Un analizador de redes es un instrumento que mide los parámetros de red de las redes eléctricas . Hoy en día, los analizadores de redes suelen medir los parámetros s porque la reflexión y la transmisión de las redes eléctricas son fáciles de medir a altas frecuencias, pero existen otros conjuntos de parámetros de red, como los parámetros y , los parámetros z y los parámetros h . 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 .
Los analizadores de redes se utilizan principalmente en altas frecuencias ; Las frecuencias de funcionamiento pueden oscilar entre 1 Hz y 1,5 THz. [1] Los tipos especiales de analizadores de redes también pueden cubrir rangos de frecuencia más bajos, hasta 1 Hz. [2] 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 . [3]
Los dos tipos básicos de analizadores de red son
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. Seis fabricantes destacados de VNA son Keysight , [4] 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. [5]
Otra categoría de analizador de redes es el analizador de transición de microondas (MTA) o el analizador de redes de señal grande (LSNA), que miden 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.
La arquitectura básica de un analizador de red implica 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 los VNA tienen dos puertos de prueba, lo que permite la medición de cuatro parámetros S , pero hay instrumentos con más de dos puertos disponibles comercialmente.
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 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 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.
El equipo de prueba toma la salida del generador de señales 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.
Para la separación de señales se utilizan acopladores direccionales o dos divisores de potencia de resistencia. Algunos equipos de prueba de microondas incluyen los mezcladores frontales para los receptores (por ejemplo, equipos de prueba para HP 8510).
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 generalmente está 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 sólo 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.
Con la señal de RF procesada disponible en la sección de 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, gráficos polares, gráficos de Smith, etc. En muchos casos también se agregan marcadores de seguimiento, líneas límite y criterios de aprobación/falla. [6]
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 es generada por una fuente CW de frecuencia variable y su nivel de potencia se establece mediante un atenuador variable . La posición del interruptor SW1 establece la dirección en la que la señal de prueba pasa a través del DUT. Inicialmente, considere 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 enviada 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 DC1, PC1. y A1. El tercer puerto de DC1 acopla la energía reflejada desde P1 a través de A1 y PC1, y luego la alimenta al receptor de prueba 1 (RX TEST1). De manera similar, las señales que salen de P2 pasan por 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 señales complejas 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 la parte temporal como la espacial , pero la primera se elimina al utilizar 2 canales de prueba, uno como referencia y el otro para 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. PRUEBA1. Esta posición es apropiada para medir y .
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, 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, previos a iniciar la calibración del usuario, son:
Existen varios métodos diferentes de calibración.
La calibración más sencilla que se puede realizar en un analizador de redes 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:
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. [8] [9]
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) Para el circuito abierto, esto será un retraso eléctrico (normalmente decenas de picosegundos) y una capacitancia marginal 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. Entonces, 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 así utilizar el kit. Normalmente, los datos de calibración se pueden ingresar en el panel frontal del instrumento o cargarse desde un medio como un disquete o una memoria USB , o a través de un bus 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.
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.
Hay muchos kits de verificación disponibles para verificar que el analizador de red funcione 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.
Los tres principales fabricantes de VNA, Keysight , Anritsu y Rohde & Schwarz , producen modelos que permiten el uso de mediciones de figuras de ruido. La corrección de errores vectoriales permite una mayor precisión de la que es posible con otras formas de medidores de figuras de ruido comerciales.
