Calibração do Analisador de Rede Vetorial para Medições em Canais de Propagação de Radiofrequência
Summary
Este protocolo descreve as melhores práticas para calibrar um analisador de rede vetorial antes de ser usado como um instrumento preciso, destinado a medir componentes de um sistema de teste de medição de propagação de radiofrequência.
Abstract
As medições in situ da atividade de espectro de radiofrequência (RF) fornecem uma visão da física da propagação de ondas de radiofrequência e validam modelos existentes e novos modelos de propagação de espectro. Ambos os parâmetros são essenciais para apoiar e preservar o compartilhamento de espectro livre de interferências, uma vez que o uso do espectro continua a aumentar. É vital que tais medidas de propagação sejam precisas, reprodutíveis e livres de artefatos e preconceitos. Caracterizar os ganhos e perdas dos componentes utilizados nessas medições é vital para sua precisão. Um analisador de rede vetorial (VNA) é um equipamento bem estabelecido, altamente preciso e versátil que mede a magnitude e a fase dos sinais, se devidamente calibrado. Este artigo detalha as melhores práticas para calibrar um VNA. Uma vez calibrado, pode ser usado para medir com precisão componentes de um sistema de medição de propagação (ou sondagem de canal) configurado corretamente ou pode ser usado como um sistema de medição em si.
Introduction
O Institute for Telecommunication Sciences (ITS) é o laboratório de pesquisa da National Telecommunications and Information Administration (NTIA), uma agência do Departamento de Comércio dos EUA. A ITS atua nas medições de propagação de rádio desde a década de 1950. O compartilhamento de espectro, o novo paradigma para usuários federais e comerciais de espectro, exige que dois sistemas diferentes compartilhem o mesmo espectro de radiofrequência ao mesmo tempo. À medida que os cenários de compartilhamento de espectro aumentam, também aumenta a necessidade de medições precisas e reprodutíveis de propagação de rádio que proporcionem uma melhor compreensão do ambiente de rádio, que vários serviços devem compartilhar. O objetivo do procedimento descrito é garantir que quaisquer componentes que compõem tal sistema sejam bem caracterizados por um VNA configurado com precisão.
Embora a demanda por espectro aumente, nem sempre é possível liberar rapidamente o espectro que atualmente é usado por agências federais para fins comerciais. Por exemplo, na banda Advanced Wireless Services (AWS)-3 (1755-1780 MHz), acordos de compartilhamento de espectro estão sendo desenvolvidos entre serviços militares e operadoras sem fio comerciais1. Esses arranjos permitem que as operadoras sem fio comerciais entrem na banda AWS-3 antes de completar a transição dos serviços militares para fora da banda.
A Defense Spectrum Organization (DSO) foi encarregada de gerenciar a transição AWS-3. Uma parte fundamental da transição envolve o desenvolvimento de novos modelos de propagação para avaliar o potencial de interferência de RF entre sistemas sem fio militares e comerciais que compartilham a banda. O DSO encarregou a ITS e outras de realizar uma série de medições de som de canais para construir novos modelos que calculem melhor o impacto das folhagens e das estruturas artificiais no ambiente (coletivamente conhecidas como desordem). Uma modelagem de propagação melhorada que considera desordem levará a menos restrições aos transmissores comerciais nas proximidades dos sistemas militares.
Medições in situ da atividade do espectro RF fornecem insights sobre a física da propagação de ondas RF e validam modelos existentes e novos de propagação de rádio. Ambos os componentes são essenciais para apoiar e preservar o compartilhamento de espectro livre de interferências. Técnicas de som do canal, nas quais um sinal de teste conhecido é transmitido de um local específico para um receptor móvel ou estacionário, fornecem dados que estimam características de canais de rádio em diferentes ambientes. Os dados são usados para desenvolver e melhorar modelos que predizem com mais precisão perdas de propagação ou atenuação do sinal. Essas perdas podem ser decorrentes de bloqueio e reflexão por edifícios e outros obstáculos (ou seja, árvores ou terrenos em cânions urbanos). Esses obstáculos produzem múltiplos, ligeiramente variantes, caminhos de propagação resultando em perda de sinal ou atenuação entre a antena de transmissão e recebimento.
