Analizador de red (electrico)

Un analizador de red es un instrumento que mide los parámetros de red de las redes eléctricas . Hoy en día, los analizadores de red miden comúnmente 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 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 .

Los analizadores de red se utilizan principalmente en frecuencias altas ; las frecuencias de operación pueden variar de 1 Hz a 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 únicamente propiedades de amplitud.
• Analizador de redes vectoriales (VNA): mide propiedades de amplitud y fase.

Un VNA es una forma de analizador de red de RF ampliamente utilizado para aplicaciones de diseño de RF. Un VNA también puede llamarse medidor de ganancia-fase 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 con mayor frecuencia significan 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 se encuentran disponibles dispositivos de nivel básico y proyectos para realizar por uno mismo, algunos por menos de 100 dólares, principalmente en el sector de la radioafición. Aunque estos tienen prestaciones significativamente reducidas en comparación con los dispositivos profesionales y ofrecen solo una gama limitada de funciones, a menudo son suficientes para los usuarios privados, especialmente para los estudios y para aplicaciones de aficionados hasta el rango de un solo dígito de GHz. ^[5]

Otra categoría de analizador de red es el analizador de transición de microondas (MTA) o analizador de red de señales grandes (LSNA), que mide 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.

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La arquitectura básica de un analizador de red 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 los analizadores de redes vectoriales tienen dos puertos de prueba, lo que permite la medición de cuatro parámetros S , pero existen instrumentos con más de dos puertos disponibles comercialmente.${\displaystyle (S_{11},S_{21},S_{12},S_{22})}$

El analizador de red necesita una señal de prueba, y un generador de señales o una fuente de señales proporcionarán una. 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 red modernos tienen un generador de señales integrado. Los analizadores de red de alto rendimiento tienen dos fuentes integradas. Dos fuentes integradas son útiles para aplicaciones como la prueba de mezclador, donde una fuente proporciona la señal de RF y otra el LO; o la 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 envía al dispositivo bajo prueba, y envía la señal que se va a medir a los receptores. A menudo, divide un canal de referencia para la onda incidente. En un analizador de redes de área amplia, 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 la medición. En un analizador de redes de área amplia, el canal de referencia va a los receptores; es necesario que sirva como referencia de fase.

Para la separación de señales se utilizan acopladores direccionales o divisores de potencia de dos resistencias. Algunos equipos de prueba de microondas incluyen mezcladores de entrada 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 suele estar etiquetado como R y los puertos de prueba principales son A , B , C , etc. Algunos analizadores dedicarán un receptor independiente 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.

En el caso del 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 solo 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 solo detector y usarlo tanto para el puerto de referencia como para el puerto de prueba haciendo dos pasadas de medición.

En el caso del analizador vectorial de redes, 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 analizador vectorial de redes necesita al menos dos receptores. El método habitual convierte los canales de referencia y de prueba a una frecuencia más baja para realizar las mediciones. La fase se puede medir con un detector de cuadratura . Un analizador vectorial de redes requiere al menos dos receptores, pero algunos tienen 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.

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 que están disponibles hoy en día, existen 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, diagramas de Smith, etc. En muchos casos también se agregan marcadores de traza, líneas límite y criterios de aprobación/rechazo. ^[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 vectorial de redes (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 puerto de prueba provistos en el propio VNA son de tipo 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 de CW de frecuencia variable y su nivel de potencia se establece utilizando 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 para que la señal de prueba incida en el DUT en P1, lo 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 DC1, PC1 y A1. El tercer puerto de DC1 acopla la potencia 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 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 la fase de la señal de prueba en 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 la fase incluye tanto la parte temporal como la espacial , pero la primera se elimina en virtud del 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 acoplan por DC2 y se miden por RX TEST2 y las señales que salen de P1 se acoplan por DC1 y se miden por RX TEST1. Esta posición es adecuada para medir y .${\estilo de visualización S_{11}\,}$${\estilo de visualización S_{21}\,}$${\estilo de visualización S_{22}\,}$${\estilo de visualización S_{12}\,}$

Un analizador de red, como la mayoría de los instrumentos electrónicos, requiere una calibración periódica ; por lo general, esta se realiza una vez al año y la lleva a cabo el fabricante o un tercero en un laboratorio de calibración. Cuando se calibra el instrumento, normalmente se coloca una etiqueta adhesiva que indica la fecha de calibración y cuándo debe realizarse la próxima calibración. Se emitirá un certificado de calibración.

Un analizador de redes vectoriales logra mediciones de alta precisión al corregir los errores sistemáticos del instrumento, las características de los cables, los adaptadores y los accesorios de prueba. El proceso de corrección de errores, aunque comúnmente se denomina simplemente calibración, es un proceso completamente diferente y puede ser realizado por un ingeniero varias veces en una hora. A veces se lo denomina calibración del 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 retraso de tiempo y un desplazamiento de fase correspondiente (que afectará las mediciones de VNA); los cables también introducirán cierta atenuación (que afectará 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. Los errores aleatorios , como la repetibilidad del conector, no se pueden corregir mediante la calibración del usuario. Sin embargo, algunos analizadores de red vectoriales portátiles, diseñados para mediciones de menor precisión en el exterior utilizando baterías, intentan alguna corrección de la temperatura midiendo la temperatura interna del analizador de red.

