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Engineering

Calibración del analizador de red vectorial para mediciones en canales de propagación de radiofrecuencia

doi: 10.3791/60874 Published: June 2, 2020

Summary

Este protocolo describe las prácticas recomendadas para calibrar un analizador de red vectorial antes de utilizarlo como un instrumento preciso, destinado a medir los componentes de un sistema de prueba de medición de propagación de radiofrecuencia.

Abstract

Las mediciones in situ de la actividad del espectro de radiofrecuencia (RF) proporcionan información sobre la física de la propagación de ondas de radiofrecuencia y validan los modelos de propagación de espectro existentes y nuevos. Ambos parámetros son esenciales para apoyar y preservar el uso compartido del espectro libre de interferencias, ya que el uso del espectro sigue aumentando. Es vital que tales mediciones de propagación sean precisas, reproducibles y estén libres de artefactos y sesgos. Caracterizar las ganancias y pérdidas de los componentes utilizados en estas mediciones es vital para su precisión. Un analizador de red vectorial (VNA) es un equipo bien establecido, altamente preciso y versátil que mide la magnitud y la fase de las señales, si se calibra correctamente. En este artículo se detallan las prácticas recomendadas para calibrar un VNA. Una vez calibrado, se puede utilizar para medir con precisión los componentes de un sistema de medición de propagación (o sonido de canal) correctamente configurado o se puede utilizar como un sistema de medición en sí.

Introduction

El Instituto de Ciencias de las Telecomunicaciones (ITS) es el laboratorio de investigación de la Administración Nacional de Telecomunicaciones e Información (NTIA), una agencia del Departamento de Comercio de los Estados Unidos. ITS ha estado activo en mediciones de propagación radioeléctrico desde la década de 1950. El intercambio de espectro, el nuevo paradigma para los usuarios del espectro federal y comercial, requiere que dos sistemas dispares compartan al mismo tiempo el mismo espectro de radiofrecuencia. A medida que aumentan los escenarios de compartición de espectro, también aumenta la necesidad de mediciones de propagación radioeléctrico precisas y reproducibles que proporcionen una mejor comprensión del entorno radioeléctrico, que los servicios múltiples deben compartir. El objetivo del procedimiento descrito es asegurarse de que cualquier componente que constituya un sistema de este tipo esté bien caracterizado por un VNA configurado con precisión.

Si bien la demanda de espectro aumenta, no siempre es posible liberar rápidamente el espectro que actualmente utilizan las agencias federales con fines comerciales. Por ejemplo, en la banda Advanced Wireless Services (AWS)-3 (1755-1780 MHz), se están desarrollando acuerdos de intercambio de espectro entre los servicios militares y los operadores inalámbricos comerciales1. Estos acuerdos permiten a los operadores inalámbricos comerciales entrar en la banda AWS-3 antes de completar la transición de los servicios militares fuera de la banda.

La Organización del Espectro de Defensa (DSO) se ha encargado de administrar la transición de AWS-3. Una parte clave de la transición implica el desarrollo de nuevos modelos de propagación para evaluar el potencial de interferencia de RF entre los sistemas inalámbricos militares y comerciales que comparten la banda. El DSO ha encargado a ITS y a otros la realización de una serie de mediciones de sondeo de canales para construir nuevos modelos que calculen mejor el impacto del follaje y las estructuras artificiales en el entorno (colectivamente conocido como desorden). La mejora del modelado de propagación que considera el desorden dará lugar a menos restricciones a los transmisores comerciales en las proximidades de los sistemas militares.

Las mediciones in situ de la actividad del espectro RF proporcionan información sobre la física de la propagación de ondas RF y validan los modelos de propagación de radio existentes y nuevos. Ambos componentes son esenciales para apoyar y preservar el intercambio de espectro libre de interferencias. Las técnicas de sondeo de canales, en las que una señal de prueba conocida se transmite desde una ubicación específica a un receptor móvil o estacionario, proporcionan datos que estiman las características del canal de radio en diferentes entornos. Los datos se utilizan para desarrollar y mejorar modelos que predicen con mayor precisión las pérdidas de propagación o la atenuación de la señal. Estas pérdidas pueden deberse al bloqueo y la reflexión por parte de edificios y otros obstáculos (es decir, árboles o terreno en cañones urbanos). Estos obstáculos producen múltiples, ligeramente variantes, trayectorias de propagación que resultan en la pérdida de señal o atenuación entre la antena transmisora y receptora.

