Transcript VNA_Rev2 - Electronica

UTN FRBA
Medidas Electrónicas II
Unidad Temática Nro.4
Analizador Vectorial
de Redes (VNA)
Rev.2 – 09/08/2011
UTN FRBA
Medidas Electrónicas II
Introducción
Es uno de los instrumentos modernos para mediciones de dispositivos y componentes en alta frecuencia
más importantes y potentes en cuanto a prestaciones
 Es capaz de medir módulo y fase de componentes, retardo de grupo, impedancia de ports graficado en
diagrama de smith
 Utiliza métodos de calibración complejos para disminuir errores de método
 Toda la teoría y su uso en sí, implica principalemente el manejo de parámetros 'S'
 Si tiene la capacidad de manejar el dominio temporal (TDR), permite detectar desadaptaciones remotas o
fallas a distancia

Comparación entre un VNA y un Analizador de Espectro
VNA
Medición de componentes, dispositivos, circuitos,etc
 Contiene generador y Receptor
 Muestra amplitud y fase
 Permite corrección avanzada de método
 Posee 2 o más Ports

Analizador de Espectro
Medición de características de amplitud de una señal (nivel
de portadora, bandas laterales, armónicos, etc)
 Puede incorporar demoduladores para señales complejas
 Un port de entrada (receptor)
 Puede usarse como medidor escalar (amplitud sólo, sin
fase) si se le incorpora un Tracking Generator

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Medidas Electrónicas II
Diagrama simplificado de un
VNA con Test Set tipo T/R
Provee un sólo un port con señal de excitación
 El otro port sólo presenta el receptor para el puerto de salida del DUT
 Para medir parámetros de transmisión inversa o reflexión en el port de salida del DUT el mismo debe
colocarse en sentido inverso.
 Dada su limitación en la excitación, sólo permite realizar la calibración en 1 port y de respuesta entre los 2
ports disponibles
 Por su menor complejidad posee un menor precio

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Medidas Electrónicas II
Diagrama simplificado de un
VNA con Test Set tipo T/R
Provee señal de excitación en ambos ports
 Para medir los parámetros directos e inversos sin necesidad de invertir el DUT.
 Permite realizar la corrección completa en los 2 ports, mejorando la incertidumbre
 Por la mayor complejidad es más caro

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Circuito de medición con un
elemento direccional
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Medidas Electrónicas II
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Diagrama de un VNA de N Ports
Medidas Electrónicas II
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Medidas Electrónicas II
Diagrama de un VNA de 2 Ports simplificado
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Diagrama de un VNA para medición directa
(Forward)
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Modelo de Errores Completo para medición directa
(Forward)
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Medidas Electrónicas II
Definiciones para el Modelo de Errores Completo
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Errores sistemáticos (No lineales)
Operarar el receptor de referencia cerca de su limite superior de potencia, ocasione el efecto de compresión
 Si la compresión ocurriese en el receptor del medidor y en la referencia en igual manera podría cancelarse
su efecto neto al calcular los parámetros S, pero esto no es lo que pasa en la realidad dado que normalmente
las amplitudes en ambos receptores son completamente diferentes.
 En el caso de DUTs activos de mucha ganancia, es muy posible que el receptor entre en compresión
 La uncertidumbre típica puede verse en la zona izquierda de la gráfica
 De manera similar, en el extremo opuesto donde los niveles de señal son pequeños, la relación Señal/Ruido
empieza a deteriorarse en cuyo caso nuevamente la incertidumbre en la medición empeora.

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Medidas Electrónicas II
Errores sistemáticos (lineales)
Un VNA de N-Ports real, puede descomponerse en un VNA ideal y un modelo de Errores, que será capaz
de absorver todo aquello que no pertenezca al VNA Ideal
 Los parámetros del modelo de error, se los llama 'error terms' eik
 La mayoría de los términos de error , puede ser directamente interpretado como los 'datos del sistema en
bruto' ('system raw data'), es decir, sin aplicarles corrección alguna.
 Una vez que éstos son corregidos, se los conoce como 'datos del sistema efectivos' ('effective system data')
 El factor que limit la corrección, es la incertidumbre en la determinación de los términos de error.
 La estabilidad de los 'datos del sistema efectivos' es limitado por los errores aleatorios en la medición
causados por la deriva térmica, el ruido y demás factores.

