Analizadores Vectoriales de Redes USB de Copper Mountain Technologies
¿Qué es un analizador vectorial de redes (VNA)?
Un analizador vectorial de redes USB produce una señal de estímulo de RF que puede estar en el rango de 9 kHz a 330 GHz. Esa señal puede aplicarse a un dispositivo bajo prueba (DUT) y la salida del DUT puede aplicarse a un segundo puerto para su análisis. Además, también se pueden analizar las reflexiones de la entrada del dispositivo bajo prueba que vuelven al puerto de origen. Esto es lo que diferencia al dispositivo de otros equipos de prueba: es capaz de separar las señales que viajan en dos direcciones diferentes en una línea de transmisión y medirlas.
¿Qué hace y cómo funciona un analizador vectorial de redes?
La figura 1 muestra un diagrama de bloques simplificado de un analizador vectorial de redes USB. Los puentes de los puertos 1 y 2 son los componentes que separan las ondas de RF que viajan hacia delante y hacia atrás. Los receptores R1 y R2 pasan sólo una muestra de la onda que sale de los Puertos 1 ó 2. Los receptores A y B pasan sólo una muestra de las ondas que entran por los Puertos 1 ó 2. Tenga en cuenta que sólo tres receptores están activos en cualquier momento. El receptor R1 está activo cuando el estímulo pasa al Puerto 1, y el R2 está activo cuando pasa al Puerto 2.
Cuando la señal de estímulo se conmuta al puerto 1, las magnitudes y fases de las señales en los receptores de reflexión A y B se normalizan al receptor de estímulo R1. De este modo, la potencia de salida absoluta del estímulo es irrelevante. Del mismo modo, cuando el estímulo se conmuta al puerto 2, las mediciones A y B se normalizan al receptor R2.
El rendimiento de un DUT lineal puede predecirse bajo cualquier fuente e impedancia de carga con el conocimiento de las señales transmitidas y reflejadas (parámetros S) de ambos lados.
Figura 1 – Diagrama de Bloques del VNA con Reflexiones del Puerto Accionado 1
¿Cuál es el principio de funcionamiento del analizador vectorial de redes?
Para una medición completa de 2 puertos, el estímulo se alterna entre los puertos 1 y 2. Cuando está en el puerto 1, se miden los receptores A, R1 y B. En el puerto 1, se miden los receptores A, R1 y B. El valor A/R1 será S sin formato y B/R1 será S sin formato. El valor A/R1 será S11 sin formato y B/R1 será S21 sin formato A continuación, el estímulo cambia al puerto 2, donde se miden B, R2 y A. B/R2 será S sin formato y B/R2 será S sin formato. B/R2 será S22 sin formato y A/R2 será S12 sin formato. La normalización se produce en una FPGA después de realizar las tres mediciones del receptor en cada dirección. Dentro de la FPGA, el filtrado del ancho de banda de FI se aplica mediante DSP y los datos se deciman fuertemente.
Los datos sin formato, ahora decimados a baja velocidad, S11, S12, S21, y S22 se envían a través de una conexión USB al software del analizador vectorial de redes Copper Mountain Technologies (CMT) que se ejecuta en el ordenador anfitrión para poder aplicar la calibración y mostrar los resultados en el formato deseado.
¿Para qué sirve un analizador vectorial de redes?
Los analizadores vectoriales de redes USB pueden utilizarse para una gran variedad de aplicaciones. Por ejemplo, un VNA puede utilizarse para evaluar un amplificador utilizado en un sistema de RF. Los amplificadores de RF pueden caracterizarse por su ganancia, pérdida de retorno, P1dB, coincidencia de salida y estabilidad. Es importante verificar estas características cuando se diseña un amplificador para un sistema.
Un VNA también puede utilizarse para evaluar las propiedades de un filtro de RF. Los filtros son una parte importante de la mayoría de los sistemas de RF. Un receptor diseñado para funcionar en un ancho de banda determinado tendrá invariablemente un filtro en el extremo frontal para limitar la entrada a esas frecuencias. Si la señal se mezcla hacia arriba o hacia abajo a otra frecuencia, se requiere un filtro antes del mezclador para evitar la mezcla ambigua en la frecuencia de la imagen.
