Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Engineering

Kalibrering av Vector Network Analyzer för mätningar i radiofrekvensutbredningskanaler

doi: 10.3791/60874 Published: June 2, 2020

Summary

I detta protokoll beskrivs bästa praxis för kalibrering av en analysator för vektornätverk före användning som ett exakt instrument som är avsett att mäta komponenter i ett testsystem för mätning av radiofrekvensspridning.

Abstract

In situ-mätningar av radiofrekvens (RF) spektrum aktivitet ger insikt i fysik radiofrekvensvåg förökning och validera befintliga och nya spektrum förökning modeller. Båda dessa parametrar är nödvändiga för att stödja och bevara störningsfri spektrumdelning, eftersom spektrumanvändningen fortsätter att öka. Det är viktigt att sådana förökningsmätningar är korrekta, reproducerbara och fria från artefakter och fördomar. Att karakterisera vinster och förluster av komponenter som används i dessa mätningar är avgörande för deras noggrannhet. En vektor nätverksanalysator (VNA) är en väletablerad, mycket exakt och mångsidig utrustning som mäter både magnitud och fas av signaler, om de är korrekt kalibrerade. I den här artikeln beskrivs de bästa metoderna för att kalibrera en VNA. När den har kalibrerats kan den användas för att korrekt mäta komponenter i ett korrekt konfigurerat spridningsmätningssystem (eller kanalklingande) eller kan användas som själva mätsystemet.

Introduction

Institutet för telekommunikationsvetenskap (ITS) är forskningslaboratoriet vid National Telecommunications and Information Administration (NTIA), en myndighet vid USA:s handelsdepartement. ITS har varit aktivt i radioförökningsmätningar sedan 1950-talet. Spektrumdelning, det nya paradigmet för federala och kommersiella spektrumanvändare, kräver att två olika system delar samma radiofrekvensspektrum samtidigt. I takt med att spektrumdelningsscenarierna ökar ökar också behovet av korrekta och reproducerbara mätningar av radiospridning som ger en bättre förståelse för radiomiljön, som flera tjänster måste dela. Målet med det beskrivna förfarandet är att säkerställa att alla komponenter som utgör ett sådant system väl kännetecknas av en korrekt konfigurerad VNA.

Medan efterfrågan på spektrum ökar, är det inte alltid möjligt att snabbt fritt spektrum som för närvarande används av federala myndigheter för kommersiella ändamål. I AWS-3-bandet (Advanced Wireless Services)-3 -band (1755–1780 MHz) utvecklas till exempel arrangemang för spektrumdelning mellan militära tjänster och kommersiella mobiloperatörer1. Dessa arrangemang tillåter kommersiella mobiloperatörer att komma in i AWS-3 bandet innan övergången av militära tjänster ur bandet.

Defense Spectrum Organization (DSO) har fått i uppdrag att hantera AWS-3 övergången. En viktig del av övergången är att utveckla nya förökningsmodeller för att utvärdera potentialen för RF-interferens mellan militära och kommersiella trådlösa system som delar bandet. DSO har gett ITS och andra i uppdrag att utföra en serie kanalklingande mätningar för att bygga nya modeller som bättre beräknar effekterna av lövverk och konstgjorda strukturer i miljön (kollektivt känd som röran). Förbättrad förökningsmodellering som tar hänsyn till röran kommer att leda till färre restriktioner för kommersiella sändare i närheten av militära system.

In situ mätningar av RF spektrum aktivitet ger insikt i fysik RF våg förökning och validera befintliga och nya radio förökning modeller. Båda dessa komponenter är nödvändiga för att stödja och bevara störningsfri spektrumdelning. Kanalljudtekniker, där en känd testsignal överförs från en viss plats till antingen en mobil eller stationär mottagare, tillhandahåller data som uppskattar radiokanalegenskaper i olika miljöer. Data används för att utveckla och förbättra modeller som mer exakt förutsäga spridning förluster eller dämpning av signalen. Dessa förluster kan bero på blockering och reflektion från byggnader och andra hinder (dvs. träd eller terräng i urbana kanjoner). Dessa hinder producerar flera, något variant, spridningsvägar som resulterar i signalförlust eller dämpning mellan den sändande och mottagande antennen.

