Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Engineering

Kalibrering av Vector Network Analyzer for målinger i radiofrekvensoverføringskanaler

doi: 10.3791/60874 Published: June 2, 2020

Summary

Denne protokollen beskriver anbefalte fremgangsmåter for kalibrere en vektornettverksanalysator før bruk som et nøyaktig instrument, ment å måle komponenter i et testsystem for måling av radiofrekvensoverføringsmåling.

Abstract

In situ målinger av radiofrekvens (RF) spektrum aktivitet gir innsikt i fysikken til radiofrekvensbølgeforplantning og validere eksisterende og nye spektrumforplantningsmodeller. Begge disse parametrene er avgjørende for å støtte og bevare interferensfri spektrumdeling, ettersom spektrumbruken fortsetter å øke. Det er viktig at slike forplantningsmålinger er nøyaktige, reproduserbare og fri for gjenstander og bias. Karakterisere gevinster og tap av komponenter som brukes i disse målingene er avgjørende for deres nøyaktighet. En vektor nettverksanalysator (VNA) er et veletablert, svært nøyaktig og allsidig utstyr som måler både størrelse og fase av signaler, hvis riktig kalibrert. Denne artikkelen beskriver de beste fremgangsmåtene for kalibrere en VNA. Når den er kalibrert, kan den brukes til å måle komponenter i et riktig konfigurert forplantningsmålingssystem (eller kanallyding) eller kan brukes som et målesystem selv.

Introduction

Institute for Telecommunication Sciences (ITS) er forskningslaboratoriet til National Telecommunications and Information Administration (NTIA), et byrå i det amerikanske handelsdepartementet. ITS har vært aktiv i radioforplantningsmålinger siden 1950-tallet. Spectrum-deling, det nye paradigmet for føderale og kommersielle spektrumbrukere, krever at to ulike systemer deler samme radiofrekvensspektrum samtidig. Etter hvert som scenariene for spektrumdeling øker, øker også behovet for nøyaktige og reproduserbare radioforplantningsmålinger som gir en bedre forståelse av radiomiljøet, som flere tjenester må dele. Målet med den beskrevne prosedyren er å sikre at alle komponenter som utgjør et slikt system er godt preget av en nøyaktig konfigurert VNA.

Mens etterspørselen etter spektrum øker, er det ikke alltid mulig å raskt fritt spektrum som i dag brukes av føderale etater for kommersielle formål. I Advanced Wireless Services (AWS)-3-båndet (1755–1780 MHz) utvikles for eksempel spektrumdelingsordninger mellom militære tjenester og kommersielle trådløseoperatører 1. Disse arrangementene tillater kommersielle trådløse operatører å gå inn i AWS-3-båndet før overgangen av militære tjenester ut av bandet.

Defense Spectrum Organization (DSO) har fått i oppgave å administrere AWS-3-overgangen. En viktig del av overgangen innebærer å utvikle nye forplantningsmodeller for å evaluere potensialet for RF-interferens mellom militære og kommersielle trådløse systemer som deler bandet. DSO har gitt ITS og andre i oppgave å utføre en rekke kanallydsmålingsmålinger for å bygge nye modeller som bedre beregner effekten av løvverk og menneskeskapte strukturer i miljøet (kollektivt kjent som rot). Forbedret forplantningsmodellering som vurderer rot, vil føre til færre restriksjoner på kommersielle sendere i nærheten av militære systemer.

In situ målinger av RF spektrum aktivitet gir innsikt i fysikken til RF bølgeforplantning og validere eksisterende og nye radioforplantningsmodeller. Begge disse komponentene er avgjørende for å støtte og bevare interferensfri spektrumdeling. Kanallydingsteknikker, der et kjent testsignal overføres fra et bestemt sted til enten en mobil eller stasjonær mottaker, gir data som estimerer radiokanalegenskaper i forskjellige miljøer. Dataene brukes til å utvikle og forbedre modeller som mer nøyaktig forutsi forplantningstap eller demping av signalet. Disse tapene kan skyldes blokkering og refleksjon av bygninger og andre hindringer (dvs. trær eller terreng i urbane daler). Disse hindringene produserer flere, litt variant, forplantningsbaner som resulterer i signaltap eller demping mellom sender og mottak av antenne.

DENS måleteknikker gir nøyaktige, repeterbare og objektive resultater. DSO har oppfordret ITS til å dele sin institusjonelle kunnskap med det bredere tekniske samfunnet. Denne kunnskapen omfatter hvordan man optimalt måler og behandler RF-forplantningsdata. Den nylig publiserte NTIA Technical Memorandum TM-19-5352,3,4,5 beskriver et sett med beste praksis for utarbeidelse og verifisering av radioforplantningsmålingssystemer. Som en del av disse anbefalte fremgangsmåtene brukes en VNA til å måle komponenttapene eller gevinstene til et målesystem nøyaktig. Gevinsten og tapene brukes deretter til å beregne signaldempingen mellom to antenner.