Las técnicas de medición de ITS producen resultados precisos, repetibles e imparciales. La OSD ha alentado a STI a compartir sus conocimientos institucionales con la comunidad técnica en general. Este conocimiento incluye cómo medir y procesar de forma óptima los datos de propagación de RF. El Memorándum Técnico NTIA TM-19-5352, 3 ,4,,,5, publicado recientemente, describe un conjunto de mejores prácticas para la preparación y verificación de sistemas de medición de propagación radioeléctrico.4 Como parte de estas prácticas recomendadas, se utiliza un VNA para medir con precisión las pérdidas o ganancias de componentes de un sistema de medición. Las ganancias y pérdidas se utilizan entonces para calcular la atenuación de la señal entre dos antenas.

El protocolo presentado aquí aborda las mejores prácticas para calibrar un VNA5 antes de realizar pruebas en aplicaciones de laboratorio o de campo. Estos incluyen el tiempo de calentamiento, la selección del tipo de conector RF, la realización de conexiones adecuadas y el rendimiento de los pasos de calibración adecuados. La calibración debe llevarse a cabo en un entorno de laboratorio controlado antes de la recopilación de datos en el contexto de un escenario de medición de propagación específico. Consideraciones adicionales pueden ser relevantes para entornos de medición de propagación específicos, que están fuera del ámbito de este protocolo.

El VNA se utiliza para medir las características del dispositivo de los componentes y subensamblajes al ensamblar otros sistemas de medición. Amplificadores de potencia, receptores, filtros, amplificadores de bajo ruido, mezcladores, cables y antenas son todos componentes que se pueden caracterizar por un VNA. Antes de probar y/o calibrar un sistema, se prepara una lista de todos los componentes necesarios del sistema y se ensamblan todos los componentes del sistema. Cada componente de un sistema se mide por separado insertándolos entre los cables VNA. Esto garantiza que todos los componentes funcionen dentro de las especificaciones del fabricante. Una vez comprobados los componentes, se monta el sistema y se miden las pérdidas en todo el sistema. Esto garantiza que las reflexiones y transmisiones entre los componentes se caractericen adecuadamente.

Un VNA mide los parámetros de dispersión (parámetros S), que son cantidades de valor complejo con magnitud y fase. Un parámetro S es una medición de relación de la señal reflejada 1) a la señal incidente (medida de reflexión) o 2) señal transmitida a la señal incidente (medida de transmisión). Para un dispositivo de dos puertos, se pueden medir cuatro parámetros S (S11,S21,S12y S22). El primer subíndice se refiere al puerto donde se recibe la señal, y el segundo se refiere al puerto donde se transmite la señal. Así, S11 significa la señal transmitida originada en el puerto 1 y fue recibida en el puerto 1. Además, S21 significa que la señal transmitida originó otra vez en el puerto 1 pero se recibe en el puerto 2. S11 mide la cantidad de señal que refleja el dispositivo bajo prueba (DUT) en el puerto 1 con referencia a la señal original que fue incidente en el puerto 1. S21 mide la cantidad de señal que se transmite a través del DUT y llega al puerto 2 con referencia a la señal incidente en el puerto 1. S11 es una medida del coeficiente de reflexión del DUT en el puerto 1, y S21 es una medida del coeficiente de transmisión del DUT desde el puerto 1 hasta el puerto 2.

Se requiere una calibración del VNA para eliminar los errores sistemáticos de los componentes hasta (e incluyendo) el plano de referencia de medición, que normalmente se encuentra al final de los cables de medición de VNA. Una calibración elimina los errores del sistema midiendo estándares conocidos "perfectos" (abiertos, cortos, cargas, a través/línea) y comparándolo con el valor que mide el VNA. A través de una serie de correcciones de errores, se muestra un valor corregido para el DUT. Actualmente hay 12 términos de error6,,7 que se caracterizan durante la calibración. Para obtener más información, consulte las mediciones originales de los parámetros S que se realizaron en analizadores de red de seis puertos8 compatibles con la teoría clásica de circuitos de microondas9,,10.

Los tipos más comunes de mediciones de reflexión de parámetros S son la pérdida de retorno, la relación de onda estacionaria (SWR), el coeficiente de reflexión y la coincidencia de impedancia. Los tipos más comunes de mediciones de transmisión de parámetros S son la pérdida de inserción, el coeficiente de transmisión, la ganancia/pérdida, el retardo de grupo, el retardo de fase o fase y el retardo eléctrico. Las mediciones de pérdida de transmisión se enfatizan en el protocolo descrito.

La medición de las ganancias y pérdidas de los componentes del sistema utilizando un VNA es bien entendida. Sin embargo, a menudo se omiten pasos importantes, como la limpieza de conectores y el uso de una llave de torsión adecuada. Este protocolo proporciona todos los pasos necesarios y explicaciones de por qué algunos son particularmente importantes. También servirá como preludio de un artículo futuro que describe cómo realizar mediciones de propagación de RF, incluidos los cálculos de la atenuación de la señal.