ITS mättekniker ger korrekta, repeterbara och opartiska resultat. Den dso har uppmuntrat ITS att dela sin institutionella kunskap med den bredare tekniska gemenskapen. Denna kunskap omfattar hur man optimalt mäter och bearbetar RF-spridningsdata. Den nyligen publicerade NTIA Technical Memorandum TM-19-5352,3,,4,5 beskriver en uppsättning bästa metoder för beredning och kontroll av radioförökningsmätningssystem. Som en del av dessa bästa metoder används ett VNA för att korrekt mäta komponentförluster eller vinster i ett mätsystem. Vinsterna och förlusterna används sedan för att beräkna signaldämpningen mellan två antenner.

Det protokoll som presenteras här behandlar de bästa metoderna för kalibrering av en VNA5 före testning i laboratorie- eller fältapplikationer. Dessa inkluderar uppvärmningstid, val av RF-kontakttyp, korrekt anslutningar och prestanda för lämpliga kalibreringssteg. Kalibrering bör utföras i en kontrollerad laboratoriemiljö före datainsamling i samband med ett specifikt scenario för förökningsmätning. Ytterligare överväganden kan vara relevanta för specifika miljöer för förökningsmätning, som ligger utanför detta protokolls tillämpningsområde.

VNA används för att mäta komponenters och underenheters enhetsegenskaper vid montering av andra mätsystem. Effektförstärkare, mottagare, filter, lågljudförstärkare, blandare, kablar och antenner är alla komponenter som kan karakteriseras av en VNA. Innan ett system testas och/eller kalibreras upprättas en lista över alla nödvändiga komponenter i systemet och alla systemkomponenter monteras. Varje komponent i ett system mäts separat genom att de förs in mellan VNA-kablarna. Detta säkerställer att alla komponenter fungerar enligt tillverkarens specifikationer. När komponenterna har kontrollerats monteras systemet och förluster i hela systemet mäts. Detta säkerställer att reflektioner och transmissioner mellan komponenter är korrekt karakteriserade.

En VNA mäter spridningsparametrar (S-parametrar), som är komplexvärdna kvantiteter med både magnitud och fas. En S-parameter är en uttränt mätning av antingen den 1) reflekterade signalen till den infallande signalen (reflektionsmätning) eller 2) överförd signal till infallande signal (transmissionsmätning). För en tvåportenhet kan fyra S-parametrar (S11,S21,S12och S22) mätas. Den första nedsänkta refererar till porten där signalen tas emot och den andra refererar till porten där signalen överförs. S11 betyder således att den överförda signalen har sitt ursprung i port 1 och togs emot i hamn 1. Dessutom innebär S21 att den överförda signalen har sitt ursprung igen vid port 1 men tas emot vid port 2. S11 mäter den mängd signal som reflekteras av den enhet som provas (DUT) vid port 1 med hänvisning till den ursprungliga signalen som var infallande vid port 1. S21 mäter den mängd signal som överförs via DUT och anländer till port 2 med hänvisning till incidentsignalen vid port 1. S11 är ett mått på dut-koefficientens reflektionskoefficient i port 1 och S21 är ett mått på överföringskoefficienten för DUT från hamn 1 till hamn 2.

En kalibrering av VNA krävs för att avlägsna de systematiska felen från komponenter upp till (och inklusive) mätreferensplanet, som vanligtvis befinner sig i slutet av VNA-mätkablarna. En kalibrering tar bort systemfel genom att mäta "perfekta" kända standarder (öppna, shorts, laster, thru / line) och jämföra det med det värde som VNA mäter. Genom en serie felkorrigeringar visas ett korrigerat värde för DUT. Det finns för närvarande 12 fel termer6,7 som kännetecknas under kalibrering. Mer information finns i de ursprungliga S-parametermätningarna som gjordes på sexportar nätverksanalysatorer8 som stöds av klassisk mikrovågskretsteori9,10.

De vanligaste typerna av S-parameterreflektionsmätningar är returförlust, stående vågförhållande (SWR), reflektionskoefficient och impedansmatchning. De vanligaste typerna av S-parameteröverföringsmätningar är insättningsförlust, transmissionskoefficient, vinst/förlust, gruppfördröjning, fas- eller fasfördröjning och elektrisk fördröjning. Mätningar av överföringsförlust betonas i det beskrivna protokollet.

Mätning av vinster och förluster av systemkomponenter med hjälp av en VNA är väl förstådd. Viktiga steg hoppas dock ofta över, till exempel rengöringskontakter och med hjälp av en lämplig momentnyckel. Detta protokoll ger alla nödvändiga steg och förklaringar till varför vissa är särskilt viktiga. Det kommer också att fungera som ett förspel till en framtida artikel som beskriver hur man utför RF förökning mätningar, inklusive beräkningar av signaldämpning.