Protokollen som presenteres her tar for seg de beste fremgangsmåtene for å kalibrere en VNA5 før testing i laboratorie- eller feltapplikasjoner. Disse inkluderer oppvarmingstid, valg av RF-kontakttype, riktig tilkobling og ytelse av passende kalibreringstrinn. Kalibrering bør utføres i et kontrollert laboratoriemiljø før datainnsamling i forbindelse med et bestemt forplantningsmålingsscenario. Ytterligere hensyn kan være relevante for spesifikke forplantningsmålingsmiljøer, som er utenfor omfanget av denne protokollen.

VNA brukes til å måle enhetens egenskaper for komponenter og underenheter ved montering av andre målesystemer. Effektforsterkere, mottakere, filtre, lav støyforsterkere, miksere, kabler og antenner er alle komponenter som kan karakteriseres av en VNA. Før testing og/eller kalibrering av et system, er det utarbeidet en liste over alle nødvendige komponenter i systemet, og alle systemkomponenter monteres. Hver komponent i et system måles separat ved å sette dem inn mellom VNA-kablene. Dette sikrer at alle komponenter fungerer innenfor produsentens spesifikasjoner. Når komponentene er kontrollert, er systemet montert, og tap i hele systemet måles. Dette sikrer at refleksjoner og overføringer mellom komponenter er riktig preget.

En VNA måler spredningsparametere (S-parametere), som er komplekse verdimengder med både størrelse og fase. En S-parameter er en forholdsbasert måling av enten 1) reflektert signal til hendelsessignalet (refleksjonsmåling) eller 2) overført signal til hendelsessignalet (overføringsmåling). For en to-port enhet, kan fire S-parametere (S11,S21,S12og S22) måles. Det første senket skrift refererer til porten der signalet mottas, og den andre refererer til porten der signalet overføres. S11 betyr dermed at det overførte signalet oppsto ved port 1 og ble mottatt ved port 1. I tillegg betyr S21 at det overførte signalet oppsto igjen ved port 1, men mottas ved port 2. S11 måler signalmengden som gjenspeiles av enheten under test (DUT) ved port 1 med henvisning til det opprinnelige signalet som var hendelse ved port 1. S21 måler signalmengden som overføres gjennom DUT og ankommer port 2 med henvisning til hendelsessignalet ved port 1. S11 er et mål på refleksjonskoeffisienten til DUT ved port 1, og S21 er et mål på overføringskoeffisienten til DUT fra port 1 til port 2.

En kalibrering av VNA er nødvendig for å fjerne de systematiske feilene fra komponenter opp til (og inkludert) målereferanseplanet, som vanligvis er på slutten av VNA-målekablene. En kalibrering fjerner systemfeil ved å måle "perfekte" kjente standarder (åpen, shorts, belastninger, gjennom /linje) og sammenligne den med verdien som VNA måler. Gjennom en rekke feilrettelser vises en korrigert verdi for DUT. Det er for tiden 12 feilvilkår6,7 som er preget under kalibrering. Hvis du vil ha mer informasjon, kan du se originale S-parametermålinger som ble gjort på seks-porters nettverksanalysatorer8 støttet av klassisk mikrobølgekretsteori9,10.

De vanligste typene S-parameterrefleksjonsmålinger er returtap, stående bølgeforhold (SWR), refleksjonskoeffisient og impedansmatching. De vanligste typene S-parameteroverføringsmålinger er innsettingstap, overføringskoeffisient, forsterkning/tap, gruppeforsinkelse, fase- eller faseforsinkelse og elektrisk forsinkelse. Overføringstapsmålinger vektlegges i den beskrevne protokollen.

Måling av gevinster og tap av systemkomponenter ved hjelp av en VNA er godt forstått. Viktige trinn hoppes imidlertid ofte over, for eksempel rengjøringskontakter og bruk av en riktig momentnøkkel. Denne protokollen gir alle nødvendige trinn og forklaringer på hvorfor noen er spesielt viktige. Det vil også fungere som et forspill til en fremtidig artikkel som beskriver hvordan man utfører RF-forplantningsmålinger, inkludert beregninger av signaldemping.

