Kalibratie van Vector Network Analyzer voor metingen in radiofrequentievoortplantingskanalen
Summary
Dit protocol beschrijft best practices voor het kalibreren van een vectornetwerkanalyzer voordat deze wordt gebruikt als een nauwkeurig instrument, bedoeld om componenten van een testsysteem voor voortplantingsmetlening van radiofrequentie te meten.
Abstract
In situ metingen van radiofrequentie (RF) spectrumactiviteit geven inzicht in de fysica van radiofrequentiegolfvoortplanting en valideren bestaande en nieuwe spectrumvoortplantingsmodellen. Beide parameters zijn essentieel voor het ondersteunen en behouden van interferentievrije spectrumdeling, aangezien het spectrumgebruik blijft toenemen. Het is van vitaal belang dat dergelijke voortplantingsmetingen nauwkeurig, reproduceerbaar en vrij zijn van artefacten en bias. Het karakteriseren van de winsten en verliezen van componenten die in deze metingen worden gebruikt is essentieel voor hun nauwkeurigheid. Een vector netwerk analyzer (VNA) is een gevestigde, zeer nauwkeurige en veelzijdige stuk van apparatuur die zowel de omvang en de fase van de signalen meet, indien goed gekalibreerd. In dit artikel worden de aanbevolen procedures voor het kalibreren van een VNA beschreven. Eenmaal gekalibreerd, kan het worden gebruikt om nauwkeurig te meten componenten van een correct geconfigureerde voortplantingsmeting (of kanaal klinkende) systeem of kan worden gebruikt als een meetsysteem zelf.
Introduction
Het Institute for Telecommunication Sciences (ITS) is het onderzoekslaboratorium van de National Telecommunications and Information Administration (NTIA), een agentschap van het Amerikaanse Ministerie van Handel. ITS is sinds de jaren vijftig actief in radiovoortplantingsmetingen. Spectrum delen, het nieuwe paradigma voor federale en commerciële spectrum gebruikers, vereist dat twee verschillende systemen delen hetzelfde radiofrequentiespectrum op hetzelfde moment. Naarmate spectrumdelingsscenario’s toenemen, neemt ook de behoefte aan nauwkeurige en reproduceerbare radiovoortplantingsmetingen toe die een beter begrip bieden van de radioomgeving, die meerdere diensten moeten delen. Het doel van de beschreven procedure is ervoor te zorgen dat alle componenten die een dergelijk systeem vormen goed worden gekenmerkt door een nauwkeurig geconfigureerde VNA.
Terwijl de vraag naar spectrum toeneemt, is het niet altijd mogelijk om snel vrij spectrum dat momenteel wordt gebruikt door federale agentschappen voor commerciële doeleinden. In de Advanced Wireless Services (AWS)-3-band (1755-1780 MHz) worden bijvoorbeeld spectrumdelingsregelingen ontwikkeld tussen militaire diensten en commerciële draadloze dragers1. Deze regelingen kunnen commerciële draadloze dragers om de AWS-3 band in te voeren voorafgaand aan het voltooien van de overgang van militaire diensten uit de band.
De Defense Spectrum Organization (DSO) is belast met het beheer van de AWS-3 overgang. Een belangrijk onderdeel van de overgang bestaat uit het ontwikkelen van nieuwe voortplantingsmodellen om het potentieel voor RF-interferentie tussen militaire en commerciële draadloze systemen die de band delen te evalueren. De DSO heeft its en anderen belast met het uitvoeren van een reeks kanaalklinkende metingen om nieuwe modellen te bouwen die de impact van bladeren en door de mens gemaakte structuren in de omgeving (gezamenlijk bekend als rommel) beter berekenen. Verbeterde voortplanting modellering die rekening houdt met rommel zal leiden tot minder beperkingen op commerciële zenders in de buurt van militaire systemen.
In situ metingen van RF spectrum activiteit geven inzicht in de fysica van RF golf voortplanting en valideren van bestaande en nieuwe radio voortplanting modellen. Beide componenten zijn essentieel voor het ondersteunen en behouden van interferentievrij spectrumdeling. Kanaalgeluidstechnieken, waarbij een bekend testsignaal wordt verzonden van een specifieke locatie naar een mobiele of stationaire ontvanger, leveren gegevens die de kenmerken van het radiokanaal in verschillende omgevingen inschatten. De gegevens worden gebruikt om modellen te ontwikkelen en te verbeteren die de voortplantingsverliezen nauwkeuriger voorspellen of het signaal afzwakken. Deze verliezen kunnen te wijten zijn aan het blokkeren en reflectie door gebouwen en andere obstakels (d.w.z. bomen of terrein in stedelijke canyons). Deze obstakels produceren meerdere, enigszins variant, voortplantingspaden wat resulteert in signaalverlies of verzwakking tussen de zend- en ontvangstantenne.