Protocol

1. VNA-upplägg

  1. Samla alla komponenter i förökningsmätningssystemet, inklusive kablar, förstärkare, filter, DUTs (som kan vara underenheter) och andra komponenter.
  2. Slå på VNA(bild 1) och låt den värmas i minst 0,5 timmar för att säkerställa att alla interna komponenter i VNA är en stabil driftstemperatur och att fasavdrift minimeras.
  3. Tryck på förinställningsknappen.
  4. Fäst högkvalitativa, fasstabila kablar på portarna 1 och 2 i VNA(figur 2).
  5. Dra åt kontakterna vid VNA-portarna med en 8 in.lbf. momentnyckel. För att skruva ett korrekt vridmoment en anslutning, håll i änden av handtaget och tryck försiktigt handtaget utan att låta handtaget gå sönder hela vägen över.
  6. Inspektera alla kablar och kontakter visuellt för uppenbara tecken på slitage som hack, bucklor och ofullkomliga kontaktgängor.
  7. Kontrollera tillverkarens specifikationer för giltiga mätområden för alla kablar, kontakter och DUTs. Dessa specifikationer kan inkludera temperatur, luftfuktighet, frekvens och effekt.
  8. Rengör kontakterna på alla enheter och kabeländar. Använd svabbprover som är särskilt utformade för rengöring av känslig elektronik och kontakter. Om du använder kablar med smutsiga kontakter kan det leda till att kablarnas ledande ytor skadas och felaktiga mätningar skadas.
    1. Doppa en bomullspinne i isopropylalkohol.
    2. Rengör försiktigt mittledaren(bild 3A)med hjälp av den fuktade svabben. Utöva inte för mycket kraft på mittledaren, eftersom den lätt skadas.
    3. Rengör den yttre ledaren för varje kontakt (bild 3B). Rengör kopplingsmuttergängorna.
    4. Torka alla kabel- och anslutningsändar med ren tryckluft (bild 3C). Om tryckluften svalnar ska kontakten återgå till rumstemperatur (RT) innan du gör och drar åt alla anslutningar.
  9. Rikta in och gör anslutningar mellan VNA-kablar på portarna 1 och 2 och DUT. Dra åt med en 12 in.lb. momentnyckel för anslutningar av typ N (bild 4). Se till att kabeländarna är korrekt justerade.
    1. Börja snurra kontakten på DUT-sidan på VNA-kabelgängorna. Lämpliga anslutningar gör att muttern kan snurra fritt med lite motstånd. Motstånd är ett tecken på korstrådning. Feljustering kan skada kontakten eller orsaka signalreflektioner och signalförlust. Dra inte åt kontakten för mycket eftersom det skadar kontakten.
    2. Ordna kablarna i VNA så att de rör sig minimalt under kalibreringen. Kalibreringskablar är fasstabila och helst inte böjda eller rörda under kalibreringen.
  10. Justera VNA-mätparametrar enligt SPECIFIKATIONERNA FÖR DUT. Frekvensområdet kan också väljas med hjälp av centrumfrekvens och frekvensområde som kallas "span".
    1. Välj frekvensområde. Välj Stimulus-menyn | Freq | Startfrekvens: 1700 MHz. Välj Stimulus-menyn | Freq | Stoppfrekvens: 1900 MHz.
    2. Välj mättyp (t.ex. Välj Svarsmeny | Åtgärd | S21.
    3. Välj och justera porteffekten. Välj Stimulus-menyn | Effekt | Justera portström: 0 dBm. Se till att uteffekten är lika med (eller lägre) DUT:s maximala effektspecifikation.
    4. Välj och justera svepinställningarna. Välj Stimulus-menyn | Sopa | Svep typ:klev. Välj Stimulus-menyn | Sopa | tid | Sopa tid: 1 sek. Välj sedan Stimulus Menu | Sopa | Inställningar för svep | Uppehållstid: 0 μsec.
      OBS: Ett steg svep är den mest exakta sveptypen, eftersom den går till varje frekvens och bor med en frekvens innan du gör en mätning. Om du använder långa kablar kan uppehållstiden behöva ökas för att säkerställa att signalen kommer till mottagaren efter mätningen. En 0 μs uppehållstid är en optimal standardinställning.
    5. Välj och justera medelvärdet genom att välja Svarsmeny | Genomsnitt | Medelvärde: IFBW: 1 kHz.
      OBS: Välj lämplig medelvärdestyp: "punktgenomsnitt" i genomsnitt varje frekvenspunkt ett antal angivna tider (dvs. 2, 4 16, 32, etc.), vilket minskar bullergolvet och osäkerheten men ökar sveptiden. IFBW använder ett filter för att mäta kraften i en liten bandbredd, vilket också minskar brusgolvet men kräver mindre mättid. IFWB genomsnitt tenderar att vara en mer optimal genomsnitt teknik.
    6. Välj det visade dataformatet (t.ex. Format | LogMag.
    7. Välj antalet datapunkter i den visade spårningen med hjälp av Stimulus Menu | Sopa | Antal poäng: 1601.
      OBS: Antalet punkter ställs in så att maximal frekvenstäckning kan uppnås mellan start- och stoppfrekvenserna:

