Analizador de redes (eléctrico)

No debe confundirse con el analizador de paquetes , el analizador de protocolos de redes de telecomunicaciones o el analizador de redes (alimentación de CA) .

Analizador de redes vectoriales ZVA40 de Rohde & Schwarz .

Un analizador de redes es un instrumento que mide los parámetros de red de las redes eléctricas . Hoy en día, los analizadores de red medida comúnmente parámetros S porque la reflexión y transmisión de las redes eléctricas son fáciles de medir en altas frecuencias, pero hay otros conjuntos de parámetros de red, tales como parámetros y , parámetros z , y h-parámetros . Los analizadores de red 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 .

Resumen

Los analizadores de red se utilizan principalmente a altas frecuencias ; Las frecuencias de funcionamiento pueden oscilar entre 1 Hz y 1,5 THz. ^[1] Los tipos especiales de analizadores de red también pueden cubrir rangos de frecuencia más bajos hasta 1 Hz. ^[2] Estos analizadores de red se pueden utilizar, por ejemplo, para el análisis de estabilidad de bucles abiertos o para la medición de componentes de audio y ultrasónicos . ^[3]

Los dos tipos básicos de analizadores de red son

• analizador de red escalar (SNA): mide solo las propiedades de amplitud
• Analizador de redes vectoriales (VNA): mide las propiedades de amplitud y 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 ^[actualizar], los VNA son el tipo más común de analizadores de red, por lo que las referencias a un "analizador de red" no calificado suelen significar un VNA. Cinco importantes fabricantes de VNA son Keysight , ^[4] Anritsu , Rohde & Schwarz , Copper Mountain Technologies y OMICRON Lab .

Otra categoría de analizador de red es el analizador de transición de microondas (MTA) o el analizador de red de señales grandes (LSNA), que mide tanto la amplitud como la fase de los armónicos y fundamentales. 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 redes incluye un generador de señales, un equipo de prueba, uno o más receptores y una pantalla. En algunas configuraciones, estas unidades son instrumentos distintos. La mayoría de VNAs tienen dos puertos de prueba, lo que permite la medición de cuatro parámetros S ( , , y ), pero los instrumentos con más de dos puertos están disponibles comercialmente.${\displaystyle S_{11}\,}$${\displaystyle S_{21}\,}$${\displaystyle S_{12}\,}$${\displaystyle S_{22}\,}$

Generador de señales

El analizador de red necesita una señal de prueba y un generador de señal o una fuente de señal proporcionará una. Los analizadores de red más antiguos no tenían su propio generador de señales, pero tenían la capacidad de controlar un generador de señales autónomo 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 la prueba del mezclador, donde una fuente proporciona la señal de RF, 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 enruta al dispositivo bajo prueba, y enruta la señal que se va a medir a los receptores. A menudo se divide en 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 que sirva como referencia de fase.

Se utilizan acopladores direccionales o divisores de potencia de dos resistencias para la separación de señales. Algunos equipos de prueba de microondas incluyen los mezcladores frontales para los receptores (por ejemplo, equipos de prueba 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 primarios 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 opera a la frecuencia de prueba. El SNA más simple tendrá un solo puerto de prueba, pero se realizan mediciones más precisas cuando también se usa 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 solo detector y usarlo tanto para el puerto de referencia como para el puerto de prueba haciendo 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.

Hay 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 de receptor / detector, es necesario mostrar la señal en un formato que se pueda interpretar. Con los niveles de procesamiento que están disponibles en la actualidad, algunas soluciones muy sofisticadas están disponibles en 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 características que incluyen barridos lineales y logarítmicos, formatos lineales y logarítmicos, gráficos polares, gráficos de Smith, etc. En muchos casos, también se agregan marcadores de seguimiento, líneas de límite y criterios de aprobación / falla. ^[5]

Medición de parámetros S con analizador de redes vectoriales

Las partes básicas de un analizador de redes vectoriales

Un VNA es un sistema de prueba que permite caracterizar el rendimiento de RF de los 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 indican como puerto 1 (P1) y puerto 2 (P2). Los conectores del puerto de prueba proporcionados en el VNA son tipos de precisión que normalmente deberán extenderse y conectarse a P1 y P2 utilizando cables de precisión 1 y 2, PC1 y PC2 respectivamente y adaptadores de conector adecuados A1 y A2 respectivamente.

