Analizador de redes (eléctrico)

Un analizador de redes es un instrumento que mide los parámetros de las redes eléctricas . Actualmente, los analizadores de redes suelen medir los parámetros s , ya que 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 , z y h . Los analizadores de redes se utilizan a menudo para caracterizar redes de dos puertos, como amplificadores y filtros, pero pueden utilizarse en redes con un número arbitrario de puertos .

Los analizadores de red se utilizan principalmente a altas frecuencias ; las frecuencias de operación pueden variar de 1  Hz a 1,5  THz. ^{[ 1 ]} Algunos 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 ultrasonidos . ^{[ 3 ]}

Los dos tipos básicos de analizadores de red son:

• Analizador de red escalar (SNA): mide únicamente las propiedades de amplitud.
• Analizador de redes vectoriales (VNA): mide tanto las propiedades de amplitud como de fase.

Un VNA es un tipo de analizador de redes de RF ampliamente utilizado en aplicaciones de diseño de RF. Un VNA también puede denominarse medidor de ganancia-fase o analizador automático de redes . Un SNA es funcionalmente idéntico a un analizador de espectro en combinación con un generador de seguimiento . A partir de 2007Los VNA son el tipo más común de analizadores de red, por lo que las referencias a un "analizador de red" sin calificar suelen referirse a un VNA. Siete fabricantes destacados de VNA son Keysight , ^{[ 4 ]} Anritsu , Advantest , Rohde & Schwarz , SIGLENT Technologies , 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, principalmente del sector de la radioafición. Si bien estos tienen características significativamente reducidas en comparación con los dispositivos profesionales y ofrecen un rango limitado de funciones, suelen ser suficientes para usuarios particulares, especialmente durante estudios y para aplicaciones de afición hasta el rango de GHz de un solo dígito. ^{[ 5 ]}

Otra categoría de analizador de redes es el analizador de transiciones de microondas (MTA) o analizador de redes de gran señal (LSNA), que mide tanto la amplitud como la fase de la señal fundamental y sus armónicos. El MTA se comercializó antes que el LSNA, pero carecía de algunas de las funciones de calibración fáciles de usar que ahora ofrece el LSNA.

La arquitectura básica de un analizador de redes consta de un generador de señales, un equipo de prueba, uno o más receptores y una pantalla. En algunas configuraciones, estas unidades son instrumentos independientes. La mayoría de los analizadores de redes vectoriales (VNA) tienen dos puertos de prueba, lo que permite medir cuatro parámetros S.${\displaystyle (S_{11},S_{21},S_{12},S_{22})}$pero existen instrumentos con más de dos puertos disponibles comercialmente.

Un analizador vectorial de redes (VNA) es un sistema de prueba que permite caracterizar el rendimiento de radiofrecuencia (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 denominan puerto 1 (P1) y puerto 2 (P2). Los conectores de los puertos de prueba del propio VNA son de precisión y, por lo general, deberán extenderse y conectarse a P1 y P2 mediante los cables de precisión 1 y 2, PC1 y PC2 respectivamente, y los adaptadores de conector A1 y A2 correspondientes.

La frecuencia de prueba se genera mediante una fuente CW de frecuencia variable y su nivel de potencia se ajusta 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 sobre el DUT en P1, lo cual es apropiado para la medición.${\displaystyle S_{11}\,}$y${\displaystyle S_{21}\,}$La señal de prueba se alimenta mediante 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 potencia reflejada de 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 a través de A2, PC2 y DC2 hasta 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 la fase de la señal de prueba a la frecuencia de prueba. Todas las señales de salida complejas 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 mediante el uso de 2 canales de prueba, uno como referencia y el otro para la medición. Cuando SW1 se ajusta a la posición 2, las señales de prueba se aplican a P2, la referencia se mide mediante RX REF2, las reflexiones de P2 se desacoplan mediante DC2 y se miden mediante RX TEST2, y las señales que salen de P1 se desacoplan mediante DC1 y se miden mediante RX TEST1. Esta posición es apropiada para la medición.${\displaystyle S_{22}\,}$y${\displaystyle S_{12}\,}$.