Protocol

1. Configuración de VNA

  1. Reúna todos los componentes del sistema de medición de propagación, incluidos cables, amplificadores, filtros, DUT (que pueden ser subensamblajes) y otros componentes.
  2. Encienda el VNA (Figura 1), y déjelo calentar durante al menos 0,5 h para asegurarse de que todos los componentes internos del VNA son una temperatura de funcionamiento estable y que la deriva de fase se minimiza.
  3. Pulse el botón Preset.
  4. Conecte cables de alta calidad y estables de fase a los puertos 1 y 2 del VNA(Figura 2).
  5. Apriete los conectores en los puertos VNA con un 8 in.lbf. llave de torsión. Para torcer correctamente una conexión, sostenga el extremo de la manija y empuje suavemente el mango sin permitir que el mango se rompa hasta el final.
  6. Inspeccione visualmente todos los cables y conectores en busca de signos evidentes de desgaste, como abolladuras, abolladuras y roscas de conector imperfectas.
  7. Compruebe las especificaciones del fabricante para ver los rangos de medición válidos para todos los cables, conectores y DUT. Estas especificaciones pueden incluir temperatura, humedad, frecuencia y potencia.
  8. Limpie los conectores en todos los dispositivos y extremos de cable. Utilice hisopos diseñados específicamente para limpiar componentes electrónicos y conectores sensibles. El uso de cables con conectores sucios puede dañar las superficies conductoras de los cables y producir mediciones inexactas.
    1. Sumerja un hisopo de algodón en alcohol isopropílico.
    2. Limpie suavemente el conductor central (Figura 3A) con el hisopo humedecido. No ejerza demasiada fuerza sobre el conductor central, ya que se daña fácilmente.
    3. Limpie el conductor exterior de cada conector(Figura 3B). Limpie las roscas de tuercas de acoplamiento.
    4. Seque todos los extremos del cable y del conector con aire comprimido limpio (Figura 3C). Si el aire comprimido enfría el conector, permita que el conector vuelva a la temperatura ambiente (RT) antes de realizar y apretar todas las conexiones.
  9. Alinee y realice conexiones entre los cables VNA en los puertos 1 y 2 y el DUT. Apriete con un in.lb de 12. llave de torsión para conexiones de tipo N (Figura 4). Asegúrese de que los extremos del cable estén correctamente alineados.
    1. Comience a girar el conector en el lado DUT sobre las roscas de cable VNA. Las conexiones adecuadas permiten que la tuerca gire libremente con poca resistencia. La resistencia es un signo de roscado cruzado. La desalineación puede dañar el conector o causar reflejos de señal y pérdida de señal. No apriete demasiado el conector, ya que esto dañará el conector.
    2. Coloque los cables del VNA de manera que se muevan mínimamente durante la calibración. Los cables de calibración son estables en fase e idealmente no se doblan ni se mueven durante la calibración.
  10. Ajuste los parámetros de medición de VNA de acuerdo con las especificaciones del DUT. El rango de frecuencia también se puede seleccionar utilizando el rango de frecuencia y frecuencia central conocido como "span".
    1. Seleccione el rango de frecuencia. Elija menú de estímulos Freq ? Frecuencia de inicio: 1700 MHz. Elija menú de estímulos Freq ? Frecuencia de parada: 1900 MHz.
    2. Seleccione el tipo de medida (por ejemplo, S11, S12, S21, S22). Elija Menú de respuesta ( Response Menu) Medidas ? S21.
    3. Seleccione y ajuste la alimentación del puerto. Elija menú de estímulos Potencia de la alimentación ( Power) Ajustar potencia de puerto: 0 dBm. Asegúrese de que la potencia de salida sea igual (o inferior) a la especificación de potencia máxima DUT.
    4. Seleccione y ajuste la configuración de barrido. Elija menú de estímulos Barrido de barridos ? Tipo de barrido: Escalonado. Elija menú de estímulos Barrido de barridos ? tiempo ? Tiempo de barrido: 1 seg. A continuación, elija Menú de estímulos ( Stimulus Menu) Barrido de barridos ? Configuración de barridos ? Tiempo de permanencia: 0 segundos.
      NOTA: Un barrido escalonado es el tipo de barrido más preciso, ya que se dirige a cada frecuencia y se encuentra en una frecuencia antes de realizar una medición. Si se utilizan cables largos, es posible que sea necesario aumentar el tiempo de permanencia para asegurarse de que la señal llega al receptor después de la medición. Un tiempo de permanencia de 0 es un ajuste predeterminado óptimo.
    5. Seleccione y ajuste el modo de promediación seleccionando Menú de respuesta . Promedio de la estación de Promedio: IFBW: 1 kHz.
      NOTA: Elija el tipo de promediación adecuado: "promedio de punto" promedia cada punto de frecuencia un número de tiempos especificados (es decir, 2, 4 16, 32, etc.), lo que reduce el suelo de ruido y la incertidumbre, pero aumenta el tiempo de barrido. IFBW utiliza un filtro para medir la potencia en un ancho de banda pequeño, lo que también reduce el suelo de ruido pero requiere menos tiempo de medición. El promedio de la IFWB tiende a ser una técnica de promediación más óptima.
    6. Elija el formato de datos mostrado (p. ej., LogMag [configuración predeterminada], Gráfico Smith, SWR, etc.) seleccionando Menú de respuesta . Formato ? LogMag.
    7. Elija el número de puntos de datos en el seguimiento que se muestra utilizando el menú Estímulos . Barrido de barridos ? Número de puntos: 1601.
      NOTA: El número de puntos se establece para que se pueda alcanzar la cobertura de frecuencia máxima entre las frecuencias de inicio y parada:

