معايرة محلل شبكة ناقلات للقياسات في قنوات نشر الترددات الراديوية
Summary
ويصف هذا البروتوكول أفضل الممارسات لمعايرة محلل شبكة ناقلات قبل استخدامه كأداة دقيقة، تهدف إلى قياس مكونات نظام اختبار قياس انتشار الترددات الراديوية.
Abstract
وتوفر القياسات الموقعية لنشاط الطيف الترددي الراديوي نظرة ثاقبة لفيزياء انتشار موجات الترددات الراديوية والتحقق من صحة نماذج انتشار الطيف القائمة والجديدة. وكلا المعيارين ضروريان لدعم والحفاظ على تقاسم الطيف الخالي من التداخل، مع استمرار زيادة استخدام الطيف. ومن الأهمية بمكان أن تكون قياسات الانتشار هذه دقيقة وقابلة للاستنساخ وخالية من القطع الأثرية والتحيز. إن توصيف مكاسب وخسائر المكونات المستخدمة في هذه القياسات أمر حيوي لدقتها. محلل شبكة ناقلات (VNA) هو قطعة راسخة ودقيقة للغاية ومتعددة الاستخدامات من المعدات التي تقيس حجم ومرحلة الإشارات ، إذا تم معايرتها بشكل صحيح. هذه المقالة تفاصيل أفضل الممارسات لمعايرة VNA. وبمجرد معايرتها، يمكن استخدامها لقياس مكونات نظام قياس الانتشار (أو سبر القناة) الذي تم تكوينه بشكل صحيح بدقة أو يمكن استخدامه كنظام قياس نفسه.
Introduction
معهد علوم الاتصالات (ITS) هو مختبر البحوث التابع للإدارة الوطنية للاتصالات والمعلومات (NTIA)، وهي وكالة تابعة لوزارة التجارة الأميركية. وقد نشطت القياسات في قياسات الانتشار الراديوي منذ الخمسينات. ويتطلب تقاسم الطيف، وهو النموذج الجديد لمستخدمي الطيف الاتحادي والتجاري، أن يتقاسم نظامان مختلفان نفس طيف الترددات الراديوية في نفس الوقت. ومع تزايد سيناريوهات تقاسم الطيف، تزداد الحاجة إلى قياسات دقيقة وقابلة للاستنساخ للانتشار الراديوي توفر فهماً أفضل للبيئة الراديوية، التي يجب أن تتقاسمها خدمات متعددة. والهدف من الإجراء الموصوف هو ضمان أن تكون أي مكونات تشكل مثل هذا النظام تتميز بشكل جيد بـ VNA تم تكوينها بدقة.
وفي حين أن الطلب على الطيف يزداد، فإنه ليس من الممكن دائماً تحرير الطيف بسرعة تستخدمه الوكالات الاتحادية حالياً للأغراض التجارية. على سبيل المثال، في نطاق الخدمات اللاسلكية المتقدمة (AWS)-3 (1755-1780 ميغاهرتز)، يتم تطوير ترتيبات مشاركة الطيف بين الخدمات العسكرية والناقلات اللاسلكية التجارية1. وتسمح هذه الترتيبات للشركات اللاسلكية التجارية بدخول نطاق AWS-3 قبل الانتهاء من انتقال الخدمات العسكرية من النطاق.
وقد كُلفت منظمة الطيف الدفاعي بإدارة المرحلة الانتقالية من AWS-3. ويشمل جزء رئيسي من عملية الانتقال وضع نماذج جديدة للانتشار لتقييم إمكانية تداخل الترددات اللاسلكية بين النظم اللاسلكية العسكرية والتجارية التي تشترك في النطاق. وقد كلفت DSO ITS وغيرها بإجراء سلسلة من قياسات السبر قناة لبناء نماذج جديدة من شأنها أن تحسب بشكل أفضل تأثير أوراق الشجر والهياكل التي من صنع الإنسان في البيئة (المعروفة مجتمعة باسم فوضى). وسيؤدي تحسين نمذجة الانتشار التي تنظر في الفوضى إلى تقليل القيود المفروضة على أجهزة الإرسال التجارية بالقرب من النظم العسكرية.
