Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Engineering

Калибровка векторного анализатора сети для измерений в каналах распространения радиочастот

doi: 10.3791/60874 Published: June 2, 2020

Summary

Этот протокол описывает лучшие практики для калибровки анализатора векторной сети до использования в качестве точного инструмента, предназначенного для измерения компонентов системы радиочастотных измерений.

Abstract

При проведении измерений радиочастотного (РЧ) спектра данных дают представление о физике распространения радиочастотных волн и проверяют существующие и новые модели распространения спектра. Оба эти параметра имеют важное значение для поддержки и сохранения обмена спектром, свободным от помех, поскольку использование спектра продолжает увеличиваться. Очень важно, чтобы такие измерения распространения были точными, воспроизводимыми и свободными от артефактов и предубеждений. Характеристика прибыли и потери компонентов, используемых в этих измерениях, имеет жизненно важное значение для их точности. Анализатор векторной сети (VNA) — это устоявшаяся, высокоточная и универсальная часть оборудования, которая измеряет как величину, так и фазу сигналов при правильной калибровке. В этой статье подробно описаны лучшие практики для калибровки VNA. После откалибровки его можно использовать для точного измерения компонентов правильно настроенной системы измерения распространения (или зондирования канала) или можно использовать в качестве самой системы измерения.

Introduction

Институт телекоммуникационных наук (ITS) является исследовательской лабораторией Национального управления электросвязи и информации (NTIA), агентства Министерства торговли США. МТС активно участвует в измерениях радиораспространения с 1950-х годов. Распределение спектра, новая парадигма для федеральных и коммерческих пользователей спектра, требует, чтобы две разрозненные системы имеют один и тот же радиочастотный спектр одновременно. По мере увеличения сценариев совместного использования спектра возрастает и потребность в точных и воспроизводимых измерениях радиораспространения, которые обеспечивают лучшее понимание радиосреды, которой должны делиться несколько служб. Цель описанной процедуры заключается в обеспечении того, чтобы любые компоненты, составляющие такую систему, хорошо охарактеризовались точно настроенной ВНА.

Хотя спрос на спектр увеличивается, не всегда возможно быстро освободить спектр, который в настоящее время используется федеральными учреждениями в коммерческих целях. Например, в диапазоне Advanced Wireless Services (AWS)-3 (1755–1780 МГц) разрабатываются механизмы обмена спектрами между военными службами и коммерческими операторами беспроводной связи1. Эти механизмы позволяют коммерческим операторам беспроводной связи войти в диапазон AWS-3 до завершения перехода военных служб из группы.

Организация оборонного спектра (DSO) была поручена управлять переходом AWS-3. Ключевая часть перехода включает в себя разработку новых моделей распространения для оценки потенциала вмешательства РФ между военными и коммерческими беспроводными системами, разделяющие группу. DSO поручил ITS и другим выполнять серию измерений зондирования каналов для создания новых моделей, которые лучше вычисляют воздействие листвы и антропогенных структур в окружающей среде (коллективно известный как беспорядок). Улучшенное моделирование распространения, которое учитывает беспорядок, приведет к сокращению ограничений на коммерческие передатчики в непосредственной близости от военных систем.

На месте измерения активности спектра РФ дают представление о физике распространения волн РФ и проверяют существующие и новые модели радиораспространения. Оба этих компонента имеют важное значение для поддержки и сохранения обмена спектром, свободным от интерференции. Методы зондирования каналов, при которых известный тестовый сигнал передается из определенного места в мобильный или стационарный приемник, предоставляют данные, оценивающие характеристики радиоканалов в различных средах. Данные используются для разработки и улучшения моделей, которые более точно предсказывают потери распространения или замещение сигнала. Эти потери могут быть вызваны блокированием и отражением зданий и других препятствий (т.е. деревьев или рельефа местности в городских каньонах). Эти препятствия производят несколько, немного вариант, траектории распространения, что приводит к потере сигнала или ослаблению между передачей и приемной антенны.

Методы измерения ИТС дают точные, повторяемые и беспристрастные результаты. ДСО поощряет МТС делиться своими институциональными знаниями с более широким техническим сообществом. Эти знания включают в себя, как оптимально измерять и обрабатывать данные распространения В РФ. В недавно опубликованном Техническом меморандуме NTIA TM-19-5352,,33,4,,5 описывается набор передовых практик по подготовке и проверке систем измерения радиопропаганды. В рамках этих передовых методов ВНА используется для точного измерения потерь компонентов или прибыли системы измерений. Прибыль и потери затем используются для расчета затмения сигнала между двумя антеннами.