Equation 1

En el ejemplo anterior, el tamaño del paso o el espaciado de frecuencia es de 0,125 MHz, de modo que frequency(1) a 1700.000 MHz, frequency(2) a 1700.125 MHz, ... frecuencia (1600) a 1899.875 MHz, frecuencia (1601) a 1900 MHz.

2. Calibración del VNA

  1. Elija una calibración manual o electrónica, si hay un módulo de calibración electrónica disponible y deseado (ver sección 2.11). Cualquiera de las dos calibraciones es precisa.
  2. Seleccione Calibración manual seleccionando Respuesta ? Menú Cal (Cal Menu) Iniciar Cal ? Asistente de calibración ? Sin guía.
    1. Elija el kit de calibración adecuado para que se conozca un valor preciso de las normas del kit de calibración específico (Figura 5). Aquí, elija 85054D, después elija la calibración de carga abierta corta de dos puertos (SOLT) (para un DUT con dos puertos). Otras calibraciones disponibles son un puerto único para un dispositivo con un solo puerto, además de una calibración de respuesta. El SOLT es la opción11más precisa.
    2. Seleccione Siguiente para ir a la siguiente pantalla.
  3. Adjunte un estándar de calibración abierto (Figura 6) al cable conectado al puerto 1. Un estándar de calibración abierta tiene una cavidad abierta detrás del conector para simular una impedancia de espacio libre de 377o.
  4. Conecte un estándar de calibración corto al cable conectado al puerto 2. Un corto tiene una placa de metal detrás del conector para que la tensión entrante se refleje completamente.
    1. Elija el puerto 1 ABRIR (OPEN) Tipo N (50) hembra abierta,que realiza una medición del abierto adjunto. Aparecerá un seguimiento en la pantalla VNA, inclinada suavemente lejos de un nivel de referencia de 0 dB en un formato de visualización S11,de magnitud de registro para el estándar abierto. Una vez completada la medición (aparecerá una marca de verificación por encima del estándar), pulse el botón OK para continuar. Esto enviará al usuario de vuelta a la pantalla anterior.
    2. Elija un estándar de calibración masculino o femenino con el mismo conector de sexo que el del DUT (es decir, un estándar de calibración masculino tiene el pasador central, y un estándar de calibración hembra tendrá un puerto insertable). Los VNA más antiguos requieren un estándar de calibración basado en el sexo del cable VNA.
    3. Elija el puerto 2 CORTO ? Tipo N (50) corto femenino,que realiza una medida del corto adjunto. Aparecerá un seguimiento en la pantalla VNA, inclinada suavemente lejos de un nivel de referencia de 0 dB en un formato de visualización S11,de magnitud de registro para el estándar corto. Una vez completada la medición (aparecerá una marca de verificación por encima del estándar), pulse el botón OK para continuar. Esto enviará al usuario de vuelta a la pantalla anterior.
  5. Intercambie los estándares de calibración entre puertos (es decir, conecte el estándar de calibración abierta al puerto 2 y, a continuación, conecte el estándar de calibración corta al puerto 1).
    1. Elija el puerto 1 CORTO ? Tipo N (50) hembra corta para medir el cortocircuito en el puerto 1. Aparecerá un seguimiento en la pantalla VNA, inclinada suavemente lejos de un nivel de referencia de 0 dB en un formato de visualización S11,de magnitud de registro para el estándar corto. Una vez completada la medición (aparecerá una marca de verificación por encima del estándar), pulse el botón OK para continuar. Esto enviará al usuario de vuelta a la pantalla anterior.
    2. Elija el puerto 2 ABRIR (OPEN) Tipo N (50) hembra abierta para medir la apertura en el puerto 2. Aparecerá un seguimiento en la pantalla VNA, inclinada suavemente lejos de un nivel de referencia de 0 dB en un formato de visualización S11,de magnitud de registro para el estándar abierto. Una vez completada la medición (aparecerá una marca de verificación por encima del estándar), pulse el botón OK para continuar. Esto enviará al usuario de vuelta a la pantalla anterior.