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

• Inspeccione visualmente los conectores para detectar problemas como clavijas dobladas o piezas que estén claramente descentradas. No se deben utilizar, ya que si se acoplan conectores dañados con conectores en buen estado, a menudo se dañará el conector en buen estado.
• Limpie los conectores con aire comprimido a menos de 60 psi.
• Si es necesario, limpie los conectores con alcohol isopropílico y déjelos secar.
• Calibre los conectores para determinar que no existan problemas mecánicos graves. Los kits de calibración de mejor calidad suelen incluir calibres para conectores con resoluciones de entre 0,001" y 0,0001".
• Ajuste los conectores al par especificado. Se suministrará una llave dinamométrica con todos los kits de calibración, excepto los más económicos.

Existen varios métodos diferentes de calibración.

• SOLT: acrónimo de short, open, load, through (corto, abierto, carga, pasante ), es el método más simple. Como sugiere el nombre, requiere acceso a estándares conocidos con un cortocircuito , un circuito abierto, una carga de precisión (normalmente 50 ohmios) y una conexión pasante. Es mejor si los puertos de prueba tienen el mismo tipo de conector ( N , 3,5 mm, etc.), pero de diferente género, por lo que la conexión pasante solo requiere que los puertos de prueba estén conectados entre sí. SOLT es adecuado para mediciones coaxiales, donde es posible obtener el cortocircuito, la apertura, la carga y el pasante. El método de calibración SOLT es menos adecuado para mediciones de guía de ondas , donde es difícil obtener un circuito abierto o una carga, o para mediciones en accesorios de prueba no coaxiales, donde existen los mismos problemas para encontrar estándares adecuados.
• TRL (calibración de línea de reflexión a través de la línea): esta técnica es útil para entornos de microondas y no coaxiales, como dispositivos de fijación, 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, un cortocircuito o una apertura) 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, denominan a la calibración TRL una calibración LRL, donde la primera L ahora significa "Línea". ^[8]

La calibración más simple que se puede realizar en un analizador de red es una medición de transmisión. Esta no proporciona información de fase y, por lo tanto, proporciona datos similares a los de un analizador de red escalar. La calibración más simple que se puede realizar en un analizador de red, al mismo 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 que resulta de la porción de la señal de origen que nunca llega al DUT.
• Coincidencia de fuente: errores resultantes de múltiples reflexiones internas entre la fuente y el DUT.
• Seguimiento de reflexión: error resultante de toda dependencia de la frecuencia de los cables de prueba, conexiones, etc.

En una calibración típica de reflexión de un 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 red puede dar cuenta de los tres errores anteriores. ^{[9] [10]}

Una calibración más compleja es una calibración completa de reflectividad y transmisión de dos puertos. Para dos puertos hay 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 algo de 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 cierto retraso eléctrico (normalmente decenas de picosegundos) y una capacitancia marginal que dependerá de la frecuencia. La capacitancia se especifica normalmente en términos de un polinomio, con los coeficientes específicos de cada estándar. Un cortocircuito tendrá algún retraso y una inductancia dependiente de la frecuencia, aunque la inductancia normalmente se considera insignificante por debajo de unos 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 del rango de frecuencia del analizador de red. Si un kit de calibración funciona hasta 9 GHz, pero un analizador de red particular tiene una frecuencia máxima de operación de 3 GHz, entonces la capacitancia del estándar abierto puede aproximarse más estrechamente hasta 3 GHz, utilizando un conjunto diferente de coeficientes que los necesarios para trabajar hasta 9 GHz.Error de harv: no hay destino: CITEREFKeysight_Technologies2006 ( ayuda )

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 9 GHz 3,5 mm), el conector macho y hembra tienen características idénticas, por lo que no es necesario que el usuario especifique el género. En el caso de los conectores sin género, como el APC-7 , este problema no se presenta.

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 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, se puede utilizar el kit. Por lo general, los datos de calibración se pueden ingresar en el panel frontal del instrumento o se pueden cargar 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 ajustar los conectores correctamente y un calibre de conectores para garantizar que no haya errores graves en los conectores.

Una calibración con 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, pág. 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 conmutadores que ya se han caracterizado. El analizador de red puede leer la caracterización y controlar la configuración mediante un bus digital como USB.

Existen muchos kits de verificación disponibles para verificar que el analizador de red funciona según las especificaciones. Estos suelen constar de líneas de transmisión con un dieléctrico de aire y atenuadores. El kit de verificación 85055A de Keysight incluye una línea de transmisión de 10 cm, una línea de transmisión 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. 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 que utilizan una disminución en la altura de la guía de onda para proporcionar un VSWR conocido y 2 atenuadores de diferentes niveles de atenuación.

Los tres principales fabricantes de analizadores vectoriales de red, Keysight , Anritsu y Rohde & Schwarz , producen modelos que permiten el uso de mediciones de factor de ruido. La corrección de errores vectoriales permite una mayor precisión que la que se puede obtener con otras formas de medidores de factor de ruido comerciales.

• Trazador de Bode
• Medidas eléctricas
• Analizador de red (corriente alterna)
• Analizador de señales vectoriales
• Diagrama de Smith

• Keysight Technologies (9 de junio de 2003), Kits de calibración electrónicos y 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 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 análisis vectorial, Wiley, ISBN 978-1-1199-7955-5

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Analizadores de red .

• Conceptos básicos del analizador de red 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
• VNA casero de Paul Kiciak, N2PK
• Medición de la respuesta de frecuencia (PDF, 961 KB), por Ray Ridley
• Conceptos básicos del analizador de redes vectoriales RF
• Fundamentos de RF para analizadores de redes vectoriales