 측정이 완료되면(확인 표시가 표준 위에 표시됨) 확인 버튼을 눌러 계속합니다. 그러면 사용자가 이전 화면으로 다시 전송됩니다.
    2. DUT와 동일한 성별 커넥터를 가진 남성 또는 여성 교정 표준을 선택합니다(즉, 남성 교정 표준에는 중심 핀이 있고 여성 교정 표준에는 삽입 가능한 포트가 있습니다). 이전 VNA는 VNA 케이블의 성별에 따라 교정 표준을 요구합니다.
    3. 포트 2 선택 | 짧은 | 타입 N (50) 여성 짧은,이는 부착 된 짧은의 측정을 수행한다. 짧은 표준에 대한 S11,로그 크기 표시 형식의 0dB 참조 수준에서 부드럽게 기울어지는 VNA 화면에 추적이 나타납니다. 측정이 완료되면(확인 표시가 표준 위에 표시됨) 확인 버튼을 눌러 계속합니다. 그러면 사용자가 이전 화면으로 다시 전송됩니다.
  5. 포트 간 교정 표준을 교환합니다(즉, 개방 교정 표준을 포트 2에 부착한 다음 짧은 교정 표준을 포트 1에 부착).
    1. 포트 1 선택 | 짧은 | 타입 N(50) 암컷은 포트 1에서 짧은 것을 측정한다. 짧은 표준에 대한 S11,로그 크기 표시 형식의 0dB 참조 수준에서 부드럽게 기울어지는 VNA 화면에 추적이 나타납니다. 측정이 완료되면(확인 표시가 표준 위에 표시됨) 확인 버튼을 눌러 계속합니다. 그러면 사용자가 이전 화면으로 다시 전송됩니다.
    2. 포트 2 선택 | 오픈 | 타입 N(50) 암컷은 포트 2에서 개방을 측정하기 위해 열린다. VNA 화면에 는 S11의0dB 기준 수준에서 부드럽게 기울어지는 추적이 나타나고 열려 있는 표준에 대한 로그 크기 표시 형식이 표시됩니다. 측정이 완료되면(확인 표시가 표준 위에 표시됨) 확인 버튼을 눌러 계속합니다. 그러면 사용자가 이전 화면으로 다시 전송됩니다.
  6. 포트 1에서 단락을 제거하고 포트 1에 광대역 부하를 배치합니다. 하중은 들어오는 에너지를 흡수하여 넓은 범위의 주파수에 걸쳐 작은 반사를 초래합니다.
    1. 포트 1 선택 | 로드 | 포트 1의 부하를 측정하기 위한 타입 N(50) 광대역 부하. 측정이 완료되면(확인 표시가 표준 위에 표시됨) 확인 버튼을 눌러 계속합니다. 그러면 사용자가 이전 화면으로 다시 전송됩니다.
    2. 포트 2의 현재 교정 표준을 유지합니다. 누설 신호에 대한 경로를 제공할 수 있으므로 포트를 열어 두지 마십시오. VNA 화면에 추적이 표시되고 화면 전체에 따라 다릅니다. S11,로그 크기 표시 형식의 모든 측정값은 양호한 부하에 대해 -20dB 미만입니다.
  7. 포트 2에서 열린 열린 것을 제거하고 포트 1에서 광대역 부하를 가져 온 다음 포트 2에 광대역 부하를 배치합니다. 포트 1의 포트 2에서 열린 열린 열기를 배치하여 누설 신호를 방지합니다.
    1. 포트 2 선택 | 로드 | 포트 2의 부하를 측정하기 위한 타입 N(50) 광대역 부하. VNA 화면에 추적이 표시되고 화면 전체에 따라 다릅니다. S11,로그 크기 표시 형식의 모든 측정값은 양호한 부하에 대해 -20dB 미만입니다. 측정이 완료되면(확인 표시가 표준 위에 표시됨) 확인 버튼을 눌러 계속합니다. 그러면 사용자가 이전 화면으로 다시 전송됩니다.
  8. 포트 1과 2에 부착된 케이블 사이에 스루 교정 표준을 삽입합니다. 일반적으로 양쪽 끝에 동일한 성별 커넥터가 있는 어댑터입니다.
    1. THRU를 선택하여 교정 표준을 측정합니다. 측정이 완료되면 이 화면의 THRU 표준 위에 확인 표시가 표시됩니다.
      참고: 절연은 일반적으로 케이블 간의 누토크를 측정하고 그 값은 다른 표준에 비해 매우 작기 때문에 교정 중에 생략할 수 있습니다. 위의 교정 측정은 모든 순서로 수행 할 수 있습니다.
  9. 모든 표준위에 체크 표시가 있으면 교정을 저장합니다. 다음 | 선택 사용자 Calset으로 저장합니다. 보정 이름을 입력하고 SAVE 버튼을 누릅니다.
  10. 섹션 3에 자세히 설명된 대로 교정을 확인합니다.
  11. 수동 교정을 선택하지 않으면 전자 교정 옵션12를선택합니다. 포트 1과 2 사이의 케이블에 전자 교정키트(그림 7)를부착합니다. 응답 선택 | 칼 메뉴 | 시작 칼 | 교정 마법사 | 전자 교정 옵션을 이용한 전자 교정.
    1. 2포트 ECal 선택 | 그런다음 측정 버튼을 선택합니다. 전자 교정 모듈은 여러 가지 표준을 자동으로 측정하고 사용자에게 마지막에 교정을 저장하라는 메시지를 표시합니다.
    2. 다음 | 선택 사용자 Calset으로 저장합니다. 보정 이름을 입력하고 SAVE 버튼을 누릅니다.
      참고: 전자 교정의 경우 포트 1과 2의 케이블만 모듈에 연결됩니다. 모든 교정 표준은 모듈에 포함되어 있습니다. 전자 교정은 내부 표준을 자동으로 교정합니다. 전자 교정 모듈에 케이블과 동일한 커넥터 유형이 없는 경우 어댑터를 고려하여 모듈에 포함된 교정 오류 수정을 수정하려면 추가 보정을 완료해야 합니다. 반드시 제조업체에 문의하여 지침을 확인하십시오.