  6. Retire el cortocircuito del puerto 1 y coloque una carga de banda ancha en el puerto 1. Una carga absorbe la energía entrante, lo que resulta en un pequeño reflejo en una amplia gama de frecuencias.
    1. Elija el puerto 1 CARGAS ? Tipo N (50) carga de banda ancha para medir la carga en el puerto 1. Una vez completada la medición (aparecerá una marca de verificación por encima del estándar), pulse el botón OK para continuar. Esto enviará al usuario de vuelta a la pantalla anterior.
    2. Mantenga el estándar de calibración actual en el puerto 2. No deje el puerto abierto, ya que puede proporcionar una ruta para las señales de fuga. Aparecerá un seguimiento en la pantalla VNA y variará en toda la pantalla. Todos los valores medidos en un S11,el formato de visualización de magnitud de registro será inferior a -20 dB para una buena carga.
  7. Quite el abierto del puerto 2, tome la carga de banda ancha del puerto 1, y coloque la carga de banda ancha en el puerto 2. Coloque la apertura del puerto 2 en el puerto 1 para evitar señales de fuga.
    1. Elija el puerto 2 CARGAS ? Tipo N (50) carga de banda ancha para medir la carga en el puerto 2. Aparecerá un seguimiento en la pantalla VNA y variará en toda la pantalla. Todos los valores medidos en un S11,el formato de visualización de magnitud de registro será inferior a -20 dB para una buena carga. Una vez completada la medición (aparecerá una marca de verificación por encima del estándar), pulse el botón OK para continuar. Esto enviará al usuario de vuelta a la pantalla anterior.
  8. Inserte un estándar de calibración entre los cables conectados a los puertos 1 y 2. Normalmente se trata de un adaptador con los mismos conectores de sexo en ambos extremos.
    1. Elija THRU para medir el estándar de calibración a través. Una vez completada la medición, aparecerá una marca de verificación por encima del estándar THRU en esta pantalla.
      NOTA: La medición de aislamiento normalmente se puede omitir durante la calibración, ya que el aislamiento mide la conversación cruzada entre los cables y su valor es a menudo muy pequeño en comparación con otros estándares. Las mediciones de calibración anteriores se pueden realizar en cualquier orden.
  9. Una vez que todos los estándares tengan una marca de verificación por encima de ellos, guarde la calibración. Elija Siguiente ? Guardar como Calset de usuario. Introduzca un nombre para la calibración y pulse el botón GUARDAR.
  10. Compruebe la calibración como se detalla en la sección 3.
  11. Si no se selecciona una calibración manual, elija la opción de calibración electrónica12. Conecte el kit de calibración electrónica (Figura 7) a los cables entre los puertos 1 y 2. Seleccione Respuesta ? Menú Cal (Cal Menu) Iniciar Cal ? Asistente de calibración ? Calibración electrónica con la opción de calibración electrónica.
    1. Elija ECal de 2 puertos ( ECal de 2 puertos) A continuación,seleccione el botón Medir. El módulo de calibración electrónica medirá automáticamente una serie de estándares diferentes y pedirá al usuario que guarde la calibración al final.
    2. Elija Siguiente ? Guardar como Calset de usuario. Introduzca un nombre para la calibración y pulse el botón GUARDAR.
      NOTA: Para una calibración electrónica, solo los cables de los puertos 1 y 2 están conectados al módulo. Todos los estándares de calibración están contenidos en el módulo. La calibración electrónica calibrará las normas internas automáticamente. Si el módulo de calibración electrónica no tiene los mismos tipos de conectores que los cables, deberá completarse una calibración adicional para modificar las correcciones de errores de calibración contenidas en el módulo para tener en cuenta los adaptadores. Asegúrese de consultar con el fabricante para obtener orientación.

