Kalibrering af Vector Network Analyzer for målinger i radiofrekvensformeringskanaler
Summary
Denne protokol beskriver de bedste fremgangsmåder for kalibrering af en vektornetværksanalysator, før den bruges som et nøjagtigt instrument, der er beregnet til at måle komponenter i et testsystem til måling af radiofrekvensformer.
Abstract
In situ målinger af radiofrekvens (RF) spektrum aktivitet giver indsigt i fysik radiofrekvens bølge formering og validere eksisterende og nye spektrum formering modeller. Begge disse parametre er afgørende for at støtte og bevare frekvensdeling uden interferens, da frekvensanvendelsen fortsat øges. Det er afgørende, at sådanne formeringsmålinger er nøjagtige, reproducerbare og fri for artefakter og bias. Karakterisering af gevinster og tab af komponenter, der anvendes i disse målinger er afgørende for deres nøjagtighed. En vektor netværk analysator (VNA) er en veletableret, meget præcis, og alsidig stykke udstyr, der måler både størrelsesorden og fase af signaler, hvis korrekt kalibreret. Denne artikel beskriver de bedste fremgangsmåder for kalibrering af en VNA. Når den er kalibreret, kan den bruges til nøjagtigt at måle komponenter i et korrekt konfigureret overførselsmålingssystem (eller kanalkling) system eller kan bruges som et målesystem selv.
Introduction
Institut for Telekommunikation Sciences (ITS) er forskningslaboratoriet for National Telecommunications and Information Administration (NTIA), et agentur under det amerikanske handelsministerium. ITS har været aktiv i radioformeringsmålinger siden 1950’erne. Frekvensdeling, det nye paradigme for føderale og kommercielle frekvensbrugere, kræver, at to forskellige systemer deler det samme radiofrekvensspektrum på samme tid. Efterhånden som scenarierne for frekvensdeling øges, øges behovet for nøjagtige og reproducerbare radiospredningsmålinger, der giver en bedre forståelse af radiomiljøet, som flere tjenester skal dele. Formålet med den beskrevne procedure er at sikre, at alle komponenter, der udgør et sådant system, er godt karakteriseret ved en nøjagtigt konfigureret VNA.
Mens efterspørgslen efter frekvenser stiger, er det ikke altid muligt hurtigt at frit spektrum, der i øjeblikket bruges af føderale agenturer til kommercielle formål. F.eks. er der i AWS-3-båndet (1755-1780 MHz) ved at blive udviklet frekvensdelingsordninger mellem militære tjenester og kommercielle trådløseluftfartsselskaber 1. Disse ordninger gør det muligt for kommercielle trådløse luftfartsselskaber at komme ind i AWS-3-båndet, før overgangen af militære tjenester ud af båndet.
Defense Spectrum Organization (DSO) har fået til opgave at styre AWS-3 overgangen. En vigtig del af overgangen indebærer udvikling af nye formeringsmodeller for at vurdere potentialet for RF-interferens mellem militære og kommercielle trådløse systemer, der deler båndet. DSO har til opgave ITS og andre med at udføre en række kanal klingende målinger til at bygge nye modeller, der bedre beregne virkningen af løv og menneskeskabte strukturer i miljøet (kollektivt kendt som rod). Forbedret formering modellering, der mener rod vil føre til færre restriktioner på kommercielle sendere i nærheden af militære systemer.
In situ målinger af RF spektrum aktivitet giver indsigt i fysik RF bølge formering og validere eksisterende og nye radio formering modeller. Begge disse komponenter er afgørende for at støtte og bevare interferensfri frekvensdeling. Kanalklingteknikker, hvor et kendt testsignal overføres fra et bestemt sted til enten en mobil eller stationær modtager, leverer data, der anslår radiokanalegenskaber i forskellige miljøer. Dataene bruges til at udvikle og forbedre modeller, der mere præcist forudsiger spredning tab eller dæmpelse af signalet. Disse tab kan skyldes blokering og refleksion fra bygninger og andre forhindringer (dvs. træer eller terræn i bykløfter). Disse forhindringer producerer flere, lidt variant, formering stier resulterer i signaltab eller dæmpelse mellem den transmitterende og modtagende antenne.