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Modelo de Simplificado de Errores
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Medidas Electrónicas II
Mejoras debido al uso del Modelo de Simplificado de Errores
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Modelo de Errores
de 1 Port
Y
Calibración
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Medidas Electrónicas II
Modelo de Errores de 1 Port
Y Calibración
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Método de Calibración
de 1 Port
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Modelo de Errores
de 12 términos en 2 Ports
Y
Calibración
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Medidas Electrónicas II
Modelo de Errores de 12 términos en 2 Ports
Y Calibración
Muchos de los equipos más antiguos y económicos utilizaban 3 acopladores en vez de 4, lo que obliga a
utilizar un switch
 Esta técnica fue la técnica original usada en el primer VNA en los años 1960’s
 Permite dar soporte a la calibración mediante TOSL (Thru, Open, Short, Load) y el modelo de 12 términos,
ampliamente utilizado incluso hoy día.

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Medidas Electrónicas II
Modelo de Errores de 12 términos en 2 Ports
Y Calibración
El caso de 2 ports puede ser modelado similar a lo hecho para 1 port
 Un adaptador (Error Box) que absorbe todos los errores permite conectar el VNA ideal al DUT
 Este adaptador contiene 6 términos de error para el modelo directo (forward)
 De manera análoga, el adaptador para el modelo inverso (Reverse) también posee 6 términos

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Medidas Electrónicas II
Modelo de Errores de 12 términos en 2 Ports (Forward)
Los términos de error e00 , e11 , e10.e01 se obtienen de la calibración a 1 port con las cargas estándar
 Conectando mediante un ‘Thru’ ideal y despejando del S 11 medido (S11M) se obtiene el término e22
 Conectando mediante un ‘Thru’ ideal y despejando del S 21 medido (S21M) se obtiene el término e10.e32
 Conectando una carga Zo en ambos ports, se mide directamente e 30

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Modelo de Errores de 12 términos en 2 Ports (Reverse)
Los términos de error e’22 , e’33 , e’23.e’32 se obtienen de la calibración a 1 port con las cargas estándar
 Conectando mediante un ‘Thru’ ideal y despejando del S 22 medido (S22M) se obtiene el término e’11
 Conectando mediante un ‘Thru’ ideal y despejando del S 12 medido (S12M) se obtiene el término e’23.e’01
 Conectando una carga Zo en ambos ports, se mide directamente e’ 03

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Medidas Electrónicas II
Modelo de Errores de 12 términos en 2 Ports
Ecuaciones de corrección
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Kit de Calibración
Kits de Calibración Rohde & Schwarz, R&S®ZV-32 3.5-mm
con datos de calibración en diskette
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Plano de Referencia
Plano de
referencia en
conector
Tipo-N
Plano de referencia
en conectores Tipo
PC3.5, 2.4mm y
1.85mm
La interfase física entre la salida del modelo de errores y el DUT es conocida como el Plano de Referencia
 Los parámetros S medidos y corregidos están referidos a dicho plano
 Cuando se utiliza 'estandar de calibración' coaxiales, el plano de referencia está dado por la unión mecánica
de los conductores externos.