Protocol

1. VNA-oppsett

  1. Samle alle komponentene i forplantningsmålingssystemet, inkludert kabler, forsterkere, filtre, DUTs (som kan være delmonteringer) og andre komponenter.
  2. Slå på VNA (figur 1), og la den varme i minst 0,5 timer for å sikre at alle interne komponenter i VNA er en stabil driftstemperatur og at fasedrift minimeres.
  3. Trykk på Forhåndsinnstilling-knappen.
  4. Fest høy kvalitet, fasestallkabler til port 1 og 2 av VNA (figur 2).
  5. Stram kontaktene ved VNA-portene med en 8 in.lbf. momentnøkkel. For å dreie riktig mot en tilkobling, hold enden av håndtaket og skyv håndtaket forsiktig uten at håndtaket kan brytes helt over.
  6. Inspiser visuelt alle kabler og kontakter for åpenbare tegn på slitasje som hakk, bulker og ufullkomne koblingstråder.
  7. Kontroller produsentens spesifikasjoner for gyldige måleområder for alle kabler, kontakter og DUTs. Disse spesifikasjonene kan omfatte temperatur, fuktighet, frekvens og kraft.
  8. Rengjør kontakter på alle enheter og kabelender. Bruk vattpinner spesielt utviklet for rengjøring av sensitiv elektronikk og kontakter. Bruk av kabler med skitne kontakter kan føre til skade på kabelens overflater og gi unøyaktige målinger.
    1. Dypp en bomullspinne i isopropylalkohol.
    2. Rengjør senterlederen forsiktig (Figur 3A) ved hjelp av den fuktede vattpinnen. Ikke utfør for mye kraft på senterlederen, da den lett er skadet.
    3. Rengjør den ytre lederen for hver kontakt (Figur 3B). Rengjør koplingsmuttertrådene.
    4. Tørk alle kabel- og kontaktender med ren trykkluft (Figur 3C). Hvis trykkluften kjøler ned kontakten, må du la kontakten gå tilbake til romtemperatur (RT) før du foretar og strammer alle tilkoblinger.
  9. Juster og lag tilkoblinger mellom VNA-kabler på port 1 og 2 og DUT. Stram med 12 in.lb. momentnøkkel for type N-tilkoblinger (Figur 4). Kontroller at kabelendene er riktig justert.
    1. Begynn å spinne kontakten på DUT-siden på VNA-kabeltrådene. Riktige tilkoblinger gjør at mutteren kan spinne fritt med liten motstand. Motstand er et tegn på krysstråding. Feiljustering kan skade kontakten eller forårsake signalrefleksjoner og signaltap. Ikke stram kontakten for mye, da dette vil skade kontakten.
    2. Ordne kablene til VNA slik at de beveger seg minimalt under kalibrering. Kalibreringskablene er fasestabil og ideelt sett ikke bøyd eller flyttet under kalibrering.
  10. Juster VNA-måleparametere i henhold til spesifikasjonene til DUT. Frekvensområdet kan også velges ved hjelp av midtfrekvens- og frekvensområdet kjent som "span".
    1. Velg frekvensområdet. Velg Stimulans-meny | Freq | Startfrekvens: 1700 MHz. Velg Stimulans-meny | Freq | Stoppfrekvens: 1900 MHz.
    2. Velg måletype (f.eks. S11, S12, S21, S22). Velg Svarmeny | Mål | S21.
    3. Velg og juster portstrømmen. Velg Stimulans-meny | Strøm | Juster portstrøm: 0 dBm. Kontroller at utgangseffekten er lik (eller under) den maksimale effektspesifikasjonen dut.
    4. Velg og juster sveipeinnstillingene. Velg Stimulans-meny | Feie | Feie Type:Trappet. Velg Stimulans-meny | Feie | tid | Feie Tid: 1 sek. Deretter velger du Stimulansmeny | Feie | Feie oppsett | Botid: 0 μsec.
      MERK: Et trappet sveip er den mest nøyaktige sveiptypen, da den går til hver frekvens og bor med en frekvens før du måler. Hvis du bruker lange kabler, må det hende at botiden må økes for å sikre at signalet kommer til mottakeren etter målingen. En 0 μs botid er en optimal standardinnstilling.
    5. Velg og juster gjennomsnittsmodus ved å velge Responsmeny | Gjennomsnitt | Gjennomsnitt: IFBW: 1 kHz.
      MERK: Velg riktig snitttype: "punkt snitt" gjennomsnitt hvert frekvenspunkt en rekke angitte tider (dvs. 2, 4 16, 32, etc.), noe som reduserer støygulvet og usikkerheten, men øker feietiden. IFBW bruker et filter for å måle kraften i en liten båndbredde, noe som også reduserer støygulvet, men krever mindre måletid. IFWB snitt har en tendens til å være en mer optimal snitt teknikk.
    6. Velg det viste dataformatet (f.eks. LogMag [standardinnstilling], Smith Chart, SWR osv.) ved å velge Svarmeny | Format | LogMag.
    7. Velg antall datapunkter i sporingen som vises ved hjelp av Stimulansmenyen | Feie | Antall poeng: 1601.
      MERK: Antall punkter angis slik at maksimal frekvensdekning kan oppnås mellom start- og stoppfrekvenser:

Equation 1

I eksemplet ovenfor er trinnstørrelsen eller frekvensavstanden 0,125 MHz, slik at frekvensen (1) = 1700.000 MHz, frekvens (2) = 1700.125 MHz, ... frekvens (1600) = 1899,875 MHz, frekvens (1601) = 1900 MHz.

