RU2801297C1 - Method for dynamic calibration of mobile measuring stands in a wide frequency band - Google Patents

Method for dynamic calibration of mobile measuring stands in a wide frequency band Download PDF

Info

Publication number
RU2801297C1
RU2801297C1 RU2022130917A RU2022130917A RU2801297C1 RU 2801297 C1 RU2801297 C1 RU 2801297C1 RU 2022130917 A RU2022130917 A RU 2022130917A RU 2022130917 A RU2022130917 A RU 2022130917A RU 2801297 C1 RU2801297 C1 RU 2801297C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
measuring
calibration
parameters
measurements
error
Prior art date
Application number
RU2022130917A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Михаил Владимирович Снастин
Елена Михайловна Добычина
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)"
Application granted granted Critical
Publication of RU2801297C1 publication Critical patent/RU2801297C1/en

Links

Abstract

FIELD: antenna measurements.
SUBSTANCE: invention relates to the measurements of the parameters of the scattering matrix to control the directivity and gain of the antennas. Essence: and the well-known method of two-port calibration of a vector network analyzer (VNA) is used, and the increase in measurement accuracy is achieved by switching to dynamic error correction of an extended moving measuring path. An extension of the analyzer model is proposed in such a way that each error parameter becomes a function of frequency, as well as a set of spatial coordinates, depending on the design and principle of operation of the measuring stand. Dynamic calibration allows you to determine the parameters of the error model and make a unique adjustment to the received data depending on the relative position of the measuring and tested antennas in space. The vector of error parameters of the model of the movable measuring stand is found, which depends on the frequency vector of the probing signal and the generalized vector of spatial coordinates, which includes information about the position of the measuring ports of the measuring and tested antennas in space. Calculation of calibration corrections is carried out for the data array coming from the VNA to a personal computer (PC) in the entire frequency band for the entire set of spatial coordinates. The method is especially useful in the case of serial measurements of the characteristics of a batch of antennas, when dynamic calibration is carried out once, and corrections are made to the results of all measurements.
EFFECT: increased accuracy of antenna measurements in a wide frequency band.
1 cl, 14 dwg

Description

Изобретение относится к области антенных измерений, преимущественно к измерениям параметров матрицы рассеяния для контроля характеристик направленности и коэффициента усиления антенн.SUBSTANCE: invention relates to the field of antenna measurements, mainly to measurements of scattering matrix parameters for monitoring the directivity characteristics and gain of antennas.

Характеристики направленности антенны оказывают существенное влияние на дальность действия радиоэлектронных систем, например высокоточных систем навигации и управления беспилотными летательными аппаратами (БЛА), в состав которых она входит. Расчет характеристик осуществляется в процессе разработки антенны, а также при моделировании ее в различных системах автоматизированного проектирования, что позволяет достичь заданных параметров направленности. Испытания уже изготовленных антенн и проверка соответствия полученных характеристик направленности заданным, в широкой полосе частот, является важнейшей частью разработки всей системы. Сегодня основные измерения характеристик антенн проводятся на дорогих, сложных в обслуживании антенных полигонах, где пытаются обеспечить условия работы в дальней зоне даже для больших антенных решеток. Основная трудность при проведении экспериментальных исследований антенн таким способом - многолучевой характер распространения радиоволн, обусловленный влиянием подстилающей поверхности. В результате связь между измеряемой и измерительной антеннами осуществляется не только прямым лучом, соединяющим их фазовые центры, но и лучом, отраженным от поверхности земли. Этот фактор обуславливает погрешность, вносимую в результат измерения и как следствие - низкая точность измерений.Antenna directivity characteristics have a significant impact on the range of electronic systems, such as high-precision navigation and control systems for unmanned aerial vehicles (UAVs), of which it is a part. The calculation of the characteristics is carried out in the process of developing the antenna, as well as when modeling it in various computer-aided design systems, which makes it possible to achieve the specified directivity parameters. Testing already manufactured antennas and verifying the compliance of the received directivity characteristics with the given ones, in a wide frequency band, is an essential part of the development of the entire system. Today, the main measurements of antenna characteristics are carried out at expensive, difficult-to-maintain antenna ranges, where they try to provide operating conditions in the far zone even for large antenna arrays. The main difficulty in conducting experimental studies of antennas in this way is the multipath nature of radio wave propagation, due to the influence of the underlying surface. As a result the connection between the measured and measuring antennas is carried out not only by a direct beam connecting their phase centers, but also by a beam reflected from the earth's surface. This factor causes the error introduced into the measurement result and, as a result, low measurement accuracy.

Альтернативой полигонам выступают специализированные безэховые камеры (БЭК). Однако и в них источниками ошибок при проведении высокоточных испытаний становятся практически все элементы, участвующие в процессе измерения амплитуды и фазы электромагнитного поля в рабочей зоне. Сюда входят неопределенности, связанные со средством измерения, погрешности позиционирования антенн, изменение характеристик кабелей в полосе частот при перемещении в процессе испытаний, зависимость характеристик от параметров окружающей среды (относительной влажности, давления и температуры) и прочее. С увеличением частоты растут потери тракта распространения, меняется коэффициент отражения от элементов тракта, проявляется частотная неравномерность его коэффициента передачи. Все перечисленные явления вносят вклад в погрешность измерений. Для определения составляющих (факторов) погрешности используется процедура калибровки основного измерительного устройства - векторного анализатора цепей (ВАЦ). Для исключения погрешности применяется математическая коррекция результатов измерений.An alternative to polygons are specialized anechoic chambers (BEC). However, even in them, almost all elements involved in the process of measuring the amplitude and phase of the electromagnetic field in the working area become sources of errors during high-precision tests. This includes uncertainties associated with the measuring instrument, antenna positioning errors, changes in the characteristics of cables in the frequency band when moving during the test, the dependence of characteristics on environmental parameters (relative humidity, pressure and temperature), and so on. With an increase in frequency, the losses of the propagation path increase, the reflection coefficient from the elements of the path changes, and the frequency non-uniformity of its transmission coefficient manifests itself. All of these phenomena contribute to the measurement error. To determine the components (factors) of the error, the procedure for calibrating the main measuring device - a vector network analyzer (VNA) is used. To eliminate the error, mathematical correction of the measurement results is applied.