3. 교정 확인

  1. 스루를 사용하여 교정을 확인합니다.
    1. 포트 1과 2 사이의 케이블에 마모의 명백한 징후없이 스루 어댑터(그림 6)를연결합니다. 스루 표준을 측정하지 마십시오. 다른 스루를 선택합니다.
    2. 응답 선택 | 측정 | S21,다음 응답 | 스케일 | 배율 조정. 아래쪽 화살표 버튼을 눌러 분할당 값을 0.1로 설정합니다. 자극 메뉴 선택 | 트리거 | 단일은 스루의 삽입 손실을 측정한다. 단일 스윕이 주파수 범위에 걸쳐 나타납니다.
      참고: 로그 크기 플롯의 스루 값은 충분한 보정을 위해 0dB참조(그림 8)의0.05dB 내에 있습니다. 이는 수년간의 교정을 통해 얻은 경험적 가치입니다. 이는 분할당 배율을 0.05dB로 변경하여 확인할 수 있습니다.
    3. 스루가 확인되면 응답을 선택하여 스케일을 10dB/분할로 되돌리라고 | 스케일 | 분할당 값을 Per Division 10으로 조정하고 설정합니다. 응답 선택 | 측정 | S11.
    4. 자극 메뉴 선택 | 트리거 | S 11을측정하는 싱글 . 좋은 스루의 가치는 다음과 같은 것입니다: | S11| = -20 dB (1% 전원 반사 및 전압반사 10% 반사).
      참고: 스미스 차트13 표현은 임피던스를 표시합니다. S11 및 S22의 측정값은 차트 중앙에 작은 원으로 나타납니다. 임피던스 값은 충분한 교정을 위해 50Ω 레퍼런스로부터 0.5Ω 이내입니다.
  2. 50Ω 부하를 사용하여 교정을 확인합니다.
    1. 포트 1에 일치하는 50Ω 부하를 부착합니다.
    2. 자극 메뉴 선택 | 트리거 | S 11을측정하는 싱글 .
      주: 일치하는 하중은 -20dB 미만입니다(이상적인 하중의 반사 계수는 0). 이것은 또한 스미스 차트의 중앙에 작은 원으로 나타납니다(그림 9).
  3. 개방형 교정 표준을 사용하여 교정을 확인합니다.
    1. 개방형 교정 표준을 연결합니다.
    2. 자극 메뉴 선택 | 트리거 | S 11을측정하는 싱글 . 개방은 로그 크기 플롯에서 0dB입니다(이상적인 개방의 반사 계수는 1). 스미스 차트에서 열기는 충분한 보정을 위해 맨 오른쪽0(그림 9)의작은 원으로 나타납니다.
  4. 짧은 교정 표준을 사용하여 교정을 확인합니다.
    1. 짧은 교정 표준을 연결합니다.
    2. 자극 메뉴 선택 | 트리거 | S 11을측정하는 싱글 . 짧은 값은 로그 크기 플롯에서 0dB(이상적인 짧은 반사 계수는 -1)입니다. 스미스 차트에서 값은 충분한 보정을 위해 맨왼쪽(그림 9)에원으로 나타납니다.
      참고: 교정 테스트에 실패하면 연결을 확인하고 교정을 반복합니다. 보정이 양호한 경우 섹션 4를 계속 합니다.