Представленный здесь протокол посвящен лучшим практикам калибровки VNA5 до тестирования в лабораторных или полевых приложениях. К ним относятся время разогрева, выбор типа разъема RF, надлежащие соединения и выполнение соответствующих шагов калибровки. Калибровка должна проводиться в контролируемой лабораторной среде до сбора данных в контексте конкретного сценария измерения распространения. Дополнительные соображения могут иметь отношение к конкретным средам измерения распространения, которые выходят за рамки настоящего протокола.

VNA используется для измерения характеристик компонентов и подсборок при сборке других измерительных систем. Усилители питания, приемники, фильтры, усилители низкого шума, смесители, кабели и антенны - все компоненты, которые могут быть охарактеризованы VNA. Перед тестированием и/или калибровкой системы готовится список всех необходимых компонентов системы, собраны все компоненты системы. Каждый компонент системы измеряется отдельно путем вставки их между кабелями VNA. Это гарантирует, что все компоненты работают в рамках спецификаций производителя. После проверки компонентов система собирается, и измеряются потери всей системы. Это гарантирует, что отражения и передачи между компонентами должным образом характеризуются.

VNA измеряет параметры рассеяния (S-параметры), которые представляют собой сложные количества как с величиной, так и с фазой. S-параметр представляет собой соотношения измерения либо 1) отраженного сигнала к сигналу инцидента (измерение отражения) или 2) передаемого сигнала сигналу инцидента (измерение передачи). Для двухпортового устройства можно измерить четыре S-параметра (S11,S21,S12и S22). Первый подкрипт относится к порту, где сигнал получен, а второй относится к порту, где передается сигнал. Таким образом, S11 означает, что передаваемый сигнал возник в порту 1 и был получен в порту 1. Кроме того, S21 означает, что передаваемый сигнал снова возник в порту 1, но получен в порту 2. S11 измеряет количество сигнала, которое отражается тестируемым устройством (DUT) в порту 1 со ссылкой на исходный сигнал, который был инцидентом в порту 1. S21 измеряет количество сигнала, который передается через DUT и прибывает в порт 2 со ссылкой на сигнал инцидента в порту 1. S11 является мерой коэффициента отражения DUT в порту 1, а S21 является мерой коэффициента передачи DUT от порта 1 до порта 2.

Калибровка VNA необходима для удаления систематических ошибок из компонентов до (и втомив) базисной плоскости измерения, которая обычно находится в конце кабелей измерения VNA. Калибровка устраняет системные ошибки, измеряя "идеальные" известные стандарты (открытые, шорты, нагрузки, через/линию) и сравнивая их со значением, которое измеряет VNA. С помощью серии исправлений отображается исправленное значение для DUT. Есть в настоящее время 12 терминов ошибок6,7, которые характеризуются при калибровке. Для получения дополнительной информации, обратитесь к оригинальным S-параметр измерений, которые были сделаны на шести-портовых сетевых анализаторов8 поддерживается классической теории микроволновой цепи9,10.

Наиболее распространенными типами измерений отражения S-параметра являются потеря возврата, соотношение стоячей волны (SWR), коэффициент отражения и соответствие импеданса. Наиболее распространенными типами измерений передачи S-параметра являются потеря вставки, коэффициент передачи, прибыль/потеря, задержка группы, задержка фазы или фазы и задержка электрооборудования. Измерения потери передачи подчеркиваются в описанном протоколе.

Измерение прибыли и потерь компонентов системы с использованием VNA хорошо понимается. Тем не менее, важные шаги часто пропущены, такие как очистка разъемов и использование надлежащего ключа крутящего момента. Этот протокол содержит все необходимые шаги и объяснения того, почему некоторые из них особенно важны. Он также послужит прелюдией к будущей статье, описывающей, как выполнять измерения распространения в РФ, включая расчеты затухания сигнала.