Figura 2 – Medición del filtro
Un VNA puede medir la pérdida de inserción de banda pasante de un filtro, S21, y la pérdida de retorno en la entrada, S11. También puede medir las bandas de parada ya que los VNA de CMT tienen un rango dinámico excepcional que les permite medir tanto la banda pasante como las bandas de parada profundas en una sola medición, como se muestra en la Figura 2.
Una antena puede evaluarse con un VNA. Una antena debe convertir una señal en su línea de alimentación en energía de RF radiada si la frecuencia está dentro de su ancho de banda operativo. Una medición de la reflexión es suficiente para evaluar la idoneidad y la salud de una antena. Si la reflexión es alta, es evidente que se irradiará poca energía. Por el contrario, si la reflexión de la antena es baja, se puede suponer que se está radiando energía. Los parámetros que se suelen medir son la pérdida de retorno (S11) o la VSWR.
Los cables y las guías de ondas pueden medirse con un VNA. Es muy común utilizar un VNA en la producción de cables de RF. Los VNA portátiles de 1 puerto de Copper Mountain Technologies se utilizan cómodamente para verificar el correcto funcionamiento de los cables mientras están en la máquina de producción. Las líneas de alimentación de cables a antenas pueden evaluarse utilizando el modo de dominio en el tiempo para verificar la impedancia característica a lo largo de la distancia y comprobar si hay daños o entrada de humedad.
Las líneas de transmisión de guía de ondas pueden medirse con un adaptador coaxial a guía de ondas adecuado. Por ejemplo, una guía de ondas larga que va desde el radar hasta la antena transmisora de un buque de guerra puede evaluarse utilizando la función en el dominio de tiempo de forma muy similar a una línea de alimentación de cable. Se pueden localizar rápidamente abolladuras, golpes o pernos oxidados de la sección de la guía de onda.
Las propiedades dieléctricas de los materiales pueden medirse con un VNA. Los VNA de ondas milimétricas pueden utilizarse para realizar mediciones de materiales. Una lámina de un material que se va a medir se sujeta en un marco entre dos antenas conectadas a un VNA como en la Figura 3. Dos lentes enfocan el haz para transformar los frentes de onda circulares en ondas planas. Dos lentes enfocan el haz para transformar los frentes de onda circulares en ondas planas. De este modo pueden medirse las propiedades dieléctricas de una lámina de material.
Esto puede ser importante para evaluar un material utilizado para un radomo. La constante dieléctrica compleja del material puede calcularse a partir de mediciones de parámetros S en el aire.
Analizador vectorial de redes frente a analizador de espectro
Un analizador vectorial de redes (VNA) USB es muy diferente de un analizador de espectro (SA). El primero se utiliza para medir las características de transmisión y reflexión de un dispositivo bajo prueba (DUT), y el segundo es adecuado para medir las amplitudes de las frecuencias aplicadas a su entrada. Mientras que un osciloscopio puede mostrar la respuesta en el dominio de tiempo de una serie de señales de entrada, un SA muestra la transformada de Fourier de las señales, mostrando la amplitud distinta de cada componente de frecuencia.
Las figuras 4 y 5 muestran la medición con un osciloscopio y un analizador de espectro de dos señales, una a 130 MHz y otra a 220 MHz.
La utilidad del analizador de espectro es evidente. Muestra claramente la amplitud de los dos componentes de frecuencia por separado, cuando el contenido de frecuencia de la medición del osciloscopio es difícil de interpretar.
Existen grandes diferencias entre los diagramas de bloques de un SA y un VNA. En la Figura 6 se muestra un diagrama de bloques SA típico. Se requiere doble conversión (doble heterodino) para asegurar que las imágenes del mezclador no sean un problema. Además, las fuentes del oscilador local (LO), en particular la primera del diagrama de bloques siguiente, deben estar libres de señales espurias, y los productos de intermodulación (IM) de alto orden deben aparecer ahora en la FI de 15 GHz. Si no se pueden evitar los IM, se debe conmutar una ruta de FI adicional y cambiar el offset de LO en consecuencia. En otras palabras, en lugar del filtro de 15 GHz se podría utilizar un filtro de FI de 15,15 GHz, y el primer LO se desplazaría 200 MHz hacia arriba para esta ruta de FI y sólo para las frecuencias en las que hay espolones inevitables en la primera frecuencia de FI.
