Radyo Frekansı Yayılma Kanallarında Ölçümler için Vektör Ağı Analizörükalsikalasyonu
Summary
Bu protokol, bir radyo frekansı yayılma ölçüm test sisteminin bileşenlerini ölçmek amacıyla doğru bir araç olarak kullanılmadan önce bir vektör ağ çözümleyicisini kalibre etmek için en iyi uygulamaları açıklar.
Abstract
Radyo frekansı (RF) spektrum aktivitesi yerinde ölçümler radyo frekans ı dalga yayılımı fiziği hakkında fikir sağlar ve mevcut ve yeni spektrum yayılma modellerini doğrular. Spektrum kullanımı artmaya devam ettikçe, bu parametrelerin her ikisi de parazitsiz spektrum paylaşımını desteklemek ve korumak için gereklidir. Bu tür yayılma ölçümlerinin doğru, tekrarlanabilir ve eserlerden ve önyargılardan arınması hayati önem taşımaktadır. Bu ölçümlerde kullanılan bileşenlerin kazanç ve kayıplarını karakterize etmek doğrulukları açısından hayati önem taşımaktadır. Vektör ağ analizörü (VNA), doğru kalibre edilmişse sinyallerin hem büyüklüğünü hem de fazını ölçen iyi kurulmuş, son derece doğru ve çok yönlü bir ekipmandır. Bu makalede, bir VNA kalibre etmek için en iyi uygulamalar ayrıntıları. Kalibre edildikten sonra, doğru yapılandırılmış bir yayılma ölçüm (veya kanal sondaj) sisteminin bileşenlerini doğru bir şekilde ölçmek için kullanılabilir veya ölçüm sisteminin kendisi olarak kullanılabilir.
Introduction
Telekomünikasyon Bilimleri Enstitüsü (ITS), ABD Ticaret Bakanlığı’nın bir kuruluşu olan Ulusal Telekomünikasyon ve Enformasyon İdaresi’nin (NTIA) araştırma laboratuvarıdır. ITS 1950’lerden beri radyo yayılımı ölçümlerinde aktif olarak faaliyet göstermektedir. Spektrum paylaşımı, federal ve ticari spektrum kullanıcıları için yeni bir paradigma, iki farklı sistem aynı anda aynı radyo frekans spektrumu paylaşmak gerektirir. Spektrum paylaşım senaryoları arttıkça, birden çok hizmetin paylaşılması gereken radyo ortamını daha iyi anlamasını sağlayan doğru ve tekrarlanabilir radyo yayılma ölçümlerine duyulan ihtiyaç da artar. Açıklanan yordamın amacı, böyle bir sistemi oluşturan bileşenlerin doğru yapılandırılmış bir VNA ile iyi bir şekilde karakterize edilmesini sağlamaktır.
Spektrum için talep artar ken, her zaman şu anda ticari amaçlar için federal kurumlar tarafından kullanılan hızla serbest spektrum mümkün değildir. Örneğin, Gelişmiş Kablosuz Hizmetler (AWS)-3 bandında (1755–1780 MHz), askeri hizmetler ve ticari kablosuz taşıyıcılar arasında spektrum paylaşım düzenlemeleri geliştirilmektedir1. Bu düzenlemeler, ticari kablosuz taşıyıcıların askeri hizmetlerin bant dışına geçişini tamamlamadan önce AWS-3 bandına girmelerine olanak sağlar.
Savunma Spektrum Örgütü (DSO) AWS-3 geçiş yönetmekle görevli olmuştur. Geçişin önemli bir bölümü, bandı paylaşan askeri ve ticari kablosuz sistemler arasındaki RF girişim potansiyelini değerlendirmek için yeni yayılma modelleri geliştirmeyi içerir. DSO, çevredeki yeşilliklerin ve insan yapımı yapıların (topluca yığılmayı olarak da bilinir) etkisini daha iyi hesaplayan yeni modeller oluşturmak için ITS ve diğerlerini bir dizi kanal sondaj ölçümleri yapmakla görevlendirdi. Yığılmayı düşünen geliştirilmiş yayılma modellemesi, askeri sistemlerin çevresinde ticari vericiler üzerinde daha az kısıtlamaya yol açacaktır.
RF spektrum aktivitesi yerinde ölçümler RF dalga yayılımı fiziği hakkında fikir sağlamak ve mevcut ve yeni radyo yayılımı modelleri doğrulamak. Bu bileşenlerin her ikisi de, parazitsiz spektrum paylaşımını desteklemek ve korumak için gereklidir. Bilinen bir test sinyalinin belirli bir konumdan mobil veya sabit bir alıcıya iletildiği kanal sondaj teknikleri, farklı ortamlarda radyo kanalı özelliklerini tahmin eden veriler sağlar. Veriler, yayılma kayıplarını veya sinyalin zayıflatılmasını daha doğru tahmin eden modeller geliştirmek ve geliştirmek için kullanılır. Bu kayıplar, binaların ve diğer engellerin (yani kentsel kanyonlarda ağaçlar veya arazi) engellenmesi ve yansımasından kaynaklanabilir. Bu engeller, sinyal kaybı veya iletim ve alıcı anten arasında zayıflama ile sonuçlanan birden fazla, biraz varyant, yayılma yolları üretir.
