Calibrazione dell'analizzatore di rete vettoriale per le misurazioni nei canali di propagazione della frequenza radio
Summary
Questo protocollo descrive le procedure consigliate per la calibrazione di un analizzatore di rete vettoriale prima dell’uso come strumento accurato, destinato a misurare i componenti di un sistema di test di misurazione della propagazione a radiofrequenza.
Abstract
Le misurazioni in situ dell’attività dello spettro a radiofrequenza (RF) forniscono informazioni sulla fisica della propagazione delle onde a radiofrequenza e convalidano modelli di propagazione dello spettro nuovi e esistenti. Entrambi questi parametri sono essenziali per supportare e preservare la condivisione dello spettro senza interferenze, poiché l’uso dello spettro continua ad aumentare. È fondamentale che tali misurazioni di propagazione siano accurate, riproducibili e prive di artefatti e pregiudizi. Caratterizzare i guadagni e le perdite dei componenti utilizzati in queste misurazioni è fondamentale per la loro accuratezza. Un analizzatore di rete vettoriale (VNA) è un’apparecchiatura consolidata, altamente accurata e versatile che misura sia la grandezza che la fase dei segnali, se correttamente calibrata. Questo articolo descrive in dettaglio le procedure consigliate per la calibrazione di un VNA. Una volta calibrato, può essere utilizzato per misurare con precisione i componenti di un sistema di misurazione della propagazione (o suono del canale) configurato correttamente o può essere utilizzato come sistema di misurazione stesso.
Introduction
L’Institute for Telecommunication Sciences (ITS) è il laboratorio di ricerca della National Telecommunications and Information Administration (NTIA), un’agenzia del Dipartimento del Commercio degli Stati Uniti. Its è attiva nelle misurazioni della radiopropagazione fin dagli anni ’50. La condivisione dello spettro, il nuovo paradigma per gli utenti dello spettro federale e commerciale, richiede che due sistemi diversi condividano contemporaneamente lo stesso spettro di radiofrequenza. Con l’aumentare degli scenari di condivisione dello spettro, aumenta anche la necessità di misurazioni accurate e riproducibili della propagazione radio che forniscano una migliore comprensione dell’ambiente radio, che più servizi devono condividere. L’obiettivo della procedura descritta è quello di garantire che tutti i componenti che imspecificano un tale sistema siano ben caratterizzati da un VNA accuratamente configurato.
Mentre la domanda di spettro aumenta, non è sempre possibile rapidamente libero spettro che è attualmente utilizzato dalle agenzie federali per scopi commerciali. Ad esempio, nella banda Advanced Wireless Services (AWS)-3 (1755–1780 MHz), sono in fase di sviluppo accordi di condivisione dello spettro tra i servizi militari e i vettori wireless commerciali1. Questi accordi consentono ai vettori wireless commerciali di entrare nella banda AWS-3 prima di completare la transizione dei servizi militari fuori dalla banda.
La Defense Spectrum Organization (DSO) ha il compito di gestire la transizione AWS-3. Una parte fondamentale della transizione consiste nello sviluppo di nuovi modelli di propagazione per valutare il potenziale di interferenza RF tra sistemi wireless militari e commerciali che condividono la banda. Il DSO ha incaricato ITS e altri di eseguire una serie di misurazioni del suono del canale per costruire nuovi modelli che calcolano meglio l’impatto del fogliame e delle strutture costruite dall’uomo nell’ambiente (collettivamente noto come disordine). Una migliore modellazione della propagazione che tenga conto del disordine porterà a un minor numero di restrizioni per i trasmettitori commerciali nelle vicinanze dei sistemi militari.
Le misurazioni in situ dell’attività dello spettro RF forniscono informazioni sulla fisica della propagazione delle onde RF e convalidano i modelli di propagazione radio esistenti e nuovi. Entrambi questi componenti sono essenziali per supportare e preservare la condivisione dello spettro senza interferenze. Le tecniche di suono del canale, in cui un segnale di prova noto viene trasmesso da una posizione specifica a un ricevitore mobile o stazionario, forniscono dati che stimano le caratteristiche del canale radio in ambienti diversi. I dati vengono utilizzati per sviluppare e migliorare modelli che predicono con maggiore precisione le perdite di propagazione o l’attenuazione del segnale. Queste perdite possono essere dovute al blocco e alla riflessione da parte di edifici e altri ostacoli (ad esempio, alberi o terreni nei canyon urbani). Questi ostacoli producono percorsi di propagazione multipli, leggermente varianti, con conseguente perdita o attenuazione del segnale tra l’antenna di trasmissione e ricezione.
