Calibración del analizador de red vectorial para mediciones en canales de propagación de radiofrecuencia
Summary
Este protocolo describe las prácticas recomendadas para calibrar un analizador de red vectorial antes de utilizarlo como un instrumento preciso, destinado a medir los componentes de un sistema de prueba de medición de propagación de radiofrecuencia.
Abstract
Las mediciones in situ de la actividad del espectro de radiofrecuencia (RF) proporcionan información sobre la física de la propagación de ondas de radiofrecuencia y validan los modelos de propagación de espectro existentes y nuevos. Ambos parámetros son esenciales para apoyar y preservar el uso compartido del espectro libre de interferencias, ya que el uso del espectro sigue aumentando. Es vital que tales mediciones de propagación sean precisas, reproducibles y estén libres de artefactos y sesgos. Caracterizar las ganancias y pérdidas de los componentes utilizados en estas mediciones es vital para su precisión. Un analizador de red vectorial (VNA) es un equipo bien establecido, altamente preciso y versátil que mide la magnitud y la fase de las señales, si se calibra correctamente. En este artículo se detallan las prácticas recomendadas para calibrar un VNA. Una vez calibrado, se puede utilizar para medir con precisión los componentes de un sistema de medición de propagación (o sonido de canal) correctamente configurado o se puede utilizar como un sistema de medición en sí.
Introduction
El Instituto de Ciencias de las Telecomunicaciones (ITS) es el laboratorio de investigación de la Administración Nacional de Telecomunicaciones e Información (NTIA), una agencia del Departamento de Comercio de los Estados Unidos. ITS ha estado activo en mediciones de propagación radioeléctrico desde la década de 1950. El intercambio de espectro, el nuevo paradigma para los usuarios del espectro federal y comercial, requiere que dos sistemas dispares compartan al mismo tiempo el mismo espectro de radiofrecuencia. A medida que aumentan los escenarios de compartición de espectro, también aumenta la necesidad de mediciones de propagación radioeléctrico precisas y reproducibles que proporcionen una mejor comprensión del entorno radioeléctrico, que los servicios múltiples deben compartir. El objetivo del procedimiento descrito es asegurarse de que cualquier componente que constituya un sistema de este tipo esté bien caracterizado por un VNA configurado con precisión.
Si bien la demanda de espectro aumenta, no siempre es posible liberar rápidamente el espectro que actualmente utilizan las agencias federales con fines comerciales. Por ejemplo, en la banda Advanced Wireless Services (AWS)-3 (1755-1780 MHz), se están desarrollando acuerdos de intercambio de espectro entre los servicios militares y los operadores inalámbricos comerciales1. Estos acuerdos permiten a los operadores inalámbricos comerciales entrar en la banda AWS-3 antes de completar la transición de los servicios militares fuera de la banda.
La Organización del Espectro de Defensa (DSO) se ha encargado de administrar la transición de AWS-3. Una parte clave de la transición implica el desarrollo de nuevos modelos de propagación para evaluar el potencial de interferencia de RF entre los sistemas inalámbricos militares y comerciales que comparten la banda. El DSO ha encargado a ITS y a otros la realización de una serie de mediciones de sondeo de canales para construir nuevos modelos que calculen mejor el impacto del follaje y las estructuras artificiales en el entorno (colectivamente conocido como desorden). La mejora del modelado de propagación que considera el desorden dará lugar a menos restricciones a los transmisores comerciales en las proximidades de los sistemas militares.
Las mediciones in situ de la actividad del espectro RF proporcionan información sobre la física de la propagación de ondas RF y validan los modelos de propagación de radio existentes y nuevos. Ambos componentes son esenciales para apoyar y preservar el intercambio de espectro libre de interferencias. Las técnicas de sondeo de canales, en las que una señal de prueba conocida se transmite desde una ubicación específica a un receptor móvil o estacionario, proporcionan datos que estiman las características del canal de radio en diferentes entornos. Los datos se utilizan para desarrollar y mejorar modelos que predicen con mayor precisión las pérdidas de propagación o la atenuación de la señal. Estas pérdidas pueden deberse al bloqueo y la reflexión por parte de edificios y otros obstáculos (es decir, árboles o terreno en cañones urbanos). Estos obstáculos producen múltiples, ligeramente variantes, trayectorias de propagación que resultan en la pérdida de señal o atenuación entre la antena transmisora y receptora.