Equation 1

I exemplet ovan är stegstorleken eller frekvensavståndet 0,125 MHz, så att frekvens(1) = 1700.000 MHz, frekvens(2) = 1700.125 MHz, ... frekvens(1600) = 1899,875 MHz, frekvens(1601) = 1900 MHz.

2. Kalibrering av VNA

  1. Välj en manuell eller elektronisk kalibrering, om en elektronisk kalibreringsmodul finns tillgänglig och önskad (se avsnitt 2.11). Båda kalibreringen är korrekta.
  2. Välj Manuell kalibrering genom att välja Svar | Cal-menyn | Starta Cal | Kalibreringsguiden | Ostyrd.
    1. Välj lämpligt kalibreringssats så att ett exakt värde på standarderna i det specifika kalibreringssatsen är kända (figur 5). Här väljer du 85054D och väljer sedan kalibrering av två portar med kort-öppen belastning (SOLT) (för en DUT med två portar). Andra tillgängliga kalibreringar är en enport för en enhet med en enda port, förutom en responskalibrering. SOLT är det mest exakta alternativet11.
    2. Välj Nästa om du vill gå till nästa skärm.
  3. Fäst en öppen kalibreringsstandard(bild 6) på den kabel som är ansluten till port 1. En öppen kalibreringsstandard har en öppen hålighet bakom kontakten för att simulera en frirumsimpedans på 377 Ω.
  4. Fäst en kort kalibreringsstandard på den kabel som är ansluten till port 2. En kort har en metallplatta bakom kontakten så att den inkommande spänningen reflekteras helt.
    1. Välj port 1 | ÖPPEN | Typ N (50) hona öppen, som utför ett mått på den bifogade öppna. En spårning visas på VNA-skärmen, försiktigt sluttande bort från en 0 dB referensnivå på en S11, log-magnitud visningsformat för den öppna standarden. När mätningen är klar (en bock visas ovanför standarden) trycker du på OK-knappen för att fortsätta. Detta kommer att skicka användaren tillbaka till föregående skärm.
    2. Välj en han- eller honkalibreringsstandard med samma könskontakt som DUT (dvs. en hankalibreringsstandard har mittstiftet, och en honkalibreringsstandard har en insatt port). Äldre VNA kräver en kalibreringsstandard baserad på VNA-kabelns kön.
    3. Välj port 2 | KORT | Typ N (50) hona kort, som utför ett mått på den bifogade kort. Ett spår visas på VNA-skärmen och sluttar försiktigt bort från en referensnivå på 0 dB på en S11,log-magnitude-visningsformat för den korta standarden. När mätningen är klar (en bock visas ovanför standarden) trycker du på OK-knappen för att fortsätta. Detta kommer att skicka användaren tillbaka till föregående skärm.
  5. Byt kalibreringsstandarder mellan portarna (dvs. fäst den öppna kalibreringsstandarden på port 2 och fäst sedan den korta kalibreringsstandarden på port 1).
    1. Välj port 1 | KORT | Typ N (50) hona kort för att mäta kort på port 1. Ett spår visas på VNA-skärmen och sluttar försiktigt bort från en referensnivå på 0 dB på en S11,log-magnitude-visningsformat för den korta standarden. När mätningen är klar (en bock visas ovanför standarden) trycker du på OK-knappen för att fortsätta. Detta kommer att skicka användaren tillbaka till föregående skärm.
    2. Välj port 2 | ÖPPEN | Typ N (50) hona öppen för att mäta den öppna på port 2. En spårning visas på VNA-skärmen, försiktigt sluttande bort från en 0 dB referensnivå på en S11, log-magnitud visningsformat för den öppna standarden. När mätningen är klar (en bock visas ovanför standarden) trycker du på OK-knappen för att fortsätta. Detta kommer att skicka användaren tillbaka till föregående skärm.