2. Kalibrering av VNA

  1. Velg en manuell eller elektronisk kalibrering hvis en elektronisk kalibreringsmodul er tilgjengelig og ønsket (se avsnitt 2.11). Begge kalibreringene er nøyaktige.
  2. Velg Manuell kalibrering ved å velge Svar | Cal Meny | Start Cal | Veiviser for kalibrering | Ustyrt.
    1. Velg riktig kalibreringssett slik at en nøyaktig verdi av standardene i det spesifikke kalibreringssettet er kjent (Figur 5). Her velger du 85054D, og deretter velger du to-port kort-åpen-load-thru (SOLT) kalibrering (for en DUT med to porter). Andre tilgjengelige kalibreringer er en enport for en enhet med én enkelt port, i tillegg til en responskalibrering. SOLT er det mest nøyaktige alternativet11.
    2. Velg Neste for å gå til neste skjermbilde.
  3. Fest en åpen kalibreringsstandard (Figur 6) til kabelen som er festet til port 1. En åpen kalibreringsstandard har et åpent hulrom bak kontakten for å simulere en ledig plass impedans på 377 Ω.
  4. Fest en kort kalibreringsstandard til kabelen som er festet til port 2. En kort har en metallplate bak kontakten slik at den innkommende spenningen reflekteres helt.
    1. Velg Port 1 | ÅPENT | Type N (50) kvinne åpen, som utfører en måling av vedlagt åpen. Et spor vises på VNA-skjermen, forsiktig skrånende bort fra et 0 dB referansenivå på en S11, loggstørrelse visningsformat for den åpne standarden. Når målingen er fullført (en hake vises over standarden), trykker du på OK-knappen for å fortsette. Dette vil sende brukeren tilbake til forrige skjermbilde.
    2. Velg en mannlig eller kvinnelig kalibreringsstandard med samme kjønn kontakt som dut (dvs. en mannlig kalibrering standard har midtpinnen, og en kvinnelig kalibrering standard vil ha en innsettbar port). Eldre VNAer krever en kalibreringsstandard basert på kjønnet på VNA-kabelen.
    3. Velg Port 2 | Kort | Type N (50) kvinnelig kort, som utfører en måling av den vedlagte kort. Et spor vises på VNA-skjermen, forsiktig skrånende bort fra et 0 dB referansenivå på en S11, loggstørrelse visningsformat for den korte standarden. Når målingen er fullført (en hake vises over standarden), trykker du på OK-knappen for å fortsette. Dette vil sende brukeren tilbake til forrige skjermbilde.
  5. Bytt kalibreringsstandarder mellom porter (dvs. koble den åpne kalibreringsstandarden til port 2, og fest deretter den korte kalibreringsstandarden til port 1).
    1. Velg Port 1 | Kort | Type N (50) kvinnekort for å måle kort på port 1. Et spor vises på VNA-skjermen, forsiktig skrånende bort fra et 0 dB referansenivå på en S11, loggstørrelse visningsformat for den korte standarden. Når målingen er fullført (en hake vises over standarden), trykker du på OK-knappen for å fortsette. Dette vil sende brukeren tilbake til forrige skjermbilde.
    2. Velg Port 2 | ÅPENT | Type N (50) kvinne åpen for å måle det åpne på port 2. Et spor vises på VNA-skjermen, forsiktig skrånende bort fra et 0 dB referansenivå på en S11, loggstørrelse visningsformat for den åpne standarden. Når målingen er fullført (en hake vises over standarden), trykker du på OK-knappen for å fortsette. Dette vil sende brukeren tilbake til forrige skjermbilde.
  6. Fjern den korte fra port 1 og plasser en bredbåndsbelastning på port 1. En belastning absorberer innkommende energi, noe som resulterer i en liten refleksjon over et stort spekter av frekvenser.
    1. Velg Port 1 | LASTER | Type N (50) bredbåndsbelastning for å måle belastningen på port 1. Når målingen er fullført (en hake vises over standarden), trykker du på OK-knappen for å fortsette. Dette vil sende brukeren tilbake til forrige skjermbilde.
    2. Hold gjeldende kalibreringsstandard på port 2. Ikke la porten stå åpen, da det kan gi en bane for lekkasjesignaler. Et spor vises på VNA-skjermen og varierer over hele skjermen. Alle målte verdier på en S11, log-magnitude display format vil være mindre enn -20 dB for en god belastning.
  7. Fjern den åpne fra port 2, ta bredbåndsbelastningen fra port 1, og plasser bredbåndsbelastningen på port 2. Plasser det åpne fra port 2 på port 1 for å hindre lekkasjesignaler.
    1. Velg Port 2 | LASTER | Type N (50) bredbåndsbelastning for å måle belastningen på port 2. Et spor vises på VNA-skjermen og varierer over hele skjermen. Alle målte verdier på en S11, log-magnitude display format vil være mindre enn -20 dB for en god belastning. Når målingen er fullført (en hake vises over standarden), trykker du på OK-knappen for å fortsette. Dette vil sende brukeren tilbake til forrige skjermbilde.
  8. Sett inn en gjennomkalbreringsstandard mellom kablene som er festet til port 1 og 2. Dette er vanligvis en adapter med samme kjønn kontakter på begge ender.
    1. Velg THRU for å måle gjennom kalibreringsstandarden. Når målingen er fullført, vises en hake over THRU-standarden på denne skjermen.
      MERK: Isolasjonsmålingen kan vanligvis utelates under kalibrering, da isolasjon måler kryssforfølget mellom kabler og verdien er ofte svært liten sammenlignet med andre standarder. Kalibreringsmålingene ovenfor kan gjøres i hvilken som helst rekkefølge.
  9. Når alle standarder har en hake over dem, lagrer du kalibreringen. Velg Neste | Lagre som bruker Calset. Skriv inn et navn på SAVE kalibreringen, og trykk på SAVE-knappen.
  10. Kontroller kalibreringen som beskrevet i avsnitt 3.
  11. Hvis en manuell kalibrering ikke er valgt, velger du alternativet elektronisk kalibrering12. Fest det elektroniske kalibreringssettet (figur 7) til kablene mellom port 1 og 2. Velg Svar | Cal Meny | Start Cal | Veiviser for kalibrering | Elektronisk kalibrering med det elektroniske kalibreringsalternativet.
    1. Velg 2-porters ECal | Derettervelger du Mål-knappen. Den elektroniske kalibreringsmodulen måler automatisk en rekke forskjellige standarder og ber brukeren om å lagre kalibreringen på slutten.
    2. Velg Neste | Lagre som bruker Calset. Skriv inn et navn på SAVE kalibreringen, og trykk på SAVE-knappen.
      MERK: For en elektronisk kalibrering er bare kablene fra port 1 og 2 koblet til modulen. Alle kalibreringsstandarder finnes i modulen. Den elektroniske kalibreringen kalibrerer de interne standardene automatisk. Hvis den elektroniske kalibreringsmodulen ikke har de samme kontakttypene som kablene, må en ekstra kalibrering fullføres for å endre kalibreringsfeilkorrigeringene i modulen for å ta hensyn til adapterne. Sørg for å sjekke med produsenten for veiledning.

