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Análise de rede
Domine os fundamentos da análise de rede e obtenha o conhecimento necessário para aplicativos avançados
Os analisadores de rede caracterizam os dispositivos de radiofrequência (RF). Embora tenham começado apenas medindo parâmetros S, os analisadores de rede se tornaram altamente integrados e avançados para se manterem à frente dos dispositivos que testam.
Abordaremos os fundamentos da análise de rede, o uso de um analisador de rede e algumas das medições avançadas que você pode fazer com um analisador de rede.
O que é um analisador de rede?
Os analisadores de rede caracterizam os dispositivos de radiofrequência (RF). Embora tenham começado apenas medindo parâmetros S, os analisadores de rede se tornaram altamente integrados e avançados para se manterem à frente dos dispositivos que testam.
Os circuitos de RF exigem métodos de teste exclusivos. É difícil medir a tensão e a corrente diretamente em altas frequências, portanto, os componentes devem ser caracterizados por sua resposta aos sinais de RF. Os analisadores de rede fazem essas caracterizações enviando sinais conhecidos para um dispositivo e fazendo medições da relação entre os sinais de entrada e saída.
Os primeiros analisadores de rede medem apenas a magnitude. Esses analisadores de rede escalares medem a perda de retorno, o ganho, a relação de onda estacionária e outras medições baseadas em magnitude.
Atualmente, a maioria dos analisadores de rede são analisadores de rede vetoriais, medindo tanto a magnitude quanto a fase. Os analisadores de rede vetoriais são instrumentos extremamente versáteis que podem caracterizar parâmetros S, combinar impedâncias complexas, fazer medições no domínio do tempo e muito mais.
Este diagrama de blocos de alto nível de uma medição mostra um sinal sendo enviado através do dispositivo em teste (DUT) da entrada para a saída. As medições que passam pela entrada de um dispositivo até a saída são chamadas de medições diretas.
Os receptores do analisador de rede medem os sinais incidentes, refletidos e transmitidos para calcular os parâmetros S diretos.
Principais especificações do analisador de rede vetorial
Os analisadores de rede vetorial são geradores e receptores de sinais, portanto, têm um grande número de especificações necessárias. Nesta seção, você conhecerá algumas das especificações essenciais dos analisadores de rede.
Frequência máxima
A frequência máxima de um VNA é a frequência mais alta que ele pode medir. Os receptores de analisadores de rede contêm conversores analógico-digitais (ADC) que convertem os sinais de entrada em um formato digital. Esses sinais podem então ser analisados e exibidos. O ADC não pode converter sinais em frequências de rádio, portanto, os sinais incidentes devem ser convertidos para a frequência operacional do ADC. Essa frequência operacional é chamada de frequência intermediária (IF).
Faixa dinâmica
A faixa dinâmica é a faixa de potência na qual a resposta de um componente é medida.
A figura mostra duas maneiras diferentes de definir o intervalo dinâmico. O intervalo dinâmico do sistema é o valor usado para as especificações do instrumento.
- A faixa dinâmica do sistema indica a capacidade do instrumento sem amplificadores de reforço e sem considerar o ganho do DUT. A potência máxima da fonte do instrumento é o nível máximo de potência,Pref.
- O intervalo dinâmico do receptor é o intervalo dinâmico do instrumento com amplificação de potência. Em vez de usar a potência da fonte como o nível máximo de potência, essa especificação se baseia na potência máxima que os receptores do instrumento podem medir, Pmax.
A figura à esquerda abaixo mostra um traço de uma medição de filtro passa-banda S21 que mostra a faixa dinâmica do instrumento. O limite superior é plano e o limite inferior é ruidoso. Vejamos o que determina a forma desses limites.
O limite superior do nível de potência da fonte e o ponto de compressão do receptor determinam o nível máximo de potência da faixa dinâmica.
Os mixers e amplificadores que compõem o receptor podem suportar apenas uma determinada quantidade de potência antes de saturarem ou atingirem sua saída máxima. Quando um dispositivo está em sua região de saturação, não há mais uma relação linear entre a entrada e a saída.
A saturação de um amplificador pode ser vista na figura abaixo, à direita. Acima de um Watt de potência de entrada, a saída real (vermelha) diverge da saída ideal (verde). Esse fenômeno é chamado de compressão. O receptor não consegue captar a saída de nenhum dispositivo acima do ponto de compressão do receptor. Esse limite de potência de entrada cria o limite superior do intervalo dinâmico.
Potência de saída
A potência de saída indica a quantidade de potência que o gerador de sinal e o conjunto de teste do VNA podem enviar para o DUT. Ela é expressa em dBm e faz referência a uma impedância de 50 ohms para corresponder à impedância característica da maioria das linhas de transmissão de RF.
A alta potência de saída é útil para melhorar a relação sinal-ruído de uma medição ou para determinar o limite de compressão de um DUT.