  6. Ta bort den korta från port 1 och placera en bredbandsbelastning på port 1. En ladda absorberar den inkommande energin, som resulterar i en liten reflexion över ett stort spänna av frekvenser.
    1. Välj port 1 | LASTER | Typ N (50) bredbandsbelastning för att mäta belastningen på port 1. När mätningen är klar (en bock visas ovanför standarden) trycker du på OK-knappen för att fortsätta. Detta kommer att skicka användaren tillbaka till föregående skärm.
    2. Håll den aktuella kalibreringsstandarden på port 2. Lämna inte porten öppen, eftersom den kan ge en väg för läckagesignaler. En spårning visas på VNA-skärmen och varierar över skärmen. Alla uppmätta värden på ett S11,log-magnitud displayformat kommer att vara mindre än -20 dB för en bra belastning.
  7. Ta bort det öppna från port 2, ta bredbandsbelastningen från port 1 och placera bredbandsbelastningen på port 2. Placera den öppna från port 2 på port 1 för att förhindra läckagesignaler.
    1. Välj port 2 | LASTER | Typ N (50) bredbandsbelastning för att mäta belastningen på port 2. En spårning visas på VNA-skärmen och varierar över skärmen. Alla uppmätta värden på ett S11,log-magnitud displayformat kommer att vara mindre än -20 dB för en bra belastning. När mätningen är klar (en bock visas ovanför standarden) trycker du på OK-knappen för att fortsätta. Detta kommer att skicka användaren tillbaka till föregående skärm.
  8. Sätt i en genomkalibreringsstandard mellan kablarna som är anslutna till portarna 1 och 2. Detta är vanligtvis en adapter med samma kön kontakter i båda ändar.
    1. Välj THRU för att mäta genomkalibreringsstandarden. När mätningen är klar visas en bock ovanför THRU-standarden på den här skärmen.
      OBS: Isoleringsmätningen kan vanligtvis utelämnas under kalibreringen eftersom isolering mäter överhörningen mellan kablarna och dess värde ofta är mycket liten jämfört med andra standarder. Kalibreringsmätningarna ovan kan göras i valfri ordning.
  9. När alla standarder har en bock ovanför dem, spara kalibreringen. Välj Nästa | Spara som användarkaluppsättning. Ange ett namn på kalibreringen och tryck på SAVE-knappen.
  10. Kontrollera kalibreringen enligt avsnitt 3.
  11. Om en manuell kalibrering inte är vald väljer du det elektroniska kalibreringsalternativet12. Fäst den elektroniska kalibreringssatsen(bild 7) på kablarna mellan portarna 1 och 2. Välj svar | Cal-menyn | Starta Cal | Kalibreringsguiden | Elektronisk kalibrering med det elektroniska kalibreringsalternativet.
    1. Välj 2-portars ECal | Väljsedan knappen Mät. Den elektroniska kalibreringsmodulen mäter automatiskt ett antal olika standarder och uppmanar användaren att spara kalibreringen i slutet.
    2. Välj Nästa | Spara som användarkaluppsättning. Ange ett namn på kalibreringen och tryck på SAVE-knappen.
      OBS: För en elektronisk kalibrering är endast kablarna från portarna 1 och 2 anslutna till modulen. Alla kalibreringsstandarder finns i modulen. Den elektroniska kalibreringen kalibrerar de interna standarderna automatiskt. Om den elektroniska kalibreringsmodulen inte har samma anslutningstyper som kablarna måste en ytterligare kalibrering slutföras för att ändra kalibreringsfelkorrigeringarna i modulen för att ta hänsyn till adaptrarna. Kontrollera med tillverkaren om det finns vägledning hos tillverkaren.

3.