3. Kontrollere kalibreringen

  1. Bruk en gjennom for å sjekke kalibreringen.
    1. Koble til en gjennomgående adapter (figur 6) uten tydelige slitasjetegn på kablene mellom port 1 og 2. Ikke mål gjennom standarden. Velg en annen gjennom.
    2. Velg Svar | Mål | S21, deretter Svar | Skala | Skaler. Sett Per divisjon-verdien til 0,1 ved å trykke på pil ned-knappen. Velg Stimulans-meny | Utløser | Enkelt å måle innsettingstapet av gjennom. Et enkelt sveip vises over frekvensområdet.
      MERK: Verdien av gjennomstigningen på en loggstørrelsesplott ligger innenfor 0,05 dB av 0 dB-referansen (figur 8) for tilstrekkelig kalibrering. Dette er en empirisk verdi oppnådd over mange år med kalibreringer. Dette kan sees ved å endre skalaen til 0,05 dB per divisjon.
    3. Når gjennomtiden er kontrollert, returnerer du vekten tilbake til 10 dB/divisjon ved å velge Response | Skala | Skaler og sett Per divisjon-verdien til 10. Velg Svar | Mål | S11.
    4. Velg Stimulans-meny | Utløser | Enkel å måle S11. Verdien av en god gjennom er følgende: | S11| = -20 dB (1 % refleksjon i kraft og 10 % refleksjon i spenning).
      MERK: Smith-diagrammet13-representasjonen viser impedans. Målinger av S11 og S22 vises som en liten sirkel i midten av diagrammet. Impedansverdien er innenfor 0,5 Ω fra 50 Ω-referansen for tilstrekkelig kalibrering.
  2. Bruk en 50 Ω-last for å kontrollere kalibreringen.
    1. Fest en 50 Ω-matchet last til porten 1.
    2. Velg Stimulans-meny | Utløser | Enkel å måle S11.
      MERK: En matchet belastning er mindre enn -20 dB (refleksjonskoeffisienten til en ideell belastning er 0). Dette vil også vises som en liten sirkel i midten av Smith Chart (Figur 9).
  3. Bruk en åpen kalibreringsstandard for å kontrollere kalibreringen.
    1. Koble til en åpen kalibreringsstandard.
    2. Velg Stimulans-meny | Utløser | Enkel å måle S11. En åpen er 0 dB på en log-magnitude plot (refleksjonskoeffisienten til en ideell åpen er 1). På et Smith-diagram vises den åpne som en liten sirkel helt til høyre (figur 9) for tilstrekkelig kalibrering.
  4. Bruk en kort kalibreringsstandard for å kontrollere kalibreringen.
    1. Koble til en kort kalibreringsstandard.
    2. Velg Stimulans-meny | Utløser | Enkel å måle S11. En kort er 0 dB (refleksjonskoeffisienten til en ideell kort er -1) på loggstørrelsesplottet. På Smith-diagrammet vises verdien som en sirkel helt til venstre (figur 9) for tilstrekkelig kalibrering.
      MERK: Hvis en kalibreringstest mislykkes, kontrollerer du tilkoblingene og gjentar kalibreringen. Hvis kalibreringen er god, fortsetter du til avsnitt 4.