3. Comprobación de la calibración

  1. Utilice un hasta para comprobar la calibración.
    1. Conecte un adaptador pasante (Figura 6) sin signos evidentes de desgaste a los cables entre los puertos 1 y 2. No mida el estándar. Elija un hasta otro.
    2. Elija Respuesta (Response) Medidas ? S21, a continuación, Respuesta ? Escala ? La báscula. Establezca el valor Por división en 0,1 pulsando el botón de flecha hacia abajo. Elija menú de estímulos Desencadenador ? Sencillo para medir la pérdida de inserción de la a través. Aparecerá un solo barrido en todo el rango de frecuencia.
      NOTA: El valor del thru en una gráfica de magnitud de registro se encuentra dentro de 0,05 dB de la referencia de 0 dB (Figura 8) para una calibración suficiente. Este es un valor empírico obtenido a lo largo de muchos años de calibraciones. Esto se puede ver cambiando la escala a 0.05 dB por división.
    3. Una vez que se haya comprobado el paso, devuelva la báscula a 10 dB/division seleccionando Response (Respuesta) Escala ? Escale y establezca el valor Por división en 10. Elija Respuesta (Response) Medidas ? S11.
    4. Elija menú de estímulos Desencadenador ? Sencillo para medir S11. El valor de un bien es el siguiente: S11? -20 dB (1% de reflexión en potencia y 10% de reflexión en voltaje).
      NOTA: La representación de Smith Chart13 muestra impedancia. Las medidas de S11 y S22 aparecen como un pequeño círculo en el centro del gráfico. El valor de impedancia está dentro de 0,5o desde la referencia de 50o para una calibración suficiente.
  2. Utilice una carga de 50o para comprobar la calibración.
    1. Adjunte una carga coincidente de 50o al puerto 1.
    2. Elija menú de estímulos Desencadenador ? Sencillo para medir S11.
      NOTA: Una carga coincidente es inferior a -20 dB (el coeficiente de reflexión de una carga ideal es 0). Esto también aparecerá como un pequeño círculo en el centro de la carta de Smith (Figura 9).
  3. Utilice un estándar de calibración abierto para comprobar la calibración.
    1. Conecte un estándar de calibración abierto.
    2. Elija menú de estímulos Desencadenador ? Sencillo para medir S11. Una apertura es de 0 dB en una gráfica de magnitud log (el coeficiente de reflexión de una apertura ideal es 1). En un gráfico Smith, la apertura aparece como un pequeño círculo en 0 en el extremo derecho (Figura 9) para una calibración suficiente.
  4. Utilice un estándar de calibración corto para comprobar la calibración.
    1. Conecte un estándar de calibración corto.
    2. Elija menú de estímulos Desencadenador ? Sencillo para medir S11. Un short es 0 dB (el coeficiente de reflexión de un short ideal es -1) en la gráfica log-magnitude. En el gráfico Smith, el valor aparece como un círculo en el extremo izquierdo (Figura 9) para una calibración suficiente.
      NOTA: Si se produce un error en una prueba de calibración, compruebe las conexiones y repita la calibración. Si la calibración es buena, continúe con la sección 4.

4. Medición de componentes o pérdidas del sistema

  1. Conecte el DUT al VNA. Si el DUT tiene más de dos puertos (es decir, conmutadores, divisores de alimentación, etc.), conecte 50 cargas coincidentes a los puertos que no están conectados al VNA, ya que la potencia se reflejará desde estos puertos y cambiará la medición.
  2. Seleccione Respuesta ? Medidas ? S21.
  3. Seleccione Menú de Estímulos (Stimulus Menu) Desencadenador ? Sencillo para medir el DUT.
  4. Seleccione Archivo ?? Guardar datos como... . Escriba un nombre de archivo en el cuadro de nombre de archivo. Elija un tipo de archivo de cualquiera de los archivos . CSV o Trace (*.s2p). Elija el ámbito (el valor predeterminado de Los seguimientos mostrados es apropiado aquí). Elija un formato (por ejemplo, magnitud y ángulo del registro, magnitud y fase lineales, real e imaginario y formato mostrado [como un gráfico Smith]). Pulse GUARDAR para guardar los datos.
  5. Compruebe y analice los resultados de la prueba de un filtro de paso de banda. En los pasos siguientes se describe un ejemplo.
    1. Identifique partes del seguimiento colocando marcadores en el seguimiento. Seleccione Marcador/Análisis ? Marcador ? Marcador 1 y pulse OK.
    2. Seleccione Marcador/Análisis ? Búsqueda de marcadores ? Max para encontrar la pérdida de inserción del filtro de seguimiento. La perilla del panel frontal también se puede utilizar para identificar maxima y minima mientras se barre el marcador a través de puntos de frecuencia.
    3. Seleccione Marcador/Análisis ? Marcador < Marcador 1, a continuación, seleccione marcador delta y marcadores acoplados. El valor de este marcador como se muestra en la pantalla debe leer 0 dB. Esto establecerá un valor de referencia para los otros marcadores.
    4. Seleccione Marcador/Análisis ? Marcador... Marcador 2 ? ON ( ON) marcadores acoplados. Haga clic dentro del cuadro de estímulo para resaltar la frecuencia, luego mueva la perilla hasta que la lectura del marcador 2 en la pantalla muestre -3 dB.
    5. Seleccione Marcador/Análisis ? Marcador... Marcador 3 ? ON ( ON) marcadores acoplados. Haga clic dentro del cuadro de estímulo para resaltar la frecuencia y mover la perilla hasta que la lectura del marcador 3 en la pantalla muestre -3 dB.
    6. Compare los valores medidos con los de las especificaciones del filtro del fabricante.

