I detta protokoll beskrivs bästa praxis för kalibrering av en analysator för vektornätverk före användning som ett exakt instrument som är avsett att mäta komponenter i ett testsystem för mätning av radiofrekvensspridning.
In situ-mätningar av radiofrekvens (RF) spektrum aktivitet ger insikt i fysik radiofrekvensvåg förökning och validera befintliga och nya spektrum förökning modeller. Båda dessa parametrar är nödvändiga för att stödja och bevara störningsfri spektrumdelning, eftersom spektrumanvändningen fortsätter att öka. Det är viktigt att sådana förökningsmätningar är korrekta, reproducerbara och fria från artefakter och fördomar. Att karakterisera vinster och förluster av komponenter som används i dessa mätningar är avgörande för deras noggrannhet. En vektor nätverksanalysator (VNA) är en väletablerad, mycket exakt och mångsidig utrustning som mäter både magnitud och fas av signaler, om de är korrekt kalibrerade. I den här artikeln beskrivs de bästa metoderna för att kalibrera en VNA. När den har kalibrerats kan den användas för att korrekt mäta komponenter i ett korrekt konfigurerat spridningsmätningssystem (eller kanalklingande) eller kan användas som själva mätsystemet.
Institutet för telekommunikationsvetenskap (ITS) är forskningslaboratoriet vid National Telecommunications and Information Administration (NTIA), en myndighet vid USA:s handelsdepartement. ITS har varit aktivt i radioförökningsmätningar sedan 1950-talet. Spektrumdelning, det nya paradigmet för federala och kommersiella spektrumanvändare, kräver att två olika system delar samma radiofrekvensspektrum samtidigt. I takt med att spektrumdelningsscenarierna ökar ökar också behovet av korrekta och reproducerbara mätningar av radiospridning som ger en bättre förståelse för radiomiljön, som flera tjänster måste dela. Målet med det beskrivna förfarandet är att säkerställa att alla komponenter som utgör ett sådant system väl kännetecknas av en korrekt konfigurerad VNA.
Medan efterfrågan på spektrum ökar, är det inte alltid möjligt att snabbt fritt spektrum som för närvarande används av federala myndigheter för kommersiella ändamål. I AWS-3-bandet (Advanced Wireless Services)-3 -band (1755–1780 MHz) utvecklas till exempel arrangemang för spektrumdelning mellan militära tjänster och kommersiella mobiloperatörer1. Dessa arrangemang tillåter kommersiella mobiloperatörer att komma in i AWS-3 bandet innan övergången av militära tjänster ur bandet.
Defense Spectrum Organization (DSO) har fått i uppdrag att hantera AWS-3 övergången. En viktig del av övergången är att utveckla nya förökningsmodeller för att utvärdera potentialen för RF-interferens mellan militära och kommersiella trådlösa system som delar bandet. DSO har gett ITS och andra i uppdrag att utföra en serie kanalklingande mätningar för att bygga nya modeller som bättre beräknar effekterna av lövverk och konstgjorda strukturer i miljön (kollektivt känd som röran). Förbättrad förökningsmodellering som tar hänsyn till röran kommer att leda till färre restriktioner för kommersiella sändare i närheten av militära system.
In situ mätningar av RF spektrum aktivitet ger insikt i fysik RF våg förökning och validera befintliga och nya radio förökning modeller. Båda dessa komponenter är nödvändiga för att stödja och bevara störningsfri spektrumdelning. Kanalljudtekniker, där en känd testsignal överförs från en viss plats till antingen en mobil eller stationär mottagare, tillhandahåller data som uppskattar radiokanalegenskaper i olika miljöer. Data används för att utveckla och förbättra modeller som mer exakt förutsäga spridning förluster eller dämpning av signalen. Dessa förluster kan bero på blockering och reflektion från byggnader och andra hinder (dvs. träd eller terräng i urbana kanjoner). Dessa hinder producerar flera, något variant, spridningsvägar som resulterar i signalförlust eller dämpning mellan den sändande och mottagande antennen.