4. Måling av komponenter eller systemtap

  1. Koble DUT til VNA. Hvis DUT har mer enn to porter (dvs. brytere, strømdelere osv.), fester du 50 Ω-samsvarende laster til portene som ikke er koblet til VNA, da strømmen vil bli reflektert fra disse portene og endre målingen.
  2. Velg Svar | Mål | S21.
  3. Velg Stimulans-meny | Utløser | Enkelt å måle DUT.
  4. Velg Fil | Lagre data som... . Skriv inn et filnavn i filnavnboksen. Velg en filtype for en av filene . csv eller sporing (*.s2p). Velg Omfanget (standardverdien for Viste spor er passende her). Velg et format (f.eks. loggstørrelse og vinkel, lineær størrelse og fase, ekte og imaginært, og vist format [for eksempel et Smith-diagram]). Trykk på SAVE for å lagre dataene.
  5. Kontroller og analyser testresultatene til et bandpassfilter. Et eksempel er beskrevet i følgende trinn.
    1. Identifiser deler av sporet ved å plassere markører på sporet. Velg Markør/analyse | Markør | 1, og trykk på OK.
    2. Velg Markør/analyse | Søk | Maks for å finne innsettingstapet for sporingsfilteret. Knotten på frontpanelet kan også brukes til å identifisere maxima og minima mens du feier markøren over frekvenspunkter.
    3. Velg Markør/analyse | Markør < 1, og velg deretter deltamarkør og koblet markører. Verdien av denne markøren som vist på skjermen, skal lese 0 dB. Dette angir en referanseverdi for de andre markørene.
    4. Velg Markør/analyse | Markør... | Markør 2 | På | sammenkoblet markører. Klikk inne i stimulansboksen for å markere frekvensen, og flytt deretter knappen til avlesningen av 2 på skjermen viser -3 dB.
    5. Velg Markør/analyse | Markør... | Markør 3 | | sammenkoblet markører. Klikk inne i stimulansboksen for å markere frekvensen og flytte knotten til avlesningen av 3 på skjermen viser -3 dB.
    6. Sammenlign de målte verdiene med de av produsentens filterspesifikasjoner.

Representative Results

Når du kontrollerer om en komponent fungerer som den skal, er det viktig å konsultere produsentens spesifikasjoner, som finnes på deres respektive nettsteder. Her ble filteret (Figur 10) målt etter å ha konsultert spesifikasjonene14. Som vist i figur 11ble innsettingstapet identifisert, samt 3 dB-punktene. Det målte innsettingstapet etter kalibrering, som vist ved markør 1, hadde en størrelsesorden på 0,83 dB. Det negative tegnet indikerer at det var et tap. Innsettingstapet i referansen er angitt til å være 0,8 dB justert (dBa). Den målte 3 dB-båndbredden til filteret endret fra 1749 MHz til 1854 MHz. Når dette trekkes fra, ga dette en verdi på 105 MHz, som er nær den typiske verdien på 104,5 MHz.

Det er 10 dB attenuatorer bygget for å tåle en inngangseffekt på 50 W, som beskrevet av produsentens spesifikasjoner15. Dempende spesifikasjonen for denne demperen er 10 dB ± 0,5 dB. På et tidspunkt var en inngangseffekt større enn 50 W inngang inn i attenuatoren, som skadet attenuatoren. En kalibrert VNA ble brukt til å kontrollere kvaliteten på denne komponenten. Igjen er det viktig å måle hver komponent før alle feltmålinger for kvalitetssikring. Måling av DUT er vist i figur 12. Til sammenligning er måling av en god 10 dB-attenuator vist i figur 13. Det bør bemerkes at den målte verdien var 9,88 dB ved 1750 MHz, som er innenfor det angitte området -9,5 til -10,5 dB over hele båndbredden på 1700–1900 MHz.

Til slutt er kabeltap en annen viktig måling som ofte utføres i radiofrekvensmålinger. Spesifikasjonene for den målte kabelen finner du på side 5 i databladet16. Dempingen per fot (dB/ft) var 0,05 dB ved 1 GHz, eller 0,16 dB/m. En målt kabel med en lengde på 11 m hadde et spesifisert tap på ~ 1,8 dB, ifølge produsenten. Det målte tapet er vist i figur 14. Med en frekvens på 1750 MHz var det målte tapet -1,88 dB (som, når det rundes opp til nærmeste tiendedel av en desibel, er en størrelsesorden på 1,9 dB).