ITS-måleteknikker giver nøjagtige, repeterbare og upartiske resultater. DSO har opfordret ITS til at dele sin institutionelle viden med det bredere tekniske samfund. Denne viden omfatter, hvordan man kan måle og behandle RF-formeringsdata optimalt. Det nyligt offentliggjorte NTIA Technical Memorandum TM-19-5352,3,4,5 beskriver en række bedste praksis for forberedelse og verifikation af radioformeringsmålingssystemer. Som en del af disse bedste praksisser bruges en VNA til præcist at måle komponenttab eller gevinster ved et målesystem. Gevinster og tab bruges derefter til at beregne signaldæmpningen mellem to antenner.
Den protokol, der præsenteres her, omhandler de bedste fremgangsmåder for kalibrering af en VNA5 forud for testning i laboratorie- eller feltapplikationer. Disse omfatter opvarmningstid, valg af RF-stiktype, korrekt tilslutning og ydeevne af passende kalibreringstrin. Kalibrering bør udføres i et kontrolleret laboratoriemiljø forud for dataindsamling i forbindelse med et bestemt scenarie for overførselsmåling. Yderligere overvejelser kan være relevante for specifikke miljøer til måling af formering, som ligger uden for denne protokols anvendelsesområde.
VNA bruges til at måle enhedens egenskaber af komponenter og underenheder, når der samles andre målesystemer. Effektforstærkere, modtagere, filtre, forstærkere med lavt støjniveau, mixere, kabler og antenner er alle komponenter, der kan karakteriseres ved en VNA. Før test og/eller kalibrering af et system udarbejdes en liste over alle nødvendige komponenter i systemet, og alle systemkomponenter samles. Hver komponent i et system måles separat ved at indsætte dem mellem VNA-kablerne. Dette sikrer, at alle komponenter fungerer inden for producentens specifikationer. Når komponenterne er blevet kontrolleret, samles systemet, og tab i hele systemet måles. Dette sikrer, at refleksioner og transmissioner mellem komponenter er korrekt karakteriseret.
En VNA måler spredningsparametre (S-parametre), som er komplekse mængder med både størrelse og fase. En S-parameter er en ratioed måling af enten 1) reflekteret signal til hændelsessignalet (refleksionsmåling) eller 2) transmitteret signal til hændelsessignalet (transmissionsmåling). For en to-port enhed kan fire S-parametre (S11,S21,S12og S22) måles. Den første sænket skrift henviser til den port, hvor signalet modtages, og den anden henviser til den port, hvor signalet sendes. S11 betyder således, at det transmitterede signal stammer fra port 1 og blev modtaget i port 1. Derudover betyder S21, at det transmitterede signal stammer igen ved port 1, men modtages i port 2. S11 måler den signalmængde, der reflekteres af den undersøgte enhed (DUT) i port 1, med henvisning til det oprindelige signal, der var hændelse ved port 1. S21 måler mængden af signal, der sendes gennem DUT og ankommer til port 2 med henvisning til hændelsessignalet ved port 1. S11 er et mål for refleksionskoefficienten for DUT i port 1, og S21 er et mål for DUT’s transmissionskoefficient fra port 1 til port 2.
En kalibrering af VNA er nødvendig for at fjerne de systematiske fejl fra komponenter op til (og inklusive) målingsreferenceplanet, som typisk er ved slutningen af VNA-målekablerne. En kalibrering fjerner systemfejl ved at måle “perfekte” kendte standarder (åbne, shorts, belastninger, thru/ line) og sammenligne det med den værdi, som VNA måler. Gennem en række fejlrettelser vises en korrigeret værdi for DUT. Der er i øjeblikket 12 fejl vilkår6,7, der er karakteriseret under kalibrering. For mere information, henvises til originale S-parameter målinger, der blev foretaget på seks-port netværk analysatorer8 understøttet af klassisk mikrobølgekredsløb teori9,10.
