무선 주파수 전파 채널에서 측정을 위한 벡터 네트워크 분석기 교정
Summary
이 프로토콜은 무선 주파수 전파 측정 테스트 시스템의 구성 요소를 측정하기 위한 정확한 계측기로 사용하기 전에 벡터 네트워크 분석기를 교정하는 모범 사례를 설명합니다.
Abstract
무선 주파수(RF) 스펙트럼 활성의 상태 측정에서 무선 주파수 전파 전파의 물리학에 대한 통찰력을 제공하고 기존 및 새로운 스펙트럼 전파 모델을 검증합니다. 스펙트럼 사용이 계속 증가함에 따라 이러한 매개 변수는 간섭없는 스펙트럼 공유를 지원하고 보존하는 데 필수적입니다. 이러한 전파 측정은 정확하고 재현 가능하며 아티팩트와 바이어스가 없어야 합니다. 이러한 측정에 사용되는 부품의 이득과 손실을 특성화하는 것은 정확도에 매우 중요합니다. 벡터 네트워크 분석기(VNA)는 적절하게 보정된 경우 신호의 크기와 위상을 모두 측정하는 잘 확립되고 매우 정확하며 다재다능한 장비입니다. 이 문서에서는 VNA 를 교정하기 위한 모범 사례를 자세히 설명합니다. 보정되면 올바르게 구성된 전파 측정(또는 채널 사운딩) 시스템의 구성 요소를 정확하게 측정하거나 측정 시스템 자체로 사용할 수 있습니다.
Introduction
전기 통신 과학 연구소 (ITS)는 미국 상무부의 기관인 국가 통신 및 정보 관리 (NTIA)의 연구 실입니다. ITS는 1950년대부터 전파 측정에 활발히 참여해 왔습니다. 연방 및 상용 스펙트럼 사용자를 위한 새로운 패러다임인 스펙트럼 공유는 두 개의 서로 다른 시스템이 동시에 동일한 무선 주파수 스펙트럼을 공유하도록 요구합니다. 스펙트럼 공유 시나리오가 증가함에 따라 여러 서비스가 공유해야 하는 무선 환경을 더 잘 이해할 수 있는 정확하고 재현 가능한 무선 전파 측정이 필요합니다. 설명된 절차의 목적은 이러한 시스템을 구성하는 모든 구성 요소가 정확하게 구성된 VNA에 의해 잘 특성화되도록 하는 것입니다.
스펙트럼에 대한 수요가 증가하는 동안, 현재 상업적 목적으로 연방 기관에서 사용하는 스펙트럼을 신속하게 해제하는 것이 항상 가능한 것은 아닙니다. 예를 들어 고급 무선 서비스(AWS)-3 대역(1755-1780 MHz)에서는 군사 서비스와 상용 무선 통신 사업자 간에 스펙트럼 공유 배열이 개발되고 있습니다1. 이러한 계약을 통해 상용 무선 사업자는 군대에서 벗어나 군사 서비스를 전환하기 전에 AWS-3 대역에 진입할 수 있습니다.
국방 스펙트럼 조직(DSO)은 AWS-3 전환을 관리하는 임무를 맡고 있습니다. 전환의 핵심 부분은 대역을 공유하는 군사 및 상용 무선 시스템 간의 RF 간섭 가능성을 평가하기 위한 새로운 전파 모델을 개발하는 것입니다. DSO는 ITS와 다른 사람들에게 일련의 채널 사운드 측정을 수행하여 환경에서 나뭇잎과 인공 구조물의 영향을 더 잘 계산하는 새로운 모델을 구축하도록 했습니다(통칭하여 혼란이라고 함). 혼란을 고려하는 향상된 전파 모델링은 군사 시스템 주변의 상업용 송신기에 대한 제한을 줄이게 됩니다.
RF 스펙트럼 활성의 상태 측정에서 RF 파 전파의 물리학에 대한 통찰력을 제공하고 기존 및 새로운 무선 전파 모델을 검증합니다. 이 두 구성 요소는 간섭없는 스펙트럼 공유를 지원하고 보존하는 데 필수적입니다. 알려진 테스트 신호가 특정 위치에서 모바일 또는 고정 수신기로 전송되는 채널 사운딩 기술은 다양한 환경에서 무선 채널 특성을 추정하는 데이터를 제공합니다. 이 데이터는 신호의 전파 손실 또는 감쇠를 보다 정확하게 예측하는 모델을 개발하고 개선하는 데 사용됩니다. 이러한 손실은 건물 및 기타 장애물(예: 도시 협곡의 나무 또는 지형)에 의한 차단 및 반사 때문일 수 있습니다. 이러한 장애물은 송신 안테나와 수신 안테나 간의 신호 손실 또는 감쇠를 초래하는 여러 가지 약간 변형된 전파 경로를 생성합니다.