Повышение точности измерения характеристик антенны в широкой полосе частот для подвижных измерительных стендов является актуальной задачей.Increasing the accuracy of measuring antenna characteristics in a wide frequency band for mobile measuring stands is an urgent task.

Известен способ [1] для учета влияния кабелей на промежуточной частоте для подвижного измерительного стенда. В процессе его использования определяется разница между опорным сигналом с измерительного порта неподвижного стенда с сигналом на тестовом выходе движущегося измерительного порта. К недостаткам метода можно отнести сложность адаптации метода к измерительным стендам на основе комбинированных средств измерения (СИ), например векторных анализаторов цепей (ВАЦ), т.е. средств измерения с локальным смешением частот. Метод позволяет учесть лишь дополнительные потери на передачу сигнала, но не учитывают изменение коэффициента отражения на портах кабеля. Метод неприменим для длительных, многочасовых испытаниях. Помимо этого требуется многоканальный измерительный приемник сигнала. Все это приводит к низкой точности способа калибровки, а также сложности и отсутствию автоматизации при его использовании в широкой полосе частот.A known method [1] to account for the influence of cables at an intermediate frequency for a movable measuring stand. In the process of its use, the difference between the reference signal from the measuring port of the fixed stand and the signal at the test output of the moving measuring port is determined. The disadvantages of the method include the difficulty of adapting the method to measuring stands based on combined measuring instruments (SI), for example, vector network analyzers (VNA), i.e. measuring instruments with local mixing of frequencies. The method allows taking into account only additional losses for signal transmission, but does not take into account the change in the reflection coefficient at the cable ports. The method is not applicable for long, many hours of testing. In addition, a multi-channel measuring signal receiver is required. All this leads to low accuracy of the calibration method, as well as the complexity and lack of automation when it is used in a wide frequency band.

Известен также способ калибровки [2] основанный на измерении фазовой ошибки в сигнале, проходящем через подвижный протяженный кабель, а затем численном вычитании ее из результатов измерений характеристик антенны. Фазовый набег измеряется методом немодулированного отражения от короткозамкнутой нагрузки, находящейся в одном из плеч направленного ответвителя, который дополнительно вводится в измерительную установку, заставляя сигнал дважды проходить гибкий кабель. Измеренная ошибка поступает на один из портов ВАЦ и затем в компьютер, где собственно и осуществляется ее учет при расчете измеряемых параметров антенны. Основным недостатком способа является наличие направленного ответвителя, который ограничивает динамический диапазон проводимых измерений, как признают сами авторы, а также невозможность проведения измерений в широкой полосе частот. Кроме того, в расчетных соотношениях принимается, что характеристики направленного ответвителя идеальны, а следовательно, использование реального ответвителя будет вносить дополнительные неконтролируемые ошибки, как фазовые, так и амплитудные, а следовательно снижать точность измерений.There is also a method of calibration [2] based on measuring the phase error in the signal passing through a movable long cable, and then subtracting it numerically from the measurement results of the antenna characteristics. The phase delay is measured by the unmodulated reflection method from a short-circuited load located in one of the legs of a directional coupler, which is additionally introduced into the measuring setup, causing the signal to pass the flexible cable twice. The measured error is fed to one of the VNA ports and then to the computer, where it is actually taken into account when calculating the measured antenna parameters. The main disadvantage of the method is the presence of a directional coupler, which limits the dynamic range of measurements, as the authors themselves admit, as well as the impossibility of measurements in a wide frequency band. In addition, it is assumed in the calculated ratios that the characteristics of a directional coupler are ideal, and therefore, the use of a real coupler will introduce additional uncontrolled errors, both phase and amplitude, and hence reduce the measurement accuracy.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ калибровки двухпортового векторного анализатора цепей (ВАЦ), проводимой перед тестированием какого-либо исследуемого устройства (ИУ) с целью высокоточного измерения его параметров рассеяния (S-параметров), выбранный в качестве прототипа (фиг. 1) [3]. Способ позволяет определять составляющие систематической погрешности измерения, вносимой элементами высокочастотных трактов в самом ВАЦ, а также элементами измерительной установки, включая высокочастотные кабели, находящиеся между точками подключения портов ИУ и ВАЦ. Для учета погрешности применяется математическая коррекция результатов измерений.According to the technical essence, the closest to the proposed invention is a method for calibrating a two-port vector network analyzer (VNA), carried out before testing any device under study (DUT) in order to accurately measure its scattering parameters ( S -parameters), selected as a prototype (Fig. 13]. The method makes it possible to determine the components of the systematic measurement error introduced by the elements of high-frequency paths in the VNA itself, as well as by the elements of the measuring installation, including high-frequency cables located between the connection points of the ports of the DUT and the VNA. To account for the error, a mathematical correction of the measurement results is applied.