4. 부품 또는 시스템 손실 측정

  1. DUT를 VNA에 연결합니다. DUT에 두 개 이상의 포트(예: 스위치, 전력 분배기 등)가 있는 경우 전력이 이러한 포트에서 반사되고 측정이 변경되기 때문에 VNA에 연결되지 않은 포트에 50Ω 일치하는 하중을 부착합니다.
  2. 응답 선택 | 측정 | S21.
  3. 자극 메뉴 선택 | 트리거 | DUT를 측정하는 싱글.
  4. 파일 선택 | 데이터를 로 저장... . 파일 이름 상자에 파일 이름을 입력합니다. 의 파일 형식을 선택합니다. CSV 또는 추적(*.s2p). 범위를 선택합니다(표시된 추적의 기본값은 여기에 적합합니다). 형식(예: 로그 크기 및 각도, 선형 크기 및 위상, 실제 및 허수 형식 및 표시된 형식[예: 스미스 차트])을 선택합니다. 저장을 눌러 데이터를 저장합니다.
  5. 대역 통과 필터의 테스트 결과를 확인하고 분석합니다. 예제는 다음 단계에 설명되어 있습니다.
    1. 추적에 마커를 배치하여 추적의 일부를 식별합니다. 마커/분석 선택 | 마커 | 마커 1을 누르고 확인을누릅니다.
    2. 마커/분석 선택 | 마커 검색 | 최대추적 필터의 삽입 손실을 찾습니다. 전면 패널의 노브는 주파수 포인트에 걸쳐 마커를 청소하는 동안 최대와 최소를 식별하는 데 사용할 수 있습니다.
    3. 마커/분석 선택 | 마커 < 마커 1, 다음 델타 마커와 결합 된 마커를 선택합니다. 화면에 표시된 이 마커의 값은 0dB를 읽어야 합니다. 그러면 다른 마커에 대한 참조 값이 설정됩니다.
    4. 마커/분석 선택 | 마커... 마커 2 | ON | 결합 된 마커. 자극 상자 내부를 클릭하여 주파수를 강조 표시한 다음 화면의 마커 2 판독값이 -3dB가 표시될 때까지 노브를 이동합니다.
    5. 마커/분석 선택 | 마커... 마커 3 | ON | 결합 된 마커. 자극 상자 내부를 클릭하여 주파수를 강조하고 화면의 마커 3 판독값이 -3dB가 표시 될 때까지 노브를 이동합니다.
    6. 측정된 값을 제조업체의 필터 사양과 비교합니다.

Representative Results

구성 요소가 올바르게 작동하는지 확인할 때는 해당 웹 사이트에서 찾을 수 있는 제조업체의 사양을 참조하는 것이 중요합니다. 여기서,필터(도 10)는사양(14)을참조한 후 측정하였다. 도 11에도시된 바와 같이, 삽입 손실은 3dB 포인트뿐만 아니라 확인되었다. 마커 1에 표시된 바와 같이 보정 후 측정된 삽입 손실은 0.83dB의 크기를 가졌습니다. 음의 표시는 손실임을 나타냅니다. 참조의 삽입 손실은 0.8dB 조정(dBa)으로 지정됩니다. 필터의 측정된 3dB 대역폭은 1749MHz에서 1854MHz로 변경되었습니다. 빼면 105MHz의 값을 산출했는데, 이는 104.5MHz의 일반적인 값에 가깝습니다.