La frecuencia de prueba es generada por una fuente CW de frecuencia variable y su nivel de potencia se establece usando un atenuador variable . La posición del interruptor SW1 establece la dirección en la que la señal de prueba pasa a través del dispositivo bajo prueba. Considere inicialmente que SW1 está en la posición 1 de modo que la señal de prueba incide en el DUT en P1 que es apropiado para medir y . La señal de prueba es alimentada por SW1 al puerto común del divisor 1, un brazo (el canal de referencia) alimenta un receptor de referencia para P1 (RX REF1) y el otro (el canal de prueba) se conecta a P1 a través del acoplador direccional${\displaystyle S_{11}\,}$${\displaystyle S_{21}\,}$DC1, PC1 y A1. El tercer puerto de DC1 apaga la energía reflejada desde P1 a través de A1 y PC1, luego la alimenta al receptor de prueba 1 (RX TEST1). De manera similar, las señales que salen de P2 pasan a través de A2, PC2 y DC2 a RX TEST2. RX REF1, RX TEST1, RX REF2 y RXTEST2 se conocen como receptores coherentes ya que comparten el mismo oscilador de referencia y son capaces de medir la amplitud y fase de la señal de prueba a la frecuencia de prueba. Todas las complejas señales de salida del receptor se envían a un procesador que realiza el procesamiento matemático y muestra los parámetros y el formato elegidos en la pantalla de fase y amplitud. El valor instantáneo de fase incluye tanto el temporal como el espacial.partes, pero el primero se elimina en virtud de utilizar 2 canales de prueba, uno como referencia y el otro para la medición. Cuando SW1 se establece en la posición 2, las señales de prueba se aplican a P2, la referencia se mide con RX REF2, las reflexiones de P2 se acoplan con DC2 y se miden con RX TEST2 y las señales que salen de P1 se acoplan con DC1 y se miden con RX TEST1. Esta posición es apropiada para medir y .${\displaystyle S_{22}\,}$${\displaystyle S_{12}\,}$

Calibración y corrección de errores

Un analizador de redes, 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, normalmente se colocará una etiqueta adhesiva que indica la fecha en que se calibró y cuándo debe realizarse la siguiente calibración. Se emitirá un certificado de calibración.

Un analizador de redes vectoriales logra mediciones de alta precisión al corregir los errores sistemáticos en el instrumento, las características de los cables, adaptadores y dispositivos de prueba. El proceso de corrección de errores, aunque comúnmente se llama simplemente calibración, es un proceso completamente diferente y puede ser realizado por un ingeniero varias veces en una hora. A veces se denomina calibración de usuario, para indicar la diferencia con la calibración periódica realizada por un 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 retardo de tiempo y el correspondiente desplazamiento de fase (que afecta las mediciones de VNA); los cables también introducirán algo de atenuación (afectando las mediciones de 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 hay métodos que no requieren estándares conocidos. Solo se pueden corregir los errores sistemáticos. Errores aleatorios, como la repetibilidad del conector no puede ser corregido por la calibración del usuario. Sin embargo, algunos analizadores de redes vectoriales portátiles, diseñados para mediciones de menor precisión en exteriores con baterías, intentan corregir 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 en busca de problemas, como clavijas dobladas o piezas que obviamente estén descentradas. Estos no deben usarse, ya que unir conectores dañados con conectores buenos a menudo resultará en dañar el conector bueno.
• Limpie los conectores con aire comprimido a menos de 60 psi.
• Si es necesario, limpie los conectores con alcohol isopropílico y déjelos secar.
• Mida los conectores para determinar que no hay problemas mecánicos graves. Los medidores de conector con resoluciones de 0,001 "a 0,0001" normalmente se incluirán en los kits de calibración de mejor calidad.
• Apriete los conectores al par especificado. Se suministrará una llave dinamométrica con todos los kits de calibración menos los más baratos.

Hay varios métodos diferentes de calibración.

• SOLT: que es un acrónimo de Short, Open, Load, Through, es el método más simple. Como sugiere el nombre, esto requiere acceso a estándares conocidos con un cortocircuito , circuito abierto , una carga de precisión (generalmente 50 ohmios) y una conexión directa. 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 paso solo requiere que los puertos de prueba estén conectados entre sí. SOLT es adecuado para medidas coaxiales, donde es posible obtener la carga corta, abierta y pasante. El método de calibración SOLT es menos adecuado para guías de ondas. mediciones, donde es difícil obtener un circuito abierto o una carga, o para mediciones en dispositivos de prueba no coaxiales, donde existen los mismos problemas para encontrar estándares adecuados.
• TRL (calibración a través de la línea reflectante): esta técnica es útil para entornos de microondas, no coaxiales, como dispositivos, sondas de obleas o guías de ondas. TRL utiliza una línea de transmisión, significativamente más larga en longitud eléctrica que la línea de paso, de longitud e impedancia conocidas como un estándar. TRL también requiere un estándar de alta reflexión (generalmente, corto o abierto) cuya impedancia no tiene que estar bien caracterizada, pero debe ser eléctricamente igual para ambos puertos de prueba. ^[6]

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 un analizador de red escalar. La calibración más simple que se puede realizar en un analizador de red, al tiempo que 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 parte de la señal fuente que nunca llega al dispositivo bajo prueba.
• Coincidencia de fuente: errores resultantes de múltiples reflexiones internas entre la fuente y el dispositivo bajo prueba.
• Seguimiento de reflexión: error resultante de toda dependencia de frecuencia de los cables de prueba, conexiones, etc.

