Intro al análisis de redes vectoriales y VNA
La mayoría de los ingenieros de diseño están familiarizados con herramientas del oficio como voltímetros, osciloscopios, generadores de señales y analizadores de espectro.
Es posible que algunos no hayan tenido la oportunidad de utilizar un analizador vectorial de redes (VNA). La intención de este artículo es presentar la medición VNA y presentar algunas aplicaciones típicas.
¿Por qué es útil un VNA?
Las líneas de transmisión pueden soportar la propagación de RF en cualquier dirección.
Las señales que viajan a lo largo de una línea de transmisión pueden encontrar degradaciones localizadas que no son precisamente de 50 Ω, como conectores o transiciones de medios coaxiales a medios planos (otras impedancias como la de 75 Ω son comunes, pero para los propósitos de esta explicación usaremos 50 Ω). ).
Cada deterioro genera una reflexión que viaja de regreso hacia la fuente a lo largo de la línea de transmisión.
Una carga de 50 Ω en el extremo de una línea de transmisión de 50 Ω absorbe toda la energía de la señal y no refleja nada. Cualquier carga distinta de 50 Ω generará cierta cantidad de reflexión.
Cuanto más alejada esté la carga de 50 Ω, mayor será la reflexión.
Un corto circuito o uno abierto reflejan toda la señal de regreso a la fuente. Para caracterizar las reflexiones, introducimos el coeficiente de reflexión (Γ):
donde z 0 es la impedancia característica de la fuente y la línea de transmisión y z es la impedancia compleja de la carga.
Si z es 0 (un corto), entonces Γ = −1, o una reflexión completa que está desfasada 180 grados con la señal incidente.
Si z es infinito (abierto), entonces Γ = 1, o una reflexión completa en fase con la señal incidente.
Si z = z 0 (una carga de 50 Ω), entonces Γ = 0, lo que significa que no hay reflexión alguna.
Un VNA puede separar y medir señales incidentes y reflejadas y, por tanto, determinar directamente los coeficientes de reflexión.
La figura representa una medición VNA.
- La señal incidente sale del VNA por el puerto 1 y llega a la entrada del dispositivo bajo prueba (DUT).
- En esa interfaz, puede haber algo de reflexión que regresa al Puerto 1.
- El resto de la señal pasa a través del DUT e ingresa al Puerto 2 del VNA.
- Dos receptores en el Puerto 1 miden tanto las ondas incidentes como las reflejadas y un receptor en el Puerto 2 mide las ondas que entran allí.
A la relación entre la onda incidente y la onda reflejada la llamamos coeficiente de reflexión S 11 .
La relación entre la señal que entra por el puerto 2 y la señal incidente que sale del puerto 1 se denomina S21 .
En el mundo real, habría reflejos dentro del DUT y otro reflejo en el conector de salida, pero no se muestran para mantener el diagrama simple.
Sólo hay unas pocas posibilidades de lo que le puede pasar a la señal de incidente:
- Puede reflejarse en la fuente en uno o más lugares.
- Puede disiparse en forma de calor dentro del dispositivo bajo prueba.
- El DUT puede irradiarlo.
- Puede pasar por el DUT y llegar al Puerto 2.
Si la señal no se disipa ni se irradia, entonces existe una relación directa entre S 21 y S 11 . Eso es:
¿Cómo es una medición VNA?
En la medición real que se muestra a continuación, se conecta un filtro de paso de banda de 4 GHz a un SC5090, un analizador de 2 puertos de 9 GHz.
En este gráfico, la escala de dB en el lado izquierdo es relevante para la traza roja S 11 , y el cero para S 21 está en la parte superior de la pantalla.
Los marcadores muestran valores reales.
El trazo rojo muestra S 11 , que es el reflejo del filtro.
En lugares donde el filtro no pasa la señal, ésta se refleja por completo.
En este caso, 0 dB es igual a un “1” lineal o reflexión completa. En los lugares que casi no tienen reflexión, donde S 11 es inferior a −20 dB, la señal pasa a través del filtro con muy poca pérdida.
Cuando se habla de filtros, la medida a través del filtro (la pérdida de inserción ) es la lectura S 21dentro de la banda de paso y la pérdida de retorno es la medida S 11 en la banda de paso.
Aquí, la pérdida de inserción es de 1,2 dB en el medio de la banda de paso y la pérdida de retorno es mejor que 20 dB.
Ambos números se expresan tradicionalmente como valores positivos, aunque los propios parámetros S sean negativos.
La figura siguiente muestra las mediciones que se toman en una antena Wi-Fi.
Esta antena recibe y transmite en la banda de 2,4 GHz. Una medición de un puerto de la antena revela una fuerte caída en S 11 a 2,42 GHz y valores razonablemente bajos en todo el rango de medición.
Debido a que el S 11 muestra muy poca reflexión (o una alta pérdida de retorno) a través de la banda Wi-Fi, la señal de estímulo del VNA debe irradiarse de manera eficiente. Por tanto, esta antena funciona correctamente.
La matriz de parámetros S
S 11 representa la relación entre la reflexión de regreso al Puerto 1 y la señal emitida por el Puerto 1, y S 21 es la relación entre la señal medida en el Puerto 2 y la señal emitida por el Puerto 1.
De manera similar, S 22 es la relación de la señal reflejada de regreso al Puerto 2 a la señal emitida por el Puerto 2, y S 12 es la relación entre la señal medida en el Puerto 1 y la señal emitida por el Puerto 2.
Estas dos últimas podrían denominarse mediciones inversas , ya que la señal se está emitiendo por el Puerto 2 en lugar del Puerto 1.
Si se conocen los cuatro parámetros S en frecuencia para un dispositivo bajo prueba lineal de dos puertos, entonces esto representa una caracterización completa del dispositivo.
Los parámetros S, guardados en formato Touchstone, se pueden utilizar en un simulador lineal para estudiar cómo se comportará el dispositivo bajo prueba con diversas cargas y excitaciones de RF.
Conclusión
El VNA mide las propiedades de RF de un DUT emitiendo una onda de voltaje de RF y posteriormente mide cuánto se refleja y cuánto pasa a través del DUT para una medición de dos puertos.
Para una medición de un puerto, simplemente mide la onda reflejada.
Una reflexión baja significa que la señal ingresa al DUT y muy poca regresa.
Se pueden realizar mediciones como ésta para determinar la función y la idoneidad de un dispositivo desconocido o para crear un archivo Touchstone para su uso en simulación lineal.
Esto convierte al VNA en una herramienta muy poderosa para el ingeniero de RF.
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