وتوفر القياسات الموقعية لنشاط طيف الترددات الراديوية نظرة ثاقبة لفيزياء انتشار موجات الترددات الراديوية والتحقق من صحة نماذج الانتشار الراديوي القائمة والجديدة. وهذان العنصران ضروريان لدعم والحفاظ على تقاسم الطيف الخالي من التداخل. توفر تقنيات سبر القناة، التي يتم فيها إرسال إشارة اختبار معروفة من موقع معين إلى جهاز استقبال متنقل أو ثابت، بيانات تقدر خصائص القناة الراديوية في بيئات مختلفة. وتستخدم البيانات لتطوير وتحسين النماذج التي تتنبأ بدقة أكبر بخسائر الانتشار أو توهين الإشارة. وقد تعزى هذه الخسائر إلى الحجب والتأمل من جانب المباني وغيرها من العقبات (أي الأشجار أو التضاريس في الأخادي الحضرية). وتنتج هذه العقبات مسارات انتشار متعددة ومتغيرة قليلاً مما يؤدي إلى فقدان الإشارة أو توهينها بين هوائي الإرسال والاستقبال.
تنتج تقنيات القياس الخاصة بـ ITS نتائج دقيقة وقابلة للتكرار وغير متحيزة. وقد شجعت دائرة دعم الهياكل المالية المعهد على تبادل معارفه المؤسسية مع المجتمع التقني الأوسع نطاقا. وتشمل هذه المعرفة كيفية قياس بيانات نشر الترددات الراديوية ومعالجتها على النحو الأمثل. وتصف المذكرة التقنية TM-19-5352و33,و4و55 التي نشرت مؤخراً مجموعة من أفضل الممارسات لإعداد نظم قياس الانتشار الراديوي والتحقق منها. وكجزء من هذه الممارسات الفضلى، يُستخدم نظام قياس المكونات لقياس الخسائر أو المكاسب التي حققها نظام القياس بدقة. ثم تستخدم المكاسب والخسائر لحساب التوهين إشارة بين هوائيين.
ويتناول البروتوكول المعروض هنا أفضل الممارسات لمعايرة VNA5 قبل الاختبار في التطبيقات المختبرية أو الميدانية. وتشمل هذه الوقت الاحماء، واختيار نوع موصل RF، وإجراء اتصالات مناسبة، وأداء خطوات المعايرة المناسبة. وينبغي إجراء المعايرة في بيئة مختبرية خاضعة للرقابة قبل جمع البيانات في سياق سيناريو محدد لقياس الانتشار. وقد تكون هناك اعتبارات إضافية ذات صلة ببيئات محددة لقياس الانتشار، تقع خارج نطاق هذا البروتوكول.
يتم استخدام VNA لقياس خصائص الجهاز من المكونات والتجميعات الفرعية عند تجميع أنظمة القياس الأخرى. مكبرات الصوت السلطة، وأجهزة الاستقبال، والمرشحات، ومكبرات الصوت منخفضة، خلاطات، والكابلات، والهوائيات كلها المكونات التي يمكن أن تتميز VNA. قبل اختبار و/أو معايرة نظام، يتم إعداد قائمة بجميع المكونات المطلوبة من النظام، ويتم تجميع جميع مكونات النظام. يتم قياس كل مكون من مكونات النظام بشكل منفصل عن طريق إدراجها بين كبلات VNA. وهذا يضمن أن جميع المكونات تعمل ضمن مواصفات الشركة المصنعة. بمجرد فحص المكونات ، يتم تجميع النظام ، ويتم قياس الخسائر في جميع أنحاء النظام بأكمله. وهذا يضمن أن التأملات والإرسال بين المكونات يتم توصيفها بشكل صحيح.