Figura 4 – Medición con osciloscopio de señales de 130 y 220 MHz
Figura 5 – Medición de señales de 130 y 220 MHz con el analizador de espectro
Por lo tanto, el SA se considera un receptor de seguimiento de banda ancha y muestra la cantidad de potencia de RF existente en cada frecuencia dentro de un ancho de banda de FI determinado por el filtrado FIR en la sección DSP.
Figura 6 – Diagrama de bloques del analizador de espectro
Algunos analizadores de espectro vienen con un generador de seguimiento. El generador barre junto con el receptor de seguimiento. Con el generador conectado a la entrada de un DUT y la salida conectada a la entrada SA, se puede medir la respuesta en frecuencia de un DUT. Esta función es similar a lo que hace un VNA, pero un analizador vectorial de redes USB sería mucho más preciso e incluiría información de fase.
¿Cómo se compara el diseño de un analizador de espectro con el de un VNA?
Un VNA tiene una arquitectura de RF mucho más sencilla. Una señal de estímulo -que va de una frecuencia de inicio a una frecuencia de parada- pasa a un DUT y, a continuación, los receptores de seguimiento miden las señales que lo atraviesan y se reflejan. Los receptores sólo son sensibles a las señales en la frecuencia de estímulo generada y sólo dentro del ancho de banda de FI de medida.
En la Figura 7 se muestra un diagrama de bloques de VNA típico. La señal de estímulo se dirige al puerto 1 o al puerto 2 y pasa a través de un puente direccional a cada lado. Los puentes son capaces de separar las señales por dirección de recorrido, de modo que los dos puertos de salida de los puentes son una muestra de la cantidad de señal que sale del puerto y de la que entra en él. Un mezclador en cada puerto de cada uno de los puentes reduce la alta frecuencia de estímulo a una frecuencia de FI mucho más baja, normalmente por debajo de 20 MHz. La FI de frecuencia constante se digitaliza y se utiliza un filtro DSP de baja latencia para aplicar el ancho de banda de FI (IFBW). Sólo se realiza una conversión, no doble como en un analizador de espectro.
Un diagrama de bloques como éste es susceptible a la ambigüedad de la imagen del mezclador. Por ejemplo, si el LO está 10 MHz por encima del estímulo para crear una FI de 10 MHz, entonces la respuesta deseada es causada por una señal 10 MHz por debajo del LO, pero una señal 10 MHz por encima también creará la misma señal de FI. Sin embargo, no es así como funciona un VNA.
Sólo hay una señal -el estímulo- y está completamente controlada por el analizador vectorial de redes USB y siempre está a LO-IF en frecuencia. La imagen no es un problema para la medición VNA normal, por lo que una arquitectura de conversión única (homodina) es aceptable.
Los receptores del VNA son también receptores de seguimiento como en un SA, y se puede utilizar un VNA como un SA rudimentario apagando la señal de estímulo y observando la potencia de la señal medida por uno de los receptores – A o B – que responden a las señales que entran por los puertos uno o dos del VNA respectivamente.
Figura 7 – Diagrama de bloques típico del VNA
Figura 8 – VNA utilizado como analizador de espectro
Figura 9 – Filtro de ancho de banda FI DSP de 1 kHz
Figura 10 – Medida SA real de una señal con IFBW de 1 kHz y Span de 100 kHz
Una sola señal aplicada al analizador vectorial de redes USB mostrará dos respuestas- una a la frecuencia real y otra a la imagen- o el doble de la frecuencia FI inferior. También puede haber algunas pequeñas señales espurias procedentes del LO. Un VNA LO no tiene que ser prístino como los que se utilizan en un SA, ya que el VNA normalmente sólo mide su propia frecuencia de estímulo.