ITS ölçüm teknikleri doğru, tekrarlanabilir ve tarafsız sonuçlar üretir. DSO, ITS’yi kurumsal bilgisini daha geniş bir teknik toplulukla paylaşmaya teşvik etmiştir. Bu bilgi, RF yayılma verilerinin en iyi şekilde nasıl ölçülecek ve işlendiğini içerir. Yakın zamanda yayınlanan NTIA Teknik Muhtıra sı tm-19-5352,3,4,5, radyo yayılımı ölçüm sistemlerinin hazırlanması ve doğrulanması için bir dizi en iyi uygulamayı açıklamaktadır. Bu en iyi uygulamaların bir parçası olarak, bir VNA, bir ölçüm sisteminin bileşen kayıplarını veya kazanımlarını doğru bir şekilde ölçmek için kullanılır. Kazançlar ve kayıplar daha sonra iki anten arasındaki sinyal zayıflamasını hesaplamak için kullanılır.
Burada sunulan protokol, laboratuvar veya saha uygulamalarında test edilmeden önce vna5 kalibre etmek için en iyi uygulamaları ele alabiliyor. Bunlar arasında ısınma süresi, RF konektör tipinin seçilmesi, uygun bağlantıların yapılması ve uygun kalibrasyon adımlarının performansı yer almaktadır. Kalibrasyon, belirli bir yayılma ölçüm senaryosu bağlamında veri toplamadan önce kontrollü bir laboratuvar ortamında yapılmalıdır. Bu protokol kapsamı dışında olan belirli yayılma ölçüm ortamları ile ilgili ek hususlar olabilir.
VNA, diğer ölçüm sistemlerini monte ederken bileşenlerin ve alt montajların cihaz özelliklerini ölçmek için kullanılır. Güç amplifikatörler, alıcılar, filtreler, düşük gürültü amplifikatörler, mikserler, kablolar ve antenler VNA ile karakterize edilebilen tüm bileşenlerdir. Bir sistemin test edilmesi nden ve/veya kalibre edilmesinden önce, sistemin gerekli tüm bileşenlerinin bir listesi hazırlanır ve tüm sistem bileşenleri bir leştirilir. Bir sistemin her bileşeni, VNA kabloları arasına eklenerek ayrı ayrı ölçülür. Bu, tüm bileşenlerin üreticinin belirtimleri dahilinde çalışmasını sağlar. Bileşenler kontrol edildikten sonra sistem monte edilir ve tüm sistemdeki kayıplar ölçülür. Bu, bileşenler arasındaki yansımaların ve aktarımların doğru bir şekilde karakterize edilmesini sağlar.
VNA, hem büyüklük hem de faz ile karmaşık değerli miktarlar olan saçılma parametrelerini (S-parametreleri) ölçer. S-parametresi, olay sinyaline (yansıma ölçümü) veya 2) olay sinyaline (iletim ölçümü) iletilen sinyale yansıyan sinyalin 1) oranlı ölçüsüdür. İki bağlantı noktası aygıtı için dört S-parametre (S11, S21, S12ve S22)ölçülebilir. İlk alt yazı, sinyalin alındığı bağlantı noktasını, ikincisi ise sinyalin aktarıldığı bağlantı noktasını ifade eder. Böylece, S11 iletilen sinyal port 1 kaynaklı ve port 1 alınan anlamına gelir. Ayrıca, S21 iletilen sinyalin bağlantı noktası 1’den yeniden kaynaklandığı ancak bağlantı noktası 2’den alındığı anlamına gelir. S11, bağlantı noktası 1’de meydana gelen orijinal sinyale atıfta bulunarak, test altındaki cihaz (DUT) tarafından port 1’de yansıtılan sinyal miktarını ölçer. S21, DUT aracılığıyla iletilen ve liman 1’deki olay sinyaline atıfta bulunarak 2. S11, dut’un port 1’deki yansıma katsayısının bir ölçüsüdür ve S21, DUT’nin 1′ den port 2′ ye iletim katsayısının bir ölçüsüdür.
Genellikle VNA ölçüm kablolarının sonunda bulunan ölçüm referans düzlemine kadar olan (ve dahil) bileşenlerdeki sistematik hataları kaldırmak için VNA’nın kalibrasyonu gereklidir. Kalibrasyon, bilinen “mükemmel” standartları (açık, kısa, yükler, itru/line) ölçerek ve VNA’nın ölçtüğü değerle karşılaştırarak sistem hatalarını ortadan kaldırır. Bir dizi hata düzeltmesi sayesinde, DUT için düzeltilmiş bir değer görüntülenir. Şu anda kalibrasyon sırasında karakterize 12 hata terimleri6,7 vardır. Daha fazla bilgi için, klasik mikrodalga devre teorisi9,10 tarafından desteklenen altı bağlantı noktası ağ analizörleri8 üzerinde yapılan orijinal S-parametreölçümleribakın.