제조업체사양15에설명된 대로 50W의 입력 전력을 견딜 수 있도록 제작된 10dB 감쇠기가 있습니다. 이 감쇠기의 감쇠 사양은 10dB ± 0.5dB입니다. 어떤 시점에서 50W를 초과하는 입력 전력이 감쇠기에 입력되어 감쇠기손상이 되었습니다. 보정된 VNA를 사용하여 이 구성 요소의 품질을 확인했습니다. 품질 보증을 위해 모든 현장 측정 전에 각 구성 요소를 측정하는 것이 중요합니다. DUT의 측정은 도 12에도시되어 있다. 이에 비해 양호한 10dB 감쇠기의 측정은 도 13에나타내고 있다. 측정값은 1750MHz에서 9.88dB였으며, 이는 1700~1900MHz의 전체 대역폭에서 -9.5 ~ -10.5dB의 지정된 범위 내에 있습니다.

마지막으로, 케이블 손실은 무선 주파수 측정에서 자주 수행되는 또 다른 중요한 측정입니다. 측정 된 케이블에 대한 사양은 데이터 시트16의5 페이지에서 찾을 수 있습니다. 피트당 감쇠(dB/ft)는 1GHz에서 0.05dB 또는 0.16dB/m였습니다. 제조업체에 따르면 길이가 36피트/11m인 측정 케이블은 지정된 손실로 ~1.8dB의 손실을 보였습니다. 측정된 손실은 도 14에나타내고 있습니다. 1750MHz의 주파수에서 측정된 손실은 -1.88dB였습니다(데시벨의 가장 가까운 10분의 1로 반올림하면 크기는 1.9dB입니다).

Figure 1
그림 1: VNA 켜기. 빨간색 원은 VNA 전원 단추의 위치를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 2
그림 2: 두 개의 VNA 포트에 부착된 고품질의 위상 안정 케이블. 케이블은 8 in.lbf를 사용하여 VNA의 전면 패널에 부착됩니다. 토크 렌치. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 3
그림 3: 커넥터 청소. (A)내부 도체의 청소,(B)외부 도체와 실의 청소, 그리고(C)압축 공기를 사용 하 여 커넥터를 부드럽게 불어 건조 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 4
그림 4: N형 커넥터에 대한 12in.lbf. 토크 렌치. 이 렌치는 VNA 케이블과 DUT 간의 연결을 강화하는 데 사용됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 5
그림 5: 타입 N 교정 키트. 여기에 표시된 교정 키트에는 VNA의 오류를 교정하는 데 사용되는 개방, 짧은, 부하 및 스루 표준이 포함된 교정 키트가 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 6
그림 6: 유형 N 교정 표준. 교정에 사용되는 남성 및 여성 교정 표준의 사진. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 7
그림 7: 전자 교정 모듈. 전자 교정 모듈의 사진입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 8
그림 8: GHz의 주파수 함수로서 로그 크기 플롯에서 보정 후 교정 을 통해 보정합니다. 스루의 값은 1.8 GHz의 주파수에서 0.01 dB입니다. 이는 보정 후 GHz에서 주파수 함수로서의 스루의 값을 나타낸다. 스루는 교정이 유효한지 확인하기 위해 교정 검사로 사용됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 9
그림 9: 스미스 차트 설명. 표준 임피던스의 실제 및 가상 임피던스 값 위치는 왼쪽 그림에 나타내고 임피던스 크기 값은 오른쪽 그림17에나와 있습니다. 이 스미스 차트 드로잉은 왼쪽의 실제 임피던스와 오른쪽의 임피던스 크기를 모두 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 10
그림 10: 포트 1과 2 사이에 삽입된 RF 필터. 측정 중에 VNA 케이블 끝에 포트 1과 2 사이에 삽입된 RF 필터 사진입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 11
그림 11: 그림 9에 제공된 사양을 가진 RF 필터에 대한 측정된 삽입 손실 및 3dB 포인트. Figure 9 그림 10에표시된 RF 필터를 측정하는 동안 VNA의 스크린샷입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 12
그림 12: 사양에 포함되지 않은 10dB 감쇠기의 측정. 측정값은 1.7GHz에서 -22.70dB이고 사양은 10dB±0.5dB입니다. 또한 더 이상 사양 내에 없는 10dB 감쇠기의 측정도 나와 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 13
그림 13: 사양 내에서 10dB 감쇠기 의 측정. 측정값은 -9.88dB였다. 또한 사양 내에 있는 10dB 감쇠기의 측정도 나와 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 14
그림 14: 0.05dB/ft지정된 감쇠 값을 가진 36ft(11m) 동축 케이블의 측정. 케이블의 길이를 통한 손실은 ~1.8dB로 예상되었으며, 이는 1.87 GHz에서 -1.9 dB의 측정값과 일치한다. 또한 측정 된 손실이 제조업체의 사양 내에 있음을 나타내는 케이블의 측정이 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Discussion

