Analizador de red (eléctrico)

A analizador de redes es un instrumento que mide los parámetros de red de redes eléctricas. Hoy en día, los analizadores de red suelen medir s–parameters porque la reflexión y la transmisión de redes eléctricas son fáciles de medir en frecuencias altas, pero hay otros conjuntos de parámetros de red como y-parameters, z-parameters y h-parameters. Los analizadores de redes se utilizan a menudo para caracterizar redes de dos puertos como amplificadores y filtros, pero se pueden utilizar en redes con un número arbitrario de puertos.

Descripción general

Los analizadores de red se utilizan principalmente a altas frecuencias; Las frecuencias de funcionamiento pueden oscilar entre 1 Hz y 1,5 THz. Los tipos especiales de analizadores de redes también pueden cubrir rangos de frecuencia más bajos, hasta 1 Hz. Estos analizadores de redes se pueden utilizar, por ejemplo, para el análisis de estabilidad de bucles abiertos o para la medición de componentes de audio y ultrasonidos.

Los dos tipos básicos de analizadores de red son

• analizador de red de escalar (SNA)—medidas propiedades de amplitud solamente
• analizador de redes vectoriales (VNA) - mide la amplitud y las propiedades de fase

Un VNA es una forma de analizador de redes de RF ampliamente utilizado para aplicaciones de diseño de RF. Un VNA también puede denominarse medidor de fase de ganancia o analizador de red automático. Un SNA es funcionalmente idéntico a un analizador de espectro en combinación con un generador de seguimiento. A partir de 2007, los VNA son el tipo más común de analizadores de red, por lo que las referencias a un "analizador de red" más a menudo significa un VNA. Seis fabricantes destacados de VNA son Keysight, Anritsu, Advantest, Rohde & Schwarz, Siglent, Copper Mountain Technologies y OMICRON Lab.

Desde hace algunos años también están disponibles dispositivos básicos y proyectos de bricolaje, algunos por menos de 100 dólares, procedentes principalmente del sector de la radioafición. Aunque en comparación con los dispositivos profesionales tienen un equipamiento considerablemente reducido y ofrecen sólo una gama limitada de funciones, a menudo son suficientes para usuarios privados, especialmente durante los estudios y para aplicaciones de hobby hasta el rango de un solo dígito de GHz.

Otra categoría de analizador de red es el analizador de transición de microondas (MTA) o analizador de redes de gran señal (LSNA), que miden tanto la amplitud como la fase de la fundamental y los armónicos. El MTA se comercializó antes que el LSNA, pero carecía de algunas de las funciones de calibración fáciles de usar que ahora están disponibles con el LSNA.

Arquitectura

La arquitectura básica de un analizador de red implica un generador de señal, un conjunto de pruebas, uno o más receptores y pantalla. En algunas configuraciones, estas unidades son instrumentos distintos. La mayoría de los VNA tienen dos puertos de prueba, permitiendo la medición de cuatro S-parametros ${\displaystyle (S_{11},S_{21},S_{12},S_{22}}$, pero los instrumentos con más de dos puertos están disponibles comercialmente.

Generador de señal

El analizador de red necesita una señal de prueba y un generador de señal o fuente de señal la proporcionará. Los analizadores de red más antiguos no tenían su propio generador de señales, pero tenían la capacidad de controlar un generador de señales independiente utilizando, por ejemplo, una conexión GPIB. Casi todos los analizadores de redes modernos tienen un generador de señales incorporado. Los analizadores de redes de alto rendimiento tienen dos fuentes integradas. Dos fuentes integradas son útiles para aplicaciones como prueba de mezclador, donde una fuente proporciona la señal de RF y otra la LO; o prueba de intermodulación de amplificador, donde se requieren dos tonos para la prueba.

Conjunto de prueba

El equipo de prueba toma la salida del generador de señal y la dirige al dispositivo bajo prueba, y dirige la señal a medir a los receptores. A menudo separa un canal de referencia para la onda incidente. En un SNA, el canal de referencia puede ir a un detector de diodos (receptor) cuya salida se envía al control de nivel automático del generador de señales. El resultado es un mejor control de la salida del generador de señales y una mejor precisión de medición. En un VNA, el canal de referencia va a los receptores; es necesario para que sirva como referencia de fase.

Los acopladores o dos divisores de potencia resistor se utilizan para la separación de señal. Algunos conjuntos de pruebas de microondas incluyen los mezcladores frontales para los receptores (por ejemplo, conjuntos de pruebas para HP 8510).

Receptor

Los receptores realizan las mediciones. Un analizador de red tendrá uno o más receptores conectados a sus puertos de prueba. El puerto de prueba de referencia suele estar etiquetado como R y los puertos de prueba principales son A, B, C. .. Algunos analizadores dedicarán un receptor separado a cada puerto de prueba, pero otros comparten uno o dos receptores entre los puertos. El receptor R puede ser menos sensible que los receptores utilizados en los puertos de prueba.