La figura 8 muestra una señal cercana a 2,3 GHz medida por el receptor A del VNA. La fuente de estímulo del VNA se ha apagado y se ha elegido la medición absoluta del receptor A con un intervalo de 100 kHz alrededor de 2,3 GHz. Los lóbulos laterales del filtro de ancho de banda de FI de baja latencia del VNA implementado en el DSP son claramente visibles. Un SA utilizaría un DSP con lóbulos laterales mínimos ya que la visualización precisa de la señal es más importante que la velocidad de medida. El filtro de FI del DSP en el VNA está optimizado para el menor retardo con el fin de reducir la velocidad de medida. Los lóbulos laterales del filtro IF del VNA no degradan la precisión de la medición del VNA, pero el resultado no es visualmente tan limpio como lo sería una medición SA.
La Figura 9 muestra un primer plano del filtro de FI de 1 kHz en el VNA. Una señal de entrada perfectamente pura tendrá este aspecto si se visualiza por el VNA en este intervalo estrecho con el ancho de banda de FI ajustado a 1 kHz.
En comparación, la Figura 10 muestra una medida real del analizador de espectro de una señal con 1 kHz IF BW y 100 kHz span, igual que la medida de la Figura 9. No hay lóbulos laterales, ya que el filtro de FI del DSP está optimizado para minimizarlos en este dispositivo.
Un analizador de espectro y un analizador vectorial de redes USB están diseñados de forma muy diferente para satisfacer las necesidades de los tipos específicos de mediciones que realizan. Ambos instrumentos no son intercambiables.
¿Puedo utilizar un VNA como generador de señales?
Sí, puede ajustar el rango de barrido a “Zero Span” y ajustar la frecuencia al valor deseado y el VNA emitirá un tono de frecuencia constante. Sin embargo, hay algunas advertencias. La serie Compact de CMT utiliza bucles de enganche de fase fraccional-N para generar señales de alta resolución. Debido a esto, la frecuencia de salida puede estar desviada en una fracción de hercio. Por lo tanto, si el VNA se utiliza como fuente de frecuencia, otro generador de señal se utiliza para generar esa misma frecuencia, y los dos instrumentos están provistos de la misma referencia de base de tiempo de 10 MHz en el panel posterior, la señal del VNA puede no estar bloqueada en frecuencia con el generador. Sin embargo, éste sería un requisito inusual.
Generalmente no es necesario que un VNA acierte con precisión las frecuencias. Sólo es importante que las frecuencias IF internas medidas caigan dentro del ancho de banda IF del filtro DSP implementado en la FPGA.
Los VNAs de la serie Cobalt, tanto de 9 como de 20 GHz utilizan Síntesis Digital Directa (DDS) para generar los pasos finos de frecuencia, por lo que en ese caso las frecuencias de salida serán exactas.
¿Por qué son tan caros los VNA?
Los analizadores vectoriales de redes USB requieren fuentes de microondas programables y utilizan ADC de 14 bits de bastante alta velocidad para digitalizar la FI y una FPGA para implementar los requisitos DSP para mezclar digitalmente la FI hasta cero y aplicar el filtro de ancho de banda de FI utilizando un filtro FIR digital. Estos tres tipos de componentes no son baratos. Los amplificadores de microondas de banda ancha necesarios para aumentar las fuentes a un nivel lo suficientemente alto como para servir como oscilador local (LO) y fuente de estímulo se suman a este coste. Si el nivel máximo de salida del estímulo tiene que ser de +10 ó +15 dBm, la salida real del amplificador tiene que ser quizás 3 ó 4 dB superior para tener en cuenta las pérdidas a través del puente de medición. Un amplificador de banda ancha de 9 ó 20 GHz con esta potencia de salida no saturada es caro.
Es la combinación de componentes de alta frecuencia de banda ancha como estos, más la FPGA, lo que contribuye de forma abrumadora al coste de los bienes para el VNA.
Sin embargo, si el VNA se desarrolla con fuentes VCO/PLL de microondas integradas en lugar de un sistema multilazo de bloqueo de fase con VCO separados y un sintetizador digital directo (DDS) para lograr los pequeños pasos de frecuencia, puede implementarse a un costo menor. Los modelos económicos Compact de CMT están diseñados de esta forma. Los modelos Cobalt utilizan métodos de síntesis de señal más sofisticados y, como resultado, consiguen un mayor rango dinámico.
