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Análisis de redes
Domine los fundamentos del análisis de redes y obtenga los conocimientos necesarios para aplicaciones avanzadas
Los analizadores de redes caracterizan los dispositivos de radiofrecuencia (RF). Aunque al principio se limitaban a medir parámetros S, los analizadores de redes se han ido integrando y perfeccionando para adelantarse a los dispositivos que comprueban.
Repasaremos los fundamentos del análisis de redes, el uso de un analizador de redes y algunas de las mediciones avanzadas que se pueden realizar con un analizador de redes.
¿Qué es un analizador de redes?
Los analizadores de redes caracterizan los dispositivos de radiofrecuencia (RF). Aunque al principio se limitaban a medir parámetros S, los analizadores de redes se han ido integrando y perfeccionando para adelantarse a los dispositivos que comprueban.
Los circuitos de RF requieren métodos de prueba únicos. La tensión y la corriente son difíciles de medir directamente a altas frecuencias, por lo que los componentes deben caracterizarse por su respuesta a las señales de RF. Los analizadores de redes realizan estas caracterizaciones enviando señales conocidas a un dispositivo y tomando medidas de relación entre las señales de entrada y salida.
Los primeros analizadores de redes sólo medían la magnitud. Estos analizadores de redes escalares miden la pérdida de retorno, la ganancia, la relación de onda estacionaria y otras mediciones basadas en la magnitud.
En la actualidad, la mayoría de los analizadores de redes son vectoriales, es decir, miden tanto la magnitud como la fase. Los analizadores vectoriales de redes son instrumentos extremadamente versátiles que pueden caracterizar parámetros S, igualar impedancias complejas, realizar mediciones en el dominio temporal y mucho más.
Este diagrama de bloques de alto nivel de una medición muestra una señal que se envía hacia adelante a través del dispositivo bajo prueba (DUT) desde la entrada hasta la salida. Las mediciones que van de la entrada a la salida de un dispositivo se denominan mediciones hacia delante.
Los receptores del analizador de redes miden las señales incidente, reflejada y transmitida para calcular los parámetros S delanteros.
Especificaciones principales del analizador vectorial de redes
Los analizadores vectoriales de redes son a la vez generadores y receptores de señales, por lo que tienen un gran número de especificaciones necesarias. En esta sección aprenderá algunas de las especificaciones críticas de los analizadores de redes.
Frecuencia máxima
La frecuencia máxima de un VNA es la frecuencia más alta que puede medir. Los receptores de los analizadores de redes contienen convertidores analógico-digitales (ADC) que convierten las señales entrantes en un formato digital. A continuación, estas señales pueden analizarse y visualizarse. El ADC no puede convertir señales a frecuencias de radio, por lo que las señales incidentes deben convertirse a la frecuencia de funcionamiento del ADC. Esta frecuencia de funcionamiento se denomina frecuencia intermedia (FI).
Rango dinámico
El rango dinámico es el rango de potencia sobre el que se mide la respuesta de un componente.
La figura muestra dos formas diferentes de definir el rango dinámico. El rango dinámico del sistema es el valor utilizado para las especificaciones de los instrumentos.
- El rango dinámico del sistema indica la capacidad del instrumento sin amplificadores de refuerzo y considerando la ganancia del DUT. La potencia máxima de la fuente del instrumento es el nivel de potencia máximo, Pref.
- El rango dinámico del receptor es el rango dinámico del instrumento con amplificación de potencia. En lugar de utilizar la potencia de la fuente como nivel de potencia máximo, esta especificación se basa en la potencia máxima que los receptores del instrumento pueden medir, Pmax.
La figura de la izquierda muestra una traza de una medición S21 de un filtro paso banda que muestra el rango dinámico del instrumento. El límite superior es plano y el inferior es ruidoso. Veamos qué determina la forma de estos límites.
El límite superior del nivel de potencia de la fuente y el punto de compresión del receptor determinan el nivel máximo de potencia de la gama dinámica.
Los mezcladores y amplificadores que componen el receptor sólo pueden manejar una cantidad determinada de potencia antes de saturarse, o alcanzar su salida máxima. Cuando un dispositivo está en su región de saturación, ya no hay una relación lineal entre la entrada y la salida.
La saturación de un amplificador puede verse en la figura de abajo a la derecha. Por encima de un vatio de potencia de entrada, la salida real (rojo) diverge de la salida ideal (verde). Este fenómeno se denomina compresión. El receptor no puede captar ninguna salida del aparato por encima del punto de compresión del receptor. Este límite de potencia de entrada crea el límite superior del rango dinámico.
Potencia de salida
La potencia de salida indica cuánta potencia pueden enviar al DUT el generador de señales y el equipo de prueba del VNA. Se expresa en dBm y hace referencia a una impedancia de 50 ohmios para ajustarse a la impedancia característica de la mayoría de las líneas de transmisión de RF.
Una potencia de salida elevada es útil para mejorar la relación señal/ruido de una medición o para determinar el límite de compresión de un DUT.
Muchos dispositivos activos, como los amplificadores, requieren mediciones lineales y no lineales de alta potencia que superan los límites de potencia de los analizadores de redes.