Para el SNA, el receptor solo mide la magnitud de la señal. Un receptor puede ser un diodo detector que funciona a la frecuencia de prueba. El SNA más simple tendrá un único puerto de prueba, pero se realizan mediciones más precisas cuando también se utiliza un puerto de referencia. El puerto de referencia compensará las variaciones de amplitud en la señal de prueba en el plano de medición. Es posible compartir un único detector y utilizarlo tanto para el puerto de referencia como para el puerto de prueba realizando dos pasadas de medición.

Para el VNA, el receptor mide tanto la magnitud como la fase de la señal. Necesita un canal de referencia (R) para determinar la fase, por lo que un VNA necesita al menos dos receptores. El método habitual convierte los canales de referencia y de prueba para realizar las mediciones a una frecuencia más baja. La fase se puede medir con un detector de cuadratura. Un VNA requiere al menos dos receptores, pero algunos tendrán tres o cuatro receptores para permitir la medición simultánea de diferentes parámetros.

Existen algunas arquitecturas VNA (seis puertos) que infieren la fase y la magnitud solo a partir de mediciones de potencia.

Procesador y pantalla

Con la señal de RF procesada disponible en la sección del receptor/detector, es necesario mostrar la señal en un formato que pueda interpretarse. Con los niveles de procesamiento disponibles hoy en día, se encuentran disponibles algunas soluciones muy sofisticadas en los analizadores de redes de RF. Aquí los datos de reflexión y transmisión se formatean para permitir que la información se interprete lo más fácilmente posible. La mayoría de los analizadores de redes de RF incorporan funciones que incluyen barridos lineales y logarítmicos, formatos lineales y logarítmicos, diagramas polares, gráficos de Smith, etc. En muchos casos también se agregan marcadores de seguimiento, líneas límite y criterios de aprobación/falla.

Medición del parámetro S con analizador vectorial de redes

Un VNA es un sistema de prueba que permite caracterizar el rendimiento de RF de dispositivos de radiofrecuencia y microondas en términos de parámetros de dispersión de red, o parámetros S.

El diagrama muestra las partes esenciales de un analizador de redes vectoriales (VNA) típico de 2 puertos. Los dos puertos del dispositivo bajo prueba (DUT) se denominan puerto 1 (P1) y puerto 2 (P2). Los conectores del puerto de prueba proporcionados en el propio VNA son tipos de precisión que normalmente deberán extenderse y conectarse a P1 y P2 utilizando los cables de precisión 1 y 2, PC1 y PC2 respectivamente y los adaptadores de conector adecuados A1 y A2 respectivamente.

La frecuencia de prueba se genera por una fuente de frecuencia variable CW y su nivel de potencia se establece utilizando un atenuador variable. La posición del interruptor SW1 establece la dirección que la señal de prueba pasa a través del DUT. Considere inicialmente que el SW1 está en la posición 1 para que la señal de prueba sea un incidente en el DUT en P1 que es apropiado para medir ${\displaystyle S_{11}\,}$ y ${\displaystyle S_{21}\,}$. La señal de prueba es alimentada por SW1 al puerto común de splitter 1, un brazo (el canal de referencia) alimentando un receptor de referencia para P1 (RX REF1) y el otro (el canal de prueba) que se conecta a P1 a través del acoplador DC1, PC1 y A1. El tercer puerto de DC1 combina la potencia reflejada en P1 a través de A1 y PC1, luego alimentándolo para probar el receptor 1 (RX TEST1). Del mismo modo, las señales que dejan pasar P2 a través de A2, PC2 y DC2 a RX TEST2. RX REF1, RX TEST1, RX REF2 y RXTEST2 son conocidos como receptores coherentes ya que comparten el mismo oscilador de referencia, y son capaces de medir la amplitud de la señal de prueba y fase en la frecuencia de prueba. Todas las señales de salida del receptor complejo se alimentan a un procesador que hace el procesamiento matemático y muestra los parámetros y formato elegidos en la pantalla de fase y amplitud. El valor instantáneo de la fase incluye tanto las partes temporales como espaciales, pero el primero se elimina por el uso de 2 canales de prueba, uno como referencia y el otro para la medición. Cuando SW1 se establece en la posición 2, las señales de prueba se aplican a P2, la referencia se mide por RX REF2, las reflexiones de P2 se unen por DC2 y se miden por RX TEST2 y las señales que salen de P1 se unen por DC1 y se miden por RX TEST1. Esta posición es adecuada para medir ${\displaystyle S_{22}\,}$ y ${\displaystyle S_{12}\,}$.

