כיול של מנתח רשת וקטור עבור מדידות בתדר רדיו ערוצי הפצת
Summary
פרוטוקול זה מתאר את השיטות הטובות ביותר לכיול מנתח רשת וקטורי לפני השימוש ככלי מדויק, המיועד למדוד רכיבים של מערכת בדיקת מדידה של תדר רדיו.
Abstract
ב מדידות באתרו של תדר רדיו (RF) הספקטרום לספק תובנה בפיסיקה של הפצת גלי תדר רדיו ולאמת מודלים קיימים וחדשים התפשטות ספקטרום. שני הפרמטרים הללו חיוניים לתמיכה ולשימור שיתוף הספקטרום ללא הפרעה, כפי שהשימוש בספקטרום ממשיך לגדול. זה חיוני כי מדידות התפשטות כאלה הם מדויקים, להיות מ, וחופשיים של חפצים והטיה. אפיון הרווחים וההפסדים של רכיבים המשמשים במידות אלה חיוניים לדיוק שלהם. מנתח רשת וקטורי (בנה) הוא פריט מבוסס היטב, מדויק מאוד ורב-תכליתי, המודד הן את סדר הגודל והן את שלב האותות, אם מכויל כראוי. מאמר זה מפרט את השיטות המומלצות לכיול ‘ בנה ‘. לאחר כיול, ניתן להשתמש בו כדי למדוד במדויק רכיבים של מדידת הפצה שהוגדרה כהלכה (או צליל ערוץ) או לשמש כמערכת מדידה עצמה.
Introduction
המכון למדעי התקשורת (ITS) הוא מעבדת המחקר של מינהל הטלקומוניקציה והמידע הלאומי (NTIA), סוכנות של משרד המסחר של ארצות הברית. זה היה פעיל במדידות הפצת רדיו מאז שנות ה-50. שיתוף הספקטרום, הפרדיגמה החדשה למשתמשים בספקטרום הפדרלי והמסחרי, מחייבת ששתי מערכות נפרדות יחלקו את אותו ספקטרום תדר הרדיו בו זמנית. כאשר מגבירים את תרחישי שיתוף הספקטרום, כך גם הצורך במדידות מדויקות ומדידות של הפצת הרדיו, המספקים הבנה טובה יותר של סביבת הרדיו, אשר שירותים מרובים חייבים לשתף. מטרת ההליך המתואר היא להבטיח כי כל הרכיבים המהווים מערכת כזו מאופיינים היטב על ידי בנה שהוגדר במדויק.
בעוד הביקוש לספקטרום גדל, זה לא תמיד אפשרי ספקטרום חופשי במהירות המשמש כיום על ידי סוכנויות הפדרלי למטרות מסחריות. לדוגמה, בלהקה של שירותים אלחוטיים מתקדמים (AWS)-3 (1755 – 1780 MHz), הסדרי שיתוף הספקטרום מפותחים בין שירותים צבאיים לבין ספקים אלחוטיים מסחריים1. סידורים אלה מאפשרים לחברות אלחוטיות מסחריות להיכנס ללהקת AWS-3 לפני השלמת מעבר השירותים הצבאיים מהלהקה.
ארגון ספקטרום ההגנה (DSO) כבר המוטל על ניהול מעבר AWS-3. חלק מרכזי במעבר כרוך בפיתוח דגמי הפצה חדשים כדי להעריך את הפוטנציאל להפרעות RF בין מערכות אלחוטיות צבאיות ומסחריות החולקות את הלהקה. DSO יש המוטל שלה ואחרים עם ביצוע סדרה של מדידות צליל הערוץ לבנות דגמים חדשים, כי טוב יותר לחשב את ההשפעה של עלווה ומבנים מעשה ידי אדם בסביבה (הידוע באופן קולקטיבי כעומס). מידול התפשטות משופר הרואה עומס יוביל להגבלות פחות על משדרים מסחריים בקרבת מערכות צבאיות.
במדידות באתרו של פעילות הספקטרום RF לספק תובנה לפיסיקה של הפצת גלי RF ולאמת מודלים קיימים וחדשים הפצת רדיו. שני המרכיבים הללו חיוניים לתמיכה ולשימור שיתוף הספקטרום ללא הפרעה. שיטות צליל של ערוץ, בהן משודר אות בדיקה מוכרת ממיקום מסוים למקלט נייד או נייח, מספקים נתונים ההערכות מאפייני ערוץ רדיו בסביבות שונות. הנתונים משמשים לפיתוח ולשיפור של מודלים החוזים באופן מדויק יותר את הפסדים התפשטות או הנחתה של האות. הפסדים אלה עשויים להיות עקב חסימה והשתקפות של מבנים ומכשולים אחרים (כלומר, עצים או שטח בקניונים עירוניים). מכשולים אלה מייצרים מספר משתנים, מעט משתנה, נתיבי התפשטות וכתוצאה מכך הפסד או הנחתה של האות בין אנטנת השידור והקליטה.