Muitos dispositivos ativos, como amplificadores, exigem medições de alta potência lineares e não lineares desafiadoras que excedem os limites de potência dos analisadores de rede.
Ruído de rastreamento
O ruído de rastreamento é o ruído que você vê sobreposto às respostas do DUT devido ao ruído aleatório no sistema. Ele pode fazer com que o sinal não pareça suave ou até mesmo trêmulo.
O ruído de rastreamento é atenuado com o aumento da potência de teste, a redução da largura de banda do receptor ou o cálculo da média.
Calibração do analisador de rede vetorial
As medições de RF são extremamente sensíveis. Cabos de teste, conectores e acessórios afetam a medição. Você deseja caracterizar o DUT, não o DUT e os cabos que o conectam ao analisador de rede.
Por padrão, os analisadores de rede consideram o DUT tudo além das portas de teste. Essa consideração significa que o plano de referência do analisador de rede está nas portas de teste. Tudo o que está além do plano de referência é incluído na medição.
Essas figuras ilustram o plano de referência antes e depois da calibração. Antes da calibração, tudo além das portas do analisador de rede, incluindo cabos e conectores, é incluído na medição.
Após a calibração, o plano de referência se moveu, de modo que o analisador de rede corrige os cabos e conectores e mede apenas o DUT. Em um nível muito alto, a calibração de cabos e conectores é análoga à zeragem de uma balança para a tara.
Os dois métodos mais comuns de calibração são Thru, Reflect, Line (TRL) e Short, Open, Load, Thru (SOLT). Esses métodos são combinações diferentes de medições de impedância e transmissão usadas para caracterizar os cabos e acessórios para calibração.
Essas técnicas de calibração envolvem a conexão de padrões com propriedades conhecidas à configuração de medição no lugar do DUT. O analisador de rede pode aplicar correções para cabos e conectores, comparando o que ele mede com os valores dos padrões.
Tradicionalmente, a calibração é realizada com padrões mecânicos. Os operadores faziam cada conexão individualmente e deixavam o instrumento fazer uma medição. Uma calibração completa de duas portas requer sete conexões mecânicas. Esse processo é demorado e cria possibilidades de erro do usuário.
Os módulos de calibração eletrônica podem replicar eletronicamente os diferentes tipos de cargas com apenas uma conexão. A calibração eletrônica é rápida, repetível e limita o desgaste dos conectores.
Analisadores de rede vetorial e acessórios
Para fazer medições precisas, você precisa do analisador de rede vetorial correto, bem como de cabos e conectores para conectar o instrumento ao DUT.
Analisadores de Rede Vetorial
Os analisadores de rede vetoriais variam de simples ferramentas de parâmetro S a instrumentos altamente integrados que podem substituir um rack inteiro de equipamentos. Seja no campo, no laboratório de metrologia ou na linha de produção, há um analisador de rede que oferece a combinação certa de velocidade, desempenho e flexibilidade.
A Keysight oferece a mais ampla gama de modelos e formatos de analisadores de rede - desde o FieldFox portátil até o PNA altamente integrado.
Conectores
As conexões entre o instrumento e o DUT são essenciais para medições confiáveis. Como as medições de RF são muito sensíveis, você deve considerar as especificações do conector. Os conectores são caracterizados por três especificações principais: impedância característica, faixa de frequência e qualidade.
A impedância característica e a faixa de frequência podem ser aproximadas pelas dimensões do condutor do conector. A impedância característica é uma função da relação entre os diâmetros do condutor interno e externo (d e D na figura, respectivamente). É importante combinar a impedância característica de seus cabos e conectores com seu DUT para minimizar a reflexão.
A faixa de frequência está relacionada ao diâmetro interno do condutor externo (D). A frequência máxima de um cabo coaxial pode ser aproximada com a seguinte fórmula:
frequência máxima (GHz) = 120/D (mm)
Por exemplo, isso significa que um condutor de 3,5 mm tem uma frequência máxima de aproximadamente 120 / 3,5 = 34 GHz. Você precisará certificar-se de que o seu hardware pode lidar com a frequência que você precisa testar. As frequências milimétricas acima de 30 GHz exigem conectores e cabos com condutores menores.
Ao procurar conectores, você precisará saber qual é o nível de qualidade adequado para você. A qualidade é uma medida do grau de excelência com que os conectores são produzidos. Há três graus de qualidade: produção, instrumento e metrologia.
- Grau de produção: Também conhecidos como grau de uso geral, esses conectores são destinados a aplicações econômicas em que conexões limitadas e baixa repetibilidade são aceitáveis.
- Grau de Instrumento: os conectores de grau de instrumento destinam-se a equipamentos de teste e medição de precisão em que a repetibilidade e a longa vida útil são considerações primordiais.