Un analizador de redes, como la mayoría de los instrumentos electrónicos, requiere calibración periódica . Normalmente, esta se realiza una vez al año por el fabricante o por un laboratorio de calibración externo. Al calibrar el instrumento, se suele colocar una etiqueta que indica la fecha de la calibración y la fecha de la próxima. Se emitirá un certificado de calibración.

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

Un analizador de redes tiene conectores en su panel frontal, pero las mediciones rara vez se realizan allí. Generalmente, algunos cables de prueba conectan el panel frontal con el dispositivo bajo prueba (DUT). La longitud de estos cables introduce un retardo y un desfase correspondiente (que afecta a las mediciones del VNA); además, los cables introducen cierta atenuación (que afecta a las mediciones del SNA y del VNA). Lo mismo ocurre con los cables y acopladores dentro del analizador de redes. Todos estos factores varían con la temperatura. La calibración suele implicar la medición de patrones conocidos y el uso de estas mediciones para compensar los errores sistemáticos, pero existen métodos que no requieren patrones conocidos. Solo se pueden corregir los errores sistemáticos. Los errores aleatorios , como la repetibilidad de los conectores, no se pueden corregir mediante 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.

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

• Inspeccione visualmente los conectores para detectar cualquier problema, como pines doblados o piezas visiblemente descentradas. No utilice conectores dañados, ya que acoplar conectores en buen estado suele dañar estos últimos.
• Limpie los conectores con aire comprimido a menos de 60 psi.
• Si es necesario, limpie los conectores con alcohol isopropílico y déjelos secar.
• Compruebe los conectores para asegurarse de que no presenten problemas mecánicos graves. Los kits de calibración de mejor calidad suelen incluir calibres para conectores con resoluciones de 0,001" a 0,0001".
• Apriete los conectores al par de apriete especificado. Se incluye una llave dinamométrica con todos los kits de calibración, excepto con los más económicos.

Existen varios métodos diferentes de calibración.

• SOLT  , acrónimo de short, open, load, through (corto, abierto, carga, paso ), es el método más sencillo. Como su nombre indica, requiere acceso a patrones conocidos con un cortocircuito , un circuito abierto , una carga de precisión (normalmente 50 ohmios) y una conexión de paso. Lo ideal es que los puertos de prueba tengan el mismo tipo de conector ( N , 3,5  mm, etc.), pero de diferente género, de modo que para la conexión de paso solo sea necesario conectar los puertos de prueba entre sí. SOLT es adecuado para mediciones coaxiales, donde es posible obtener el cortocircuito, el circuito abierto, la carga y la conexión de paso. El método de calibración SOLT es menos adecuado para mediciones de guías de onda , 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 patrones adecuados.
• TRL (calibración de línea de reflexión-paso): Esta técnica es útil para entornos de microondas no coaxiales, como fijaciones, sondas de obleas o guías de onda. TRL utiliza una línea de transmisión, significativamente más larga eléctricamente que la línea de paso, de longitud e impedancia conocidas como un estándar. TRL también requiere un estándar de alta reflexión (generalmente, un cortocircuito o un circuito abierto) cuya impedancia no tiene que estar bien caracterizada, pero debe ser eléctricamente la misma para ambos puertos de prueba. ^{[ 7 ]} A veces, los fabricantes, como Anritsu, llaman a la calibración TRL calibración LRL, donde la primera L ahora significa "Línea". ^{[ 8 ]}

La calibración más sencilla que se puede realizar en un analizador de redes es una medición de transmisión. Esta no proporciona información de fase, por lo que ofrece datos similares a los de un analizador de redes escalar. La calibración más sencilla que se puede realizar en un analizador de redes, a la vez que proporciona información de fase, es una calibración de 1 puerto (S11 o S22, pero no ambas). 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 de origen que nunca llega al dispositivo bajo prueba (DUT).
• Errores de coincidencia de fuente: errores resultantes de múltiples reflexiones internas entre la fuente y el dispositivo bajo prueba (DUT).
• Seguimiento de reflexiones: error resultante de la dependencia de la frecuencia de los cables de prueba, conexiones, etc.