ITS 측정 기술은 정확하고 반복 가능하며 공정한 결과를 생성합니다. DSO는 ITS가 보다 광범위한 기술 커뮤니티와 제도적 지식을 공유하도록 장려했습니다. 이 지식에는 RF 전파 데이터를 최적으로 측정하고 처리하는 방법을 포함합니다. 최근 발표된 NTIA 기술 각서 TM-19-5352,,3,,4,,5는 전파 측정 시스템의 준비 및 검증을 위한 모범 사례 세트를 설명합니다. 이러한 모범 사례의 일환으로 VNA는 측정 시스템의 부품 손실 또는 이득을 정확하게 측정하는 데 사용됩니다. 이득과 손실은 두 안테나 사이의 신호 감쇠를 계산하는 데 사용됩니다.
여기에 제시된 프로토콜은 실험실 또는 현장 응용 분야에서 테스트하기 전에 VNA5를 교정하기 위한 모범 사례를 다룹니다. 여기에는 예열 시간, RF 커넥터 유형 선택, 적절한 연결, 적절한 교정 단계의 성능이 포함됩니다. 교정은 특정 전파 측정 시나리오의 맥락에서 데이터를 수집하기 전에 제어된 실험실 환경에서 수행되어야 합니다. 추가 고려 사항은 이 프로토콜의 범위를 벗어난 특정 전파 측정 환경과 관련이 있을 수 있습니다.
VNA는 다른 측정 시스템을 조립할 때 부품 및 하위 어셈블리의 장치 특성을 측정하는 데 사용됩니다. 전력 증폭기, 수신기, 필터, 저잡음 증폭기, 믹서, 케이블 및 안테나는 VNA를 특징으로 할 수있는 모든 구성 요소입니다. 시스템을 테스트 및/또는 교정하기 전에 시스템의 모든 필수 구성 요소 목록이 준비되고 모든 시스템 구성 요소가 조립됩니다. 시스템의 각 구성 요소는 VNA 케이블 사이에 삽입하여 별도로 측정됩니다. 이렇게 하면 모든 구성 요소가 제조업체의 사양 내에서 작동할 수 있습니다. 구성 요소를 확인한 후 시스템이 조립되고 전체 시스템 전체의 손실이 측정됩니다. 이렇게 하면 구성 요소 간의 반사 및 전송이 적절하게 특성화됩니다.
VNA는 크기와 위상을 모두 가진 복잡한 값수인 산란 매개변수(S-매개변수)를 측정합니다. S-파라미터는 입사 신호에 대한 1) 반사 신호(반사 측정) 또는 2) 입사 신호(전송 측정)에 전송된 신호중 하나의 비비 측정이다. 2포트 장치의 경우 4개의 S 매개변수(S11,S21,S12및 S22)를측정할 수 있습니다. 첫 번째 서브스크립트는 신호가 수신되는 포트를 나타내고 두 번째 하위 스크립트는 신호가 전송되는 포트를 나타냅니다. 따라서,S11은 포트 1에서 송신된 신호가 포트 1에서 유래하고 포트 1에서 수신되었다는 것을 의미한다. 또한S21은 전송된 신호가 포트 1에서 다시 시작되었지만 포트 2에서 수신된다는 것을 의미합니다. S11은 포트 1에서 발생한 원래 신호를 참조하여 포트 1에서 테스트 중인 장치(DUT)에 의해 반사되는 신호의 양을 측정합니다. S21은 DUT를 통해 전송되고 포트 1의 입사 신호를 참조하여 포트 2에 도달하는 신호의 양을 측정합니다. S11은 포트 1에서 DUT의 반사 계수를 측정하고,S21은 포트 1에서 포트 2로의 DUT의 전송 계수를 측정한 값입니다.
VNA의 교정은 일반적으로 VNA 측정 케이블의 끝에 있는 측정 기준 평면까지(및 포함) 구성 요소에서 체계적인 오류를 제거해야 합니다. 교정은 알려진 “완벽한” 표준(개방, 반바지, 하중, 스루/라인)을 측정하고 이를 VNA가 측정하는 값과 비교하여 시스템 오류를 제거합니다. 일련의 오류 수정을 통해 DUT에 대한 수정된 값이 표시됩니다. 현재 교정 중에 특징지어지는 12개의 오류 용어6,,7이 있습니다. 자세한 내용은 고전적인 마이크로파 회로 이론99,10에의해 지원되는 6 포트 네트워크 분석기8에서 만들어진 원래의 S 매개 변수 측정을 참조하십시오.