Figure 1
Figur 1: Slå på VNA. Den røde sirkelen representerer plasseringen av VNA-strømknappen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: Høy kvalitet, fasestallkabler festet til to VNA-porter. Kablene er festet til frontpanelet på VNA ved hjelp av en 8 in.lbf. momentnøkkel. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Bilde 3: Rengjøringskontakter. (A) Rengjøring av den indre lederen, (B) rengjøring av den ytre lederen og gjengene, og (C) blåser forsiktig tørking av kontakten ved hjelp av trykkluft. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4: En 12 in.lbf. momentnøkkel for type N-kontakter. Denne nøkkelen brukes til å stramme forbindelsene mellom VNA-kablene og DUT. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5: Type N kalibreringssett. Vist her er et kalibreringssett som inneholder åpne, korte, belastninger og gjennom standarder som brukes til å kalibrere feil i VNA. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 6
Figur 6: Standardene for type N-kalibreringer. Fotografier av de mannlige og kvinnelige kalibreringsstandardene som brukes i kalibreringen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 7
Figur 7: Elektronisk kalibreringsmodul. Et fotografi av en elektronisk kalibreringsmodul. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 8
Figur 8: Gjennom kalibreringskontroll etter kalibrering på en loggstørrelsesplott som en frekvensfunksjon i GHz. Verdien av gjennom er 0,01 dB med en frekvens på 1,8 GHz. Dette viser verdien av gjennom som en funksjon av frekvens i GHz etter kalibrering. Gjennomstevnet brukes som kalibreringskontroll for å sikre at kalibreringen er gyldig. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 9
Figur 9: Smith Chart forklaring. Virkelige og imaginære impedansverdiplasseringer for standard impedanser vises i venstre figur, og impedansstørrelsesverdier vises i høyre figur17. Denne Smith Chart tegningen viser både den virkelige og imaginære impedansen til venstre og impedans størrelsesorden til høyre. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 10
Bilde 10: RF-filter satt inn mellom port 1 og 2. Et fotografi av et RF-filter satt inn mellom port 1 og 2 på slutten av VNA-kablene under målinger. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 11
Figur 11: Målt innsettingstap og 3 dB-punkter for RF-filter med spesifikasjoner i figur 9. Dette er et skjermbilde fra VNA under måling av RF-filteret som vises i figur 10. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 12
Figur 12: Måling av 10 dB-attenuator ikke innenfor spesifikasjonene. Den målte verdien er -22,70 dB ved 1,7 GHz og spesifikasjonen er 10 dB ± 0,5 dB. Det vises også måling av en 10 dB-attenuator som ikke lenger er innenfor spesifikasjonene. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 13
Figur 13: Måling av 10 dB-attenuator i spesifikasjonene. Den målte verdien var -9,88 dB. Også vist er måling av en 10-dB attenuator som er innenfor spesifikasjonene. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 14
Bilde 14: Måling av 11 m koaksialkabel på 3,05 m med en angitt dempingsverdi på 0,05 dB/ft. Tap gjennom lengden på kabelen var forventet å være ~ 1,8 dB, som er i samsvar med den målte verdien på -1,9 dB ved 1,87 GHz. Også vises er måling av en kabel som viser at det målte tapet er innenfor produsentens spesifikasjoner. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Det er viktig at VNA kan varmes opp til RT i minst 0,5 timer (selv om 1 timer er bedre) før kalibreringer utføres, noe som gjør at alle interne komponenter kan komme til RT og resulterer i mer stabile kalibreringer. En kalibrering kan vare i flere dager uten et stort tap av nøyaktighet; Kalibreringen kontrolleres imidlertid daglig ved hjelp av en kalibreringsstandard for å sikre integriteten til målingen. Inspeksjon av alle systemkomponenter er avgjørende, slik at dårlige kontakter ikke skader presisjonen til VNA. Det er best å bruke lavtrykkskabler med VNA. Kalibreringens integritet må kontrolleres før måling av en hvilken som helst systemkomponent eller DUT. Enhver måling utenfor spesifikasjonene som er angitt her, bør gjentas eller kreve en ny kalibrering. Til slutt, ved hjelp av produsentens spesifikasjoner for å sjekke de målte DUT-verdiene er en nødvendig del av validering.

Bruk av VNA som måleinstrument har sine begrensninger. Hvis DUT eller systemet har tap så store at de målte S-parametrene faller under støygulvet på VNA, kan det ikke måles med VNA. Det er mulig å senke støygulvet ved å redusere IF-båndbredden og øke feietiden. Dette vil redusere måleoppkjøpstiden; Dermed er det en avveining når du justerer disse parametrene. VNA kan ikke håndtere inngangskrefter som er større enn 30 dBm, så bruk av intern eller ekstern demping ved måling av forsterkere er nødvendig. VNA har en kilde og mottaker plassert i samme instrument, så det har blitt brukt som et radioforplantningsmålingssystem. Fordi kilden og mottakeren er plassert i VNA, må senderporten kobles sammen på en eller annen måte til mottaksporten. Vanligvis gjøres dette med kabler; Kabler legger imidlertid til tap, noe som reduserer det dynamiske omfanget av det som kan måles. Videre blir separasjonsavstander begrenset.