ITS-meettechnieken leveren nauwkeurige, herhaalbare en onbevooroordeelde resultaten op. De DSO heeft ITS aangemoedigd om haar institutionele kennis te delen met de bredere technische gemeenschap. Deze kennis omvat het optimaal meten en verwerken van RF-voortplantingsgegevens. In het onlangs gepubliceerde NTIA Technical Memorandum TM-19-5352,3,4,5wordt een reeks beste praktijken beschreven voor de voorbereiding en verificatie van radiopropagificatiemeetsystemen.5 Als onderdeel van deze best practices wordt een VNA gebruikt om de componentverliezen of winsten van een meetsysteem nauwkeurig te meten. De winsten en verliezen worden vervolgens gebruikt om de signaaldemping tussen twee antennes te berekenen.
Het hier gepresenteerde protocol behandelt de beste praktijken voor het kalibreren van een VNA5 voorafgaand aan het testen in laboratorium- of veldtoepassingen. Deze omvatten opwarmtijd, selectie van RF-connectortype, het maken van de juiste verbindingen en de prestaties van de juiste kalibratiestappen. Kalibratie moet worden uitgevoerd in een gecontroleerde laboratoriumomgeving voordat gegevens worden verzameld in de context van een specifiek propagatiemeetscenario. Aanvullende overwegingen kunnen relevant zijn voor specifieke voortplantingsmeetomgevingen, die buiten het toepassingsgebied van dit protocol vallen.
De VNA wordt gebruikt om apparaatkenmerken van componenten en subassemblages te meten bij het assembleren van andere meetsystemen. Eindversterkers, ontvangers, filters, geluidsarme versterkers, mixers, kabels en antennes zijn allemaal componenten die kunnen worden gekenmerkt door een VNA. Voorafgaand aan het testen en/of kalibreren van een systeem wordt een lijst van alle benodigde onderdelen van het systeem opgesteld en worden alle systeemcomponenten geassembleerd. Elk onderdeel van een systeem wordt afzonderlijk gemeten door ze tussen de VNA-kabels te plaatsen. Dit zorgt ervoor dat alle componenten werken binnen de specificaties van de fabrikant. Zodra de componenten zijn gecontroleerd, wordt het systeem geassembleerd en worden verliezen in het hele systeem gemeten. Dit zorgt ervoor dat reflecties en transmissies tussen componenten goed worden gekarakteriseerd.
Een VNA meet verstrooiingsparameters (S-parameters), die complexe hoeveelheden zijn met zowel omvang als fase. Een S-parameter is een metsing met een verhouding van het 1) gereflecteerde signaal naar het incidentsignaal (reflectiemeting) of 2) dat naar het incidentsignaal wordt verzonden (transmissiemeting). Voor een apparaat met twee poorten kunnen vier S-parameters (S11,S21, S12en S22)worden gemeten. Het eerste subscript verwijst naar de poort waar het signaal wordt ontvangen, en de tweede verwijst naar de poort waar het signaal wordt verzonden. S11 betekent dus dat het verzonden signaal afkomstig is van poort 1 en werd ontvangen in poort 1. Bovendien betekent S21 dat het verzonden signaal opnieuw is ontstaan in poort 1, maar wordt ontvangen in poort 2. S11 meet de hoeveelheid signaal die wordt weerspiegeld door het geteste apparaat (DUT) in poort 1 met verwijzing naar het oorspronkelijke signaal dat incident was in poort 1. S21 meet de hoeveelheid signaal die via het DUT wordt verzonden en komt in poort 2 met betrekking tot het incidentsignaal in poort 1. S11 is een maat voor de reflectiecoëfficiënt van het DUT in poort 1 en S21 is een maat voor de transmissiecoëfficiënt van het DUT van poort 1 naar poort 2.
Een kalibratie van de VNA is vereist om de systematische fouten te verwijderen uit componenten tot (en met inbegrip van) het referentievlak voor de meting, dat meestal aan het einde van de VNA-meetkabels ligt. Een kalibratie verwijdert systeemfouten door het meten van “perfecte” bekende standaarden (open, shorts, belastingen, thru/line) en het vergelijken met de waarde die de VNA meet. Door middel van een reeks foutcorrecties wordt een gecorrigeerde waarde voor het DUT weergegeven. Er zijn momenteel 12 fouttermen6,7 die worden gekenmerkt tijdens kalibratie. Voor meer informatie verwijzen we naar de originele S-parametermetingen die zijn uitgevoerd op zespoortige netwerkanalyzers8 ondersteund door klassieke microgolfcircuittheorie9,10.