En una calibración de reflexión típica de 1 puerto, el usuario mide tres estándares conocidos, generalmente una carga abierta, una corta y una conocida. A partir de estas tres medidas, el analizador de redes puede dar cuenta de los tres errores anteriores. ^{[7] [8]}

Una calibración más compleja es una calibración de transmisión y reflectividad completa de 2 puertos. Para dos puertos hay 12 posibles errores sistemáticos análogos a los tres anteriores. El método más común para corregir estos 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 corto. 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 (típicamente decenas de picosegundos) y una capacitancia periférica que dependerá de la frecuencia. La capacitancia se especifica normalmente en términos de un polinomio, con los coeficientes específicos de cada estándar. Un corto 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 varios estándares utilizados en los kits de calibración de Keysight se pueden encontrar en http://na.support.keysight.com/pna/caldefs/stddefs.htmlLas definiciones de los estándares para un kit de calibración en particular a menudo cambiarán dependiendo del 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 funcionamiento de 3 GHz, entonces la capacitancia del estándar abierto puede aproximarse más a 3 GHz, utilizando un conjunto de coeficientes diferente de los necesarios para trabajar 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. Por lo tanto, si un usuario tiene un kit de calibración en particular cuyos detalles 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, utilizar el kit. Por lo general, los datos de calibración se pueden ingresar en el panel frontal del instrumento o cargar desde un medio como un disquete o una memoria USB , o en un bus como USB o GPIB.

Los kits de calibración más costosos generalmente incluirán una llave dinamométrica para apretar los conectores correctamente y un calibre de conector para garantizar que no haya errores graves en los conectores.

Dispositivos de calibración automatizados

Una calibración con un kit de calibración mecánica puede llevar mucho tiempo. El operador no solo debe barrer 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 red pueden emplear estándares de calibración automatizados. ( Keysight Technologies 2003 ) El operador conecta una caja al analizador de red. La caja tiene un conjunto de estándares en su interior y algunos interruptores que ya se han caracterizado. El analizador de redes puede leer la caracterización y controlar la configuración utilizando un bus digital como USB.

Kits de verificación del analizador de red

Hay muchos kits de verificación disponibles para verificar que el analizador de red funciona según las especificaciones. Por lo general, estos consisten en líneas de transmisión con un dieléctrico de aire y atenuadores. El kit de verificación Keysight 85055A incluye una línea aérea de 10 cm, línea aérea de impedancia escalonada, atenuadores de 20 dB y 50 dB con datos sobre 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.

Medidas de la figura de ruido

Los tres principales fabricantes de VNA, Keysight , Anritsu y Rohde & Schwarz , producen modelos que permiten el uso de medidas de figura de ruido. La corrección de errores vectoriales permite una precisión mayor que la que es posible con otras formas de medidores de factor de ruido comerciales.

Ver también

• Trazador de Bode
• Medidas electricas
• Analizador de redes (alimentación de CA)
• Analizador de señales vectoriales
• Gráfico de Smith

Notas

1. Keysight - Analizadores de red , a partir del 3 de noviembre de 2020
2. Laboratorio OMICRON: analizador de redes Bode 100 , a partir del 3 de noviembre de 2020
3. Productos OMICRON Lab Vector Network Analyzer , a partir del 3 de abril de 2008
4. "Analizadores de red | Keysight" . Tecnologías Keysight .
5. Circuito y funcionamiento del analizador de red RF
6. Engen, Glenn F .; Hoer, Cletus A. (1979). "Through-reflect-line: una técnica mejorada para calibrar el analizador de red automático de seis puertos dual". Transacciones IEEE sobre teoría y técnicas de microondas . 27 (12): 987–993. doi : 10.1109 / TMTT.1979.1129778 .
7. Conceptos básicos del analizador de redes Keysight http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5965-7917E.pdf | date = 2005-12-23
8. Keysight: errores de medición

Referencias

• Keysight Technologies (9 de junio de 2003), Kits de calibración electrónica y mecánica: métodos de calibración y precisión (PDF) , informe técnico, Keysight Technologies
• Keysight Technologies (3 de diciembre de 2019), Especificación de estándares de calibración para el analizador de red Keysight 8510 (PDF) , Nota de aplicación 8510-5B, Keysight Technologies
• Dunsmore, Joel P. (septiembre de 2012), Manual de mediciones de componentes de microondas: con técnicas avanzadas de VNA , Wiley, ISBN 978-1-1199-7955-5

Enlaces externos

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Analizadores de redes .

• Conceptos básicos del analizador de redes (PDF, 5,69 MB), de Keysight
• Introducción al análisis de redes vectoriales (PDF, 123 KB), de Anritsu
• Análisis de redes de señales grandes (PDF, 3,73 MB), por el Dr. Jan Verspecht
• Homebrew VNA por Paul Kiciak, N2PK
• Medición de la respuesta de frecuencia (PDF, 961 KB), por el Dr. Ray Ridley
• Conceptos básicos del analizador de redes vectoriales de RF
• Fundamentos de RF para analizadores de redes vectoriales