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Corto (Short)
Medidas Electrónicas II
Especificación típica para un corto
- En diseños coaxiales, es posible construir cortos con características casi ideales ( |Γ| = 1)
- El valor de Γ es dependiente del offset 'l' al plano de referencia
- Las pérdidas pueden ser ignoradas en la mayoría de los casos
- El modelo puede considerarse dominado por la inductancia parásita (f >10GHz) , cuyo valor de
inductancia efectiva se aproxima por un polinomio función de la frec.
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Abierto (Open)
Medidas Electrónicas II
Especificación típica para un open
- En diseños coaxiales, la implementación del open obliga a hacerlo cerrado para evitar efectos de
radiación
- En el extremo abierto del conductor central se forman capacidades parásitas
- El modelo puede considerarse dominado por la capacidad parásita, cuyo valor de capacidad efectiva se
aproxima por un polinomio función de la frec.
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Carga Adaptada (Match)
Medidas Electrónicas II
Especificación típica para un open
- Es una impedancia con gran BW, cuyo valor se corresponde a la Zo del sistema
- En la figura se ve una implementación cuyo conductor central termina en un sustrato con revestimiento
resistivo, el cual es agujereado mediante un laser para ajusta de manera optima el valor .
- Con esta técnica pueden lograrse pérdidas de retorno del orden de 45dB (hasta 4GHz)
- Inicialmente se consideraba Γ = 0 en el modelo de calibración. En la actualidad los VNA permiten incluir
las propiedades no-ideales del match
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Thru (Through)
Medidas Electrónicas II
Es el estandard de 2 ports, que permite interconectar 2 test ports directamente con minimas pérdidas
 Si se utilizan conectores del mismo tipo pero con diferente sexo, el 'Thru' puede realizarse con la
interconexión directa entre ellas sin ningún componente adicional
 El caso particular mencionado, realiza una interconexión sin alterar la longitud eléctrica original.
 En el común de los casos, el 'Thru' consistirá de una pequeña porción de línea que permita la interconexión
entre los test ports. En esta situación, es importante conocer la longitud del mismo.
 La impedancia característica debe ser igual a la del sistema,

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Unidad de Calibración Automática
Unidad de Calibración Rohde & Schwarz, R&S®ZV-Z51
(4 Ports)
UTN FRBA
Medidas Electrónicas II
Fuentes y Tipos de Errores
Sistemáticos:
Son aquellos causados por imperfecciones en el equipo de medición o en el setup. Si no varían con el tiempo
pueden ser modelados, y caracterizados mediante calibración para luego ser removidos matemáticamente al
hacer la medición del DUT. Los errores sistemáticos encontrados en un VNA están relacionados con signal
leakage (fugas de señal), reflexiones y respuesta en frecuencia. Existen 6 tipos de errores sistemáticos:
o
Directividad y Crosstalk (interferencia entre ports), relacionados con signal leakage
o
Desadaptación en fuente y carga (Missmatch Source/Load), relacionados con las reflexiones
o
Respuesta en frecuencia en el tracking de reflexión y transmisión en los receptores

El modelo de errores de 12 términos contempla estos 6 tipos para la medición directa y otros 6 para el
modelo en inversa
Aleatorios (Random):
Son aquellos que varían aleatoriamente en función del tiempo, y dado que no son predecibles no pueden ser
corregidos por medio da la calibración. La principal contribución es debido al ruido del instrumento,
repetibilidad del switch en el generador interno, repetibilidad de los conectores. Pueden ser reducidos por el
incremento de la potencia utilizada (para mejorar la relación S/N), angostando el BW de las etapas de FI o
realizando promediado de múltiples barridos.

Derivas (Drift):
Son aquellos que ocurren cuando la performance del sistema cambia luego de la calibración. Es debido
principalmente a la variación de temperatura y puede ser corregido por una nueva calibración. La velocidad
con la que se produzca esta deriva determina cuan frecuente debe recalibrarse. Puede minimizarse estando en
un ámbito donde la temperatura se mantenga estable en un entorno de por ejemplo 25°C ± 5°C