Por qué los VNA USB son más asequibles
Al eliminar el sistema operativo integrado, Copper Mountain Technologies puede ofrecer un analizador vectorial de redes USB de bajo costo. Los datos de medición sin formato se envían a través del bus USB a cualquier computador basado en Windows o Linux que ejecute nuestro software propietario para su procesamiento, visualización y análisis. El diseño del VNA desde cero con fuentes de RF integradas de última generación supone un ahorro de costos adicional. Nuestros VNA se construyen a medida en lugar de ensamblarse a partir de costosas piezas de equipos de prueba heredados. El precio más bajo del analizador vectorial de redes refleja estos avances tecnológicos. Se trata de una evolución, ya que el VNA se convierte en una sofisticada extensión de medición de una computadora portátil. Ya no es necesario tener un VNA del tamaño de un horno microondas en la mesa del laboratorio.
Los analizadores vectoriales de redes USB de Copper Mountain Technologies realizan mediciones precisas con una gran metrología. Nuestros laboratorios ISO-17025 en Indianápolis, IN y en Paphos, Chipre, con certificación hasta 50 GHz, nos permiten proporcionar certificados de calibración con incertidumbres trazables al NIST. CMT fabrica VNA con una precisión y estabilidad excepcionales a un coste de propiedad inferior.
¿Cómo decidir cuál es el mejor analizador vectorial de redes?
En primer lugar, el VNA es tan bueno como el kit de calibración utilizado para calibrarlo. Un kit de calibración barato puede degradar enormemente la precisión de las mediciones. El Módulo de Calibración Automática (ACM) de CMT es muy recomendable para lograr el más alto nivel de precisión en las mediciones.
Una vez realizada la calibración del usuario, el VNA debe permanecer estable. Normalmente, un modelo Compact de CMT se desviará alrededor de 0,05 dB durante un período de 24 horas, siempre que la temperatura en el laboratorio se mantenga razonablemente constante.
El rango dinámico del VNA se define como la potencia máxima de salida menos el ruido de fondo del receptor en un ancho de banda de 10 Hz. Para medir la pérdida de inserción de un filtro y simultáneamente ver una banda de parada profunda en la pantalla se requiere un alto rango dinámico. Se trata de una especificación importante. El rango dinámico para un SC5090 Compact VNA se muestra en la Figura 11 y es de 138 a 140 dB en un amplio rango de frecuencias.
Figura 11 – Especificaciones del rango dinámico del SC5090
La fuente sin procesar y la coincidencia de carga son importantes, pero no críticas. Sus efectos están en su mayoría calibrados.
El seguimiento de la reflexión residual y el seguimiento de la transmisión determinarán la precisión del VNA en un amplio rango. Estos dos errores residuales, junto con el error de directividad residual, son función del kit de calibración utilizado. Los números proporcionados en una hoja de datos de CMT se basan en la calibración con un ACM.
Figura 12 – Parámetros residuales basados en la calibración ACM
La velocidad de medición suele ser una especificación crítica. El uso de un VNA lento resulta frustrante si es necesario observar en tiempo real los resultados de la sintonización o los cambios en el circuito. La velocidad de medida del SC5090 se muestra en la Figura 13. Observe que la velocidad de medición es el doble con la calibración completa de 2 puertos. Esto se debe a que los cuatro parámetros S deben medirse para producir una medición calibrada de cualquier parámetro para una calibración de 2 Puertos y el VNA debe filtrarse en ambas direcciones; Puerto 1 a 2 y luego Puerto 2 a 1.
Figura 13 – SC5090 Velocidad de medición
Si necesita funciones analíticas como análisis en el dominio del tiempo, compuerta, incrustación, de-incrustación, tenga la seguridad de que están disponibles en el VNA. Todos los analizadores vectoriales de redes CMT USB incluyen estas funciones sin costo adicional*.
*Los VNA de la serie M no incluyen funciones avanzadas.