Protocol

1. Установка ВНА

  1. Соберите все компоненты системы измерения распространения, включая кабели, усилители, фильтры, DUTs (которые могут быть подсборки) и другие компоненты.
  2. Включите VNA(Рисунок 1),и дайте ему тепло, по крайней мере 0,5 ч, чтобы убедиться, что все внутренние компоненты VNA являются стабильной рабочей температурой и что фазовый дрейф сведен к минимуму.
  3. Нажмите кнопку Preset.
  4. Прикрепите высококачественные, фазо-стабильные кабели к портам 1 и 2 ВНА(рисунок 2).
  5. Затяните разъемы в портах VNA с 8 in.lbf. крутящий ключ. Чтобы правильно крутящий момент соединения, удерживайте конец ручки и осторожно нажмите на ручку, не позволяя ручке сломаться до конца.
  6. Визуально проверить все кабели и разъемы для очевидных признаков износа, таких как ники, вмятины, и несовершенные нити разъема.
  7. Проверьте спецификации производителя для допустимых диапазонов измерений для всех кабелей, разъемов и DUT. Эти спецификации могут включать температуру, влажность, частоту и мощность.
  8. Чистота разъемов на всех устройствах и концах кабеля. Используйте тампоны, специально разработанные для очистки чувствительной электроники и разъемов. Использование кабелей с грязными разъемами может привести к повреждению проводящих поверхностей кабелей и производить неточные измерения.
    1. Опустите ватный тампон в изопропиловый спирт.
    2. Аккуратно очистите центральный проводник(рисунок 3A)с помощью увлажненных тампоном. Не прилагайте слишком много силы на центральный проводник, так как он легко повреждается.
    3. Очистите внешний проводник каждого разъема(рисунок 3B). Очистите соединительные гайки нити.
    4. Сухие все кабеля и разъема заканчивается с помощью чистого сжатого воздуха(рисунок 3C). Если сжатый воздух охлаждает разъем, позвольте разъему вернуться к комнатной температуре (RT) перед изготовлением и затягиванием всех соединений.
  9. Выравнивание и подключение между кабелями VNA в портах 1 и 2 и DUT. Затяните с 12 in.lb. крутящий ключ для соединений типа N(рисунок 4). Убедитесь, что концы кабеля должным образом выровнены.
    1. Начните вращать разъем на стороне DUT на нити кабеля VNA. Правильные соединения позволяют гайке вращаться свободно с небольшим сопротивлением. Сопротивление является признаком перекрестного потока. Несогласованность может привести к повреждению разъема или вызвать отражение сигнала и потерю сигнала. Не затягивайте разъем, так как это повредит разъем.
    2. Расположите кабели ВНА так, чтобы они двигались минимально во время калибровки. Калибровочные кабели являются фазоно-стабильными и в идеале не согнуты и не перемещены во время калибровки.
  10. Отрегулируйте параметры измерения VNA в соответствии со спецификациями DUT. Диапазон частот также может быть выбран с помощью центра частоты и диапазона частот, известный как "span".
    1. Выберите диапазон частот. Выберите Меню Стимула (ru) Фрек Частота запуска: 1700 МГц. Выберите Меню Стимула (ru) Фрек Частота остановок: 1900 МГц.
    2. Выберите тип измерения (например, S11, S12, S21, S22). Выберите меню ответа Мера (мера) S21.
    3. Выберите и отрегулируйте мощность порта. Выберите Меню Стимула (ru) Мощность (англ.) Отрегулируйте мощность порта: 0 дБМ. Убедитесь, что мощность выхода равна (или ниже) спецификации максимальной мощности DUT.
    4. Выберите и отрегулируйте настройки развертки. Выберите Меню Стимула (ru) Подметать Sweep Тип: Шагнул. Выберите Меню Стимула (ru) Подметать время и время Время подметания: 1 сек. Затем выберите Меню Стимула Подметать Установка sweep (ru) Время жизни: 0 сек.
      ПРИМЕЧАНИЕ: шагнул развертки является наиболее точным типом развертки, как он шаги к каждой частоте и обитает на частоте, прежде чем сделать измерение. При использовании длинных кабелей время просечения может потребоваться увеличить, чтобы сигнал прибыл на приемник после измерения. Время ожидания 0 х с является оптимальной настройкой по умолчанию.
    5. Выберите и отрегулируйте режим усреднения, выбрав меню ответа Усреднение Усреднение: IFBW: 1 кГц.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Выберите подходящий тип усреднения: "точка усреднения" усредняет каждую точку частоты количество указанного времени (т.е., 2, 4 16, 32 и т.д.), что уменьшает шумовой пол и неопределенность, но увеличивает время размаха. IFBW использует фильтр для измерения мощности в небольшой пропускной способности, что также снижает шумовой пол, но требует меньше времени измерения. Усреднение IFWB, как правило, является более оптимальным методом усреднения.
    6. Выберите отображаемый формат данных (например, LogMag ,по умолчанию настройки), Смит Диаграмма, SWR и т.д.), выбрав меню ответа Формат (англ.) LogMag.
    7. Выберите количество точек данных в отображенном следе с помощью меню Stimulus Подметать Количество очков: 1601.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Количество точек устанавливается таким образом, что максимальный охват частоты может быть достигнут между стартом и стоп-частотами:

