Kalibrierung von Vector Network Analyzer für Messungen in Hochfrequenzausbreitungskanälen
Summary
Dieses Protokoll beschreibt bewährte Methoden für die Kalibrierung eines Vektornetzwerkanalysators vor der Verwendung als genaues Instrument, das Komponenten eines Hochfrequenz-Propagationsmesstestssystems messen soll.
Abstract
In-situ-Messungen der Radiofrequenz-Spektrumaktivität geben Einblick in die Physik der Hochfrequenzwellenausbreitung und validieren bestehende und neue Spektrumausbreitungsmodelle. Beide Parameter sind für die Unterstützung und Erhaltung der störungsfreien Frequenzfreigabe von wesentlicher Bedeutung, da die Frequenznutzung weiter zunimmt. Es ist wichtig, dass solche Ausbreitungsmessungen genau, reproduzierbar und frei von Artefakten und Voreingenommenheit sind. Die Charakterisierung der Gewinne und Verluste von Komponenten, die bei diesen Messungen verwendet werden, ist entscheidend für ihre Genauigkeit. Ein Vector Network Analyzer (VNA) ist ein bewährtes, hochpräzises und vielseitiges Gerät, das sowohl die Größe als auch die Phase der Signale misst, wenn sie richtig kalibriert werden. In diesem Artikel werden die bewährten Methoden zum Kalibrieren einer VNA beschrieben. Nach der Kalibrierung kann es verwendet werden, um Komponenten eines korrekt konfigurierten Ausbreitungsmesssystems (oder Kanalsondierungssystems) genau zu messen oder als Messsystem selbst zu verwenden.
Introduction
Das Institute for Telecommunication Sciences (ITS) ist das Forschungslabor der National Telecommunications and Information Administration (NTIA), einer Behörde des US-Handelsministeriums. ITS ist seit den 1950er Jahren in Derfunkvermehrungsmessungen tätig. Die gemeinsame Nutzung von Frequenzen, dem neuen Paradigma für Nutzer von Bundes- und kommerziellen Frequenzen, erfordert, dass zwei unterschiedliche Systeme gleichzeitig das gleiche Funkfrequenzspektrum aufweisen. Mit zunehmender Frequenzteilungsszenarien steigt auch der Bedarf an genauen und reproduzierbaren Funkausbreitungsmessungen, die ein besseres Verständnis der Funkumgebung ermöglichen, die von mehreren Diensten gemeinsam verwendet werden muss. Ziel des beschriebenen Verfahrens ist es, sicherzustellen, dass alle Komponenten, die ein solches System bilden, durch eine genau konfigurierte VNA gut charakterisiert sind.
Während die Nachfrage nach Frequenzen steigt, ist es nicht immer möglich, Frequenzen, die derzeit von Bundesbehörden für kommerzielle Zwecke genutzt werden, schnell freizugeben. Im Advanced Wireless Services (AWS)-3-Band (1755–1780 MHz) werden beispielsweise Frequenzfreigabevereinbarungen zwischen militärischen Diensten und kommerziellen Mobilfunkanbieternentwickelt 1. Diese Vereinbarungen ermöglichen es kommerziellen Mobilfunkanbietern, das AWS-3-Band zu betreten, bevor der Übergang von militärischen Diensten aus dem Band abgeschlossen wird.
Die Defense Spectrum Organization (DSO) wurde mit der Verwaltung des AWS-3-Übergangs beauftragt. Ein wichtiger Teil des Übergangs besteht in der Entwicklung neuer Ausbreitungsmodelle, um das Potenzial für HF-Interferenzen zwischen militärischen und kommerziellen drahtlosen Systemen, die das Band teilen, zu bewerten. Die DSO hat ITS und andere mit der Durchführung einer Reihe von kanalklingenden Messungen beauftragt, um neue Modelle zu erstellen, die die Auswirkungen von Laub und von Menschen geschaffenen Strukturen in der Umwelt besser berechnen (zusammen als Unordnung bekannt). Eine verbesserte Verbreitungsmodellierung, die Unordnung berücksichtigt, wird zu weniger Einschränkungen für kommerzielle Sender in der Nähe militärischer Systeme führen.
In-situ-Messungen der HF-Spektrumaktivität geben Einblick in die Physik der HF-Wellenausbreitung und validieren bestehende und neue Funkausbreitungsmodelle. Beide Komponenten sind für die Unterstützung und Erhaltung der störungsfreien Frequenzfreigabe unerlässlich. Kanalsondierungstechniken, bei denen ein bekanntes Testsignal von einem bestimmten Standort an einen mobilen oder stationären Empfänger übertragen wird, liefern Daten, die die Funkkanaleigenschaften in verschiedenen Umgebungen schätzen. Die Daten werden verwendet, um Modelle zu entwickeln und zu verbessern, die Ausbreitungsverluste oder Dämpfung des Signals genauer vorhersagen. Diese Verluste können auf die Blockierung und Reflexion durch Gebäude und andere Hindernisse (z. B. Bäume oder Gelände in städtischen Schluchten) zurückzuführen sein. Diese Hindernisse erzeugen mehrere, leicht variante Ausbreitungspfade, die zu Signalverlust oder Dämpfung zwischen sende- und Empfangsantenne führen.