يقيس VNA معلمات التشتت (S-Parameters) ، وهي كميات ذات قيمة معقدة ذات حجم ومرحلة على حد سواء. المعلمة S هي قياس نسبة إما الإشارة المنعكسة 1) إلى إشارة الحادث (قياس الانعكاس) أو 2) إشارة مرسلة إلى إشارة الحادث (قياس الإرسال). بالنسبة لجهاز منفذين، يمكن قياس أربعة معلمات S (S11و S21و S12و S22). يشير النص الفرعي الأول إلى المنفذ الذي يتم تلقي الإشارة إليه، ويشير الثاني إلى المنفذ الذي يتم إرسال الإشارة إليه. وهكذا، فإن S11 تعني أن الإشارة المرسلة نشأت في الميناء 1 ووردت في الميناء 1. بالإضافة إلى ذلك، S21 يعني أن الإشارة المرسلة نشأت مرة أخرى في المنفذ 1 ولكن يتم تلقيها في المنفذ 2. يقيس S11 مقدار الإشارة التي يعكسها الجهاز قيد الاختبار (DUT) في المنفذ 1 مع الإشارة الأصلية التي كانت حادثة في المنفذ 1. يقيس S21 كمية الإشارة التي يتم إرسالها عبر DUT وتصل إلى المنفذ 2 مع الإشارة إلى إشارة الحادث في المنفذ 1. S11 هو مقياس معامل انعكاس DUT في المنفذ 1، وS21 هو مقياس معامل انتقال DUT من المنفذ 1 إلى المنفذ 2.
مطلوب معايرة VNA لإزالة الأخطاء المنهجية من المكونات حتى (بما في ذلك) مستوى مرجعي القياس، والذي عادة ما يكون في نهاية كابلات قياس VNA. المعايرة تزيل أخطاء النظام عن طريق قياس المعايير المعروفة “المثالية” (المفتوحة، السراويل القصيرة، الأحمال، من خلال/خط) ومقارنتها بالقيمة التي يقيسها VNA. من خلال سلسلة من تصحيحات الأخطاء، يتم عرض قيمة مصححة لـ DUT. يوجد حاليًا 12خطأ6،7 تم توصيفها أثناء المعايرة. لمزيد من المعلومات، راجع القياسات الأصلية S-المعلمة التي تم إجراؤها على أجهزة تحليل شبكة ستة موانئ8 مدعومة بنظرية دائرة الميكروويف الكلاسيكية9،10.
الأنواع الأكثر شيوعا ً من قياسات انعكاس S-parameter هي فقدان الإرجاع، ونسبة الموجة الدائمة (SWR)، معامل الانعكاس، ومطابقة المعاوقة. الأنواع الأكثر شيوعا ً من قياسات انتقال S-parameter هي فقدان الإدراج، معامل الإرسال، الكسب/الخسارة، تأخير المجموعة، تأخير المرحلة أو المرحلة، والتأخير الكهربائي. يتم التأكيد على قياسات فقدان الإرسال في البروتوكول الموصوف.
وقياس المكاسب والخسائر في مكونات النظام باستخدام نظام عدم الانتشار أمر مفهوم جيداً. ومع ذلك، غالبًا ما يتم تخطي الخطوات الهامة، مثل تنظيف الموصلات واستخدام مفتاح عزم الدوران المناسب. ويوفر هذا البروتوكول جميع الخطوات والتفسيرات اللازمة للأسباب التي تجعل بعضها ذا أهمية خاصة. كما سيكون بمثابة مقدمة لمقال مستقبلي يصف كيفية إجراء قياسات انتشار الترددات الراديوية، بما في ذلك حسابات توهين الإشارة.