טכניקות המדידה שלה יוצרות תוצאות מדויקות, משוגנות ושאינן משוחדות. ה-DSO עודד את החברה לחלוק את הידע המוסדי שלה עם הקהילה הטכנולוגית הרחבה יותר. ידע זה כולל כיצד למדוד בצורה אופטימלית ולעבד נתונים הפצת RF. מזכר ntia טכני שפורסם לאחרונה TM-19-5352,3,4,5 מתאר ערכה של שיטות עבודה מומלצות להכנה ואימות של מערכות מדידה של הפצת רדיו. במסגרת שיטות העבודה הטובות ביותר, משתמשים ברכיב הבניה כדי למדוד במדויק את ההפסדים או הרווחים של מערכת המדידה. הרווחים וההפסדים משמשים לחישוב הנחת האות בין שני אנטנות.
הפרוטוקול המוצג כאן מטפל בשיטות העבודה הטובות ביותר לכיול בנה5 לפני בדיקה ביישומי מעבדה או שדה. אלה כוללים זמן חימום, בחירה של סוג מחבר RF, ביצוע חיבורים נאותים, וביצועים של שלבי כיול המתאימים. יש לנהל את הכיול בסביבת מעבדה מבוקרת לפני איסוף הנתונים בהקשר של תרחיש מדידה ספציפי של הפצה. שיקולים נוספים עשויים להיות רלוונטיים לסביבות מדידה ספציפיות של הפצה, הנמצאות מחוץ לטווח של פרוטוקול זה.
הקבוצה משמשת למדידת מאפייני התקנים של רכיבים ותת-מכלולים בעת הרכבת מערכות מדידה אחרות. מגבירי כוח, מקלטים, מסננים, מגברי רעש נמוכים, מיקסרים, כבלים ואנטנות הם כל הרכיבים שניתן לאפיין על-ידי בנה. לפני בדיקה ו/או כיול של מערכת, מכינים רשימה של כל הרכיבים הנדרשים של המערכת, וכל רכיבי המערכת מורכבים. כל רכיב במערכת נמדד בנפרד על-ידי הוספתו בין כבלי הבנה. פעולה זו מבטיחה שכל הרכיבים פועלים בתוך מפרטי היצרן. לאחר בדיקת הרכיבים, המערכת מכונמת וההפסדים ברחבי המערכת כולה נמדדים. דבר זה מבטיח שההשתקפויות והשידורים בין הרכיבים מאופיינים כראוי.
מדדים מסוימים מפזרים פרמטרים (פרמטרים S), שהם כמויות מורכבות בסדר גודל ובשלב. פרמטר S הוא מדידה המשמידה את האות המשתקף מאחד האותות לאות האירוע (השתקפות מדידה) או 2) משודרים אות לאות האירוע (מדידת שידור). עבור התקן בעל שני יציאות, ניתן למדוד ארבעה פרמטרים (s11, s21, S12ו-s22). הכתב התחתי הראשון מתייחס ליציאה שבה מתקבלת האות, והשניה מתייחסת ליציאה שבה משודר האות. לפיכך, S11 פירושו שהאות המשודר מקורו ביציאה 1 והתקבלה ביציאה 1. בנוסף, S21 פירושו כי האות המשודר מקורו שוב בנמל 1 אך מתקבל ביציאה 2. S11 מודד את כמות האות המוגבהת על-ידי המכשיר תחת בדיקה (אחדות) ביציאה 1 עם התייחסות לאות המקורי שאירע ביציאה 1. S21 מודד את כמות האות המועברת דרך אחדות ומגיעה לנמל 2 עם התייחסות לאות האירוע ביציאה 1. S11 הוא מדד של מקדם השתקפות של אחדות בנמל 1, ו-s21 הוא מדד של מקדם השידור של אחדות מנמל 1 לנמל 2.
כיול של ה-בנה נדרש להסיר את השגיאות השיטתיות מהרכיבים עד (וכולל) מישור הפניית המדידה, הנמצא בדרך כלל בסוף כבלי המדידה של הבניה. כיול מסיר שגיאות מערכת על-ידי מדידת התקנים מוכרים “מושלמים” (פתיחה, מכנסיים קצרים, עומסים, thru/line) והשוואתו לערך שהבניה מודדת. באמצעות סידרה של תיקוני שגיאות, מוצג ערך מתוקן עבור אחדות. כרגע קיימים 12 מונחי שגיאה6,7 האופיינים במהלך הכיול. לקבלת מידע נוסף, עיין במדידות מקוריות של פרמטרי S שבוצעו ברשת של שש יציאות,הנתמכת על -ידי9תיאוריתמעגל המיקרוגל הקלאסי 9,10.