As técnicas de medição ITS produzem resultados precisos, repetitivos e imparcial. O DSO tem incentivado a ITS a compartilhar seu conhecimento institucional com a comunidade técnica mais ampla. Esse conhecimento inclui como medir e processar os dados de propagação de RF de forma otimizada. O memorando técnico recentemente publicado NTIA TM-19-5352,3,4,5 descreve um conjunto de melhores práticas para a preparação e verificação de sistemas de medição de radioapropriação de rádio. Como parte dessas práticas recomendadas, um VNA é usado para medir com precisão as perdas ou ganhos de componentes de um sistema de medição. Os ganhos e perdas são então usados para calcular a atenuação do sinal entre duas antenas.
O protocolo aqui apresentado aborda as melhores práticas para calibrar um VNA5 antes de testes em aplicações de laboratório ou de campo. Estes incluem tempo de aquecimento, seleção do tipo de conector RF, fazer conexões adequadas e desempenho de etapas de calibração apropriadas. A calibração deve ser realizada em um ambiente de laboratório controlado antes da coleta de dados no contexto de um cenário específico de medição de propagação. Considerações adicionais podem ser relevantes para ambientes específicos de medição de propagação, que estão fora do escopo deste protocolo.
O VNA é usado para medir características do dispositivo de componentes e sub-conjuntos ao montar outros sistemas de medição. Amplificadores de energia, receptores, filtros, amplificadores de baixo ruído, misturadores, cabos e antenas são todos componentes que podem ser caracterizados por um VNA. Antes de testar e/ou calibrar um sistema, uma lista de todos os componentes necessários do sistema é preparada e todos os componentes do sistema são montados. Cada componente de um sistema é medido separadamente inserindo-os entre os cabos VNA. Isso garante que todos os componentes estejam operando dentro das especificações do fabricante. Uma vez verificados os componentes, o sistema é montado, e as perdas em todo o sistema são medidas. Isso garante que reflexões e transmissões entre componentes sejam devidamente caracterizadas.
Um VNA mede parâmetros de dispersão (parâmetros S), que são quantidades de valor complexo com magnitude e fase. Um parâmetro S é uma medição racionada do sinal refletido 1 para o sinal de incidente (medição de reflexo) ou 2) do sinal transmitido para o sinal incidente (medição de transmissão). Para um dispositivo de duas portas, podem ser medidos quatro parâmetros S (S11, S21, S12e S22). O primeiro subscrito refere-se à porta onde o sinal é recebido, e o segundo refere-se à porta onde o sinal é transmitido. Assim, s11 significa que o sinal transmitido originou-se na porta 1 e foi recebido no porto 1. Além disso, s21 significa que o sinal transmitido originou-se novamente na porta 1, mas é recebido na porta 2. S11 mede a quantidade de sinal que é refletida pelo dispositivo em teste (DUT) na porta 1 com referência ao sinal original que foi incidente na porta 1. S21 mede a quantidade de sinal que é transmitida através do DUT e chega ao porto 2 com referência ao sinal de incidente na porta 1. S11 é uma medida do coeficiente de reflexão do DUT na porta 1, e S21 é uma medida do coeficiente de transmissão do DUT da porta 1 para a porta 2.
É necessária uma calibração do VNA para remover os erros sistemáticos dos componentes até (e incluindo) o plano de referência de medição, que normalmente está no final dos cabos de medição VNA. Uma calibração remove os erros do sistema medindo padrões conhecidos “perfeitos” (aberto, shorts, cargas, thru/line) e comparando-os com o valor que o VNA mede. Através de uma série de correções de erro, um valor corrigido para o DUT é exibido. Atualmente, existem 12 termos de erro6,7 que são caracterizados durante a calibração. Para obter mais informações, consulte as medições originais de parâmetros S que foram feitas em analisadores de rede de seis portas8 suportados pela teoria clássica do circuito de micro-ondas9,,10.