Protocol
Representative Results
Discussion
من المهم السماح لVNA بالدفء إلى RT لمدة لا تقل عن 0.5 ساعة (على الرغم من أن ساعة واحدة أفضل) قبل إجراء المعايرة ، مما يسمح لجميع المكونات الداخلية بالوصول إلى RT ويؤدي إلى معايرات أكثر استقرارًا. يمكن أن تستمر المعايرة الواحدة عدة أيام دون فقدان كبير للدقة. ومع ذلك، يتم فحص المعايرة يوميا باستخدام معيار المعايرة لضمان سلامة القياس. فحص كافة مكونات النظام ضروري بحيث لا تضر الموصلات السيئة بدقة VNA. فمن الأفضل لاستخدام كابلات الخسارة المنخفضة مع VNA. يجب التحقق من سلامة المعايرة قبل قياس أي مكون من مكونات النظام أو DUT. وينبغي تكرار أي قياس خارج المواصفات المنصوص عليها هنا أو قد يتطلب معايرة جديدة. وأخيراً، استخدام مواصفات الشركة المصنعة للتحقق من قيم DUT المقاسة هو جزء ضروري من التحقق من الصحة.
استخدام VNA كأداة قياس له حدوده. إذا كان DUT أو النظام لديه خسائر كبيرة بحيث تقع معلمات S المقاسة تحت أرضية الضوضاء في VNA، فلا يمكن قياسها باستخدام VNA. فمن الممكن لخفض الكلمة الضوضاء عن طريق خفض عرض النطاق الترددي IF وزيادة وقت الاجتياح. وهذا من شأنها أن تبطئ وقت اقتناء القياس؛ وبالتالي، هناك مفاضلة عند ضبط هذه المعلمات. لا يمكن لـ VNA التعامل مع قوى الإدخال أكبر من 30 ديسيبل ، لذلك يتم استخدام التوهين الداخلي أو الخارجي عند قياس مكبرات الصوت. وللأداة النووية مصدر واستقبال موجودان في نفس الأداة، ولذلك فقد استخدم كنظام لقياس الانتشار الراديوي. لأن المصدر والمتلقي موجودان في VNA، يجب ضم منفذ الإرسال بطريقة ما إلى منفذ الاستقبال. عادة، يتم ذلك مع الكابلات. ومع ذلك ، تضيف الكابلات خسارة ، مما يقلل من النطاق الديناميكي لما يمكن قياسه. وعلاوة على ذلك، تصبح مسافات الانفصال محدودة.
الطريقة الأخرى التي يمكن قياس الخسائر بها هي استخدام مولد الإشارة وعداد الطاقة. مقياس الطاقة هو جهاز قياس حجمي، لذلك يمكنه قياس حجم الإشارة فقط. ولا يمكنه رصد مرحلة الإشارة، مما يؤدي إلى قياسات أقل دقة للإشارة. يقيس VNA حجم ومرحلة (المكونات الحقيقية والوهمية) للإشارة المقاسة بالنسبة لإشارة إدخال معروفة ، وهي قياس أعلى جودة.
VNAs هي خيار متعدد الاستخدامات للعديد من أنواع القياسات. ويمكن استخدام الأداة لقياس الإشارات الراديوية المشعة باستخدام هوائيات على الموانئ المرسلة والمتلقية18. يمكن استخدام تحليل المجال الزمني لمراقبة الإشارات بمرور الوقت وتحديد مكان حدوث فاصل في كبل. يمكن قياس العديد من الترددات خلال الاجتياح ، والتي يمكن استخدامها لفهم خسائر التوهين على العديد من الترددات إما في بيئة أجريت19 أو تشع20. فهم إعدادات المعلمة المختلفة من VNA النتائج في الاختبارات/الأنظمة التي تتميز جيدا، ويمكن استخدام القياسات التي تم الحصول عليها مع DUT / النظام مع درجة عالية من الثقة.
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نشكر مكتب الطيف الدفاعي (DSO) على تمويل هذا العمل.
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 |
References
- 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).