De mest almindelige typer af S-parameter refleksionsmålinger er returtab, stående bølgeforhold (SWR), refleksionkoefficient og impedansmatchning. De mest almindelige typer af S-parameter transmissionsmålinger er indsætningstab, transmissionskoefficient, gevinst/tab, gruppeforsinkelse, fase- eller faseforsinkelse og elektrisk forsinkelse. Målinger af transmissionstab fremhæves i den beskrevne protokol.
Måling af gevinster og tab af systemkomponenter ved hjælp af en VNA er godt forstået. Men vigtige trin springes ofte over, såsom rengøring af stik og ved hjælp af en korrekt momentnøgle. Denne protokol indeholder alle nødvendige skridt og forklaringer på, hvorfor nogle er særligt vigtige. Det vil også fungere som en optakt til en fremtidig artikel, der beskriver, hvordan man udfører RF-formeringsmålinger, herunder beregninger af signaldæmpning.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det er vigtigt at lade VNA varme til RT i mindst 0,5 timer (selvom 1 time er bedre), før kalibreringer udføres, hvilket gør det muligt for alle interne komponenter at komme til RT og resulterer i mere stabile kalibreringer. En kalibrering kan vare flere dage uden et stort tab af nøjagtighed; Kalibreringen kontrolleres dog dagligt ved hjælp af en kalibreringsstandard for at sikre målingens integritet. Inspektion af alle systemkomponenter er afgørende, så dårlige stik ikke beskadiger VNA’ens præcision. Det er bedst at bruge kabler med lavt tab med VNA. Kalibreringens integritet skal kontrolleres, inden systemkomponenten eller DUT måles. Enhver måling uden for de her angivne specifikationer bør gentages eller kræve en ny kalibrering. Endelig er det en nødvendig del af valideringen at bruge producentens specifikationer til at kontrollere de målte DUT-værdier.
Brug af VNA som måleinstrument har sine begrænsninger. Hvis DUT eller systemet har tab så store, at de målte S-parametre falder til under VNA’ens støjgulv, kan det ikke måles med VNA. Det er muligt at sænke støjgulvet ved at reducere IF-båndbredden og øge fejetiden. Dette vil bremse måleerhvervelsestiden. der er således en afvejning, når disse parametre justeres. VNA kan ikke håndtere indgangskræfter på mere end 30 dBm, så det er nødvendigt at bruge intern eller ekstern dæmpning, når der måles forstærkere. VNA har en kilde og modtager placeret i samme instrument, så det har været brugt som en radio formering målesystem. Da kilden og modtageren er placeret i VNA’en, skal sendeporten på en eller anden måde tilsluttes den modtagende port. Dette gøres typisk med kabler. Kabler tilføjer dog tab, hvilket reducerer det dynamiske område af, hvad der kan måles. Desuden bliver adskillelsesafstandene begrænsede.
Den anden metode, som tab kan måles ved, er brug af en signalgenerator og effektmåler. Effektmåleren er en skalarmåleenhed, så den kun kan måle et signals størrelse. Den kan ikke overvåge signalets fase, hvilket resulterer i mindre nøjagtige målinger af signalet. VNA måler både omfanget og fasen (af reelle og imaginære komponenter) af et målt signal i forhold til et velkendt indgangssignal, som er en måling af højere kvalitet.
VNA’er er en alsidig mulighed for mange typer målinger. Instrumentet kan bruges til at måle udstrålede radiosignaler ved hjælp af antenner på sende- og modtageportene18. Tid domæne analyse kan bruges til at overvåge signaler over tid og bestemme, hvor en pause forekommer i et kabel. Det kan måle mange frekvenser under en sweep, som kan bruges til at forstå dæmpning tab over mange frekvenser enten i en gennemført19 eller udstrålede miljø20. Forståelse af VNA’s forskellige parameterindstillinger resulterer i veldemede karakteriserede DUTs/systemer, og målinger opnået med DUT/systemet kan anvendes med en høj grad af tillid.
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker Forsvarsspektrumkontoret (DSO) for at have finansieret dette arbejde.
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).