- Grau de metrologia: O grau metrológico é mais adequado para aplicações de calibração em que se exige o mais alto desempenho e repetibilidade. Esses conectores de precisão oferecem o mais alto grau de certeza na impedância do conector.
Acessórios do analisador de rede vetorial
De extensores de frequência a controladores de conjuntos de teste, os acessórios para analisadores de rede podem transformar um instrumento em uma solução completa.
Os acessórios de hardware podem ajudá-lo:
- Caracterização de materiais dielétricos
- Teste de dispositivos no wafer
- Medir amplificadores e misturadores de alta potência
e muito mais.
Como fazer medições com um analisador de rede vetorial
Os VNAs são tão versáteis que um passo a passo para cada tipo de medição exigiria um site próprio, mas vamos ver como os fundamentos discutidos aqui se aplicam a todas as medições.
Etapa 1: Configure sua medição
Os VNAs fazem todos os tipos de medições, mas normalmente você precisará configurar algum tipo de varredura. Os principais parâmetros de uma varredura são a frequência inicial e final, a potência e a largura de banda de FI.
Frequência de início e parada
- Esses valores determinam os limites da varredura de frequência
- Escolha valores que capturem totalmente o comportamento de seu dispositivo
- Defina a frequência central e a amplitude da varredura se você souber onde deseja que a medição seja centralizada.
Potência
- Esse valor determina o nível de potência do sinal de teste enviado ao DUT
- Use a potência máxima da fonte para dispositivos passivos; por exemplo, filtros
- Limite a potência para evitar a compressão no DUT ou no VNA para dispositivos ativos
- Melhore sua relação sinal-ruído com um nível de potência mais alto
Largura de banda IF
- Escolha uma largura de banda que ofereça a resolução de que você precisa em um nível de velocidade aceitável
- Use uma largura de banda IF menor para obter uma melhor resolução de medição; a desvantagem é uma velocidade de medição mais lenta
Etapa 2: Calibrar
A calibração é essencial para fazer medições precisas, mas, primeiro, você precisa testar sua configuração de medição.
Passos:
- Conecte seu dispositivo e faça uma medição não calibrada.
- Ajuste a faixa de frequência e a largura de banda IF para confirmar que está capturando tudo o que precisa ver.
- Confirme se o kit de calibração tem o mesmo tipo de conector e gênero do seu DUT.
- Conecte o kit de calibração à sua configuração para realizar a calibração.
- Após a calibração, você está pronto para reconectar o dispositivo.
- Recalibre se você alterar as configurações da faixa de frequência ou da largura de banda de FI.
Dica: use torquímetros para fazer as conexões a fim de obter um contato sólido entre os condutores sem danificá-los. Gire apenas as porcas dos conectores; evite torcer os condutores uns contra os outros.
Etapa 3: Interpretar resultados
Os VNAs têm muitas ferramentas de software para ajudá-lo a analisar suas medições, desde marcadores de largura de banda de 3 dB até análise de domínio de tempo. Escolha o software e os recursos certos para sua medição para facilitar a análise.
Analisadores de rede altamente integrados, como o PNA, têm dezenas de aplicativos de software para lidar com medições desafiadoras, como a caracterização de dispositivos não lineares e ativos.
Aplicações do analisador de rede vetorial
Os analisadores de rede vetoriais são instrumentos incrivelmente versáteis. A seguir, uma amostra de algumas de suas aplicações.
Análise de espectro
Trazer a análise de espectro para o seu analisador de rede pode reduzir significativamente os tempos de teste, acelerando as buscas de spur, eliminando a alternância entre instrumentos e aproveitando os recursos de conexão única e medição múltipla (SCCM).
Medições pulsadas
Os analisadores de rede usam um sinal de onda contínua (CW) na operação padrão. Embora isso seja útil para muitas aplicações, há certos cenários em que um sinal de RF pulsado é preferível, como, por exemplo:
- Teste de antenas projetadas para operação pulsada
- Medições no wafer em que o calor de um sinal CW é uma preocupação
- Reflectometria no domínio do tempo (TDR)
Analisadores de rede avançados, como o PNA, suportam medições de RF pulsado para essas aplicações e muito mais.
Teste de dispositivo ativo
Os sistemas modernos de RF estão repletos de dispositivos ativos, como amplificadores, mixers e conversores de frequência. O teste desses tipos de dispositivos costumava exigir racks inteiros de equipamentos. Atualmente, os analisadores de rede são sofisticados o suficiente para lidar com a caracterização de dispositivos ativos sem hardware adicional.
O uso de um analisador de rede em vez de um sistema de teste de RF tradicional reduz significativamente o tempo de teste ao consolidar todas as medições em um único instrumento. Use um analisador de rede integrado, como o PNA, para testar:
- Parâmetros S
- Parâmetros não lineares (parâmetros X)
- Compressão de ganho
- Distorção de intermodulação (IMD)
- Esporas
- Índice de ruído
e muito mais.
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