Den andre metoden som tap kan måles på er bruk av en signalgenerator og kraftmåler. Strømmåleren er en skalarmålingsenhet, slik at den bare kan måle et signals størrelse. Den kan ikke overvåke fasen av signalet, noe som resulterer i mindre nøyaktige målinger av signalet. VNA måler både størrelsen og fasen (av ekte og imaginære komponenter) av et målt signal i forhold til et velkjent inngangssignal, som er en måling av høyere kvalitet.

VNAs er et allsidig alternativ for mange typer målinger. Instrumentet kan brukes til å måle utstrålte radiosignaler ved hjelp av antenner på sende- og mottaksportene18. Tid domeneanalyse kan brukes til å overvåke signaler over tid og bestemme hvor en pause oppstår i en kabel. Det kan måle mange frekvenser under et sveip, som kan brukes til å forstå demping tap over mange frekvenser enten i en gjennomført19 eller utstrålt miljø20. Forstå de ulike parameterinnstillingene for VNA resulterer i godt karakteriserte DUTs / systemer, og målinger oppnådd med DUT / systemet kan brukes med høy grad av tillit.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Vi takker Defense Spectrum Office (DSO) for å finansiere dette arbeidet.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Commerce Spectrum Management Advisory Committee. 1755-1850 MHz Airborne Operations: Air Combat Training System Sub-Working Group Final Report. (2014).
  2. Hammerschmidt, C. A., Johnk, R. T., McKenna, P. M., Anderson, C. R. Best Practices for Radio Propagation Measurements. U.S. Dept. of Commerce. NTIA Technical Memo TM-19-535 (2018).
  3. Molisch, A. Wireless Communications - 2nd edition. J. Wiley & Sons, Ltd. Hoboken, NJ. (2010).
  4. Anderson, C. R. Design and Implementation of an Ultrabroadband Millimeter-Wavelength Vector Sliding Correlator Channel Sounder and In-Building Multipath Measurements at 2.5 & 60 GHz. Virginia Polytechnic Institute and State University. Master's Thesis (2002).
  5. Network Analyzer Basics. Keysight Technologies. Available from: http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5965-7917E.pdf (2019).
  6. Rytting, D. Network Analyzer Error Models and Calibration Methods. Available from: http://emlab.uiuc.edu/ece451/appnotes/Rytting_NAModels.pdf (2019).
  7. Rytting, D. Advances in Microwave Error Correction Techniques, Hewlett-Packard. RF & Microwave Measurement Symposium and Exhibition. Available from: http://na.support.keysight.com/faq/adv-ocr.pdf (2019).
  8. Kerns, D. M., Beatty, R. W. Basic Theory of Waveguide Junctions and Introductory Microwave Network Analysis (Monographs on Electromagnetic Waves). Pergamon Press. (1967).
  9. Engen, G. F. Microwave Circuit Theory and Foundations of Microwave Metrology. Peter Peregrinus, Ltd. London, UK. (1992).
  10. Witte, R. A. Spectrum and Network Measurements. Noble Publishing Corporation. Atlanta, GA. (2001).
  11. Jargon, J. A., Williams, D. F., Hale, P. D. Developing Models for Type-N Coaxial VNA Calibration Kits within the NIST Microwave Uncertainty Framework. 87th ARFTG Microwave Measurement Conference. Francisco, CA. (2016).
  12. Keysight Electronic Calibration Modules. Keysight Technologies. Available from: https://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/N7550-90002.pdf?id=2852836 (2019).
  13. Smith, P. H. Electronic Applications of the Smith Chart. Electromagnetics and Radar, SciTech Publishing, Inc. Raleigh, NC. (2006).
  14. K&L Microwave. Available from: http://www.klfilterwizard.com/klfwpart.aspx?FWS=1222001&PN=8FV50-1802_fT95-O_2fO (2019).
  15. Mini-Circuits. Available from: http://www.minicircuits.com/WebStore/dashboard.html?model=BW-N10W50_2B (2019).
  16. Utiflex Flexible Microwave Cable Assemblies Brochure. Available from: https://rf.cdiweb.com/datasheets/micro-coax/UtiflexCableAssemblies.pdf 5 (2019).
  17. Smith Chart Explanation. Available from: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Smith_chart_explanation.svg (2019).
  18. Camell, D., Johnk, R. T., Novotny, D., Grosvenor, C. Free-Space Antenna Factors through the Use of Time-Domain Signal Processing. IEEE Intl. Symp. Electromag. Compat. (2007).
  19. Baker-Jarvis, J., Janezic, M. D., Krupka, J. Measurements of Coaxial Dielectric Samples Employing Both Transmission/Reflection and Resonant Techniques to Enhance Air-Gap Corrections+. Intl. Conf. Microw., Radar & Wireless Communications. (2006).
  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).
Kalibrering av Vector Network Analyzer for målinger i radiofrekvensoverføringskanaler
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter