Калибровка векторного анализатора сети для измерений в каналах распространения радиочастот
Summary
Этот протокол описывает лучшие практики для калибровки анализатора векторной сети до использования в качестве точного инструмента, предназначенного для измерения компонентов системы радиочастотных измерений.
Abstract
При проведении измерений радиочастотного (РЧ) спектра данных дают представление о физике распространения радиочастотных волн и проверяют существующие и новые модели распространения спектра. Оба эти параметра имеют важное значение для поддержки и сохранения обмена спектром, свободным от помех, поскольку использование спектра продолжает увеличиваться. Очень важно, чтобы такие измерения распространения были точными, воспроизводимыми и свободными от артефактов и предубеждений. Характеристика прибыли и потери компонентов, используемых в этих измерениях, имеет жизненно важное значение для их точности. Анализатор векторной сети (VNA) — это устоявшаяся, высокоточная и универсальная часть оборудования, которая измеряет как величину, так и фазу сигналов при правильной калибровке. В этой статье подробно описаны лучшие практики для калибровки VNA. После откалибровки его можно использовать для точного измерения компонентов правильно настроенной системы измерения распространения (или зондирования канала) или можно использовать в качестве самой системы измерения.
Introduction
Институт телекоммуникационных наук (ITS) является исследовательской лабораторией Национального управления электросвязи и информации (NTIA), агентства Министерства торговли США. МТС активно участвует в измерениях радиораспространения с 1950-х годов. Распределение спектра, новая парадигма для федеральных и коммерческих пользователей спектра, требует, чтобы две разрозненные системы имеют один и тот же радиочастотный спектр одновременно. По мере увеличения сценариев совместного использования спектра возрастает и потребность в точных и воспроизводимых измерениях радиораспространения, которые обеспечивают лучшее понимание радиосреды, которой должны делиться несколько служб. Цель описанной процедуры заключается в обеспечении того, чтобы любые компоненты, составляющие такую систему, хорошо охарактеризовались точно настроенной ВНА.
Хотя спрос на спектр увеличивается, не всегда возможно быстро освободить спектр, который в настоящее время используется федеральными учреждениями в коммерческих целях. Например, в диапазоне Advanced Wireless Services (AWS)-3 (1755–1780 МГц) разрабатываются механизмы обмена спектрами между военными службами и коммерческими операторами беспроводной связи1. Эти механизмы позволяют коммерческим операторам беспроводной связи войти в диапазон AWS-3 до завершения перехода военных служб из группы.
Организация оборонного спектра (DSO) была поручена управлять переходом AWS-3. Ключевая часть перехода включает в себя разработку новых моделей распространения для оценки потенциала вмешательства РФ между военными и коммерческими беспроводными системами, разделяющие группу. DSO поручил ITS и другим выполнять серию измерений зондирования каналов для создания новых моделей, которые лучше вычисляют воздействие листвы и антропогенных структур в окружающей среде (коллективно известный как беспорядок). Улучшенное моделирование распространения, которое учитывает беспорядок, приведет к сокращению ограничений на коммерческие передатчики в непосредственной близости от военных систем.
На месте измерения активности спектра РФ дают представление о физике распространения волн РФ и проверяют существующие и новые модели радиораспространения. Оба этих компонента имеют важное значение для поддержки и сохранения обмена спектром, свободным от интерференции. Методы зондирования каналов, при которых известный тестовый сигнал передается из определенного места в мобильный или стационарный приемник, предоставляют данные, оценивающие характеристики радиоканалов в различных средах. Данные используются для разработки и улучшения моделей, которые более точно предсказывают потери распространения или замещение сигнала. Эти потери могут быть вызваны блокированием и отражением зданий и других препятствий (т.е. деревьев или рельефа местности в городских каньонах). Эти препятствия производят несколько, немного вариант, траектории распространения, что приводит к потере сигнала или ослаблению между передачей и приемной антенны.
Методы измерения ИТС дают точные, повторяемые и беспристрастные результаты. ДСО поощряет МТС делиться своими институциональными знаниями с более широким техническим сообществом. Эти знания включают в себя, как оптимально измерять и обрабатывать данные распространения В РФ. В недавно опубликованном Техническом меморандуме NTIA TM-19-5352,,33,4,,5 описывается набор передовых практик по подготовке и проверке систем измерения радиопропаганды. В рамках этих передовых методов ВНА используется для точного измерения потерь компонентов или прибыли системы измерений. Прибыль и потери затем используются для расчета затмения сигнала между двумя антеннами.
Представленный здесь протокол посвящен лучшим практикам калибровки VNA5 до тестирования в лабораторных или полевых приложениях. К ним относятся время разогрева, выбор типа разъема RF, надлежащие соединения и выполнение соответствующих шагов калибровки. Калибровка должна проводиться в контролируемой лабораторной среде до сбора данных в контексте конкретного сценария измерения распространения. Дополнительные соображения могут иметь отношение к конкретным средам измерения распространения, которые выходят за рамки настоящего протокола.
VNA используется для измерения характеристик компонентов и подсборок при сборке других измерительных систем. Усилители питания, приемники, фильтры, усилители низкого шума, смесители, кабели и антенны – все компоненты, которые могут быть охарактеризованы VNA. Перед тестированием и/или калибровкой системы готовится список всех необходимых компонентов системы, собраны все компоненты системы. Каждый компонент системы измеряется отдельно путем вставки их между кабелями VNA. Это гарантирует, что все компоненты работают в рамках спецификаций производителя. После проверки компонентов система собирается, и измеряются потери всей системы. Это гарантирует, что отражения и передачи между компонентами должным образом характеризуются.
VNA измеряет параметры рассеяния (S-параметры), которые представляют собой сложные количества как с величиной, так и с фазой. S-параметр представляет собой соотношения измерения либо 1) отраженного сигнала к сигналу инцидента (измерение отражения) или 2) передаемого сигнала сигналу инцидента (измерение передачи). Для двухпортового устройства можно измерить четыре S-параметра (S11,S21,S12и S22). Первый подкрипт относится к порту, где сигнал получен, а второй относится к порту, где передается сигнал. Таким образом, S11 означает, что передаваемый сигнал возник в порту 1 и был получен в порту 1. Кроме того, S21 означает, что передаваемый сигнал снова возник в порту 1, но получен в порту 2. S11 измеряет количество сигнала, которое отражается тестируемым устройством (DUT) в порту 1 со ссылкой на исходный сигнал, который был инцидентом в порту 1. S21 измеряет количество сигнала, который передается через DUT и прибывает в порт 2 со ссылкой на сигнал инцидента в порту 1. S11 является мерой коэффициента отражения DUT в порту 1, а S21 является мерой коэффициента передачи DUT от порта 1 до порта 2.
Калибровка VNA необходима для удаления систематических ошибок из компонентов до (и втомив) базисной плоскости измерения, которая обычно находится в конце кабелей измерения VNA. Калибровка устраняет системные ошибки, измеряя “идеальные” известные стандарты (открытые, шорты, нагрузки, через/линию) и сравнивая их со значением, которое измеряет VNA. С помощью серии исправлений отображается исправленное значение для DUT. Есть в настоящее время 12 терминов ошибок6,7, которые характеризуются при калибровке. Для получения дополнительной информации, обратитесь к оригинальным S-параметр измерений, которые были сделаны на шести-портовых сетевых анализаторов8 поддерживается классической теории микроволновой цепи9,10.
Наиболее распространенными типами измерений отражения S-параметра являются потеря возврата, соотношение стоячей волны (SWR), коэффициент отражения и соответствие импеданса. Наиболее распространенными типами измерений передачи S-параметра являются потеря вставки, коэффициент передачи, прибыль/потеря, задержка группы, задержка фазы или фазы и задержка электрооборудования. Измерения потери передачи подчеркиваются в описанном протоколе.
Измерение прибыли и потерь компонентов системы с использованием VNA хорошо понимается. Тем не менее, важные шаги часто пропущены, такие как очистка разъемов и использование надлежащего ключа крутящего момента. Этот протокол содержит все необходимые шаги и объяснения того, почему некоторые из них особенно важны. Он также послужит прелюдией к будущей статье, описывающей, как выполнять измерения распространения в РФ, включая расчеты затухания сигнала.
Protocol
Representative Results
Discussion
Важно, чтобы VNA прогреться до RT, по крайней мере 0,5 ч (хотя, 1 ч лучше) до калибровки выполняются, что позволяет всем внутренним компонентам прийти к RT и приводит к более стабильной калибровки. Одна калибровка может длиться несколько дней без большой потери точности; однако калибровка проверяется ежедневно с использованием стандарта калибровки для обеспечения целостности измерения. Проверка всех компонентов системы имеет важное значение для того, чтобы плохие разъемы не повредили точность VNA. Лучше всего использовать низкой потери кабелей с VNA. Целостность калибровки должна быть проверена перед измерением любого системного компонента или DUT. Любые измерения за пределами спецификаций, предусмотренных здесь, должны быть повторены или могут потребовать новой калибровки. Наконец, использование спецификаций производителя для проверки измеренных значений DUT является необходимой частью проверки.
Использование VNA в качестве измерительного прибора имеет свои ограничения. Если DUT или система имеет потери настолько велики, что измеренные S-параметры опадают ниже уровня шума VNA, он не может быть измерен с VNA. Можно снизить шумовой пол, уменьшая пропускную способность IF и увеличивая время размаха. Это замедлит время приобретения измерений; таким образом, при корректировке этих параметров существует компромисс. VNA не может обрабатывать входные мощности более 30 дБМ, поэтому при измерении усилителей требуется использование внутреннего или внешнего затухания. VNA имеет источник и приемник, расположенный в том же инструменте, поэтому он был использован в качестве системы измерения радиораспространения. Поскольку источник и приемник находятся в ВНА, передающий порт должен быть каким-то образом соединен с принимающим портом. Как правило, это делается с помощью кабелей; однако, кабели добавляют потерю, уменьшая динамический диапазон того, что может быть измерено. Кроме того, расстояния разделения становятся ограниченными.
Другой метод, с помощью которого потери могут быть измерены является использование генератора сигналов и счетчик мощности. Измеритель мощности является измерительным устройством, поэтому он может измерять только величину сигнала. Он не может контролировать фазу сигнала, что приводит к менее точным измерениям сигнала. VNA измеряет как величину, так и фазу (реальных и мнимых компонентов) измеренного сигнала по отношению к хорошо известному входным сигналу, который представляет собой более высокое качество измерения.
VNAs являются универсальным вариантом для многих типов измерений. Инструмент может быть использован для измерения излучаемых радиосигналов с помощью антенн на передающих и принимающих портах18. Анализ домена времени может использоваться для мониторинга сигналов с течением времени и определения того, где происходит разрыв в кабеле. Он может измерять много частот во время зачистки, которые могут быть использованы для понимания потерь затухания на многих частотах либо в проводимой19 или излучаемых среде20. Понимание различных параметров параметров ВНА приводит к хорошо охарактеризованным DUTs/систем, и измерения, полученные с помощью СИСТЕМы DUT/, могут быть использованы с высокой степенью достоверности.
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим Управление оборонного спектра (DSO) за финансирование этой работы.
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
- Commerce Spectrum Management Advisory Committee. . 1755-1850 MHz Airborne Operations: Air Combat Training System Sub-Working Group Final Report. , (2014).
- Hammerschmidt, C. A., Johnk, R. T., McKenna, P. M., Anderson, C. R. Best Practices for Radio Propagation Measurements. U.S. Dept. of Commerce. , (2018).
- Molisch, A. . Wireless Communications – 2nd edition. , (2010).
- 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. , (2002).
- Kerns, D. M., Beatty, R. W. . Basic Theory of Waveguide Junctions and Introductory Microwave Network Analysis (Monographs on Electromagnetic Waves). , (1967).
- Engen, G. F. . Microwave Circuit Theory and Foundations of Microwave Metrology. , (1992).
- Witte, R. A. . Spectrum and Network Measurements. , (2001).
- 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. , (2016).
- Keysight Electronic Calibration Modules. Keysight Technologies Available from: https://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/N7550-90002.pdf?id=2852836 (2019)
- Smith, P. H. . Electronic Applications of the Smith Chart. , (2006).
- . Utiflex Flexible Microwave Cable Assemblies Brochure Available from: https://rf.cdiweb.com/datasheets/micro-coax/UtiflexCableAssemblies.pdf (2019)
- . Smith Chart Explanation Available from: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Smith_chart_explanation.svg (2019)
- 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).
- 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).
- 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).