ITS-Messtechniken erzeugen genaue, wiederholbare und unvoreingenommene Ergebnisse. Das DSO hat ITS ermutigt, sein institutionelles Wissen mit der breiteren technischen Gemeinschaft zu teilen. Dieses Wissen beinhaltet, wie HF-Verbreitungsdaten optimal gemessen und verarbeitet werden können. Das kürzlich veröffentlichte NTIA Technical Memorandum TM-19-5352,3,4,5 beschreibt eine Reihe von Best Practices für die Vorbereitung und Verifizierung von Funkausbreitungsmesssystemen. Als Teil dieser Best Practices wird ein VNA verwendet, um die Komponentenverluste oder -gewinne eines Messsystems genau zu messen. Die Gewinne und Verluste werden dann verwendet, um die Signaldämpfung zwischen zwei Antennen zu berechnen.
Das hier vorgestellte Protokoll befasst sich mit den Best Practices für die Kalibrierung eines VNA5 vor Tests in Labor- oder Feldanwendungen. Dazu gehören die Aufwärmzeit, die Auswahl des HF-Steckverbindertyps, das Herstellen geeigneter Verbindungen und die Leistung geeigneter Kalibrierungsschritte. Die Kalibrierung sollte in einer kontrollierten Laborumgebung vor der Datenerfassung im Kontext eines bestimmten Ausbreitungsmessszenarios durchgeführt werden. Zusätzliche Überlegungen können für bestimmte Ausbreitungsmessumgebungen relevant sein, die außerhalb des Geltungsbereichs dieses Protokolls liegen.
Der VNA wird verwendet, um die Geräteeigenschaften von Bauteilen und Baugruppen bei der Montage anderer Messsysteme zu messen. Leistungsverstärker, Empfänger, Filter, geräuscharme Verstärker, Mischer, Kabel und Antennen sind Komponenten, die durch einen VNA charakterisiert werden können. Vor dem Testen und/oder Kalibrieren eines Systems wird eine Liste aller erforderlichen Komponenten des Systems erstellt und alle Systemkomponenten montiert. Jede Komponente eines Systems wird separat gemessen, indem sie zwischen die VNA-Kabel eingesetzt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass alle Komponenten im Rahmen der Herstellerspezifikationen arbeiten. Nach der Prüfung der Komponenten wird das System montiert und Verluste im gesamten System gemessen. Dadurch wird sichergestellt, dass Reflexionen und Übertragungen zwischen Komponenten richtig charakterisiert werden.
Ein VNA misst Streuparameter (S-Parameter), bei denen es sich um komplex bewertete Mengen mit Größe und Phase handelt. Ein S-Parameter ist eine ratioierte Messung des 1) reflektierten Signals zum Ereignissignal (Reflexionsmessung) oder 2) des übertragenen Signals zum Ereignissignal (Übertragungsmessung). Für ein Gerät mit zwei Ports können vier S-Parameter (S11, S21, S12und S22) gemessen werden. Der erste Subskript bezieht sich auf den Port, an dem das Signal empfangen wird, und der zweite bezieht sich auf den Port, an dem das Signal übertragen wird. S11 bedeutet also, dass das übertragene Signal an Port 1 stammt und an Port 1 empfangen wurde. Darüber hinaus bedeutet S21, dass das übertragene Signal wieder an Port 1 entstanden ist, aber an Port 2 empfangen wird. S11 misst die Signalmenge, die von dem zu prüfenden Gerät (DUT) an Port 1 in Bezug auf das ursprüngliche Signal, das an Port 1 vorkam, reflektiert wird. S21 misst die Signalmenge, die über das DUT übertragen wird und an Port 2 mit Bezug auf das Störsignal an Port 1 ankommt. S11 ist ein Maß für den Reflexionskoeffizienten des DUT an Port 1, und S21 ist ein Maß für den Übertragungskoeffizienten des DuT von Port 1 zu Port 2.
Eine Kalibrierung des VNA ist erforderlich, um die systematischen Fehler von Bauteilen bis (und einschließlich) der Messreferenzebene zu entfernen, die sich typischerweise am Ende der VNA-Messkabel befindet. Eine Kalibrierung beseitigt Systemfehler, indem “perfekte” bekannte Standards (Open, Shorts, Lasten, Durch/Linie) gemessen und mit dem Wert verglichen werden, den die VNA misst. Durch eine Reihe von Fehlerkorrekturen wird ein korrigierter Wert für die DUT angezeigt. Es gibt derzeit 12 Fehlerbegriffe6,7, die während der Kalibrierung charakterisiert werden. Weitere Informationen finden Sie in den ursprünglichen S-Parametermessungen, die auf Sechs-Port-Netzwerkanalysatoren8 durchgeführt wurden, die von der klassischen Mikrowellenkreistheorie9,10unterstützt werden.