Equation 1

В приведенном выше примере размер шага или частота интервала составляет 0,125 МГц, так что частота (1) - 1700.000 МГц, частота (2) 1700,125 МГц, ... частота (1600) - 1899,875 МГц, частота (1601) - 1900 МГц.

2. Калибровка ВНА

  1. Выберите ручную или электронную калибровку, если есть и желаемый электронный калибровочный модуль (см. раздел 2.11). Либо калибровка является точной.
  2. Выберите Ручную калибровку, выбрав ответ Cal Меню Начните Скэл (ru) Мастер калибровки Неуправляемый.
    1. Выберите подходящий комплект калибровки таким образом, чтобы точное значение стандартов в конкретном комплекте калибровки было известно(рисунок 5). Здесь выберите 85054D, а затем выберите калибровку с коротким открытым грузом (SOLT) (для DUT с двумя портами). Другие доступные калибровки являются одним портом для устройства с одним портом, в дополнение к калибровке ответа. SOLT является наиболее точным вариантом11.
    2. Выберите далее, чтобы перейти к следующему экрану.
  3. Прикрепите стандарт открытой калибровки(рисунок 6) к кабелю, прикрепленному к порту 1. Стандарт открытой калибровки имеет открытую полость за разъемом для имитации свободного пространства- ипротона 377- .
  4. Прикрепите стандарт короткой калибровки к кабелю, прикрепленному к порту 2. Короткая имеет металлическую пластину за разъемом, так что входящий напряжение полностью отражается.
    1. Выберите Порт 1 ОТКРЫТО (RU) Тип N (50) женский открытый,который выполняет измерение прикрепленного открытого. След появится на экране VNA, мягко наклоняясь от 0 dB справочного уровня на S11, формат отображения для отображения для открытого стандарта. Как только измерение завершено (контрольный знак появится выше стандарта), нажмите кнопку OK, чтобы продолжить. Это позволит отправить пользователя обратно на предыдущий экран.
    2. Выберите мужской или женский стандарт калибровки с тем же полом разъем, что и DUT (т.е. мужской стандарт калибровки имеет центральный штифт, а женский стандарт калибровки будет иметь вставляемый порт). Старые VNТребуют стандарт калибровки, основанный на поле зрения кабеля VNA.
    3. Выберите Порт 2 КОРОТКАЯ И КОРОТКАЯ Тип N (50) женский короткий, который выполняет измерение прилагается короткий. След появится на экране VNA, мягко наклоняясь от 0 dB справочного уровня на S11, формат отображения бревендля величины для короткого стандарта. Как только измерение завершено (контрольный знак появится выше стандарта), нажмите кнопку OK, чтобы продолжить. Это позволит отправить пользователя обратно на предыдущий экран.
  5. Стандарты калибровки своп между портами (т.е. прикрепите стандарт открытой калибровки к порту 2, а затем прикрепите стандарт короткой калибровки к порту 1).
    1. Выберите Порт 1 КОРОТКАЯ И КОРОТКАЯ Тип N (50) женский короткий для измерения короткий на порт 1. След появится на экране VNA, мягко наклоняясь от 0 dB справочного уровня на S11, формат отображения бревендля величины для короткого стандарта. Как только измерение завершено (контрольный знак появится выше стандарта), нажмите кнопку OK, чтобы продолжить. Это позволит отправить пользователя обратно на предыдущий экран.
    2. Выберите Порт 2 ОТКРЫТО (RU) Тип N (50) женщина открыта для измерения открытого на порт 2. След появится на экране VNA, мягко наклоняясь от 0 dB справочного уровня на S11, формат отображения для отображения для открытого стандарта. Как только измерение завершено (контрольный знак появится выше стандарта), нажмите кнопку OK, чтобы продолжить. Это позволит отправить пользователя обратно на предыдущий экран.