Rastro de ruido
El ruido de traza es el ruido que se ve superpuesto a las respuestas del DUT debido al ruido aleatorio del sistema. Puede hacer que la señal parezca irregular o incluso irregular.
El ruido de rastreo se mitiga aumentando la potencia de prueba, reduciendo el ancho de banda del receptor o promediando.
Calibración del analizador vectorial de redes
Las mediciones de RF son extremadamente sensibles. Los cables de prueba, los conectores y los dispositivos afectan a la medición. Lo que se desea es caracterizar el DUT, no el DUT y los cables que lo conectan al analizador de redes.
Por defecto, los analizadores de red consideran que el DUT es todo lo que está más allá de los puertos de prueba. Esta consideración significa que el plano de referencia del analizador de redes se encuentra en los puertos de prueba. Todo lo que hay más allá del plano de referencia se incluye en la medición.
Estas figuras ilustran el plano de referencia antes y después de la calibración. Antes de la calibración, todo lo que está más allá de los puertos del analizador de redes, incluidos cables y conectores, se incluye en la medición.
Tras la calibración, el plano de referencia se ha movido, por lo que el analizador de redes corrige los cables y conectores y sólo mide el DUT. A un nivel muy alto, la calibración de cables y conectores es análoga a la puesta a cero de una balanza para tara.
Los dos métodos de calibración más habituales son el método Thru, Reflect, Line (TRL) y el método Short, Open, Load, Thru (SOLT). Estos métodos son diferentes combinaciones de mediciones de impedancia y transmisión que se utilizan para caracterizar los cables y los dispositivos de calibración.
Estas técnicas de calibración implican la conexión de estándares con propiedades conocidas a la configuración de medida en lugar del DUT. El analizador de redes puede aplicar correcciones para cables y conectores comparando lo que mide con los valores de los patrones.
Tradicionalmente, la calibración se realizaba con patrones mecánicos. Los operarios realizaban individualmente cada conexión y dejaban que el instrumento tomara una medida. Una calibración completa de dos puertos requiere siete conexiones mecánicas. Este proceso lleva mucho tiempo y crea posibilidades de error para el usuario.
Los módulos de calibración electrónica pueden reproducir electrónicamente los distintos tipos de cargas con una sola conexión. La calibración electrónica es rápida, repetible y limita el desgaste de los conectores.
Analizadores vectoriales de redes y accesorios
Para realizar mediciones precisas, necesita el analizador vectorial de redes adecuado, así como cables y conectores para conectar el instrumento al DUT.
Analizadores vectoriales de redes
Los analizadores vectoriales de redes abarcan desde sencillas herramientas de parámetros S hasta instrumentos altamente integrados que pueden sustituir a todo un bastidor de equipos. Ya sea sobre el terreno, en el laboratorio de metrología o en la línea de producción, existe un analizador de redes que ofrece la combinación perfecta de velocidad, rendimiento y flexibilidad.
Keysight ofrece la más amplia gama de modelos y factores de forma de analizadores de redes, desde el FieldFox portátil hasta el PNA altamente integrado.
Conectores
Las conexiones entre el instrumento y el DUT son fundamentales para obtener mediciones fiables. Dado que las mediciones de RF son tan sensibles, debe tener en cuenta las especificaciones de los conectores. Los conectores se caracterizan por tres especificaciones principales: impedancia característica, gama de frecuencias y calidad.
La impedancia característica y la gama de frecuencias pueden aproximarse mediante las dimensiones del conductor del conector. La impedancia característica es una función de la relación entre los diámetros interior y exterior del conductor (d y D en la figura, respectivamente). Es importante que la impedancia característica de los cables y conectores coincida con la del DUT para minimizar la reflexión.
La gama de frecuencias está relacionada con el diámetro interior del conductor exterior (D). La frecuencia máxima de un cable coaxial puede aproximarse con la siguiente fórmula:
frecuencia máxima (GHz) = 120/D (mm)
Por ejemplo, esto significa que un conductor de 3,5 mm tiene una frecuencia máxima de unos 120 / 3,5 = 34 GHz. Tendrás que asegurarte de que tu hardware puede soportar la frecuencia que necesitas probar. Las frecuencias milimétricas superiores a 30 GHz requieren conectores y cables con conductores más pequeños.
Cuando busque conectores, tendrá que saber qué nivel de calidad le conviene. La calidad es una medida del grado de excelencia con el que se fabrican los conectores. Existen tres grados de calidad: producción, instrumentación y metrología.
- Grado de producción: También conocido como grado de uso general, estos conectores están destinados a aplicaciones económicas en las que se aceptan conexiones limitadas y baja repetibilidad.
- Instrument Grade: Los conectores Instrument Grade están destinados a equipos de ensayo y medición de precisión en los que la repetibilidad y la larga vida útil son consideraciones primordiales.
- Grado de metrología: El grado de metrología es el más adecuado para aplicaciones de calibración en las que se requiere el máximo rendimiento y repetibilidad. Estos conectores de precisión ofrecen el mayor grado de certeza en la impedancia del conector.