Os tipos mais comuns de medições de reflexão de parâmetros S são perda de retorno, relação de onda permanente (SWR), coeficiente de reflexão e correspondência de impedância. Os tipos mais comuns de medições de transmissão de parâmetros S são perda de inserção, coeficiente de transmissão, ganho/perda, atraso de grupo, atraso de fase ou fase e atraso elétrico. As medidas de perda de transmissão são enfatizadas no protocolo descrito.
A medição dos ganhos e perdas dos componentes do sistema usando um VNA é bem compreendida. No entanto, passos importantes são muitas vezes ignorados, como limpar conectores e usar uma chave de torque adequada. Este protocolo fornece todas as etapas e explicações necessárias sobre por que algumas são particularmente importantes. Também servirá como um prelúdio para um artigo futuro descrevendo como realizar medições de propagação de RF, incluindo os cálculos de atenuação de sinal.
Protocol
Representative Results
Discussion
É importante permitir que o VNA aqueça ao RT por pelo menos 0,5 h (embora, 1 h seja melhor) antes que as calibrações sejam realizadas, o que permite que todos os componentes internos cheguem ao RT e resulte em calibrações mais estáveis. Uma calibração pode durar vários dias sem uma grande perda de precisão; no entanto, a calibração é verificada diariamente usando um padrão de calibração para garantir a integridade da medição. A inspeção de todos os componentes do sistema é essencial para que os conectores ruins não prementem a precisão do VNA. É melhor usar cabos de baixa perda com o VNA. A integridade da calibração deve ser verificada antes da medição de qualquer componente do sistema ou DUT. Qualquer medição fora das especificações aqui fornecidas deve ser repetida ou pode exigir uma nova calibração. Finalmente, usar as especificações do fabricante para verificar os valores de DUT medidos é uma parte necessária da validação.
Usar o VNA como instrumento de medição tem suas limitações. Se o DUT ou sistema tiver perdas tão grandes que os parâmetros S medidos fiquem abaixo do piso de ruído do VNA, ele não poderá ser medido com o VNA. É possível baixar o piso de ruído diminuindo a largura de banda IF e aumentando o tempo de varredura. Isso reduzirá o tempo de aquisição da medição; portanto, há uma troca ao ajustar esses parâmetros. O VNA não pode lidar com potências de entrada superiores a 30 dBm, portanto, utilizando atenuação interna ou externa ao medir amplificadores. O VNA tem uma fonte e receptor localizados no mesmo instrumento, por isso tem sido usado como um sistema de medição de propagação de rádio. Como a fonte e o receptor estão localizados no VNA, a porta de transmissão deve ser juntada de alguma forma à porta receptora. Normalmente, isso é feito com cabos; no entanto, os cabos adicionam perda, diminuindo o alcance dinâmico do que pode ser medido. Além disso, as distâncias de separação tornam-se limitadas.
O outro método pelo qual as perdas podem ser mensuradas é o uso de um gerador de sinal e medidor de energia. O medidor de energia é um dispositivo de medição escalar, por isso só pode medir a magnitude de um sinal. Não é possível monitorar a fase do sinal, o que resulta em medições menos precisas do sinal. O VNA mede tanto a magnitude quanto a fase (de componentes reais e imaginários) de um sinal medido em relação a um sinal de entrada bem conhecido, que é uma medição de maior qualidade.
VNAs são uma opção versátil para muitos tipos de medições. O instrumento pode ser usado para medir sinais de rádio irradiados usando antenas nas portas de transmissão e recebimento18. A análise do domínio do tempo pode ser usada para monitorar sinais ao longo do tempo e determinar onde ocorre uma quebra em um cabo. Ele pode medir muitas frequências durante uma varredura, que pode ser usada para entender perdas de atenuação em muitas frequências, seja em um ambiente realizado19 ou irradiado20. Compreender as várias configurações de parâmetros do VNA resulta em DUTs/sistemas bem caracterizados, e as medições obtidas com o DUT/sistema podem ser usadas com um alto grau de confiança.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos ao Escritório de Espectro de Defesa (DSO) por financiar este trabalho.
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
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