Representative Results

Al verificar si un componente funciona correctamente, es importante consultar las especificaciones del fabricante, que se pueden encontrar en sus respectivos sitios web. Aquí, el filtro (Figura 10) se midió después de consultar sus especificaciones14. Tal y como se muestra en del cuadro 11,se identificó la pérdida de inserción, así como los 3 puntos dB. La pérdida de inserción medida después de la calibración, como se muestra en el marcador 1, tuvo una magnitud de 0,83 dB. El signo negativo indica que fue una pérdida. La pérdida de inserción en la referencia se especifica para ajustar 0,8 dB (dBa). El ancho de banda medido de 3 dB del filtro cambió de 1749 MHz a 1854 MHz. Cuando se restó, esto produjo un valor de 105 MHz, que está cerca del valor típico de 104,5 MHz.

Hay atenuadores de 10 dB construidos para soportar una potencia de entrada de 50 W, como se describe en las especificaciones del fabricante15. La especificación de atenuación para este atenuador es de 10 dB a 0,5 dB. En algún momento, se inscó una potencia de entrada superior a 50 W en el atenuador, lo que dañó el atenuador. Se utilizó un VNA calibrado para comprobar la calidad de este componente. Una vez más, es importante medir cada componente antes de todas las mediciones de campo para el aseguramiento de la calidad. La medición del DUT se muestra en la Figura 12. En comparación, la medición de un buen atenuador de 10 dB se muestra en la Figura 13. Cabe señalar que el valor medido era de 9,88 dB a 1750 MHz, que está dentro del rango especificado de -9,5 a -10,5 dB en todo el ancho de banda de 1700–1900 MHz.

Por último, la pérdida de cable es otra medida importante que se realiza con frecuencia en las mediciones de radiofrecuencia. Las especificaciones para el cable medido se pueden encontrar en la página 5 de la hoja de datos16. La atenuación por pie (dB/ft) fue de 0,05 dB a 1 GHz, o 0,16 dB/m. Un cable medido con una longitud de 36 pies/11 m tenía una pérdida especificada de 1,8 dB, según el fabricante. La pérdida medida se muestra en la Figura 14. A una frecuencia de 1750 MHz, la pérdida medida fue de -1,88 dB (que, cuando se redondea hasta la décima parte más cercana de un decibelio, es una magnitud de 1,9 dB).

Figure 1
Figura 1: Encendido del VNA. El círculo rojo representa la ubicación del botón de encendido VNA. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Cables de alta calidad y estables en fase conectados a dos puertos VNA. Los cables están conectados al panel frontal del VNA utilizando un 8 in.lbf. llave de torsión. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Conectores de limpieza. (A) Limpieza del conductor interno, (B) limpieza del conductor exterior y roscas, y (C) secar suavemente el conector con aire comprimido. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: Una llave de torsión de 12 in.lbf. para conectores de tipo N. Esta llave se utiliza para ajustar las conexiones entre los cables VNA y DUT. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5: Kit de calibración tipo N. Aquí se muestra un kit de calibración que contiene estándares abiertos, cortos, de carga y a través utilizados para calibrar errores en el VNA. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 6
Figura 6: Estándares de calibraciones de tipo N. Fotografías de los estándares de calibración masculinos y femeninos utilizados en la calibración. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 7
Figura 7: Módulo de calibración electrónica. Una fotografía de un módulo de calibración electrónica. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 8
Figura 8: Comprobación de calibración después de la calibración en una gráfica de magnitud de registro en función de la frecuencia en GHz. El valor del thru es 0.01 dB a una frecuencia de 1.8 GHz. Esto muestra el valor de la a través como una función de frecuencia en GHz después de la calibración. El thru se utiliza como una comprobación de calibración para asegurarse de que la calibración es válida. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 9
Figura 9: Explicación de Smith Chart. Las ubicaciones de valores de impedancia reales e imaginarias para impedancias estándar se muestran en la figura de la izquierda, y los valores de magnitud de impedancia se muestran en la figura de la derecha17. Este dibujo de Smith Chart muestra la impedancia real e imaginaria a la izquierda y la magnitud de la impedancia a la derecha. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 10
Figura 10: Filtro RF insertado entre los puertos 1 y 2. Fotografía de un filtro RF insertado entre los puertos 1 y 2 al final de los cables VNA durante las mediciones. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 11
Figura 11: Pérdida de inserción medida y 3 puntos dB para el filtro RF con las especificaciones proporcionadas en la Figura 9. Esta es una captura de pantalla del VNA durante la medición del filtro RF que se muestra en el cuadro 10. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 12
Figura 12: Medición del atenuador de 10 dB no dentro de sus especificaciones. El valor medido es de -22,70 dB a 1,7 GHz y su especificación es de 10 dB a 0,5 dB. También se muestra la medición de un atenuador de 10 dB que ya no está dentro de sus especificaciones. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 13
Figura 13: Medición del atenuador de 10 dB dentro de sus especificaciones. El valor medido fue de -9,88 dB. También se muestra la medición de un atenuador de 10 dB que está dentro de sus especificaciones. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 14
Figura 14: Medición del cable coaxial de 36 pies (11 m) con un valor de atenuación especificado de 0,05 dB/ft. Se esperaba que la pérdida a través de la longitud del cable fuera de 1,8 dB, lo que es consistente con el valor medido de -1,9 dB a 1,87 GHz. También se muestra la medición de un cable que muestra que la pérdida medida está dentro de las especificaciones del fabricante. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discussion