교정이 수행되기 전에 VNA가 적어도 0.5시간 동안 RT로 따뜻하게 데워지도록 하는 것이 중요하며, 이를 통해 모든 내부 구성 요소가 RT에 도달하고 보다 안정적인 교정을 수행할 수 있습니다. 하나의 교정은 정확도가 크게 손실되지 않고 며칠 동안 지속될 수 있습니다. 그러나 교정은 측정의 무결성을 보장하기 위해 교정 표준을 사용하여 매일 검사됩니다. 불량 커넥터가 VNA의 정밀도를 손상시키지 않도록 모든 시스템 구성 요소를 검사하는 것이 필수적입니다. VNA와 함께 저손실 케이블을 사용하는 것이 가장 좋습니다. 교정의 무결성은 시스템 구성 요소 또는 DUT를 측정하기 전에 확인해야 합니다. 여기에 제공된 사양 을 벗어난 모든 측정은 반복되어야 하거나 새로운 교정이 필요할 수 있습니다. 마지막으로 제조업체의 사양을 사용하여 측정된 DUT 값을 확인하는 것은 유효성 검사의 필수적인 부분입니다.

VNA를 측정 기기로 사용하는 것은 한계가 있습니다. DUT 또는 시스템에 손실이 너무 커서 측정된 S 매개변수가 VNA의 노이즈 플로어 아래로 떨어지면 VNA로 측정할 수 없습니다. IF 대역폭을 줄이고 스윕 시간을 늘려 노이즈 플로어를 낮출 수 있습니다. 이렇게 하면 측정 수집 시간이 느려집니다. 따라서 이러한 매개 변수를 조정할 때 장단점이 있습니다. VNA는 30dBm을 초과하는 입력 전력을 처리할 수 없으므로 앰프를 측정할 때 내부 또는 외부 감쇠를 사용합니다. VNA에는 동일한 계측기에 소스와 수신기가 있으므로 무선 전파 측정 시스템으로 사용되었습니다. 소스와 수신기는 VNA에 있으므로 송신 포트를 수신 포트에 어떤 방식으로 조인해야 합니다. 일반적으로 이 작업은 케이블로 수행됩니다. 그러나 케이블은 손실을 추가하여 측정할 수 있는 동적 범위를 줄입니다. 또한 분리 거리가 제한됩니다.

손실을 측정할 수 있는 다른 방법은 신호 발생기와 전력 계량기를 사용하는 것입니다. 파워 미터는 스칼라 측정 장치이므로 신호의 크기만 측정할 수 있습니다. 신호의 위상을 모니터링할 수 없으므로 신호의 정확도가 떨어집니다. VNA는 잘 알려진 입력 신호에 비해 측정된 신호의 크기와 위상(실제 및 가상 구성 요소)을 모두 측정하며, 이는 더 높은 품질 측정입니다.

VNA는 다양한 유형의 측정을 위한 다양한 옵션입니다. 계측기는 송수신포트(18)의안테나를 사용하여 방사된 무선 신호를 측정하는 데 사용할 수 있습니다. 시간 영역 분석을 사용하여 시간에 따라 신호를 모니터링하고 케이블에서 파손이 발생하는 위치를 결정할 수 있습니다. 스윕 동안 많은 주파수를 측정할 수 있으며, 이는전도된 19 또는 방사환경(20)에서많은 주파수에 대한 감쇠 손실을 이해하는 데 사용될 수 있다. VNA의 다양한 파라미터 설정을 이해하면 특성이 잘 되는 DUT/시스템을 생성하며, DUT/시스템으로 얻은 측정을 높은 신뢰도로 사용할 수 있습니다.

Disclosures

저자는 공개 할 것이 없다.

Acknowledgments

우리는이 작업에 자금을 국방 스펙트럼 사무소 (DSO)에 감사드립니다.

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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무선 주파수 전파 채널에서 측정을 위한 벡터 네트워크 분석기 교정
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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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