  6. Удалите короткий из порта 1 и поместите широкополосную нагрузку на порт 1. Нагрузка поглощает поступающую энергию, что приводит к небольшому отражению на большом диапазоне частот.
    1. Выберите Порт 1 ГОГОНС Тип N (50) широкополосной нагрузки для измерения нагрузки на порт 1. Как только измерение завершено (контрольный знак появится выше стандарта), нажмите кнопку OK, чтобы продолжить. Это позволит отправить пользователя обратно на предыдущий экран.
    2. Сохраняйте текущий стандарт калибровки на порту 2. Не оставляйте порт открытым, так как он может обеспечить путь для сигналов утечки. След будет отображаться на экране VNA и меняться по всему экрану. Все измеренные значения на S11,формат отображения лог-величины будет меньше -20 дБ для хорошей нагрузки.
  7. Удалите открытую из порта 2, возьмите широкополосную нагрузку из порта 1 и поместите широкополосную нагрузку на порт 2. Разместите открытый из порта 2 в порту 1, чтобы предотвратить утечку сигналов.
    1. Выберите Порт 2 ГОГОНС Тип N (50) широкополосной нагрузки для измерения нагрузки на порт 2. След будет отображаться на экране VNA и меняться по всему экрану. Все измеренные значения на S11,формат отображения лог-величины будет меньше -20 дБ для хорошей нагрузки. Как только измерение завершено (контрольный знак появится выше стандарта), нажмите кнопку OK, чтобы продолжить. Это позволит отправить пользователя обратно на предыдущий экран.
  8. Вставьте стандарт калибровки между кабелями, прикрепленными к портам 1 и 2. Это, как правило, адаптер с тем же полом разъемы на обоих концах.
    1. Выберите THRU для измерения стандарта калибровки. Как только измерение завершено, на этом экране появится контрольный знак над стандартом THRU.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Измерение изоляции обычно может быть опущено во время калибровки, поскольку изоляция измеряет перекрестный разговор между кабелями, и его значение часто очень мало по сравнению с другими стандартами. Измерения калибровки выше могут быть сделаны в любом порядке.
  9. После того, как все стандарты имеют контрольный знак над ними, сохранить калибровку. Выберите Далее Сохранить как пользователь Calset. Введите имя для калибровки и нажмите кнопку SAVE.
  10. Проверьте калибровку, как подробно описано в разделе 3.
  11. Если не выбрана ручная калибровка, выберите вариант электронной калибровки12. Прикрепите электронный комплект калибровки(рисунок 7) к кабелям между портами 1 и 2. Выберите Ответ Cal Меню Начните Скэл (ru) Мастер калибровки Электронная калибровка с опцией электронной калибровки.
    1. Выберите 2-порт ECal Далее,затем выберите кнопку измерения. Модуль электронной калибровки автоматически измеряет ряд различных стандартов и подскажет пользователю сохранить калибровку в конце.
    2. Выберите Далее Сохранить как пользователь Calset. Введите имя для калибровки и нажмите кнопку SAVE.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Для электронной калибровки только кабели из портов 1 и 2 подключены к модулю. Все стандарты калибровки содержатся в модуле. Электронная калибровка автоматически откалибрует внутренние стандарты. Если модуль электронной калибровки не имеет тех же типов разъемов, что и кабели, необходимо будет завершить дополнительную калибровку для изменения коррекции ошибки калибровки, содержащейся в модуле, для учета адаптеров. Убедитесь в том, чтобы проверить с производителем для руководства.