Calibración y corrección de errores

Un analizador de red, como la mayoría de los instrumentos electrónicos, requiere una calibración periódica; Normalmente, esto se realiza una vez al año y lo realiza el fabricante o un tercero en un laboratorio de calibración. Cuando se calibra el instrumento, generalmente se adjunta una etiqueta que indica la fecha en que se calibró y cuándo vence la próxima calibración. Se emitirá un certificado de calibración.

Un analizador de redes vectorial logra mediciones de alta precisión al corregir los errores sistemáticos en el instrumento, las características de los cables, adaptadores y accesorios de prueba. El proceso de corrección de errores, aunque comúnmente se denomina simplemente calibración, es un proceso completamente diferente y un ingeniero puede realizarlo varias veces en una hora. A veces se le llama calibración del usuario, para indicar la diferencia con la calibración periódica realizada por el fabricante.

Un analizador de red tiene conectores en su panel frontal, pero las mediciones rara vez se realizan en el panel frontal. Por lo general, algunos cables de prueba se conectarán desde el panel frontal al dispositivo bajo prueba (DUT). La longitud de esos cables introducirá un retraso de tiempo y el correspondiente cambio de fase (que afectará las mediciones de VNA); los cables también introducirán cierta atenuación (lo que afectará a las mediciones SNA y VNA). Lo mismo ocurre con los cables y acopladores dentro del analizador de red. Todos estos factores cambiarán con la temperatura. La calibración generalmente implica medir estándares conocidos y usar esas mediciones para compensar errores sistemáticos, pero existen métodos que no requieren estándares conocidos. Sólo se pueden corregir errores sistemáticos. Los errores aleatorios, como la repetibilidad del conector, no pueden corregirse mediante la calibración del usuario. Sin embargo, algunos analizadores de redes vectoriales portátiles, diseñados para mediciones de menor precisión en exteriores usando baterías, intentan cierta corrección de la temperatura midiendo la temperatura interna del analizador de redes.

Los primeros pasos, antes de iniciar la calibración del usuario, son:

• Inspeccione visualmente los conectores para cualquier problema, como los pines doblados o partes que obviamente están fuera de centro. Estos no se deben utilizar, ya que los conectores dañados de apareamiento con buenos conectores a menudo resultarán en dañar el buen conector.
• Limpie los conectores con aire comprimido a menos de 60 psi.
• Si es necesario limpiar los conectores con alcohol isopropilo y permitir secar.
• Gage the connectors to determine there are not any gross mechanical problems. Los medidores de conexión con resoluciones de 0.001" a 0.0001" se incluirán generalmente en los kits de calibración de mejor calidad.
• Apriete los conectores al par especificado. Una llave de torque se suministrará con todos menos los kits de calibración más baratos.

Existen varios métodos diferentes de calibración.

• SOLT: que es un acrónimo para Short, Abrir, Cargar, A través, es el método más simple. Como sugiere el nombre, esto requiere acceso a estándares conocidos con un cortocircuito, circuito abierto, una carga de precisión (normalmente 50 ohmios) y una conexión a través. Es mejor si los puertos de prueba tienen el mismo tipo de conector (N, 3,5 mm, etc.), pero de un género diferente, por lo que el a través sólo requiere que los puertos de prueba están conectados juntos. SOLT es adecuado para mediciones coaxiales, donde es posible obtener el corto, abierto, carga y a través. El método de calibración SOLT es menos adecuado para mediciones de guía de onda, donde es difícil obtener un circuito abierto o una carga, o para mediciones en accesorios de prueba no coaxial, donde existen los mismos problemas para encontrar estándares adecuados.
• TRL (calibración en línea de retroflexión): Esta técnica es útil para el microondas, entornos no coaxiales como fijación, adelgazamiento o guía de onda. TRL utiliza una línea de transmisión, significativamente más larga en la longitud eléctrica que la línea, de longitud e impedancia conocida como un estándar. TRL también requiere un estándar de alta reflexión (generalmente, corto o abierto) cuya impedancia no tiene que ser bien caracterizada, pero debe ser eléctricamente el mismo para ambos puertos de prueba.

La calibración más simple que se puede realizar en un analizador de red es una medición de transmisión. Esto no proporciona información de fase y, por lo tanto, proporciona datos similares a los de un analizador de redes escalares. La calibración más simple que se puede realizar en un analizador de red, mientras se proporciona información de fase, es una calibración de 1 puerto (S11 o S22, pero no ambos). Esto explica los tres errores sistemáticos que aparecen en las mediciones de reflectividad de 1 puerto:

• Directividad—error resultante de la porción de la señal fuente que nunca llega al DUT.
• Coincidencia fuente-errores resultantes de múltiples reflexiones internas entre la fuente y el DUT.
• Seguimiento de la reflexión: el terrorismo resultante de toda dependencia de frecuencias de pistas de prueba, conexiones, etc.