Es importante permitir que el VNA se caliente a RT durante al menos 0,5 h (aunque, 1 h es mejor) antes de realizar las calibraciones, lo que permite que todos los componentes internos lleguen a RT y da como resultado calibraciones más estables. Una calibración puede durar varios días sin una gran pérdida de precisión; sin embargo, la calibración se comprueba diariamente utilizando un estándar de calibración para garantizar la integridad de la medición. La inspección de todos los componentes del sistema es esencial para que los conectores defectuosos no dañen la precisión del VNA. Es mejor utilizar cables de baja pérdida con el VNA. La integridad de la calibración debe comprobarse antes de la medición de cualquier componente del sistema o DUT. Cualquier medición fuera de las especificaciones proporcionadas aquí debe repetirse o puede requerir una nueva calibración. Por último, el uso de las especificaciones del fabricante para comprobar los valores DUT medidos es una parte necesaria de la validación.

El uso del VNA como instrumento de medición tiene sus limitaciones. Si el DUT o el sistema tiene pérdidas tan grandes que los parámetros S medidos caen por debajo del suelo de ruido del VNA, no se puede medir con el VNA. Es posible bajar el suelo de ruido disminuyendo el ancho de banda IF y aumentando el tiempo de barrido. Esto ralentizará el tiempo de adquisición de la medición; por lo tanto, hay una compensación al ajustar estos parámetros. El VNA no puede manejar potencias de entrada superiores a 30 dBm, por lo que se requiere el uso de atenuación interna o externa cuando se requieren amplificadores de medición. El VNA tiene una fuente y un receptor ubicados en el mismo instrumento, por lo que se ha utilizado como un sistema de medición de propagación por radio. Porque la fuente y el receptor se encuentran en el VNA, el puerto transmisor se debe unir de alguna manera al puerto receptor. Típicamente, esto se hace con los cables; sin embargo, los cables añaden pérdida, disminuyendo el rango dinámico de lo que se puede medir. Además, las distancias de separación se vuelven limitadas.

El otro método por el cual se pueden medir las pérdidas es el uso de un generador de señal y un medidor de potencia. El medidor de potencia es un dispositivo de medición escalar, por lo que sólo puede medir la magnitud de una señal. No puede monitorear la fase de la señal, lo que resulta en mediciones menos precisas de la señal. El VNA mide tanto la magnitud como la fase (de los componentes reales e imaginarios) de una señal medida en relación con una señal de entrada bien conocida, que es una medición de mayor calidad.

Los VNAs son una opción versátil para muchos tipos de mediciones. El instrumento se puede utilizar para medir las señales de radio radiadas utilizando antenas en los puertos de transmisión y recepción18. El análisis del dominio del tiempo se puede utilizar para monitorear las señales a lo largo del tiempo y determinar donde ocurre una interrupción en un cable. Puede medir muchas frecuencias durante un barrido, que se pueden utilizar para entender las pérdidas de atenuación en muchas frecuencias, ya sea en un entorno conducido19 o radiado20. Comprender los diversos ajustes de parámetros del VNA da como resultado DUTs/sistemas bien caracterizados, y las mediciones obtenidas con el DUT/sistema se pueden utilizar con un alto grado de confianza.

Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Agradecemos a la Oficina del Espectro de Defensa (DSO) por financiar este trabajo.

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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Calibración del analizador de red vectorial para mediciones en canales de propagación de radiofrecuencia
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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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