הסוגים הנפוצים ביותר של מדידות השתקפות S-פרמטר הם אובדן החזרה, היחס גל עומד (SWR), מקדם השתקפות, התאמת עכבה. הסוגים הנפוצים ביותר של מדידות שידור S-פרמטרים הם אובדן הכנסה, מקדם שידור, רווח/הפסד, עיכוב קבוצתי, השהיית שלב או שלב, והשהיית חשמל. מדידות אובדן שידור מודגשת בפרוטוקול המתואר.
מדידת רווחים והפסדים של רכיבי מערכת באמצעות בנה הוא מובן היטב. עם זאת, שלבים חשובים מדלגים לעתים קרובות, כגון ניקוי מחברים ובאמצעות מפתח ברגים תקין. פרוטוקול זה מספק את כל הצעדים הדרושים והסברים למה כמה חשובים במיוחד. זה ישמש גם כהקדמה למאמר עתידי המתאר כיצד לבצע מדידות הפצת RF, כולל חישובים של החליש אות.
Protocol
Representative Results
Discussion
חשוב לאפשר לבנה להתחמם RT עבור לפחות 0.5 h (למרות, 1 h הוא טוב יותר) לפני ביצוע כיול, אשר מאפשר לכל הרכיבים הפנימיים לבוא RT ותוצאות כיול יציבה יותר. כיול אחד יכול להימשך מספר ימים ללא אובדן דיוק גדול; עם זאת, הכיול מסומן מדי יום באמצעות תקן כיול כדי להבטיח את תקינות המדידה. בדיקת כל רכיבי המערכת חיונית כך שמחברים רעים לא פוגעים בדיוק של הבנה. מומלץ להשתמש בכבלי הפסד נמוך עם הבנה. יש לבדוק את תקינות הכיול לפני המדידה של כל רכיב מערכת או אחדות. יש לחזור על כל מדידה מחוץ למפרטים המסופקים כאן או לדרוש כיול חדש. לבסוף, שימוש במפרטי היצרן כדי לבדוק את ערכי האחדות הנמדדים הוא חלק הכרחי באימות.
באמצעות הבנה ככלי מדידה יש מגבלותיו. אם האחדות או המערכת הפסדים כה גדולים עד שפרמטרי ה-S הנמדדים יפלו מתחת לרצפת הרעש של הגוף הרחב, לא ניתן יהיה למדוד אותה עם הבנה. ניתן להנמיך את רצפת הרעש על-ידי הקטנת רוחב הפס IF והגדלת זמן הניקוי. פעולה זו תגרום להאטת זמן רכישת המדידה; לפיכך, קיימת עסקת חליפין בעת התאמת הפרמטרים הללו. לארגון הבניה אין אפשרות לטפל בכוחות קלט הגדולים מ-30 dBm, כך שהשימוש בהכנסה פנימית או חיצונית בעת מדידת מגברי נדרש. לבנה יש מקור ומקלט הנמצא באותו מכשיר, כך שהוא שימש כמערכת מדידה של הפצת הרדיו. מכיוון שהמקור והמקלט נמצאים בתוך הבניה, יש לצרף את יציאת השידור באופן כלשהו ליציאה המקבלת. בדרך כלל, זה נעשה עם כבלים; עם זאת, כבלים מוסיפים אובדן, ומפחית את הטווח הדינמי של מה שניתן למדוד. יתר על כן, מרחקים הפרדה להיות מוגבלים.
השיטה האחרת שבאמצעותה ניתן למדוד תביעות היא שימוש במחולל אותות ובמד כוח. מד הכוח הוא התקן מדידה סקלרית, כך שהוא יכול רק למדוד את סדר הגודל של האות. הוא אינו יכול לפקח על שלב האות, מה שמביא למידות פחות מדויקות של האות. הבניה מודדת הן את סדר הגודל והן את הפאזה (של רכיבים אמיתיים ודמיוניים) של אות נמדד ביחס לאות קלט מוכרת, שהיא מדידה באיכות גבוהה יותר.
VNAs הם אפשרות רב-תכליתית עבור סוגים רבים של מדידות. ניתן להשתמש בכלי כדי למדוד אותות רדיו מוקרן באמצעות אנטנות על שידור וקבלת יציאות18. ניתן להשתמש בניתוח תחום זמן כדי לנטר אותות לאורך זמן ולקבוע היכן מתרחשת הפסקה בכבל. הוא יכול למדוד תדרים רבים במהלך הסריקה, אשר ניתן להשתמש בהם כדי להבין הפסדים החליש על תדרים רבים או מתקיים19 או סביבה מוקרן20. הבנת הגדרות הפרמטרים השונות של התוצאות “בנה” במערכות DUTs/מערכות, ומדידות שהושגו עם האחדות/המערכת, יכולות להיות משמשות ברמת ביטחון גבוהה.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים למשרד הספקטרום של ההגנה (DSO) למימון העבודה.
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).