ITS mättekniker ger korrekta, repeterbara och opartiska resultat. Den dso har uppmuntrat ITS att dela sin institutionella kunskap med den bredare tekniska gemenskapen. Denna kunskap omfattar hur man optimalt mäter och bearbetar RF-spridningsdata. Den nyligen publicerade NTIA Technical Memorandum TM-19-5352,3,,4,5 beskriver en uppsättning bästa metoder för beredning och kontroll av radioförökningsmätningssystem. Som en del av dessa bästa metoder används ett VNA för att korrekt mäta komponentförluster eller vinster i ett mätsystem. Vinsterna och förlusterna används sedan för att beräkna signaldämpningen mellan två antenner.
Det protokoll som presenteras här behandlar de bästa metoderna för kalibrering av en VNA5 före testning i laboratorie- eller fältapplikationer. Dessa inkluderar uppvärmningstid, val av RF-kontakttyp, korrekt anslutningar och prestanda för lämpliga kalibreringssteg. Kalibrering bör utföras i en kontrollerad laboratoriemiljö före datainsamling i samband med ett specifikt scenario för förökningsmätning. Ytterligare överväganden kan vara relevanta för specifika miljöer för förökningsmätning, som ligger utanför detta protokolls tillämpningsområde.
VNA används för att mäta komponenters och underenheters enhetsegenskaper vid montering av andra mätsystem. Effektförstärkare, mottagare, filter, lågljudförstärkare, blandare, kablar och antenner är alla komponenter som kan karakteriseras av en VNA. Innan ett system testas och/eller kalibreras upprättas en lista över alla nödvändiga komponenter i systemet och alla systemkomponenter monteras. Varje komponent i ett system mäts separat genom att de förs in mellan VNA-kablarna. Detta säkerställer att alla komponenter fungerar enligt tillverkarens specifikationer. När komponenterna har kontrollerats monteras systemet och förluster i hela systemet mäts. Detta säkerställer att reflektioner och transmissioner mellan komponenter är korrekt karakteriserade.
En VNA mäter spridningsparametrar (S-parametrar), som är komplexvärdna kvantiteter med både magnitud och fas. En S-parameter är en uttränt mätning av antingen den 1) reflekterade signalen till den infallande signalen (reflektionsmätning) eller 2) överförd signal till infallande signal (transmissionsmätning). För en tvåportenhet kan fyra S-parametrar (S11,S21,S12och S22) mätas. Den första nedsänkta refererar till porten där signalen tas emot och den andra refererar till porten där signalen överförs. S11 betyder således att den överförda signalen har sitt ursprung i port 1 och togs emot i hamn 1. Dessutom innebär S21 att den överförda signalen har sitt ursprung igen vid port 1 men tas emot vid port 2. S11 mäter den mängd signal som reflekteras av den enhet som provas (DUT) vid port 1 med hänvisning till den ursprungliga signalen som var infallande vid port 1. S21 mäter den mängd signal som överförs via DUT och anländer till port 2 med hänvisning till incidentsignalen vid port 1. S11 är ett mått på dut-koefficientens reflektionskoefficient i port 1 och S21 är ett mått på överföringskoefficienten för DUT från hamn 1 till hamn 2.
En kalibrering av VNA krävs för att avlägsna de systematiska felen från komponenter upp till (och inklusive) mätreferensplanet, som vanligtvis befinner sig i slutet av VNA-mätkablarna. En kalibrering tar bort systemfel genom att mäta “perfekta” kända standarder (öppna, shorts, laster, thru / line) och jämföra det med det värde som VNA mäter. Genom en serie felkorrigeringar visas ett korrigerat värde för DUT. Det finns för närvarande 12 fel termer6,7 som kännetecknas under kalibrering. Mer information finns i de ursprungliga S-parametermätningarna som gjordes på sexportar nätverksanalysatorer8 som stöds av klassisk mikrovågskretsteori9,10.