Accesorios para analizadores vectoriales de redes
Desde extensores de frecuencia hasta controladores de equipos de prueba, los accesorios para analizadores de redes pueden convertir un instrumento en una solución completa.
Los accesorios de ferretería pueden ayudarte:
- Caracterizar materiales dieléctricos
- Prueba de dispositivos en oblea
- Medición de amplificadores y mezcladores de alta potencia
y mucho más.
Realización de mediciones con un analizador vectorial de redes
Los VNAs son tan versátiles que un recorrido por cada tipo de medición requeriría su propio sitio web, pero veamos cómo los fundamentos discutidos aquí se aplican a cada medición.
Paso 1: Establezca su medición
Los VNA realizan todo tipo de mediciones, pero normalmente necesitarás configurar algún tipo de barrido. Los principales parámetros de un barrido son la frecuencia inicial y final, la potencia y el ancho de banda de FI.
Frecuencia de arranque y parada
- Estos valores determinan los límites del barrido de frecuencia
- Elija valores que reflejen plenamente el comportamiento de su dispositivo
- Ajuste la frecuencia central y el intervalo del barrido si sabe dónde quiere centrar la medición.
Potencia
- Este valor determina el nivel de potencia de la señal de prueba enviada al DUT
- Utilice la máxima potencia de la fuente para los dispositivos pasivos; por ejemplo, filtros
- Limitar la potencia para evitar la compresión en el DUT o en el VNA para dispositivos activos.
- Mejora la relación señal/ruido con un nivel de potencia superior
Ancho de banda FI
- Elige un ancho de banda que te proporcione la resolución que necesitas a un nivel de velocidad aceptable
- Utilizar un ancho de banda de FI menor para obtener una mejor resolución de medición; la contrapartida es una velocidad de medición más lenta.
Paso 2: Calibrar
La calibración es esencial para realizar mediciones precisas, pero primero hay que probar la configuración de medición.
Pasos:
- Conecta tu dispositivo y realiza una medición sin calibrar.
- Ajuste la gama de frecuencias y el ancho de banda de FI para confirmar que está captando todo lo que necesita ver.
- Confirme que el kit de calibración tiene el mismo tipo y género de conector que su DUT.
- Conecte el kit de calibración a su configuración para realizar la calibración.
- Después de la calibración, está listo para volver a conectar su dispositivo.
- Vuelva a calibrar si cambia la gama de frecuencias o los ajustes del ancho de banda de FI.
Consejo: Utilice llaves dinamométricas para realizar las conexiones y conseguir un contacto sólido entre los conductores sin dañarlos. Gire únicamente las tuercas de los conectores; evite retorcer los conductores unos contra otros.
Paso 3: Interpretar los resultados
Los VNA disponen de muchas herramientas de software para ayudarle a analizar sus medidas, desde marcadores de ancho de banda de 3 dB hasta análisis en el dominio del tiempo. Elija el software y las funciones adecuadas para su medición para facilitar su análisis.
Los analizadores de redes altamente integrados, como el PNA, disponen de docenas de aplicaciones de software para realizar mediciones complejas, como la caracterización de dispositivos activos y no lineales.
Aplicaciones del analizador vectorial de redes
Los analizadores vectoriales de redes son instrumentos increíblemente versátiles. A continuación se ofrece una muestra de algunas de sus aplicaciones.
Análisis del espectro
La incorporación del análisis de espectros al analizador de redes puede reducir significativamente el tiempo de las pruebas al acelerar la búsqueda de espurios, eliminar el cambio entre instrumentos y aprovechar las funciones de conexión única y medición múltiple (SCCM).
Mediciones pulsadas
Los analizadores de redes utilizan una señal de onda continua (CW) en su funcionamiento estándar. Aunque esto es útil para muchas aplicaciones, hay ciertos escenarios en los que es preferible una señal de RF pulsada, como por ejemplo:
- Pruebas de antenas diseñadas para funcionamiento por impulsos
- Mediciones en oblea en las que el calor de una señal de onda continua es un problema
- Reflectometría en el dominio del tiempo (TDR)
Los analizadores Advanced , como el PNA, admiten mediciones de RF pulsada para estas aplicaciones y muchas otras.
Prueba de dispositivo activo
Los sistemas de RF modernos están llenos de dispositivos activos como amplificadores, mezcladores y convertidores de frecuencia. Las pruebas de este tipo de dispositivos solían requerir bastidores enteros de equipos. En la actualidad, los analizadores de redes son lo suficientemente sofisticados como para realizar la caracterización de dispositivos activos sin necesidad de hardware adicional.
El uso de un analizador de redes en lugar de un sistema de pruebas de RF tradicional reduce significativamente el tiempo de prueba al consolidar todas las mediciones en un solo instrumento. Utilice un analizador de redes integrado como el PNA para realizar pruebas:
- Parámetros S
- Parámetros no lineales (parámetros X)
- Compresión de ganancia
- Distorsión por intermodulación (IMD)
- Espuelas
- Cifra de ruido
y mucho más.
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