Le tecniche di misurazione ITS producono risultati accurati, ripetibili e imparziali. Il DSO ha incoraggiato l’ITS a condividere le proprie conoscenze istituzionali con la più ampia comunità tecnica. Questa conoscenza include come misurare ed elaborare in modo ottimale i dati di propagazione RF. Il memorandum tecnico NTIA pubblicato di recente TM-19-5352,,3,4,5 descrive una serie di best practice per la preparazione e la verifica dei sistemi di misurazione della propagazione radio. Come parte di queste best practice, un VNA viene utilizzato per misurare con precisione le perdite di componenti o guadagni di un sistema di misurazione. I guadagni e le perdite vengono quindi utilizzati per calcolare l’attenuazione del segnale tra due antenne.
Il protocollo qui presentato affronta le migliori pratiche per la calibrazione di un VNA5 prima del test in applicazioni di laboratorio o sul campo. Questi includono il tempo di riscaldamento, la selezione del tipo di connettore RF, la connessione corretta e le prestazioni delle fasi di calibrazione appropriate. La calibrazione deve essere eseguita in un ambiente di laboratorio controllato prima della raccolta dei dati nel contesto di uno scenario di misurazione della propagazione specifico. Ulteriori considerazioni possono essere rilevanti per ambienti di misurazione della propagazione specifici, che non rientrano nell’ambito di questo protocollo.
Il VNA viene utilizzato per misurare le caratteristiche del dispositivo di componenti e sottoassemblaggi durante l’assemblaggio di altri sistemi di misurazione. Amplificatori di potenza, ricevitori, filtri, amplificatori a basso rumore, miscelatori, cavi e antenne sono tutti componenti che possono essere caratterizzati da un VNA. Prima di testare e/o calibrare un sistema, viene preparato un elenco di tutti i componenti necessari del sistema e vengono assemblati tutti i componenti del sistema. Ogni componente di un sistema viene misurato separatamente inserendoli tra i cavi VNA. Ciò garantisce che tutti i componenti funzionino entro le specifiche del produttore. Una volta che i componenti sono stati controllati, il sistema viene assemblato e vengono misurate le perdite in tutto il sistema. Ciò garantisce che le riflessioni e le trasmissioni tra i componenti siano caratterizzate correttamente.
Un VNA misura i parametri di dispersione (S-parametri), che sono quantità con valori complessi con grandezza e fase. Un parametro S è una misura ratio del 1) riflesso segnale al segnale incidente (misurazione della riflessione) o 2) segnale trasmesso al segnale incidente (misurazione della trasmissione). Per un dispositivo a due porte, è possibile misurare quattro parametri S (S11, S21, S12e S22). Il primo pedice si riferisce alla porta in cui viene ricevuto il segnale, e il secondo si riferisce alla porta in cui viene trasmesso il segnale. Pertanto, S11 significa che il segnale trasmesso ha avuto origine alla porta 1 ed è stato ricevuto alla porta 1. Inoltre, S21 indica che il segnale trasmesso ha avuto origine nuovamente alla porta 1 ma viene ricevuto alla porta 2. S11 misura la quantità di segnale che viene riflessa dal dispositivo sottoposto a test (DUT) alla porta 1 con riferimento al segnale originale che è stato incidente alla porta 1. S21 misura la quantità di segnale che viene trasmesso attraverso il DUT e arriva alla porta 2 con riferimento al segnale incidente alla porta 1. S11 è una misura del coefficiente di riflessione del DUT alla porta 1 e S21 è una misura del coefficiente di trasmissione del DUT dalla porta 1 alla porta 2.
È necessaria una calibrazione del VNA per rimuovere gli errori sistematici dai componenti fino al piano di riferimento di misurazione (escluso), che in genere si trova alla fine dei cavi di misura VNA. Una calibrazione rimuove gli errori di sistema misurando gli standard noti “perfetti” (aperti, corti, carichi, attraverso/linea) e confrontandoli con il valore che il VNA misura. Attraverso una serie di correzioni di errore, viene visualizzato un valore corretto per il DUT. Ci sono attualmente 12 termini di errore6,7 che sono caratterizzati durante la calibrazione. Per ulteriori informazioni, fare riferimento alle misurazioni originali dei parametri S effettuate su analizzatori di rete a sei porte8 supportati dalla teoria classica dei circuiti a microonde9,10.