  1. Använd ett genom att kontrollera kalibreringen.
    1. Anslut en adapter(bild 6) utan tydliga tecken på slitage på kablarna mellan portarna 1 och 2. Mät inte den genomgående standarden. Välj en annan genom.
    2. Välj Svar | Åtgärd | S21, sedan Svar | Skala | Skala. Ställ in värdet Per division till 0,1 genom att trycka på nedåtpilsknappen. Välj Stimulus-menyn | Utlösare | Enda för att mäta insättningsförlusten av thru. Ett enda svep visas över frekvensområdet.
      OBS: Värdet på genomtrappningen på ett observationsområde för log magnitud ligger inom 0,05 dB från referensen 0 dB (figur 8) för tillräcklig kalibrering. Detta är ett empiriskt värde som erhållits under många års kalibreringar. Detta kan ses genom att ändra skalan till 0,05 dB per division.
    3. När genomtrasten har kontrollerats, återgå skalan tillbaka till 10 dB / division genom att välja Svar | Skala | Skala och ange värdet per division till 10. Välj Svar | Åtgärd | S11.
    4. Välj Stimulus-menyn | Utlösare | Enkel för att mäta S11. Värdet av en bra genom är följande: | S11| = -20 dB (1% reflektion vid effekt och 10% reflektion i spänning).
      Smith Chart13-representationen visar impedans. Mätningar av S11 och S22 visas som en liten cirkel i mitten av diagrammet. Impedansvärdet ligger inom 0,5 Ω från 50 Ω-referensen för tillräcklig kalibrering.
  2. Använd en 50 Ω belastning för att kontrollera kalibreringen.
    1. Anslut en 50 Ω matchad belastning till port 1.
    2. Välj Stimulus-menyn | Utlösare | Enkel för att mäta S11.
      OBS: En matchad belastning är mindre än -20 dB (reflektionskoefficienten för en idealisk belastning är 0). Detta kommer också att visas som en liten cirkel i mitten av Smith Chart (figur 9).
  3. Använd en öppen kalibreringsstandard för att kontrollera kalibreringen.
    1. Anslut en öppen kalibreringsstandard.
    2. Välj Stimulus-menyn | Utlösare | Enkel för att mäta S11. En öppen är 0 dB på en log-magnitud tomt (reflektionskoefficienten för en idealisk öppen är 1). På ett smeddiagram visas den öppna som en liten cirkel längst till höger (figur 9) för tillräcklig kalibrering.
  4. Använd en kort kalibreringsstandard för att kontrollera kalibreringen.
    1. Anslut en kort kalibreringsstandard.
    2. Välj Stimulus-menyn | Utlösare | Enkel för att mäta S11. En kort är 0 dB (reflektionskoefficienten för en idealisk kort är -1) på log-magnitud tomten. På Smith-diagrammet visas värdet som en cirkel längst till vänster (figur 9) för tillräcklig kalibrering.
      OBS: Om ett kalibreringstest misslyckas, kontrollera anslutningarna och upprepa kalibreringen. Om kalibreringen är god, fortsätt till avsnitt 4.

4. Mätning av komponenter eller systemförluster

  1. Anslut DUT till VNA. Om DUT har fler än två portar (dvs. växlar, effektavdelare, etc.), anslut 50 Ω matchade laster till de portar som inte är anslutna till VNA, eftersom strömmen kommer att reflekteras från dessa portar och ändra mätningen.
  2. Välj svar | Åtgärd | S21.
  3. Välj Stimulus-menyn | Utlösare | Enda för att mäta DUT.
  4. Välj fil | Spara data som... . Skriv in ett filnamn i filnamnsrutan. Välj en filtyp av antingen . CSV eller Trace (*.s2p). Välj scope (standardvärdet för visade spårningar är lämpligt här). Välj ett format (t.ex. log magnitud och vinkel, linjär magnitud och fas, verkliga och imaginära, och visas format [till exempel ett Smith-diagram]). Spara data genom att trycka på SPARA.
  5. Kontrollera och analysera testresultaten för ett bandpassfilter. Ett exempel beskrivs i följande steg.
    1. Identifiera delar av spårningen genom att placera markörer på spårningen. Välj markör/analys | Markör | Markör 1 och tryck på OK.
    2. Välj markör/analys | MarkörSökning | Max för att hitta infogningsförlusten för spårningsfiltret. Ratten på frontpanelen kan också användas för att identifiera maxima och minima medan du sveper ut markören över frekvenspunkter.
    3. Välj markör/analys | Markör < Markör 1och välj sedan deltamarkör och kopplade markörer. Värdet på denna markör som visas på skärmen ska vara 0 dB. Då anges ett referensvärde för de andra markörer.
    4. Välj markör/analys | Markör... | Markör 2 | PÅ | kopplade markörer. Klicka inuti stimulus rutan för att markera frekvensen, sedan flytta ratten tills behandlingen av Marker 2 på skärmen visar -3 dB.
    5. Välj markör/analys | Markör... | Markör 3 | | kopplade markörer. Klicka inuti stimulansrutan för att markera frekvensen och flytta ratten tills avläsningen av markör 3 på skärmen visar -3 dB.
    6. Jämför de uppmätta värdena med de värden som anges i tillverkarens filterspecifikationer.