3. Проверка калибровки

  1. Используйте через, чтобы проверить калибровку.
    1. Подключите через адаптер (Рисунок 6) без явных признаков износа кабелей между портами 1 и 2. Не измеряйте стандарт. Выберите другой через.
    2. Выберите ответ Мера (мера) S21, то ответ Масштабная шкала Масштаб. Установите значение Per Division до 0,1, нажав кнопку вниз стрелки. Выберите Меню Стимула (ru) Триггер Одноместный для измерения потери вставки через. Один развертки будет отображаться через диапазон частот.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Значение через на участке величины журнала лежит в пределах 0,05 дБ от 0 dB ссылка (Рисунок 8) для достаточной калибровки. Это эмпирическое значение, полученное за многие годы калибровки. Это можно увидеть, изменив шкалу до 0,05 дБ на деление.
    3. После того, как через был проверен, вернуть весовую шкалу обратно в 10 дБ /разделение, выбрав Ответ Масштабная шкала Масштабируйте и установите значение Per Division до 10. Выберите ответ Мера (мера) S11.
    4. Выберите Меню Стимула (ru) Триггер Одноместный для измерения S11. Значение хорошего через это следующее: S11 -20 дБ (1% отражения в мощности и 10% отражения напряжения).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Смит Диаграмма13 представление отображает impedance. Измерения S11 и S22 отображаются как небольшой круг в центре диаграммы. Значение импеданса находится в пределах 0,5 евро от 50-х ссылки для достаточной калибровки.
  2. Используйте нагрузку 50 евро, чтобы проверить калибровку.
    1. Прикрепите 50-ю соответствующую нагрузку к порту 1.
    2. Выберите Меню Стимула (ru) Триггер Одноместный для измерения S11.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Соответствующая нагрузка меньше -20 дБ (коэффициент отражения идеальной нагрузки составляет 0). Это также будет отображаться как небольшой круг в центре диаграммы Смита(рисунок 9).
  3. Используйте стандарт открытой калибровки для проверки калибровки.
    1. Подключите стандарт открытой калибровки.
    2. Выберите Меню Стимула (ru) Триггер Одноместный для измерения S11. Открытый 0 дБ на участке магнитудой журнала (коэффициент отражения идеального открытого составляет 1). На диаграмме Смита, открытый появляется как небольшой круг на 0 справа(рисунок 9) для достаточной калибровки.
  4. Используйте короткий стандарт калибровки для проверки калибровки.
    1. Подключите короткий стандарт калибровки.
    2. Выберите Меню Стимула (ru) Триггер Одноместный для измерения S11. Краткое 0 дБ (коэффициент отражения идеального короткого -1) на участке бревенчатой величины. На диаграмме Смита значение отображается как круг слева(рисунок 9)для достаточной калибровки.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если тест калибровки не удается, проверьте соединения и повторите калибровку. Если калибровка хорошая, продолжайте раздел 4.

4. Измерение потерь компонентов или системы

  1. Подключите DUT к VNA. Если DUT имеет более двух портов (т.е. коммутаторы, расщепления мощности и т.д.), прикрепите 50-х соответствующих нагрузок к портам, которые не подключены к VNA, так как мощность будет отражена от этих портов и измените измерение.
  2. Выберите Ответ Мера (мера) S21.
  3. Выберите Меню Стимула (ru) Триггер Одноместный для измерения DUT.
  4. Выберите файл Сохранить данные Как... . Введите имя файла в поле имени файла. Выберите тип файла либо . CSV или Trace (З.s2p). Выберите область действия (значение отображаемых следов по умолчанию подходит здесь). Выберите формат (например, величина и угол журнала, линейная величина и фаза, реальный и воображаемый формат (например, диаграмма Смита). Нажмите SAVE, чтобы сохранить данные.
  5. Проверьте и проанализируйте результаты тестирования фильтра полостак. Пример изложен в следующих шагах.
    1. Определите части следа, поставив маркеры на след. Выберите маркер/Анализ Маркер Маркер 1 и нажмите OK.
    2. Выберите маркер/Анализ Поиск маркеров Макс, чтобы найти потерю вставки фильтра трассировки. Ручка на передней панели также может быть использована для определения максимы и минимы при подметании маркера через частотные точки.
    3. Выберите маркер/Анализ Маркер Злт; Маркер 1, затем выберите дельта маркер и соединенные маркеры. Значение этого маркера, указанного на экране, должно просчитывать 0 дБ. Это установит эталонное значение для других маркеров.
    4. Выберите маркер/Анализ Маркер... Маркер 2 НА RU соединенные маркеры. Нажмите внутри окна стимула, чтобы выделить частоту, а затем переместить ручку до чтения маркера 2 на экране показывает -3 дБ.
    5. Выберите маркер/Анализ Маркер... Маркер 3 НА RU соединенные маркеры. Нажмите внутри окна стимула, чтобы выделить частоту и переместить ручку до чтения маркера 3 на экране показывает -3 дБ.
    6. Сравните измеренные значения с значениями фильтров производителя.