De vanligaste typerna av S-parameterreflektionsmätningar är returförlust, stående vågförhållande (SWR), reflektionskoefficient och impedansmatchning. De vanligaste typerna av S-parameteröverföringsmätningar är insättningsförlust, transmissionskoefficient, vinst/förlust, gruppfördröjning, fas- eller fasfördröjning och elektrisk fördröjning. Mätningar av överföringsförlust betonas i det beskrivna protokollet.
Mätning av vinster och förluster av systemkomponenter med hjälp av en VNA är väl förstådd. Viktiga steg hoppas dock ofta över, till exempel rengöringskontakter och med hjälp av en lämplig momentnyckel. Detta protokoll ger alla nödvändiga steg och förklaringar till varför vissa är särskilt viktiga. Det kommer också att fungera som ett förspel till en framtida artikel som beskriver hur man utför RF förökning mätningar, inklusive beräkningar av signaldämpning.
Det är viktigt att låta VNA värma till RT i minst 0,5 timmar (även om 1 h är bättre) innan kalibreringar utförs, vilket gör att alla interna komponenter kan komma till RT och resulterar i stabilare kalibreringar. En kalibrering kan vara flera dagar utan en stor förlust av noggrannhet; Kalibreringen kontrolleras dock dagligen med hjälp av en kalibreringsstandard för att säkerställa mätningens integritet. Inspektion av alla systemkomponenter är viktigt så att dåliga kontakter inte skadar precisionen hos VNA. Det är bäst att använda låg förlust kablar med VNA. Kalibreringens integritet måste kontrolleras före mätningen av någon systemkomponent eller DUT. Alla mätningar utanför de specifikationer som anges här bör upprepas eller kräva en ny kalibrering. Slutligen är det en nödvändig del av valideringen att använda tillverkarens specifikationer för att kontrollera de uppmätta DUT-värdena.
Att använda VNA som mätinstrument har sina begränsningar. Om DUT eller systemet har förluster så stora att de uppmätta S-parametrarna faller under VNA:s brusgolv, kan det inte mätas med VNA. Det är möjligt att sänka brusgolvet genom att minska IF-bandbredden och öka sveptiden. Detta kommer att sakta ner mätförvärvtiden; det finns därför en kompromiss vid justering av dessa parametrar. VNA kan inte hantera ingångskrafter som är större än 30 dBm, så med hjälp av intern eller extern dämpning när mätförstärkare krävs. VNA har en källa och mottagare som finns i samma instrument, så det har använts som ett mätsystem för radiospridning. Eftersom källan och mottagaren finns i VNA måste överföringsporten anslutas på något sätt till mottagarporten. Vanligtvis görs detta med kablar; Kablar lägger dock till förlust, vilket minskar det dynamiska omfånget för vad som kan mätas. Dessutom blir separationsavstånd begränsade.
Den andra metoden med vilken förluster kan mätas är användning av en signalgenerator och effektmätare. Effektmätaren är en skalärmätningsenhet, så den kan bara mäta en signals magnitud. Den kan inte övervaka signalens fas, vilket resulterar i mindre exakta mätningar av signalen. VNA mäter både magnitud och fas (av verkliga och imaginära komponenter) för en uppmätt signal i förhållande till en välkänd insignal, vilket är en mätning av högre kvalitet.
VNA är ett mångsidigt alternativ för många typer av mätningar. Instrumentet kan användas för att mäta utstrålade radiosignaler med antenner på de sändande och mottagande portarna18. Tidsdomänanalys kan användas för att övervaka signaler över tid och avgöra var en paus uppstår i en kabel. Det kan mäta många frekvenser under ett svep, som kan användas för att förstå dämpning förluster över många frekvenser antingen i en genomförd19 eller utstrålad miljö20. Förstå de olika parameterinställningarna för VNA resulterar i väl karakteriserade DUTs /system, och mätningar som erhållits med DUT / systemet kan användas med en hög grad av förtroende.
The authors have nothing to disclose.
Vi tackar Defense Spectrum Office (DSO) för att finansiera detta arbete.
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 |