Representative Results

När du kontrollerar om en komponent fungerar korrekt är det viktigt att konsultera tillverkarens specifikationer, som finns på deras respektive webbplatser. Här mättes filtret (figur 10) efter samråd med specifikationerna14. Som visas i figur 11identifierades insättningsförlusten, liksom de 3 dB punkterna. Den uppmätta insättningsförlusten efter kalibrering, som visas med markör 1, hade en magnitud på 0,83 dB. Det negativa tecknet indikerar att det var en förlust. Insättningsförlusten i referensen anges vara 0,8 dBjusterad (dBa). Filtrets uppmätta 3 dB-bandbredd ändrades från 1749 MHz till 1854 MHz. När subtraheras gav detta ett värde på 105 MHz, vilket är nära det typiska värdet på 104,5 MHz.

Det finns 10 dB dämpare byggda för att tåla en ingångseffekt på 50 W, som beskrivs i tillverkarens specifikationer15. Dämpningsspecifikationen för denna dämpare är 10 dB ± 0,5 dB. Vid något tillfälle matar in en ingångseffekt som var större än 50 W i dämparen, vilket skadade dämparen. En kalibrerad VNA användes för att kontrollera kvaliteten på denna komponent. Återigen är det viktigt att mäta varje komponent före alla fältmätningar för kvalitetssäkring. Mätning av DUT visas i figur 12. I jämförelse visas mätning av en bra dB-dämpare i figur 13. Det bör noteras att det uppmätta värdet var 9,88 dB vid 1750 MHz, vilket ligger inom det angivna intervallet -9,5 till -10,5 dB över hela bandbredden på 1700–1900 MHz.

Slutligen är kabelförlust en annan viktig mätning som ofta utförs i radiofrekvensmätningar. Specifikationer för den uppmätta kabeln finns på sidan 5 i databladet16. Dämpningen per fot (dB/ft) var 0,05 dB vid 1 GHz eller 0,16 dB/m. En uppmätt kabel med en längd av 36 fot/11 m hade en specificerad förlust på ~ 1,8 dB, enligt tillverkaren. Den uppmätta förlusten visas i figur 14. Vid en frekvens av 1750 MHz var den uppmätta förlusten -1,88 dB (som, när den avrundas uppåt till närmaste tiondel av en decibel, är en magnitud på 1,9 dB).

Figure 1
Bild 1: Slå på VNA. Den röda cirkeln representerar platsen för VNA-strömbrytaren. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: Högkvalitativa, fasstabila kablar som är anslutna till två VNA-portar. Kablarna är anslutna till framsidan av VNA med en 8 in.lbf. momentnyckel. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Bild 3: Rengöringskontakter. (A) Rengöring av innerledaren, (B) rengöring av den yttre ledaren och trådar, och(C)försiktigt föna kontakten med tryckluft. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Bild 4: En vridmomentnyckel av typen N för typ N-kontakter. Denna skiftnyckel används för att dra åt anslutningarna mellan VNA-kablarna och DUT. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 5
Figur 5: Kalibreringssats av typ N. Här visas ett kalibreringssats som innehåller öppna, korta, belastnings- och thru-standarder som används för att kalibrera fel i VNA. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 6
Figur 6: Kalibreringsstandarder av typ N. Fotografier av de manliga och kvinnliga kalibreringsstandarder som används vid kalibreringen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 7
Bild 7: Elektronisk kalibreringsmodul. Ett fotografi av en elektronisk kalibreringsmodul. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 8
Figur 8: Genom kalibreringskontroll efter kalibrering på ett observationsområde med log magnitud som en funktion av frekvensen i GHz. Värdet på thru är 0,01 dB med en frekvens av 1,8 GHz. Detta visar värdet av genom som en funktion av frekvens i GHz efter kalibrering. Genomen används som en kalibreringskontroll för att säkerställa att kalibreringen är giltig. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 9
Bild 9: Förklaring av Smith Chart. Verkliga och imaginära impedansvärdeplatser för standardimpedanser visas i den vänstra figuren, och impedans magnitud värden visas i den högra siffran17. Denna Smith Chart ritning visar både den verkliga och imaginära impedans till vänster och impedans magnitud till höger. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 10
Bild 10: RF-filter som är isatt mellan portarna 1 och 2. Ett fotografi av ett RF-filter som satts in mellan portarna 1 och 2 i slutet av VNA-kablarna under mätningarna. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 11
Figur 11: Uppmätt insättningsförlust och 3 dB-punkter för RF-filter med specifikationer i figur 9. Detta är en skärmdump från VNA under mätning av RF-filtret som visas i figur 10. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 12
Figur 12: Mätning av 10 dB-dämpare som inte omfattas av dess specifikationer. Det uppmätta värdet är -22,70 dB vid 1,7 GHz och dess specifikation är 10 dB ± 0,5 dB. Också visas är mätning av en 10 dB dämpare som inte längre inom sina specifikationer. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 13
Figur 13: Mätning av 10 dB dämpare enligt dess specifikationer. Det uppmätta värdet var -9,88 dB. Också visas är mätning av en 10-dB dämpare som ligger inom dess specifikationer. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 14
Bild 14: Mätning av 11 m koaxialkabel med ett 0,05 dB/ft specificerat dämpningsvärde. Förlust genom kabelns längd förväntades vara ~1,8 dB, vilket är förenligt med det uppmätta värdet på -1,9 dB vid 1,87 GHz. Också visas är mätning av en kabel som visar att den uppmätta förlusten ligger inom tillverkarens specifikationer. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