S-parametre yansıma ölçümlerinin en yaygın türleri dönüş kaybı, ayakta dalga oranı (SWR), yansıma katsayısı ve empedans eşleştirmedir. S-parametre iletim ölçümlerinin en yaygın türleri ekleme kaybı, iletim katsayısı, kazanç/kayıp, grup gecikmesi, faz veya faz gecikmesi ve elektrik gecikmesidir. İletim kaybı ölçümleri açıklanan protokolde vurgulanır.
VNA kullanılarak sistem bileşenlerinin kazanç ve kayıplarının ölçülmesi iyi anlaşılmıştır. Ancak, konektörlerin temizlenmesi ve uygun bir tork anahtarı nın kullanılması gibi önemli adımlar genellikle atlanır. Bu protokol, bazılarının neden özellikle önemli olduğuna dair gerekli tüm adımları ve açıklamaları sağlar. Ayrıca, sinyal zayıflatma hesaplamaları da dahil olmak üzere, RF yayılma ölçümlerinin nasıl yapılacağını açıklayan gelecekteki bir makalenin başlangıcı olarak da hizmet edecektir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tüm dahili bileşenlerin RT’ye gelmesini ve daha kararlı kalibrasyonlar elde etmesini sağlayan kalibrasyonlar yapılmadan önce VNA’nın en az 0,5 saat (1 saat daha iyidir) RT’ye ısınmasına izin vermek önemlidir. Bir kalibrasyon doğruluk büyük bir kayıp olmadan birkaç gün sürebilir; ancak, kalibrasyon, ölçümün bütünlüğünü sağlamak için bir kalibrasyon standardı kullanılarak günlük olarak kontrol edilir. Tüm sistem bileşenlerinin incelenmesi, kötü konektörlerin VNA’nın hassasiyetine zarar vermemeleri için gereklidir. VNA ile düşük kayıplı kablolar kullanmak en iyisidir. Kalibrasyonun bütünlüğü herhangi bir sistem bileşeni nin veya DUT’nin ölçümünden önce kontrol edilmelidir. Burada verilen spesifikasyonlar dışında herhangi bir ölçüm tekrarlanmalıdır veya yeni bir kalibrasyon gerektirebilir. Son olarak, ölçülen DUT değerlerini kontrol etmek için üreticinin belirtimlerini kullanmak doğrulamanın gerekli bir parçasıdır.
VNA’nın ölçüm aleti olarak kullanılmasının sınırları vardır. DUT veya sistem, ölçülen S-parametreleri VNA’nın gürültü tabanının altına düşecek kadar büyük kayıplara sahipse, VNA ile ölçülemez. IF bant genişliğini azaltarak ve süpürme süresini artırarak gürültü tabanını düşürmek mümkündür. Bu, ölçüm alma süresini yavaşlatacaktır; böylece, bu parametreleri ayarlarken bir denge vardır. VNA 30 dBm’den büyük giriş güçlerini işleyemez, bu nedenle amplifikatörleri ölçerken dahili veya harici zayıflama gerekir. VNA aynı cihazda bulunan bir kaynak ve alıcıya sahiptir, bu nedenle radyo yayılımı ölçüm sistemi olarak kullanılmıştır. Kaynak ve alıcı VNA’da bulunduğundan, iletim bağlantı noktası bir şekilde alıcı bağlantı noktasına birleştirilmesi gerekir. Genellikle, bu kablolar ile yapılır; ancak, kablolar ölçülebilen dinamik aralığı azaltarak kayıp ekler. Ayrıca, ayırma mesafeleri sınırlı hale gelir.
Kayıpların ölçülebildiği diğer yöntem ise sinyal jeneratörü ve güç ölçer kullanımıdır. Güç ölçer skaler bir ölçüm cihazıdır, bu yüzden sadece bir sinyalin büyüklüğünü ölçebilir. Sinyalin fazını izleyemez, bu da sinyalin daha az doğru ölçümle sonuçlanır. VNA, daha yüksek kalitede ölçüm olan iyi bilinen bir giriş sinyaline göre ölçülen bir sinyalin hem büyüklüğünü hem de fazını (gerçek ve hayali bileşenlerin) ölçer.
VNA’lar birçok ölçüm türü için çok yönlü bir seçenektir. Cihaz, iletim ve alıcı bağlantı noktalarındaki antenler kullanılarak yayılan radyo sinyallerini ölçmek için kullanılabilir18. Zaman etki alanı çözümlemesi, zaman içinde sinyalleri izlemek ve kabloda bir kopuşun nerede oluştuğunu belirlemek için kullanılabilir. Bir süpürme sırasında birçok frekansı ölçebilir, hangi bir yapılan19 ya da yayılan ortamda birçok frekans üzerinde zayıflama kayıpları anlamak için kullanılabilir20. VNA’nın çeşitli parametre ayarlarının anlaşılması iyi karakterize duts/sistemleri ile sonuçlanır ve DUT/sistem ile elde edilen ölçümler yüksek derecede güvenle kullanılabilir.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Biz Savunma Spektrum Ofisi (DSO) bu işi finanse için teşekkür ederiz.
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).