В способе-прототипе предполагается, что модель анализатора цепей представляют в виде набора устройств: идеального измерителя и искажающих адаптеров (ИА). При этом вводится допущение, что именно ИА являются источниками систематической неопределенности измерения, что приводит к ошибкам измерения.In the prototype method, it is assumed that the network analyzer model is presented as a set of devices: an ideal meter and distorting adapters (IA). In this case, the assumption is introduced that it is the IAs that are the sources of systematic measurement uncertainty, which leads to measurement errors.

Способ основан на SOLT калибровке и применим для 12-параметрической модели ВАЦ. Для проведения калибровки используются специальные меры-нагрузки в виде короткого замыкания (КЗ, Short, SC), холостого хода (ХХ, Open, OC), согласованной нагрузки (СН, Load, ML) и адаптера-перемычки (А-П, THRU) - калибровочный набор.The method is based on SOLT calibration and is applicable to the 12-parameter VNA model. For calibration, special load measures are used in the form of a short circuit (Short circuit, Short, SC ), idling (XX, Open, OC ), matched load (CH, Load, ML ) and a jumper adapter (A-P, THRU ) - calibration kit.

Модель ВАЦ основана на представлении графа двухпортового (2P) анализатора цепей - измерителя коэффициентов матрицы рассеяния четырехполюсника. Она видоизменяется для двух случаев:The VNA model is based on the graph representation of a two-port (2 P ) network analyzer - a meter of quadripole scattering matrix coefficients. It is modified for two cases:

- прямое направление зондирования (фиг. 2), когда возбуждается первый порт ВАЦ, а второй порт нагружен на идеальную СН, чтобы коэффициент отражения от нее был равен нулю;- direct probing direction (Fig. 2), when the first port of the VNA is excited, and the second port is loaded on the ideal SN so that the reflection coefficient from it is equal to zero;

- обратное направление зондирования (фиг. 3), когда первый порт ВАЦ считается нагруженным на идеальную СН, а возбуждается второй порт анализатора.- the reverse direction of probing (Fig. 3), when the first port of the VNA is considered to be loaded on the ideal SN, and the second port of the analyzer is excited.

Для описания модели вводятся параметры ошибки:Error parameters are introduced to describe the model:

- направленность; - orientation;

- развязка; - interchange;

- согласование источника; - source matching;

- согласование нагрузки; - load balancing;

- потери при отражении; - reflection loss;

- потери при передаче, - transmission loss,

где индексы «пз» и «оз» определяют параметры моделей для прямого и обратного направлений зондирования соответственно.where the indices "pz" and "oz" determine the parameters of the models for the forward and reverse directions of sounding, respectively.

Эти параметры являются комплексными безразмерными величинами, зависящими от частоты зондирующего сигнала и предполагаются неизменными в процессе измерения. Для извлечения неизвестных параметров модели, необходимо провести независимые измерения S-параметров (с известными подключаемыми к портам мерами (КЗ, ХХ, СН, А-П). После чего необходимо решать задачу с помощью линейных алгебраических уравнений.These parameters are complex dimensionless quantities that depend on the frequency of the probing signal and are assumed to be constant during the measurement process. To extract the unknown parameters of the model, it is necessary to carry out independent measurements of the S -parameters ( with known measures connected to ports (KZ, XX, SN, A-P). After that, it is necessary to solve the problem using linear algebraic equations.

Для определения неизвестных параметров модели в способе-прототипе осуществляются следующие операции.To determine the unknown parameters of the model in the prototype method, the following operations are performed.

1. Проводится однопортовая калибровка для первого и второго портов. На этом этапе определяются параметры , и (индексы для прямого и обратного зондирования опущены) из системы уравнений (1).1. A one-port calibration is performed for the first and second ports. At this stage, the parameters are determined, And (indices for forward and backward sounding are omitted) from the system of equations (1).

где - комплексный коэффициент отражения калибровочной меры, причем индекс «изм» указывает на измеренное значение, а «ист» - на истинное, соответствующее ей (1-КЗ, 2-ХХ, 3-СН).Where - complex reflection coefficient of the calibration measure, and the index "meas" indicates the measured value, and "ist" - the true corresponding to it (1-KZ, 2-XX, 3-CH).

2. Первый и второй порт соединяются на проход через адаптер-перемычку THRU, измеряются все S-параметры. Определяются и , в общем случае по формулам (2); (3); (4); (5):2. The first and second ports are connected for passage through a jumper adapterTHRU, all are measuredS-options. Are determined And, in the general case, according to formulas (2); (3); (4); (5):

где Where

3. При необходимости, подключаются к первому и второму портам меры СН. Напрямую определяется развязка . Этот шаг требуется при проведении прецизионных измерений для малых коэффициентов передачи. Зачастую данный этап опускают и считают, что параметр развязки портов пренебрежимо мал: . Тогда 12-параметрическая модель сводится к 10-параметрической.3. If necessary, connect to the first and second ports of the CH measure. Decoupling is directly determined . This step is required when making precision measurements for small gains. Often this stage is omitted and it is considered that the port decoupling parameter is negligible: . Then the 12-parameter model is reduced to the 10-parameter one.

Истинные параметры матрицы рассеяния ИУ для 12-параметрической модели находят по формулам (6); (7); (8); (9):The true parameters of the DUT scattering matrix for the 12-parameter model are found using formulas (6); (7); (8); (9):

где .Where .

В современных ВАЦ эта процедура является штатной и проводится автоматически, когда разница между истинными и измеренными значениями сохраняется в самом анализаторе и учитывается при представлении итоговых результатов.In modern VNAs, this procedure is standard and is carried out automatically when the difference between the true and measured values is stored in the analyzer itself and taken into account when presenting the final results.

Недостаток известного способа заключается в том, что он предполагает статичный измерительный стенд, когда используются короткие соединительные кабели. При антенных измерениях (фиг. 4) приходится располагать измерительную и тестируемую антенны максимально приближенно к ВАЦ. Однако в реальных измерительных установках требуется обеспечивать многократное длительное относительное перемещение указанных антенн. Влияние изменения характеристик соединительного кабеля при его скручивании или изгибах на результаты измерений при калибровке известным способом не учитывается. Как следствие, происходит недопустимое снижение точности проведения антенных измерений в широкой полосе частот.The disadvantage of the known method is that it assumes a static measuring bench when short connecting cables are used. During antenna measurements (Fig. 4), it is necessary to place the measuring and test antennas as close as possible to the VNA. However, in real measuring installations, it is required to provide multiple long-term relative movement of these antennas. The effect of changing the characteristics of the connecting cable when it is twisted or bent on the measurement results when calibrating in a known way is not taken into account. As a result, there is an unacceptable decrease in the accuracy of antenna measurements in a wide frequency band.

Техническим результатом данного изобретения является создание способа, не требующего дополнительного оборудования и обеспечивающего повышение точности калибровки подвижного измерительного стенда в широкой полосе частот.The technical result of this invention is the creation of a method that does not require additional equipment and provides an increase in the calibration accuracy of a movable measuring stand in a wide frequency band.

Заявленный технический результат достигается тем, что в известном способе динамической калибровки подвижных измерительных стендов, заключающемся в двухпортовой калибровке векторного анализатора цепей путем измерения сначала коэффициента отражения от калибровочных мер ХХ, КЗ и СН, последовательно подключаемых к измерительным кабелям, а затем всех S-параметров, когда первый и второй порт анализатора соединяются на проход через калибровочную адаптер-перемычку, после чего определяют необходимые параметры ошибки модели векторного анализатора и, используя измеренные S-параметры, рассчитывают истинные, согласно заявляемому изобретению осуществляют динамическую калибровку протяженного подвижного измерительного тракта путем расширения модели векторного анализатора цепей, таким образом, что в широкой полосе частот каждый параметр ошибки определяют для набора пространственных координат, в которых производятся все указанные измерения коэффициента отражения и S-параметров, определяемые конструкцией и принципом работы подвижного измерительного стенда; затем определяют вектор параметров модели ошибок и вносят уникальную корректировку в полученные данные в зависимости от взаимного расположения элементов подвижного стенда в пространстве.The claimed technical result is achieved by the fact that in the known method of dynamic calibration of movable measuring stands, which consists in a two-port calibration of a vector network analyzer by first measuring the reflection coefficient from the calibration standards XX, short circuit and CH, connected in series to the measuring cables, and then all S -parameters, when the first and second ports of the analyzer are connected to pass through the calibration jumper adapter, after which the necessary error parameters of the vector analyzer model are determined and, using the measured S -parameters, the true ones are calculated, according to the claimed invention, dynamic calibration of an extended movable measuring path is carried out by expanding the vector analyzer model circuits, so that in a wide frequency band each error parameter is determined for a set of spatial coordinates in which all specified measurements of the reflection coefficient and S -parameters are made, determined by the design and principle of operation of the movable measuring stand; then, the parameter vector of the error model is determined and a unique adjustment is made to the obtained data depending on the relative position of the elements of the movable stand in space.

Поставленная задача достигается переходом к динамической коррекции ошибок протяженного подвижного измерительного тракта. Предлагается расширение модели ВАЦ, таким образом, что каждый параметр ошибки становится функцией частоты, а также набора пространственных координат, в зависимости от конструкции и принципа работы измерительного стенда.The task is achieved by switching to dynamic error correction of an extended mobile measuring path. An extension of the VNA model is proposed in such a way that each error parameter becomes a function of frequency, as well as a set of spatial coordinates, depending on the design and principle of operation of the measuring stand.

Динамическая калибровка позволяет определять параметры модели ошибок и вносить уникальную корректировку в полученные данные в зависимости от взаимного расположения измерительной и тестируемой антенн в пространстве (фиг. 4). Так как предлагаемый способ подразумевает постобработку данных, то связанные с ней измерения можно проводить как до, так и после основных исследований характеристик ИУ.Dynamic calibration allows you to determine the parameters of the error model and make a unique adjustment to the received data depending on the relative position of the measuring and tested antennas in space (Fig. 4). Since the proposed method implies post-processing of data, the related measurements can be carried out both before and after the main studies of the characteristics of the DUT.

Положительный эффект по сравнению с прототипом достигается тем, что вектор параметров ошибки модели подвижного измерительного стенда принимает видA positive effect in comparison with the prototype is achieved by the fact that the error parameter vector of the model of the movable measuring stand takes the form

где - вектор частот зондирующего сигнала, - обобщенный вектор пространственных координат, куда входит информация о положении измерительных портов измерительной и тестируемой антенн в пространстве. Для измерений в дальней зоне это могут быть: набор угловых положений тестируемой антенны на опорно-поворотном устройстве (фиг. 5) в сферической системе координат, в зависимости от типа применяемого позиционера, например, по азимуту, крену или углу места. Также сюда входит информация о текущей поляризации измерительной антенны. Для измерений в ближней зоне это могут быть пространственные координаты положения каретки зонда (фиг. 6) в декартовой, цилиндрической или сферической системе координат, в зависимости от применяемого позиционера, а также информация о текущей поляризации зонда. Расчет калибрационных поправок проводится для массива данных, поступающих с ВАЦ в персональный компьютер (ПК), во всей полосе частот для всего набора пространственных координат,с помощью специализированной программы, содержащей вычисления по формулам с (1) по (10). Способ особенно полезен в случае серийных измерений характеритик партии антенн, когда динамическая калибровка проводится один раз, а поправки вносятся в результаты всех измерений.Where - frequency vector of the probing signal, - a generalized vector of spatial coordinates, which includes information about the position of the measuring ports of the measuring and tested antennas in space. For measurements in the far field, this can be: a set of angular positions of the antenna under test on the turntable (Fig. 5) in a spherical coordinate system, depending on the type of positioner used, for example, in azimuth, roll or elevation. It also includes information about the current polarization of the measuring antenna. For measurements in the near field, this can be the spatial coordinates of the position of the probe carriage (Fig. 6) in Cartesian, cylindrical or spherical coordinates, depending on the positioner used, as well as information about the current polarization of the probe. Calculation of calibration corrections is carried out for the data array coming from the VNA to a personal computer (PC), in the entire frequency band for the entire set of spatial coordinates, using a specialized program containing calculations using formulas (1) to (10). The method is especially useful in the case of serial measurements of the characteristics of a batch of antennas, when dynamic calibration is carried out once, and corrections are made to the results of all measurements.

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 приведена общая схема статической штатной калибровки двухпортового векторного анализатора цепей; на фиг. 2 - граф двухпортового (2P) анализатора цепей - измерителя коэффициентов матрицы рассеяния измеряемого устройства, прямое направление зондирования; на фиг. 3 - граф двухпортового (2P) анализатора цепей - измерителя коэффициентов матрицы рассеяния измеряемого устройства, обратное направление зондирования; на фиг. 4 - схема расположения измерительной и тестируемой антенн относительно ВАЦ для случая антенных измерений; на фиг. 5 - схема антенных измерений в дальней зоне на опорно-поворотном устройстве; на фиг. 6 - схема антенных измерений в ближней зоне с помощью сканера ближнего поля; на фиг. 7 - калибровочные меры для полной 2P калибровки с известным адаптером; на фиг. 8 - фотография тестируемой антенны с подвижным кабелем на опорно-поворотном устройстве; на фиг. 9 - фотография тестируемой антенны с подвижным кабелем на сканере ближнего поля; на фиг. 10 - измеренный модуль коэффициента отражения от подвижной антенны в полосе частот; на фиг. 11 - зависимость фазы коэффициента отражения от подвижной антенны в полосе частот; на фиг. 12 - зависимость разницы коэффициентов передачи тестируемой антенны с подвижным кабелем измеренных после статической и динамической калибровки, от угла поворота по азимуту стенда для измерений в дальней зоне; на фиг. 13 - зависимости коэффициента передачи тестируемой антенны с подвижным кабелем от частоты, измеренного после статической и динамической калибровки стенда дальней зоны; на фиг. 14 - зависимость коэффициента передачи тестируемой антенны с подвижным кабелем от частоты, измеренного после статической и динамической калибровки стенда ближней зоны.In FIG. 1 shows the general scheme of the static nominal calibration of a two-port vector network analyzer; in fig. 2 - graph of a two-port (2 P ) network analyzer - a meter of the coefficients of the scattering matrix of the measured device, the direct direction of probing; in fig. 3 - graph of a two-port (2 P ) network analyzer - a meter of the coefficients of the scattering matrix of the measured device, the reverse direction of probing; in fig. 4 is a diagram of the location of the measuring and test antennas relative to the VNA for the case of antenna measurements; in fig. 5 - scheme of antenna measurements in the far zone on the turntable; in fig. 6 is a diagram of antenna measurements in the near field using a near field scanner; in fig. 7 - calibration standards for full 2 P calibration with a known adapter; in fig. 8 - photograph of the tested antenna with a movable cable on a turntable; in fig. 9 - photograph of the tested antenna with a movable cable on the near field scanner; in fig. 10 - the measured modulus of the reflection coefficient from the mobile antenna in the frequency band; in fig. 11 - phase dependence reflection coefficient from a mobile antenna in the frequency band; in fig. 12 - dependence of the difference in the transmission coefficients of the tested antenna with a movable cable measured after static and dynamic calibration, from the azimuth angle of the stand for measurements in the far field; in fig. 13 - dependence of the transmission coefficient of the tested antenna with a movable cable from the frequency measured after static and dynamic calibration of the far-field stand; in fig. 14 - dependence of the transmission coefficient of the tested antenna with a movable cable on the frequency measured after static and dynamic calibration of the near-field test bench.

Предлагаемый способ калибровки динамических измерительных стендов заключается в следующем.The proposed method for calibrating dynamic measuring stands is as follows.

Для проведения динамической калибровки сначала исследуется отражение от калибровочных мер из соответствующего набора калибровки (фиг. 7). Измерение проходит так же, как в способе-прототипе, то есть процесс измерений повторяется для имеющихся мер ХХ, КЗ и СН, последовательно подключаемых к измерительному кабелю вместо любой из антенн. Однако отличие заключается в том, что эта процедура повторяется для каждого пространственного положения подвижного кабеля на измерительном стенде в полосе частот зондирующего сигнала. Применение такого подхода предполагает принятие мер к обеспечению повторяемости условий проведения измерений с точки зрения геометрии стенда. Для каждого положения определяются составляющие , и (индексы для прямого и обратного зондирования опущены) вектора параметров ошибки модели подвижного измерительного стенда для системы уравнений (10).To perform dynamic calibration, the reflection from the calibration standards from the corresponding calibration set is first examined (FIG. 7). The measurement takes place in the same way as in the prototype method, that is, the measurement process is repeated for existing measures of XX, short circuit and CH, connected in series to the measuring cable instead of any of the antennas. However, the difference lies in the fact that this procedure is repeated for each spatial position of the movable cable on the measuring stand in the frequency band of the probing signal. The application of this approach involves taking measures to ensure the repeatability of the measurement conditions in terms of the bench geometry. For each position, the components are determined , And (indices for forward and backward sounding are omitted) of the vector of the error parameters of the model of the mobile measuring stand for the system of equations (10).

Проводится 2P калибровка на динамическом стенде, отличием от прототипа является особенность выбора адаптера-перемычки. В процессе калибровки измерительные порты перемещаются в пространстве, расстояние между ними меняется и может достигать нескольких метров или даже десятков метров, что справедливо для стенда дальней зоны. Адаптер-перемычка уже не может быть малой длины или в виде коаксиального адаптера, как в прототипе. Для обеспечения электрического соединения измерительных портов перемычка реализуется в виде кабельной сборки значительной длины. При испытаниях, из-за претерпеваемых изгибов и скруток в процессе перемещения вслед за измерительными портами, адаптер-перемычка аналогично измерительному кабелю также будет претерпевать аналогичные механические воздействия. Рекомендован вариант включения в ее состав фазостабильных кабелей, например штатных тестовых кабелей из комплекта измерителя (фиг. 7). Они подключаются к разъемам непосредственно на концах плоскости калибровки, а между ними уже подключается СВЧ-кабель требуемой длины, исходя из конфигурации измерительного стенда для обеспечения необходимого расстояния между портами.2 P calibration is carried out on a dynamic stand, the difference from the prototype is the choice of jumper adapter. During the calibration process, the measuring ports move in space, the distance between them changes and can reach several meters or even tens of meters, which is true for a far-field stand. The jumper adapter can no longer be of small length or in the form of a coaxial adapter, as in the prototype. To ensure the electrical connection of the measurement ports, the jumper is implemented in the form of a cable assembly of considerable length. During testing, due to the bending and twisting it undergoes as it travels behind the test ports, the jumper adapter, like the test cable, will also experience similar mechanical stresses. The recommended option is to include phase-stable cables in its composition, for example, standard test cables from the meter kit (Fig. 7). They are connected to the connectors directly at the ends of the calibration plane, and a microwave cable of the required length is already connected between them, based on the configuration of the measuring stand, to ensure the required distance between the ports.

Коэффициенты матрицы рассеяния такой сборной перемычки должны быть предварительно измерены отдельно. Описываемый подход аналогичен калибровке с известным адаптером, как в прототипе, однако отличается тем, что калибруемый тракт динамичен в процессе измерения. Отсюда определяются векторы факторов ошибки и (индексы для прямого и обратного зондирования опущены).The coefficients of the scattering matrix of such a prefabricated jumper must be previously measured separately. The described approach is similar to calibration with a known adapter, as in the prototype, but differs in that the calibrated path is dynamic during the measurement process. Hence, the vectors of error factors are determined And (indices for forward and backward soundings are omitted).

При необходимости подключить к первому и второму портам меры СН для определения факторов ошибки (индексы для прямого и обратного зондирования опущены). В противном случае делают допущение о том, что параметр развязки портов пренебрежимо мал: . Результирующий вектор факторов ошибки модели измерительного стенда выглядит как: If necessary, connect SN measures to the first and second ports to determine error factors (indices for forward and backward soundings are omitted). Otherwise, the assumption is made that the port decoupling parameter is negligible: . The resulting vector of error factors of the measurement stand model looks like:

Для подтверждения повышения точности калибровки подвижного измерительного стенда в широкой полосе частот предлагаемым способом проведен ряд экспериментов с калиброванными измерительными антеннами. Исследования проводились с помощью двух подвижных измерительных стендов в научно-производственном центре радиоинформационной метрологии (НПЦ РИМ) МАИ в аттестованной безэховой камере (БЭК).To confirm the increase in the calibration accuracy of a mobile measuring stand in a wide frequency band, the proposed method carried out a number of experiments with calibrated measuring antennas. The studies were carried out using two mobile measuring stands at the Research and Production Center for Radio Information Metrology (SPC RIM) of the Moscow Aviation Institute in a certified anechoic chamber (BEC).

На фиг. 5 показана схема антенных измерений в дальней зоне на опорно-поворотном устройстве. В качестве тестируемой была выбрана рупорная антенна из состава измерительного комплекса, которая вместе с подвижным кабелем совершала круговые движения по азимуту на опорно-поворотном устройстве (фиг. 8). На фиг. 10 показана зависимость измеренного модуля , а на фиг. 11 показана зависимость фазы коэффициента отражения от подвижной антенны в полосе частот от 1 до 6 ГГц. Красная кривая соответствует измерению после статической калибровки, а синяя - после динамической. Стабильность параметра после динамической калибровки подтверждает факт повторяемости условий проведения измерений с точки зрения геометрии стенда. Измеренный с помощью предлагаемой методики комплексный коэффициент отражения соответствует паспортным данным на антенну.In FIG. 5 shows a diagram of antenna measurements in the far field on a turntable. A horn antenna from the measuring complex was chosen as the test one, which, together with a movable cable, made circular movements in azimuth on a turntable (Fig. 8). In FIG. 10 shows the dependence of the measured modulus , and in Fig. 11 shows the dependence of the phase reflectance from a mobile antenna in the frequency band from 1 to 6 GHz. The red curve corresponds to the measurement after static calibration, and the blue one after dynamic calibration. The stability of the parameter after dynamic calibration confirms the repeatability of the measurement conditions from the point of view of the bench geometry. The complex reflection coefficient measured using the proposed method corresponds to the passport data for the antenna.

На фиг. 12 показана разница коэффициента передачи между антеннами, от угла поворота по азимуту стенда для измерений в дальней зоне, когда тестируемая антенна подключалась к анализатору через подвижный тракт (фиг. 5). Измерения сравнивались после статической и динамической калибровки и проводились на частоте 3ГГц. Разница в измеренных значениях доходит до 0,4 дБ, что оказывает существенное влияние на точность антенных испытаний. На фиг. 13 показаны зависимости коэффициента передачи тестовой антенны с подвижным трактом в полосе частот от 2,5 до 6,5 ГГц, измеренного после статической и динамической калибровки на стенде дальней зоны. Черная кривая соответствует измерению после статической калибровки, а красная - после динамической. Здесь разница достигает величины 4 дБ на отдельных частотах, что позволяет говорить о повышении точности калибровки подвижного измерительного стенда в широкой полосе частот при использовании предлагаемого способа калибровки.In FIG. 12 shows the difference in the gain between the antennas, from the azimuth angle of the stand for measurements in the far field, when the antenna under test was connected to the analyzer through a moving path (Fig. 5). The measurements were compared after static and dynamic calibration and were carried out at a frequency of 3 GHz. The difference in the measured values reaches 0.4 dB, which has a significant impact on the accuracy of antenna tests. In FIG. 13 shows the dependencies of the transmission coefficient of the test antenna with a moving path in the frequency band from 2.5 to 6.5 GHz, measured after static and dynamic calibration on a far-field bench. The black curve corresponds to the measurement after static calibration, and the red one after dynamic calibration. Here, the difference reaches 4 dB at individual frequencies, which suggests an increase in the calibration accuracy of a movable measuring stand in a wide frequency band when using the proposed calibration method.

На фиг. 6 показана схема антенных измерений в ближней зоне на планарном подвижном сканере. В качестве тестируемой выбрана та же рупорная антенна из состава измерительного комплекса, которая вместе с подвижным кабелем совершала линейные движения в плоскости сканирования сканера ближнего поля (фиг. 9). На фиг. 14 показана зависимость коэффициента передачи антенны с подвижным трактом в полосе частот от 9,3 до 9,4 ГГц, измеренного после статической и динамической калибровки. Черная кривая соответствует измерению после статической калибровки, а красная - после динамической. В полосе порядка 10% разница в измерениях достигает величины более 0,5 дБ на верхних частотах, что также подтверждает повышение точности калибровки подвижного планарного сканера.In FIG. 6 shows a diagram of antenna measurements in the near field on a planar movable scanner. The same horn antenna from the measuring complex was chosen as the tested antenna, which, together with the movable cable, performed linear movements in the scanning plane of the near-field scanner (Fig. 9). In FIG. 14 shows the dependence of the gain of an antenna with a moving path in the frequency band from 9.3 to 9.4 GHz, measured after static and dynamic calibration. The black curve corresponds to the measurement after static calibration, and the red one after dynamic calibration. In a bandwidth of about 10%, the difference in measurements reaches a value of more than 0.5 dB at high frequencies, which also confirms the increase in the accuracy of the calibration of a movable planar scanner.

Таким образом, сравнение результатов измерений S-параметров эталонных антенн, после статической калибровки способом-прототипом и предложенным способом динамической калибровки, показало повышение точности измерения характеристик антенны в широкой полосе частот для подвижных измерительных стендов.Thus, a comparison of the measurement results of the S -parameters of the reference antennas, after static calibration by the prototype method and the proposed method of dynamic calibration, showed an increase in the accuracy of measuring the characteristics of the antenna in a wide frequency band for mobile measuring stands.

Сущность изобретения заключается в том, что в процессе динамической калибровки осуществляется преобразование модели ВАЦ, таким образом, что каждый параметр ошибки становится функцией частоты, а также набора пространственных координат, в зависимости от конструкции и принципа работы измерительного стенда.The essence of the invention lies in the fact that in the process of dynamic calibration, the VNA model is transformed in such a way that each error parameter becomes a function of frequency, as well as a set of spatial coordinates, depending on the design and principle of operation of the measuring stand.

Источники информацииInformation sources

1. Rensburg, D.J. Millimeter Wave Near-Field Antenna Testing // Microwave Product Digest (MPD), 2010, pp. 1-6.1. Rensburg, D.J. Millimeter Wave Near-Field Antenna Testing // Microwave Product Digest (MPD), 2010, pp. 1-6.

2. Tuovinen, J., Lehto, A. and Räisänen A.V. A new method for correcting phase errors caused by flexing of cables in antenna measurements // IEEE Trans. Antennas Propagat., June 1991, vol. 39, pp. 859-861.2. Tuovinen, J., Lehto, A. and Räisänen AV A new method for correcting phase errors caused by flexing of cables in antenna measurements // IEEE Trans. Antennas propagat. , June 1991, vol. 39, pp. 859-861.

3. Henze, A., Tempone, N., Monasterios, G. and Silva, H. Incomplete 2-port vector network analyzer calibration methods // IEEE Biennial Congress of Argentina (ARGENCON), 11-13 June 2014, pp. 810-815.3. Henze, A., Tempone, N., Monasterios, G. and Silva, H. Incomplete 2-port vector network analyzer calibration methods // IEEE Biennial Congress of Argentina (ARGENCON), 11-13 June 2014, pp. 810-815.

Claims (1)

Способ динамической калибровки подвижных измерительных стендов, заключающийся в двухпортовой калибровке векторного анализатора цепей путем измерения сначала коэффициента отражения от калибровочных мер ХХ, КЗ и СН, последовательно подключаемых к измерительным кабелям, а затем всех S-параметров, когда первый и второй порт анализатора соединяются на проход через калибровочную адаптер-перемычку, после чего определяют необходимые параметры ошибки модели векторного анализатора и, используя измеренные S-параметры, рассчитывают истинные, отличающийся тем, что осуществляют динамическую калибровку протяжённого подвижного измерительного тракта путем расширения модели векторного анализатора цепей таким образом, что в широкой полосе частот каждый параметр ошибки определяют для набора пространственных координат, в которых производятся все указанные измерения коэффициента отражения и S-параметров, определяемые конструкцией и принципом работы подвижного измерительного стенда; затем определяют вектор параметров модели ошибок и вносят уникальную корректировку в полученные данные в зависимости от взаимного расположения элементов подвижного стенда в пространстве. A method for dynamic calibration of mobile measuring stands, which consists in a two-port calibration of a vector network analyzer by first measuring the reflection coefficient from the calibration standards XX, SC and SN, connected in series to the measuring cables, and then all S -parameters, when the first and second ports of the analyzer are connected to the pass through the calibration jumper adapter, after which the necessary error parameters of the vector analyzer model are determined and, using the measured S -parameters, the true ones are calculated, characterized in that they dynamically calibrate the extended movable measuring path by expanding the vector network analyzer model in such a way that in a wide band frequencies, each error parameter is determined for a set of spatial coordinates in which all specified measurements of the reflection coefficient and S -parameters are made, determined by the design and principle of operation of the movable measuring stand; then, the parameter vector of the error model is determined and a unique adjustment is made to the obtained data depending on the relative position of the elements of the movable stand in space.
RU2022130917A 2022-11-28 Method for dynamic calibration of mobile measuring stands in a wide frequency band RU2801297C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2801297C1 true RU2801297C1 (en) 2023-08-07

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1402969A1 (en) * 1986-11-21 1988-06-15 Предприятие П/Я М-5566 Device for measuring gain factor of linearly polarized aerials
US8823593B2 (en) * 2010-08-16 2014-09-02 Fujitsu Limited Antenna characteristic measuring system and antenna characteristic measuring method
EP3823187A1 (en) * 2019-11-14 2021-05-19 Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG Measurement system and method of performing an over-the-air test
RU2748478C1 (en) * 2020-10-26 2021-05-26 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" Device for measuring antenna gain in wide frequency band

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1402969A1 (en) * 1986-11-21 1988-06-15 Предприятие П/Я М-5566 Device for measuring gain factor of linearly polarized aerials
US8823593B2 (en) * 2010-08-16 2014-09-02 Fujitsu Limited Antenna characteristic measuring system and antenna characteristic measuring method
EP3823187A1 (en) * 2019-11-14 2021-05-19 Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG Measurement system and method of performing an over-the-air test
RU2748478C1 (en) * 2020-10-26 2021-05-26 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" Device for measuring antenna gain in wide frequency band

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Henze, A., Tempone, N., Monasterios, G. and Silva, H. Incomplete 2-port vector network analyzer calibration methods // IEEE Biennial Congress of Argentina (ARGENCON), 11-13 June 2014, pp. 810-815. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7532014B2 (en) LRL vector calibration to the end of the probe needles for non-standard probe cards for ATE RF testers
US7777497B2 (en) Method and system for tracking scattering parameter test system calibration
US5442296A (en) Method for calibrating a network analyzer
US5440236A (en) Calibrating a network analyzer by making multiple measurements on a common transmission line with a movable discontinuity
Sakamaki et al. Uncertainty analysis method including influence of probe alignment on on-wafer calibration process
Schrader et al. Verification of scattering parameter measurements in waveguides up to 325 GHz including highly-reflective devices
US5734268A (en) Calibration and measurment technique and apparatus for same
US4808912A (en) Six-port reflectometer test arrangement and method including calibration
US20080195344A1 (en) Method for determining measurement errors in scattering parameter measurements
US7768271B2 (en) Method for calibration of a vectorial network analyzer having more than two ports
Snastin et al. Calibration of a Planar Scanner for Near-Field Antenna Measurements
Stumper et al. Influence of different configurations of nonideal calibration standards on vector network analyzer performance
Laitinen et al. Iterative probe correction technique for spherical near-field antenna measurements
RU2801297C1 (en) Method for dynamic calibration of mobile measuring stands in a wide frequency band
Stumper et al. Calibration method for vector network analyzers using one or two known reflection standards
JP7153309B2 (en) Measurement method of reflection coefficient using vector network analyzer
Nikolaenko et al. Analysis of modern techniques for automatic measurements in microwaves
Horibe et al. $ S $-parameters of standard airlines whose connector is tightened with specified torque
Newell et al. Higher order mode probes in spherical near-field measurements
Staudinger Network analyzer calibration
RU2753828C1 (en) Method for calibration and determination of inherent systematic errors of vector network analyser
Horibe Measurement Uncertainty in Terahertz VNAs: Using Terahertz Vector Network Analyzers for Stable, Accurate Measurement and to Evaluate Uncertainty
Fujiwara et al. Six-port type reflectometer based on reflection measurement system using a standing wave detector in the V-band
Cho et al. Design of optimal length for waveguide offset shorts in D-band based on uncertainty analysis
RU2771481C1 (en) Method for vector calibration taking into account the intrinsic noise parameters of the meter