S-파라미터 반사 측정의 가장 일반적인 유형은 리턴 손실, 스탠딩 파비(SWR), 반사 계수 및 임피던스 일치입니다. S-파라미터 전송 측정의 가장 일반적인 유형은 삽입 손실, 전송 계수, 이득/손실, 그룹 지연, 위상 또는 위상 지연 및 전기 지연입니다. 전송 손실 측정은 기재된 프로토콜에서 강조됩니다.
VNA를 사용한 시스템 구성 요소의 이득 및 손실 측정은 잘 이해됩니다. 그러나 커넥터 청소 및 적절한 토크 렌치 사용과 같은 중요한 단계는 종종 건너뜁니다. 이 프로토콜은 일부 가 특히 중요한 이유에 대한 모든 필요한 단계와 설명을 제공합니다. 또한 신호 감쇠 계산을 포함하여 RF 전파 측정을 수행하는 방법을 설명하는 향후 문서의 전주곡이 될 것입니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
교정이 수행되기 전에 VNA가 적어도 0.5시간 동안 RT로 따뜻하게 데워지도록 하는 것이 중요하며, 이를 통해 모든 내부 구성 요소가 RT에 도달하고 보다 안정적인 교정을 수행할 수 있습니다. 하나의 교정은 정확도가 크게 손실되지 않고 며칠 동안 지속될 수 있습니다. 그러나 교정은 측정의 무결성을 보장하기 위해 교정 표준을 사용하여 매일 검사됩니다. 불량 커넥터가 VNA의 정밀도를 손상시키지 않도록 모든 시스템 구성 요소를 검사하는 것이 필수적입니다. VNA와 함께 저손실 케이블을 사용하는 것이 가장 좋습니다. 교정의 무결성은 시스템 구성 요소 또는 DUT를 측정하기 전에 확인해야 합니다. 여기에 제공된 사양 을 벗어난 모든 측정은 반복되어야 하거나 새로운 교정이 필요할 수 있습니다. 마지막으로 제조업체의 사양을 사용하여 측정된 DUT 값을 확인하는 것은 유효성 검사의 필수적인 부분입니다.
VNA를 측정 기기로 사용하는 것은 한계가 있습니다. DUT 또는 시스템에 손실이 너무 커서 측정된 S 매개변수가 VNA의 노이즈 플로어 아래로 떨어지면 VNA로 측정할 수 없습니다. IF 대역폭을 줄이고 스윕 시간을 늘려 노이즈 플로어를 낮출 수 있습니다. 이렇게 하면 측정 수집 시간이 느려집니다. 따라서 이러한 매개 변수를 조정할 때 장단점이 있습니다. VNA는 30dBm을 초과하는 입력 전력을 처리할 수 없으므로 앰프를 측정할 때 내부 또는 외부 감쇠를 사용합니다. VNA에는 동일한 계측기에 소스와 수신기가 있으므로 무선 전파 측정 시스템으로 사용되었습니다. 소스와 수신기는 VNA에 있으므로 송신 포트를 수신 포트에 어떤 방식으로 조인해야 합니다. 일반적으로 이 작업은 케이블로 수행됩니다. 그러나 케이블은 손실을 추가하여 측정할 수 있는 동적 범위를 줄입니다. 또한 분리 거리가 제한됩니다.
손실을 측정할 수 있는 다른 방법은 신호 발생기와 전력 계량기를 사용하는 것입니다. 파워 미터는 스칼라 측정 장치이므로 신호의 크기만 측정할 수 있습니다. 신호의 위상을 모니터링할 수 없으므로 신호의 정확도가 떨어집니다. VNA는 잘 알려진 입력 신호에 비해 측정된 신호의 크기와 위상(실제 및 가상 구성 요소)을 모두 측정하며, 이는 더 높은 품질 측정입니다.
VNA는 다양한 유형의 측정을 위한 다양한 옵션입니다. 계측기는 송수신포트(18)의안테나를 사용하여 방사된 무선 신호를 측정하는 데 사용할 수 있습니다. 시간 영역 분석을 사용하여 시간에 따라 신호를 모니터링하고 케이블에서 파손이 발생하는 위치를 결정할 수 있습니다. 스윕 동안 많은 주파수를 측정할 수 있으며, 이는전도된 19 또는 방사환경(20)에서많은 주파수에 대한 감쇠 손실을 이해하는 데 사용될 수 있다. VNA의 다양한 파라미터 설정을 이해하면 특성이 잘 되는 DUT/시스템을 생성하며, DUT/시스템으로 얻은 측정을 높은 신뢰도로 사용할 수 있습니다.
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
우리는이 작업에 자금을 국방 스펙트럼 사무소 (DSO)에 감사드립니다.
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 |
Riferimenti
- 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).