Representative Results

При проверке правильной работы компонента важно ознакомиться со спецификациями производителя, которые можно найти на их соответствующих веб-сайтах. Здесь, фильтр(Рисунок 10) был измерен после консультации его спецификации14. Как показано на рисунке 11, потеря вставки была определена, а также 3 dB точек. Измеренная потеря вставки после калибровки, как показано маркером 1, имела величину 0,83 дБ. Отрицательный знак указывает на то, что это был убыток. Потеря вставки в ссылке указана как 0.8 dB скорректирована (dBa). Измеренная пропускная способность фильтра в 3 дБ изменена с 1749 МГц до 1854 МГц. При вычете, это дало значение 105 МГц, что близко к типичному значению 104,5 МГц.

Есть 10 dB аттенуаторы построен, чтобы выдержать вхожную мощность 50 Вт, как описано в спецификациях производителя15. Спецификация затухания для этого аттенуатора составляет 10 дБ и 0,5 дБ. В какой-то момент в аттенуатор ввел входную мощность, превышающая 50 Вт, что повредило аттенуатор. Для проверки качества этого компонента использовалась откалиброванная VNA. Опять же, важно измерить каждый компонент до всех полевых измерений для обеспечения качества. Измерение DUT показано на рисунке 12. Для сравнения, измерение хорошего 10 дБ аттенуатора показано на рисунке 13. Следует отметить, что измеренное значение составило 9,88 дБ при 1750 МГц, что находится в пределах указанного диапазона от -9,5 до -10,5 дБ по всей пропускной способности 1700-1900 МГц.

Наконец, потеря кабеля является еще одним важным измерением, часто выполняемым в радиочастотных измерениях. Спецификации для измеренного кабеля можно найти на странице 5 листа данных16. Затухание на фут (дБ/фут) составило 0,05 дБ при 1 ГГц, или 0,16 дБ/м. Измеренный кабель длиной 36 футов/11 м имел указанную потерю в размере 1,8 дБ, по словам производителя. Измеренная потеря показана на рисунке 14. При частоте 1750 МГц измеренная потеря составила -1,88 дБ (которая, при округлени до ближайшей десятой децибел, имеет величину 1,9 дБ).

Figure 1
Рисунок 1: Включение ВНА. Красный круг представляет расположение кнопки питания VNA. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 2
Рисунок 2: Высокое качество, фазо-стабильные кабели, прикрепленные к двум портам VNA. Кабели крепятся к передней панели ВНА с помощью 8 в.lbf. крутящий ключ. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 3
Рисунок 3: Очистка разъемов. (A)Очистка внутреннего проводника, (B) очистка внешнего проводника и нитей, и (C) мягко удар сушки разъема с помощью сжатого воздуха. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 4
Рисунок 4: 12 в.lbf. ключ крутящего момента для разъемов типа N. Этот гаечный ключ используется для затягивания связей между кабелями VNA и DUT. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 5
Рисунок 5: Набор калибровки типа N. Здесь показан набор калибровки, содержащий открытые, короткие, нагружемые и через стандарты, используемые для калибровки ошибок в VNA. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 6
Рисунок 6: Стандарты калибровки типа N. Фотографии мужских и женских стандартов калибровки, используемых в калибровке. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 7
Рисунок 7: Электронный калибровочный модуль. Фотография электронного калибровоза. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 8
Рисунок 8: Проверка калибровки Thru после калибровки на участке бревенчатой величины в качестве функции частоты в ГГц. Значение через 0,01 дБ с частотой 1,8 ГГц. Это показывает значение через как функцию частоты в ГГц после калибровки. Через используется в качестве проверки калибровки, чтобы убедиться, что калибровка действительна. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 9
Рисунок 9: Смит Диаграмма объяснение. Реальные и воображаемые места значения импеданса для стандартных импедансов показаны на левой фигуре, а значения величины импеданса показаны на правой фигуре17. На рисунке Smith Chart показаны как реальные, так и воображаемые импеваны слева и импеданс наяса справа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 10
Рисунок 10: ФИЛЬТР RF, вставленный между портами 1 и 2. Фотография фильтра RF, вставленного между портами 1 и 2 в конце кабелей VNA во время измерений. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 11
Рисунок 11: Измеренная потеря вставки и 3 dB-точек для фильтра RF со спецификациями, приведенными на рисунке 9. Это скриншот из VNA во время измерения фильтра RF, который показан на рисунке 10. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 12
Рисунок 12: Измерение 10 дБ аттенуатора не в пределах его спецификаций. Измеренное значение -22,70 дБ при 1,7 ГГц, а его спецификация составляет 10 дБ и 0,5 дБ. Также показано измерение 10 dB аттенуатор, который больше не в пределах его спецификаций. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 13
Рисунок 13: Измерение 10 дБ аттенуатора в рамках его спецификаций. Измеренное значение составило -9,88 дБ. Также показано измерение 10-дБ аттенуатора, который находится в пределах его спецификаций. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 14
Рисунок 14: Измерение соосимного кабеля размером 36 футов (11 м) с 0,05 дБ/фута, указанное значением затухания. Ожидалось, что потеря по длине кабеля составит 1,8 дБ, что соответствует измеренному значению -1,9 дБ при 1,87 ГГц. Также отображается измерение кабеля, показывающее, что измеренная потеря находится в пределах спецификаций производителя. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Discussion