I tipi più comuni di misurazioni di riflessione dei parametri S sono la perdita di rendimento, il rapporto d’onda in piedi (SWR), il coefficiente di riflessione e la corrispondenza impedibile. I tipi più comuni di misurazione della trasmissione dei parametri A sono la perdita di inserimento, il coefficiente di trasmissione, il guadagno/perdita, il ritardo di gruppo, di fase o di fase e il ritardo elettrico. Le misurazioni della perdita di trasmissione sono enfatizzate nel protocollo descritto.
La misurazione dei guadagni e delle perdite dei componenti del sistema utilizzando un VNA è ben compresa. Tuttavia, i passaggi importanti vengono spesso saltati, ad esempio la pulizia dei connettori e l’utilizzo di una chiave di coppia appropriata. Questo protocollo fornisce tutti i passaggi e le spiegazioni necessari del motivo per cui alcuni sono particolarmente importanti. Servirà anche come preludio a un futuro articolo che descrive come eseguire misurazioni della propagazione RF, compresi i calcoli dell’attenuazione del segnale.
Protocol
Representative Results
Discussion
È importante consentire al VNA di riscaldare RT per almeno 0,5 h (anche se, 1 h è meglio) prima che vengano eseguite le calibrazioni, che consente a tutti i componenti interni di arrivare a RT e si traduce in calibrazioni più stabili. Una calibrazione può durare diversi giorni senza una grande perdita di precisione; tuttavia, la calibrazione viene controllata quotidianamente utilizzando uno standard di calibrazione per garantire l’integrità della misurazione. L’ispezione di tutti i componenti del sistema è essenziale in modo che i connettori difettosi non danneggino la precisione del VNA. È meglio utilizzare cavi a bassa perdita con il VNA. L’integrità della calibrazione deve essere verificata prima della misurazione di qualsiasi componente del sistema o DUT. Qualsiasi misura al di fuori delle specifiche qui fornite deve essere ripetuta o può richiedere una nuova calibrazione. Infine, l’utilizzo delle specifiche del produttore per verificare i valori DUT misurati è una parte necessaria della convalida.
L’utilizzo del VNA come strumento di misura ha i suoi limiti. Se il DUT o il sistema presenta perdite così grandi che i parametri S misurati scendono al di sotto del fondo del rumore del VNA, non può essere misurato con il VNA. È possibile abbassare il rumore riducendo la larghezza di banda IF e aumentando il tempo di sweep. Questo rallenterà il tempo di acquisizione della misurazione; quindi, c’è un compromesso quando si regolano questi parametri. Il VNA non è in grado di gestire potenze di ingresso superiori a 30 dBm, quindi è richiesto l’utilizzo di attenuazione interna o esterna durante la misurazione degli amplificatori. Il VNA ha una sorgente e un ricevitore situati nello stesso strumento, quindi è stato utilizzato come sistema di misurazione della propagazione radio. Poiché l’origine e il ricevitore si trovano nel VNA, la porta di trasmissione deve essere unita in qualche modo alla porta ricevente. In genere, questo viene fatto con i cavi; tuttavia, i cavi aggiungono perdita, diminuendo l’intervallo dinamico di ciò che può essere misurato. Inoltre, le distanze di separazione diventano limitate.
L’altro metodo con cui è possibile misurare le perdite è l’uso di un generatore di segnale e di un misuratore di potenza. Il misuratore di potenza è un dispositivo di misurazione scalare, quindi può misurare solo la grandezza di un segnale. Non può monitorare la fase del segnale, che si traduce in misurazioni meno accurate del segnale. Il VNA misura sia la grandezza che la fase (di componenti reali e immaginari) di un segnale misurato rispetto a un segnale di ingresso noto, che è una misurazione di qualità superiore.
I VNA sono un’opzione versatile per molti tipi di misurazioni. Lo strumento può essere utilizzato per misurare i segnali radio irradiati utilizzando antenne sulla porta di trasmissione e ricezione18. L’analisi del dominio temporale può essere utilizzata per monitorare i segnali nel tempo e determinare dove si verifica un’interruzione in un cavo. Può misurare molte frequenze durante una sweep, che può essere utilizzato per comprendere le perdite di attenuazione su molte frequenze sia in un condotto19 o ambiente irradiato20. La comprensione delle varie impostazioni dei parametri del VNA produce DUT/sistemi ben caratterizzati e le misurazioni ottenute con il DUT/system possono essere utilizzate con un alto grado di confidenza.
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ringraziamo il Defense Spectrum Office (DSO) per aver finanziato questo lavoro.
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 |
Referências
- 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).