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Efecto de los Adaptadores
Medidas Electrónicas II
Idealmente el proceso de calibración debería realizarse con un Kit con el mismo tipo de conector que el DUT
a medir. Si esto no se puede realizar, es necesario considerar el efecto de los adaptadores necesarios en la
incertidumbre de la medición.
Un adaptador colocado posteriormente a la calibración, agrega una reflexión adicional que se suma
vectorialmente a la señal del DUT, generando un efecto similar al incremento de la falta de directividad del
acoplador direccional. Este efecto debe ser evaluado previamente a la medición.
Como ejemplo, un adaptador con un VSWR de 1,5:1 va a reducir la directividad efectiva del acoplador
direccional a tan solo 14dB (aún si éste fuese ideal). Por lo tanto si se midiese una carga ideal de todas
formas arrojaría un Return Loss de 14dB
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Medidas Electrónicas II
Incertidumbre estimada en 1 port
En el siguiente ejemplo se muestra la influencia que tiene el Mismatch Load en la incertidumbre al
determinar el valor del RL del filtro, una vez que se hizo la calibración a 1 puerto.
 El filtro tiene 16dB de Return Loss y 1dB de Insertion Loss
 El raw Load Match del instrumento es de 18dB
 La reflexión medida en el puerto de 1, causada por la desadaptación de la carga se ve atenuada solamente
2dB debido a que este filtro no presenta alta aislación entre sus ports
 Esto último nos indica porqué los dispositivos de bajas pérdidas de inserción son difíciles de medir con baja
incertidumbre
 La incertidumbre es de -4.6dB a +10.4dB
0.01
0.1
0.158
0.158
0.1
0.01
UTN FRBA
Medidas Electrónicas II
Incertidumbre estimada en 1 port
Para disminuir la incertidumbre debido al Mismatch Load puede colocarse un atenuador en el port 2 para
mejorar el RL visto como carga
Se colocó un atenuador de 10dB con un VSWR de 1.05:1
 El valor del Load Match efectivo pasó a 28.6dB (combinando 32.3dB del atenuador y 38dB del VNA)
 La incertidumbre pasó de -4.6dB a +10.4dB a ser de -1.9 a +2.5

0.039
0.158
0.158
0.039
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Incertidumbre estimada en transmisión
Medidas Electrónicas II
Incertidumbre en le normalización, debida a la desadaptación en Source y Match
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Incertidumbre estimada en transmisión
Medidas Electrónicas II
Se consideran solamente las reflexiones principales, las de orden superior son despreciables
 La incertidumbre resultante debe sumarse a la que se tiene en la normalización
 Notar que un dispositivo de baja aislación entre los puertos incrementa la incertidumbre

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Incertidumbre estimada en transmisión
Medidas Electrónicas II
Se consideran solamente las reflexiones principales, las de orden superior son despreciables
 La incertidumbre resultante debe sumarse a la que se tiene en la normalización
 Notar que en un dispositivo de alta aislación entre los puertos disminuye su incertidumbre

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Incertidumbre estimada en transmisión
Utilizando la calibración de respuesta avanzada en el port 1
Medidas Electrónicas II
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Incertidumbre estimada 2 Ports
Medidas Electrónicas II
Una vez que se realiza la calibración a 2 ports, puede utilizarse los terminos de error corregidos (o
efectivos)
 Estos términos dan una idea de los valores que el modelo no ha podido corregir y quedan parásitamente
afectando la incertidumbre

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Medidas Electrónicas II
Comparación de valores típicos
Para determinar los valores de los términos de error, se utiliza un procedimiento llamado 'Calibración'
 Dado un 'test setup' (VNA con sus cables de test en los ports, y posiblemente un 'test fixture'), se realizan
mediciones secuenciales usando varios 'estándar de calibración' ('calibration standards')
 Los 'estándar de calibración' son redes de 1 o 2 ports con propiedades conocidas.
 La técnica de calibración a utilizar determina que tipo de 'estandar de calibración' debe ser usado.
 Debido a que la fabricación de 'estandar de calibración' ideales es imposible, se le provee al VNA los 'datos
característicos' del mismo ('characteristic data').
 Una vez finalizado el proceso de calibración, el VNA calcula los valores de los términos de error, usando
los valores medidos durante el proceso de calibración y los datos proporcionados de cada estándar.

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