Las técnicas de medición de ITS producen resultados precisos, repetibles e imparciales. La OSD ha alentado a STI a compartir sus conocimientos institucionales con la comunidad técnica en general. Este conocimiento incluye cómo medir y procesar de forma óptima los datos de propagación de RF. El Memorándum Técnico NTIA TM-19-5352, 3 ,4,,,5, publicado recientemente, describe un conjunto de mejores prácticas para la preparación y verificación de sistemas de medición de propagación radioeléctrico.4 Como parte de estas prácticas recomendadas, se utiliza un VNA para medir con precisión las pérdidas o ganancias de componentes de un sistema de medición. Las ganancias y pérdidas se utilizan entonces para calcular la atenuación de la señal entre dos antenas.
El protocolo presentado aquí aborda las mejores prácticas para calibrar un VNA5 antes de realizar pruebas en aplicaciones de laboratorio o de campo. Estos incluyen el tiempo de calentamiento, la selección del tipo de conector RF, la realización de conexiones adecuadas y el rendimiento de los pasos de calibración adecuados. La calibración debe llevarse a cabo en un entorno de laboratorio controlado antes de la recopilación de datos en el contexto de un escenario de medición de propagación específico. Consideraciones adicionales pueden ser relevantes para entornos de medición de propagación específicos, que están fuera del ámbito de este protocolo.
El VNA se utiliza para medir las características del dispositivo de los componentes y subensamblajes al ensamblar otros sistemas de medición. Amplificadores de potencia, receptores, filtros, amplificadores de bajo ruido, mezcladores, cables y antenas son todos componentes que se pueden caracterizar por un VNA. Antes de probar y/o calibrar un sistema, se prepara una lista de todos los componentes necesarios del sistema y se ensamblan todos los componentes del sistema. Cada componente de un sistema se mide por separado insertándolos entre los cables VNA. Esto garantiza que todos los componentes funcionen dentro de las especificaciones del fabricante. Una vez comprobados los componentes, se monta el sistema y se miden las pérdidas en todo el sistema. Esto garantiza que las reflexiones y transmisiones entre los componentes se caractericen adecuadamente.
Un VNA mide los parámetros de dispersión (parámetros S), que son cantidades de valor complejo con magnitud y fase. Un parámetro S es una medición de relación de la señal reflejada 1) a la señal incidente (medida de reflexión) o 2) señal transmitida a la señal incidente (medida de transmisión). Para un dispositivo de dos puertos, se pueden medir cuatro parámetros S (S11,S21,S12y S22). El primer subíndice se refiere al puerto donde se recibe la señal, y el segundo se refiere al puerto donde se transmite la señal. Así, S11 significa la señal transmitida originada en el puerto 1 y fue recibida en el puerto 1. Además, S21 significa que la señal transmitida originó otra vez en el puerto 1 pero se recibe en el puerto 2. S11 mide la cantidad de señal que refleja el dispositivo bajo prueba (DUT) en el puerto 1 con referencia a la señal original que fue incidente en el puerto 1. S21 mide la cantidad de señal que se transmite a través del DUT y llega al puerto 2 con referencia a la señal incidente en el puerto 1. S11 es una medida del coeficiente de reflexión del DUT en el puerto 1, y S21 es una medida del coeficiente de transmisión del DUT desde el puerto 1 hasta el puerto 2.
Se requiere una calibración del VNA para eliminar los errores sistemáticos de los componentes hasta (e incluyendo) el plano de referencia de medición, que normalmente se encuentra al final de los cables de medición de VNA. Una calibración elimina los errores del sistema midiendo estándares conocidos “perfectos” (abiertos, cortos, cargas, a través/línea) y comparándolo con el valor que mide el VNA. A través de una serie de correcciones de errores, se muestra un valor corregido para el DUT. Actualmente hay 12 términos de error6,,7 que se caracterizan durante la calibración. Para obtener más información, consulte las mediciones originales de los parámetros S que se realizaron en analizadores de red de seis puertos8 compatibles con la teoría clásica de circuitos de microondas9,,10.