Det är viktigt att låta VNA värma till RT i minst 0,5 timmar (även om 1 h är bättre) innan kalibreringar utförs, vilket gör att alla interna komponenter kan komma till RT och resulterar i stabilare kalibreringar. En kalibrering kan vara flera dagar utan en stor förlust av noggrannhet; Kalibreringen kontrolleras dock dagligen med hjälp av en kalibreringsstandard för att säkerställa mätningens integritet. Inspektion av alla systemkomponenter är viktigt så att dåliga kontakter inte skadar precisionen hos VNA. Det är bäst att använda låg förlust kablar med VNA. Kalibreringens integritet måste kontrolleras före mätningen av någon systemkomponent eller DUT. Alla mätningar utanför de specifikationer som anges här bör upprepas eller kräva en ny kalibrering. Slutligen är det en nödvändig del av valideringen att använda tillverkarens specifikationer för att kontrollera de uppmätta DUT-värdena.

Att använda VNA som mätinstrument har sina begränsningar. Om DUT eller systemet har förluster så stora att de uppmätta S-parametrarna faller under VNA:s brusgolv, kan det inte mätas med VNA. Det är möjligt att sänka brusgolvet genom att minska IF-bandbredden och öka sveptiden. Detta kommer att sakta ner mätförvärvtiden; det finns därför en kompromiss vid justering av dessa parametrar. VNA kan inte hantera ingångskrafter som är större än 30 dBm, så med hjälp av intern eller extern dämpning när mätförstärkare krävs. VNA har en källa och mottagare som finns i samma instrument, så det har använts som ett mätsystem för radiospridning. Eftersom källan och mottagaren finns i VNA måste överföringsporten anslutas på något sätt till mottagarporten. Vanligtvis görs detta med kablar; Kablar lägger dock till förlust, vilket minskar det dynamiska omfånget för vad som kan mätas. Dessutom blir separationsavstånd begränsade.

Den andra metoden med vilken förluster kan mätas är användning av en signalgenerator och effektmätare. Effektmätaren är en skalärmätningsenhet, så den kan bara mäta en signals magnitud. Den kan inte övervaka signalens fas, vilket resulterar i mindre exakta mätningar av signalen. VNA mäter både magnitud och fas (av verkliga och imaginära komponenter) för en uppmätt signal i förhållande till en välkänd insignal, vilket är en mätning av högre kvalitet.

VNA är ett mångsidigt alternativ för många typer av mätningar. Instrumentet kan användas för att mäta utstrålade radiosignaler med antenner på de sändande och mottagande portarna18. Tidsdomänanalys kan användas för att övervaka signaler över tid och avgöra var en paus uppstår i en kabel. Det kan mäta många frekvenser under ett svep, som kan användas för att förstå dämpning förluster över många frekvenser antingen i en genomförd19 eller utstrålad miljö20. Förstå de olika parameterinställningarna för VNA resulterar i väl karakteriserade DUTs /system, och mätningar som erhållits med DUT / systemet kan användas med en hög grad av förtroende.

Disclosures

Författarna har inget att avslöja.

Acknowledgments

Vi tackar Defense Spectrum Office (DSO) för att finansiera detta arbete.

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 för mätningar i radiofrekvensutbredningskanaler
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