De meest voorkomende typen S-parameter reflectiemetingen zijn retourverlies, staande golfverhouding (SWR), reflectiecoëfficiënt en impedantiematching. De meest voorkomende vormen van S-parameter transmissiemetingen zijn invoegverlies, transmissiecoëfficiënt, winst/verlies, groepsvertraging, fase- of fasevertraging en elektrische vertraging. Transmissieverliesmetingen worden benadrukt in het beschreven protocol.
Het meten van winsten en verliezen van systeemcomponenten met behulp van een VNA is goed begrepen. Echter, belangrijke stappen worden vaak overgeslagen, zoals het reinigen van connectoren en het gebruik van een goede koppelmoersleutel. Dit protocol biedt alle nodige stappen en uitleg waarom sommige bijzonder belangrijk zijn. Het zal ook dienen als een prelude op een toekomstig artikel waarin wordt beschreven hoe RF-voortplantingsmetingen moeten worden uitgevoerd, inclusief de berekeningen van signaaldemping.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het is belangrijk om de VNA te warm te laten voor RT voor ten minste 0,5 uur (hoewel, 1 uur is beter) voordat kalibraties worden uitgevoerd, waardoor alle interne componenten te komen naar RT en resulteert in meer stabiele kalibraties. Eén kalibratie kan enkele dagen duren zonder een groot verlies van nauwkeurigheid; de kalibratie wordt echter dagelijks gecontroleerd met behulp van een kalibratiestandaard om de integriteit van de meting te waarborgen. Inspectie van alle systeemcomponenten is essentieel, zodat slechte connectoren de precisie van de VNA niet beschadigen. Het beste is om laag verlies kabels te gebruiken met de VNA. De integriteit van de kalibratie moet worden gecontroleerd voordat een systeemcomponent of DUT wordt gemeten. Elke meting buiten de hier verstrekte specificaties moet worden herhaald of kan een nieuwe kalibratie vereisen. Ten slotte is het gebruik van de specificaties van de fabrikant om de gemeten DUT-waarden te controleren een noodzakelijk onderdeel van de validatie.
Het gebruik van de VNA als meetinstrument heeft zijn beperkingen. Als het DUT of systeem verliezen heeft die zo groot zijn dat de gemeten S-parameters onder de geluidsvloer van de VNA vallen, kan het niet met de VNA worden gemeten. Het is mogelijk om de geluidsvloer te verlagen door de IF-bandbreedte te verlagen en de veegtijd te verhogen. Dit vertraagt de meettijd; Er is dus een trade-off bij het aanpassen van deze parameters. De VNA kan geen ingangsbevoegdheden van meer dan 30 dBm aan, dus het gebruik van interne of externe demping bij het meten van versterkers is vereist. De VNA heeft een bron en ontvanger in hetzelfde instrument, dus het is gebruikt als een radio voortplanting meetsysteem. Omdat de bron en de ontvanger zich in de VNA bevinden, moet de zendpoort op een bepaalde manier worden verbonden met de ontvangende poort. Meestal gebeurt dit met kabels; echter, kabels toe te voegen verlies, het verminderen van het dynamisch bereik van wat kan worden gemeten. Bovendien worden de scheidingsafstanden beperkt.
De andere methode waarmee verliezen kunnen worden gemeten is het gebruik van een signaalgenerator en vermogensmeter. De vermogensmeter is een scalaire meetapparaat, dus het kan alleen de omvang van een signaal meten. Het kan de fase van het signaal niet controleren, wat resulteert in minder nauwkeurige metingen van het signaal. De VNA meet zowel de omvang als de fase (van reële en imaginaire componenten) van een gemeten signaal ten opzichte van een bekend invoersignaal, dat een hogere kwaliteit meting is.
VNA’s zijn een veelzijdige optie voor vele soorten metingen. Het instrument kan worden gebruikt om uitgestraalde radiosignalen te meten met behulp van antennes op de zend- en ontvangstpoorten18. Tijddomeinanalyse kan worden gebruikt om signalen in de loop van de tijd te controleren en te bepalen waar een onderbreking in een kabel plaatsvindt. Het kan veel frequenties meten tijdens een sweep, die kan worden gebruikt om dempingsverliezen over vele frequenties te begrijpen, hetzij in een uitgevoerde19 of uitgestraalde omgeving20. Inzicht in de verschillende parameterinstellingen van de VNA resulteert in goed gekarakteriseerde DUT’s/systemen en metingen verkregen met het DUT/systeem kunnen met een hoge mate van vertrouwen worden gebruikt.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij danken het Defense Spectrum Office (DSO) voor de financiering van dit werk.
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).