Важно, чтобы VNA прогреться до RT, по крайней мере 0,5 ч (хотя, 1 ч лучше) до калибровки выполняются, что позволяет всем внутренним компонентам прийти к RT и приводит к более стабильной калибровки. Одна калибровка может длиться несколько дней без большой потери точности; однако калибровка проверяется ежедневно с использованием стандарта калибровки для обеспечения целостности измерения. Проверка всех компонентов системы имеет важное значение для того, чтобы плохие разъемы не повредили точность VNA. Лучше всего использовать низкой потери кабелей с VNA. Целостность калибровки должна быть проверена перед измерением любого системного компонента или DUT. Любые измерения за пределами спецификаций, предусмотренных здесь, должны быть повторены или могут потребовать новой калибровки. Наконец, использование спецификаций производителя для проверки измеренных значений DUT является необходимой частью проверки.

Использование VNA в качестве измерительного прибора имеет свои ограничения. Если DUT или система имеет потери настолько велики, что измеренные S-параметры опадают ниже уровня шума VNA, он не может быть измерен с VNA. Можно снизить шумовой пол, уменьшая пропускную способность IF и увеличивая время размаха. Это замедлит время приобретения измерений; таким образом, при корректировке этих параметров существует компромисс. VNA не может обрабатывать входные мощности более 30 дБМ, поэтому при измерении усилителей требуется использование внутреннего или внешнего затухания. VNA имеет источник и приемник, расположенный в том же инструменте, поэтому он был использован в качестве системы измерения радиораспространения. Поскольку источник и приемник находятся в ВНА, передающий порт должен быть каким-то образом соединен с принимающим портом. Как правило, это делается с помощью кабелей; однако, кабели добавляют потерю, уменьшая динамический диапазон того, что может быть измерено. Кроме того, расстояния разделения становятся ограниченными.

Другой метод, с помощью которого потери могут быть измерены является использование генератора сигналов и счетчик мощности. Измеритель мощности является измерительным устройством, поэтому он может измерять только величину сигнала. Он не может контролировать фазу сигнала, что приводит к менее точным измерениям сигнала. VNA измеряет как величину, так и фазу (реальных и мнимых компонентов) измеренного сигнала по отношению к хорошо известному входным сигналу, который представляет собой более высокое качество измерения.

VNAs являются универсальным вариантом для многих типов измерений. Инструмент может быть использован для измерения излучаемых радиосигналов с помощью антенн на передающих и принимающих портах18. Анализ домена времени может использоваться для мониторинга сигналов с течением времени и определения того, где происходит разрыв в кабеле. Он может измерять много частот во время зачистки, которые могут быть использованы для понимания потерь затухания на многих частотах либо в проводимой19 или излучаемых среде20. Понимание различных параметров параметров ВНА приводит к хорошо охарактеризованным DUTs/систем, и измерения, полученные с помощью СИСТЕМы DUT/, могут быть использованы с высокой степенью достоверности.

Disclosures

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgments

Мы благодарим Управление оборонного спектра (DSO) за финансирование этой работы.

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).
Калибровка векторного анализатора сети для измерений в каналах распространения радиочастот
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