Die häufigsten Arten von S-Parameterreflexionsmessungen sind Return Loss, Standing Wave Ratio (SWR), Reflexionskoeffizient und Impedanzabgleich. Die häufigsten Arten von S-Parameter-Übertragungsmessungen sind Einsteckverlust, Transmissionskoeffizient, Verstärkung/Verlust, Gruppenverzögerung, Phasen- oder Phasenverzögerung und elektrische Verzögerung. Übertragungsverlustmessungen werden im beschriebenen Protokoll hervorgehoben.
Die Messung von Gewinnen und Verlusten von Systemkomponenten mit einem VNA ist gut verstanden. Wichtige Schritte werden jedoch häufig übersprungen, z. B. die Reinigung von Steckverbindern und die Verwendung eines richtigen Drehmomentschlüssels. Dieses Protokoll enthält alle notwendigen Schritte und Erklärungen, warum einige besonders wichtig sind. Es wird auch als Vorspiel zu einem zukünftigen Artikel dienen, der beschreibt, wie HF-Propagationsmessungen durchgeführt werden, einschließlich der Berechnungen der Signaldämpfung.
Protocol
Representative Results
Discussion
Es ist wichtig, dass sich der VNA mindestens 0,5 h auf RT erwärmt (obwohl 1 h besser ist), bevor Kalibrierungen durchgeführt werden, was es allen internen Komponenten ermöglicht, zu RT zu kommen, was zu stabileren Kalibrierungen führt. Eine Kalibrierung kann mehrere Tage ohne großen Genauigkeitsverlust dauern; Die Kalibrierung wird jedoch täglich mit einem Kalibrierstandard überprüft, um die Integrität der Messung zu gewährleisten. Die Inspektion aller Systemkomponenten ist unerlässlich, damit fehlerhafte Steckverbinder die Genauigkeit des VNA nicht beschädigen. Es ist am besten, verlustarme Kabel mit dem VNA zu verwenden. Die Integrität der Kalibrierung muss vor der Messung einer Systemkomponente oder eines Prüfsteins überprüft werden. Jede Messung außerhalb der hier angegebenen Spezifikationen sollte wiederholt werden oder eine neue Kalibrierung erfordern. Schließlich ist die Verwendung der Herstellerspezifikationen zur Überprüfung der gemessenen DUT-Werte ein notwendiger Bestandteil der Validierung.
Die Verwendung des VNA als Messgerät hat seine Grenzen. Wenn der Prüfstand oder das System so große Verluste hat, dass die gemessenen S-Parameter unter den Geräuschboden des VNA fallen, kann er nicht mit dem VNA gemessen werden. Es ist möglich, den Geräuschboden zu senken, indem die IF-Bandbreite verringert und die Sweep-Zeit erhöht wird. Dies verlangsamt die Messerfassungszeit; Daher gibt es einen Kompromiss bei der Anpassung dieser Parameter. Der VNA kann keine Eingangsleistungen von mehr als 30 dBm verarbeiten, daher wird bei der Messung von Verstärkern eine interne oder externe Dämpfung verwendet. Der VNA hat eine Quelle und einen Empfänger, die sich im selben Gerät befinden, so dass er als Funkausbreitungsmesssystem verwendet wurde. Da sich Quelle und Empfänger im VNA befinden, muss der Sendeanschluss in gewisser Weise mit dem empfangenden Port verbunden werden. In der Regel geschieht dies mit Kabeln; Kabel sorgen jedoch für Verluste, wodurch der Dynamikbereich dessen, was gemessen werden kann, verringert wird. Darüber hinaus werden die Trennungsabstände begrenzt.
Die andere Methode, mit der Verluste gemessen werden können, ist die Verwendung eines Signalgenerators und eines Leistungsmessers. Der Leistungsmesser ist ein Skalarmessgerät, so dass er nur die Größe eines Signals messen kann. Es kann die Phase des Signals nicht überwachen, was zu weniger genauen Messungen des Signals führt. Die VNA misst sowohl die Größe als auch die Phase (von realen und imaginären Komponenten) eines gemessenen Signals relativ zu einem bekannten Eingangssignal, das eine höhere Qualitätsmessung darstellt.
VNAs sind eine vielseitige Option für viele Arten von Messungen. Das Gerät kann verwendet werden, um abgestrahlte Funksignale mit Antennen an den Sende- und Empfangsanschlüssen18zu messen. Die Zeitdomänenanalyse kann verwendet werden, um Signale im Laufe der Zeit zu überwachen und zu bestimmen, wo ein Bruch in einem Kabel auftritt. Es kann viele Frequenzen während eines Sweeps messen, die verwendet werden können, um Dämpfungsverluste über viele Frequenzen entweder in einer geführten19 oder abgestrahlten Umgebung zu verstehen20. Das Verständnis der verschiedenen Parametereinstellungen des VNA führt zu gut charakterisierten DUTs/Systemen, und Messungen, die mit dem DUT/System erhalten werden, können mit einem hohen Maß an Vertrauen verwendet werden.
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir danken dem Defense Spectrum Office (DSO) für die Finanzierung dieser Arbeit.
Materials
| 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 |
Referencias
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