En una calibración de reflexión típica de 1 puerto, el usuario mide tres estándares conocidos, generalmente uno abierto, uno corto y una carga conocida. A partir de estas tres mediciones, el analizador de red puede dar cuenta de los tres errores anteriores.

Una calibración más compleja es una calibración completa de reflectividad y transmisión de 2 puertos. Para dos puertos existen 12 posibles errores sistemáticos análogos a los tres anteriores. El método más común para corregirlos implica medir un estándar corto, de carga y abierto en cada uno de los dos puertos, así como la transmisión entre los dos puertos.

Es imposible hacer un cortocircuito perfecto, ya que siempre habrá algo de inductancia en el cortocircuito. Es imposible hacer un circuito abierto perfecto, ya que siempre habrá alguna capacitancia marginal. Un analizador de red moderno tendrá datos almacenados sobre los dispositivos en un kit de calibración. (Keysight Technologies 2006) error de harv: sin destino: CITEREFKeysight_Technologies2006 (ayuda) Para el circuito abierto, esto será un retraso eléctrico (normalmente decenas de picosegundos) y una capacitancia de franja que dependerá de la frecuencia. La capacitancia normalmente se especifica en términos de un polinomio, con coeficientes específicos de cada estándar. Un cortocircuito tendrá cierto retraso y una inductancia dependiente de la frecuencia, aunque la inductancia normalmente se considera insignificante por debajo de aproximadamente 6 GHz. Las definiciones de una serie de estándares utilizados en los kits de calibración de Keysight se pueden encontrar en http://na.support.keysight.com/pna/caldefs/stddefs.html. Las definiciones de los estándares para un kit de calibración en particular a menudo cambiarán dependiendo de el rango de frecuencia del analizador de red. Si un kit de calibración funciona a 9 GHz, pero un analizador de red en particular tiene una frecuencia máxima de operación de 3 GHz, entonces la capacitancia del estándar abierto puede aproximarse más hasta 3 GHz, utilizando un conjunto de coeficientes diferente al necesario para Trabaja hasta 9 GHz.

En algunos kits de calibración, los datos de los machos son diferentes de los de las hembras, por lo que el usuario debe especificar el género del conector. En otros kits de calibración (por ejemplo, Keysight 85033E 9 GHz 3,5 mm), el macho y la hembra tienen características idénticas, por lo que no es necesario que el usuario especifique el género. Para conectores sin género, como APC-7, este problema no surge.

La mayoría de los analizadores de red tienen la capacidad de tener un kit de calibración definido por el usuario. Así que si un usuario tiene un kit de calibración particular de los cuales no están en el firmware del analizador de red, los datos sobre el kit se pueden cargar en el analizador de red y por lo tanto el kit utilizado. Típicamente los datos de calibración pueden ser introducidos en el panel frontal del instrumento o cargados de un medio como disquete o memoria USB, o en un autobús como USB o GPIB.

Los kits de calibración más caros generalmente incluyen una llave dinamométrica para apretar los conectores correctamente y un medidor de conectores para garantizar que no haya errores graves en los conectores.

Accesorios de calibración automatizados

Una calibración utilizando un kit de calibración mecánica puede llevar una cantidad de tiempo significativa. El operador no sólo debe recorrer todas las frecuencias de interés, sino que también debe desconectar y volver a conectar los distintos estándares. (Keysight Technologies 2003, p. 9) Para evitar ese trabajo, los analizadores de redes pueden emplear estándares de calibración automatizados. (Keysight Technologies 2003) El operador conecta una caja al analizador de red. La caja tiene en su interior un conjunto de estándares y algunos interruptores que ya han sido caracterizados. El analizador de red puede leer la caracterización y controlar la configuración mediante un bus digital como USB.

Kits de verificación del analizador de redes

Hay muchos kits de verificación disponibles para verificar que el analizador de red esté funcionando según las especificaciones. Por lo general, constan de líneas de transmisión con un dieléctrico de aire y atenuadores. El kit de verificación Keysight 85055A incluye una línea aérea de 10 cm, una línea aérea de impedancia escalonada, atenuadores de 20 dB y 50 dB con datos de los dispositivos medidos por el fabricante y almacenados tanto en un disquete como en una unidad flash USB. Las versiones anteriores del 85055A tienen los datos almacenados en cintas y disquetes en lugar de en unidades USB.

Mediciones de figuras ruidosas

Los tres principales fabricantes de VNAs, Keysight, Anritsu y Rohde & Schwarz, producen modelos que permiten el uso de mediciones de figuras de ruido. La corrección de error vectorial permite mayor precisión de lo posible con otras formas de medidores de ruido comercial.