En una calibración de reflexión típica de 1 puerto, el usuario mide tres estándares conocidos, generalmente un circuito abierto, un cortocircuito y una carga conocida. A partir de estas tres mediciones, el analizador de redes puede contabilizar los tres errores mencionados anteriormente. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

Una calibración más compleja es la calibración completa de reflectividad y transmisión de dos puertos. Para dos puertos, existen 12 posibles errores sistemáticos análogos a los tres mencionados anteriormente. El método más común para corregirlos consiste en medir un cortocircuito, una carga y un circuito abierto en cada uno de los dos puertos, así como la transmisión entre ellos.

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 algo de capacitancia de borde. Un analizador de redes moderno tendrá datos almacenados sobre los dispositivos en un kit de calibración. ( Keysight Technologies 2006 ) harv error: no target: CITEREFKeysight_Technologies2006 ( help ) Para el circuito abierto, esto será un cierto retardo eléctrico (típicamente decenas de picosegundos) y una capacitancia de borde que dependerá de la frecuencia. La capacitancia normalmente se especifica en términos de un polinomio, con coeficientes específicos para cada estándar. Un cortocircuito tendrá cierto retardo y una inductancia dependiente de la frecuencia, aunque la inductancia normalmente se considera insignificante por debajo de unos 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.html. Las definiciones de los estándares para un kit de calibración específico suelen variar según el rango de frecuencia del analizador de red. Si un kit de calibración funciona hasta 9  GHz, pero un analizador de red específico tiene una frecuencia máxima de operación de 3  GHz, entonces la capacitancia del estándar abierto se puede aproximar con mayor precisión hasta 3  GHz, utilizando un conjunto de coeficientes diferente al necesario para funcionar hasta 9  GHz.

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

La mayoría de los analizadores de red permiten configurar un kit de calibración personalizado. Si un usuario dispone de un kit de calibración específico cuyos detalles no se encuentran en el firmware del analizador, puede cargar la información del kit en el analizador y utilizarlo. Normalmente, los datos de calibración se pueden introducir en el panel frontal del instrumento, cargar desde un medio como un disquete o una memoria USB , o transmitirse a través de un bus como USB o GPIB.

Los kits de calibración más caros suelen incluir una llave dinamométrica para apretar correctamente los conectores y un medidor de conectores para garantizar que no haya errores importantes en los mismos.

Existen numerosos kits de verificación para comprobar que el analizador de redes funciona según las especificaciones. Estos kits suelen constar de líneas de transmisión con dieléctrico de aire y atenuadores. El kit de verificación Keysight 85055A incluye una  línea de aire de 10 cm, una línea de aire de impedancia escalonada y atenuadores de 20  dB y 50  dB, con datos de los dispositivos medidos por el fabricante y almacenados en un disquete y una unidad flash USB. Las versiones anteriores del 85055A almacenan los datos en cintas y disquetes en lugar de unidades USB. También se fabrican kits de verificación para otras líneas de transmisión, como guías de onda, que contienen un desajuste de paso conocido y atenuaciones. El kit de verificación Flann incluye 5 desajustes mediante una disminución de la altura de la guía de onda para proporcionar una ROE conocida y 2 atenuadores con diferentes niveles de atenuación.

Los tres principales fabricantes de analizadores de redes vectoriales (VNA), Keysight , Anritsu y Rohde & Schwarz , producen modelos que amplían la funcionalidad de sus productos para incluir también la medición del factor de ruido . La corrección de errores vectoriales permite una mayor precisión que la que se puede lograr con otros tipos de medidores de factor de ruido comerciales.

• Plotter de Bode
• Mediciones eléctricas
• Analizador de redes (alimentación CA)
• Analizador de señales vectoriales
• Diagrama de Smith

• Keysight Technologies (9 de junio de 2003), Kits de calibración electrónicos frente a mecánicos: métodos de calibración y precisión (PDF) , Libro blanco, Keysight Technologies
• Keysight Technologies (3 de diciembre de 2019), Especificación de estándares de calibración para el analizador de redes 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

• Conceptos básicos del analizador de redes, archivado el 4 de febrero de 2020 en Wayback Machine (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 Jan Verspecht
• Analizador de redes vectoriales casero por Paul Kiciak, N2PK
• Medición de la respuesta en frecuencia (PDF, 961 KB), por Ray Ridley
• Conceptos básicos del analizador de redes vectoriales de RF
• Fundamentos de RF para analizadores de redes vectoriales