El blog sobre Guía para Mediciones Precisas de Parámetros S con Analizadores de Red

En el campo de la ingeniería electrónica, evaluar y optimizar con precisión el rendimiento de las redes de circuitos es crucial. Sin mediciones precisas de las características del circuito, diseñar dispositivos electrónicos de alto rendimiento sería como navegar con los ojos vendados. Los analizadores de redes sirven como la solución fundamental a este desafío al medir la impedancia y la atenuación en las redes de circuitos, proporcionando a los ingenieros información crítica.

Los analizadores de redes son instrumentos especializados diseñados para analizar redes de circuitos electrónicos, con capacidades principales centradas en la medición de la impedancia y la atenuación. Los avances tecnológicos han ampliado continuamente su rango de frecuencia, que ahora cubre bandas de ondas milimétricas de hasta 110 GHz, ampliando significativamente su alcance de aplicación.

Hay dos tipos principales de analizadores de redes:

• Analizadores de redes escalares: Miden solo la amplitud de la señal para determinar las características de frecuencia. Su arquitectura más simple facilita la implementación de mediciones de alta frecuencia.
• Analizadores de redes vectoriales (VNA): Miden tanto la amplitud como la fase de la señal, proporcionando información completa de la red de circuitos. Los VNA ofrecen una precisión de medición superior y se han vuelto indispensables en las aplicaciones modernas de medición electrónica.

Dado el papel fundamental de los VNA en la electrónica contemporánea, este artículo se centra específicamente en los principios y aplicaciones de los analizadores de redes vectoriales.

Si bien varios parámetros pueden describir las redes de circuitos (incluidos los parámetros V, los parámetros Z y los parámetros H), los analizadores de redes utilizan principalmente los parámetros S (parámetros de dispersión) debido a su naturaleza basada en la potencia, lo que los hace particularmente adecuados para la caracterización de circuitos de alta frecuencia.

La arquitectura fundamental de un analizador de redes comprende varios componentes clave: una fuente de señal, un divisor de señal (divisor de potencia), un acoplador direccional y al menos tres receptores. Estos elementos deben cubrir todo el rango de frecuencia operativa del instrumento.

El proceso de medición comienza con la fuente de señal que genera una señal de prueba que se divide en dos caminos: uno se conecta a un receptor de referencia (R) como línea de base, mientras que el otro sirve como señal incidente que ingresa al dispositivo bajo prueba (DUT) a través del acoplador direccional. El receptor A captura las señales reflejadas, mientras que el receptor B mide las señales transmitidas.

Los parámetros S se determinan calculando las relaciones A/R y B/R. Las señales recibidas se convierten a frecuencias intermedias, seguidas de una detección síncrona para extraer componentes reales e imaginarios. El procesamiento digital presenta luego estos datos en varios formatos, incluidos los diagramas de Smith, la magnitud logarítmica, la fase y el retardo de grupo.

Los parámetros S describen cuantitativamente las características de transmisión y reflexión de un DUT. Para una red de dos puertos, los parámetros S clave son:

• S11: Señal reflejada desde el puerto 1 cuando se excita en el puerto 1
• S21: Señal transmitida al puerto 2 cuando se excita en el puerto 1
• S12: Señal transmitida al puerto 1 cuando se excita en el puerto 2
• S22: Señal reflejada desde el puerto 2 cuando se excita en el puerto 2

Cada parámetro S es un número complejo con componentes reales (magnitud) e imaginarios (fase). Las características de transmisión (S21/S12) se relacionan con la ganancia, la pérdida, el aislamiento, el retardo de grupo y los coeficientes de transmisión, mientras que las características de reflexión (S11/S22) corresponden a la impedancia, la pérdida de retorno, la relación de onda estacionaria de voltaje (VSWR) y el coeficiente de reflexión.

La excepcional precisión de medición de los analizadores de redes se deriva de los sofisticados procesos de calibración que eliminan los errores inherentes del sistema. Al medir estándares conocidos (abierto, cortocircuito, carga), el sistema caracteriza sus propios parámetros S y luego elimina matemáticamente estos errores de las mediciones del DUT durante el post-procesamiento.

• SOLT (Corto-Abierto-Carga-A través): Estándar para sistemas coaxiales
• Cortocircuito compensado: Preferido para aplicaciones de guía de ondas
• LRL/TRL/LRM (variantes de Línea-Reflejo-Línea): Ideal para estructuras de microcinta y guía de ondas coplanares (CPW)

1. Establecer planos de referencia de medición en los extremos del cable coaxial (puerto 1 y 2)
2. Medir abierto (∞ resistencia) en el puerto 1 y cortocircuito (0 resistencia) en el puerto 2, almacenando las respuestas de reflexión directa
3. Invertir los estándares y medir las respuestas de reflexión inversa
4. Conectar cargas coincidentes (50Ω) a ambos puertos para mediciones de direccionalidad/aislamiento
5. Realizar una conexión directa entre los puertos para la caracterización de la respuesta de transmisión

Los estándares de calibración generalmente se rastrean a los estándares de medición nacionales, lo que permite la corrección de errores a través de las matemáticas vectoriales. La calibración completa de dos puertos (corrección de errores de 12 términos) aborda los errores de direccionalidad, coincidencia de fuente/carga, respuesta de frecuencia y aislamiento.

Si bien la calibración elimina los errores sistemáticos, quedan varias fuentes de error no repetibles:

• Variaciones de repetibilidad del conector
• Ruido residual del receptor
• Fluctuaciones ambientales (temperatura, humedad, vibración)
• Impactos de la estabilidad de la frecuencia en las mediciones de fase
• Repetibilidad del proceso de calibración

Las prácticas de medición óptimas incluyen:

• Mantener un par de apriete constante del conector
• Controlar la temperatura ambiente
• Usar fuentes de señal de alta estabilidad
• Minimizar el movimiento del cable coaxial durante las mediciones

Estas precauciones ayudan a minimizar las contribuciones de errores inestables y garantizan la precisión de la medición.

Los analizadores de redes representan herramientas indispensables en la medición electrónica moderna. A través de una comprensión integral de la teoría de los parámetros S, prácticas de calibración meticulosas y una cuidadosa gestión de errores, los ingenieros pueden caracterizar y optimizar con precisión el rendimiento de la red de circuitos. Dominar las técnicas de los analizadores de redes sigue siendo esencial para los profesionales que trabajan en el diseño de circuitos de RF, microondas y digitales de alta velocidad.