Los tipos más comunes de mediciones de reflexión de parámetros S son la pérdida de retorno, la relación de onda estacionaria (SWR), el coeficiente de reflexión y la coincidencia de impedancia. Los tipos más comunes de mediciones de transmisión de parámetros S son la pérdida de inserción, el coeficiente de transmisión, la ganancia/pérdida, el retardo de grupo, el retardo de fase o fase y el retardo eléctrico. Las mediciones de pérdida de transmisión se enfatizan en el protocolo descrito.
La medición de las ganancias y pérdidas de los componentes del sistema utilizando un VNA es bien entendida. Sin embargo, a menudo se omiten pasos importantes, como la limpieza de conectores y el uso de una llave de torsión adecuada. Este protocolo proporciona todos los pasos necesarios y explicaciones de por qué algunos son particularmente importantes. También servirá como preludio de un artículo futuro que describe cómo realizar mediciones de propagación de RF, incluidos los cálculos de la atenuación de la señal.
Protocol
Representative Results
Discussion
Es importante permitir que el VNA se caliente a RT durante al menos 0,5 h (aunque, 1 h es mejor) antes de realizar las calibraciones, lo que permite que todos los componentes internos lleguen a RT y da como resultado calibraciones más estables. Una calibración puede durar varios días sin una gran pérdida de precisión; sin embargo, la calibración se comprueba diariamente utilizando un estándar de calibración para garantizar la integridad de la medición. La inspección de todos los componentes del sistema es esencial para que los conectores defectuosos no dañen la precisión del VNA. Es mejor utilizar cables de baja pérdida con el VNA. La integridad de la calibración debe comprobarse antes de la medición de cualquier componente del sistema o DUT. Cualquier medición fuera de las especificaciones proporcionadas aquí debe repetirse o puede requerir una nueva calibración. Por último, el uso de las especificaciones del fabricante para comprobar los valores DUT medidos es una parte necesaria de la validación.
El uso del VNA como instrumento de medición tiene sus limitaciones. Si el DUT o el sistema tiene pérdidas tan grandes que los parámetros S medidos caen por debajo del suelo de ruido del VNA, no se puede medir con el VNA. Es posible bajar el suelo de ruido disminuyendo el ancho de banda IF y aumentando el tiempo de barrido. Esto ralentizará el tiempo de adquisición de la medición; por lo tanto, hay una compensación al ajustar estos parámetros. El VNA no puede manejar potencias de entrada superiores a 30 dBm, por lo que se requiere el uso de atenuación interna o externa cuando se requieren amplificadores de medición. El VNA tiene una fuente y un receptor ubicados en el mismo instrumento, por lo que se ha utilizado como un sistema de medición de propagación por radio. Porque la fuente y el receptor se encuentran en el VNA, el puerto transmisor se debe unir de alguna manera al puerto receptor. Típicamente, esto se hace con los cables; sin embargo, los cables añaden pérdida, disminuyendo el rango dinámico de lo que se puede medir. Además, las distancias de separación se vuelven limitadas.
El otro método por el cual se pueden medir las pérdidas es el uso de un generador de señal y un medidor de potencia. El medidor de potencia es un dispositivo de medición escalar, por lo que sólo puede medir la magnitud de una señal. No puede monitorear la fase de la señal, lo que resulta en mediciones menos precisas de la señal. El VNA mide tanto la magnitud como la fase (de los componentes reales e imaginarios) de una señal medida en relación con una señal de entrada bien conocida, que es una medición de mayor calidad.
Los VNAs son una opción versátil para muchos tipos de mediciones. El instrumento se puede utilizar para medir las señales de radio radiadas utilizando antenas en los puertos de transmisión y recepción18. El análisis del dominio del tiempo se puede utilizar para monitorear las señales a lo largo del tiempo y determinar donde ocurre una interrupción en un cable. Puede medir muchas frecuencias durante un barrido, que se pueden utilizar para entender las pérdidas de atenuación en muchas frecuencias, ya sea en un entorno conducido19 o radiado20. Comprender los diversos ajustes de parámetros del VNA da como resultado DUTs/sistemas bien caracterizados, y las mediciones obtenidas con el DUT/sistema se pueden utilizar con un alto grado de confianza.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos a la Oficina del Espectro de Defensa (DSO) por financiar este trabajo.
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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