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Los analizadores vectoriales de redes (VNA) son quizás el equipo de prueba más complejo y versátil en el campo de la ingeniería de RF. Al medir ondas progresivas hacia adelante y hacia atrás, los VNA pueden caracterizar la respuesta de un dispositivo bajo prueba (DUT). La Figura 1 muestra el diagrama de bloques básico de un VNA típico.
Ilustración 1. Diagrama de bloques básico de VNA. Imagen cortesía de David M. Pozar
Un VNA utiliza una fuente interna para generar una señal de estímulo conocida, que luego se aplica al puerto de entrada del DUT. Parte de la señal se refleja desde el puerto de entrada mientras que otra parte pasa a través del DUT y llega al puerto de salida. El VNA caracteriza el desempeño del DUT en términos de sus coeficientes de reflexión y transmisión midiendo la magnitud y fase de las olas incidentes y reflejadas en cada puerto.
Para comprender qué impulsa el rendimiento del VNA, debemos comprender el hardware interno del VNA. Los artículos anteriores de esta serie se han centrado en los acopladores direccionales utilizados en los puertos VNA, tanto en su papel clave en la funcionalidad VNA como en su impacto en la precisión de las mediciones. En este artículo nos centraremos en los generadores y receptores de señales VNA.
Componentes fuente VNA
Para mediciones básicas del parámetro S, la fuente interna del VNA debe producir una onda sinusoidal monótona. Para mediciones más avanzadas, es posible que necesitemos entradas multitono o señales moduladas para caracterizar más completamente el DUT. Para permitir diferentes tipos de mediciones, la frecuencia y potencia de la fuente interna también deben ser ajustables.
Los VNA utilizan un sistema de bucle de bloqueo de fase (PLL), como se muestra en el diagrama de bloques simplificado de la Figura 2, para proporcionar la estabilidad de frecuencia y la pureza espectral requeridas.
Figura 2. Diagrama de bloques simplificado de un PLL. Imagen cortesía de dispositivos analógicos
El rendimiento del PLL depende en gran medida de las características del oscilador sintonizable utilizado. Dos opciones comunes para construir un oscilador de microondas/RF sintonizable son:
- Osciladores controlados por voltaje (VCO).
- Osciladores sintonizados (YTO) de itrio y hierro granate (YIG).
Como puede ver, el oscilador de la Figura 2 es un VCO. La mayoría de los EE están al menos algo familiarizados con el funcionamiento de los VCO, por lo que los analizaremos brevemente antes de pasar a los osciladores YIG.
Los VCO se basan en LC agrupados o en resonadores de microcinta distribuidos y utilizan diodos varactor para implementar un condensador sintonizable. normalmente tienen uno q desde unas pocas decenas hasta unos pocos cientos. Debido a su baja q y alta sensibilidad de sintonización, los VCO de banda ancha tienen un ruido de fase más alto que los osciladores sintonizados YIG.
Debido a su bajo ruido de fase de banda ancha y su amplio rango de sintonización, los osciladores YIG son el corazón de muchos generadores de señales de banda ancha modernos. La Figura 3 muestra un par de osciladores sintonizados Micro Lambda YIG.
Figura 3. Osciladores sintonizados YIG de la serie MLOS. Imagen cortesía de Micro Lambda
Osciladores YIG
El granate de hierro ytrio es un material ferrimagnético sintético con propiedades magnéticas y de microondas únicas. Un resonador YIG tiene la forma de una pequeña esfera de aproximadamente 500 μm de diámetro, hecha de un solo cristal del material. La esfera YIG suele montarse en la punta de una varilla de cerámica, como se muestra en la Figura 4.
Figura 4. Una esfera YIG montada sobre una varilla de cerámica como parte de un oscilador. Imagen cortesía de Comunicaciones VHF
El cinturón en forma de U en la Figura 4 es una bobina de acoplamiento que rodea la esfera YIG y la posiciona en el campo magnético de un electroimán. La frecuencia de resonancia de la esfera es una función linealmente proporcional de la intensidad del campo magnético, que se puede ajustar sintonizando la corriente continua que fluye a través del electroimán. Uno relativamente alto q– en el rango de 4.000 a 10 GHz – se puede lograr con este tipo de resonador.
Ventajas y desventajas de los YTO sobre los VCO
Los YTO tienen las siguientes propiedades beneficiosas:
- Ruido de fase de banda ancha bajo.
- Un área de tuning muy grande.
- Una curva de sintonía altamente lineal.
De manera menos favorable, los osciladores YIG exhiben efectos de histéresis que reducen su velocidad de sintonización. Esto presenta un desafío para las aplicaciones VNA donde la fuente debe moverse rápidamente a través de frecuencias para capturar la respuesta de frecuencia del DUT. Los osciladores YIG también son grandes, consumen mucha energía y son caros en comparación con los VCO.
Vale la pena señalar que algunas empresas han experimentado con el desarrollo de alternativas competitivas a los osciladores sintonizados YIG. Un ejemplo son los circuitos integrados PLL/VCO descritos en esta nota de aplicación de Analog Devices.
Requisito de pureza espectral versus ruido de fase
Aunque el ruido de fase de la fuente afecta a todas las mediciones, el requisito de pureza espectral se puede relajar en algunos casos, como cuando se caracteriza la respuesta lineal de un dispositivo. Esto se debe a que el VNA conoce la frecuencia de la señal de estímulo. Por lo tanto, puede establecer la frecuencia correcta y realizar mediciones precisas incluso si hay presentes componentes de frecuencia no deseados.
Sin embargo, es más probable que las mediciones no lineales, como la distorsión de intermodulación y la conversión de frecuencia, se vean afectadas por componentes de frecuencia no deseados de la fuente.
Receptor VNA
Si volvemos a mirar el diagrama de bloques de la Figura 1, podemos ver que hay dos receptores integrados en el puerto de entrada del dispositivo bajo prueba (puerto 1) para medir las ondas incidentes y reflejadas. El destinatario de la Canal de referencia procesa el estímulo; El destinatario de la Medición o canal de prueba Mide la señal reflejada desconocida.
También hay un receptor en el puerto de salida del DUT (puerto 2) para medir la señal emitida por el dispositivo. El VNA de la Figura 1 también nos permite enrutar la señal de estímulo al puerto 2, lo que facilita la medición tanto del coeficiente de reflexión de salida como de los DUT. S12 Coeficiente de transmisión. Por tanto, cada uno de los puertos VNA tiene detrás un receptor de referencia y un receptor de medidas.
Debido a que es difícil determinar la amplitud y el ángulo de fase de las señales de alta frecuencia, los receptores convierten las ondas de entrada en señales equivalentes de baja frecuencia. Estos, a su vez, se convierten en sus correspondientes señales digitales, que luego se utilizan para determinar la información de amplitud y fase de las señales originales.
Curiosamente, una vez que un VNA está equipado con estos receptores, se puede combinar con una o más antenas para crear un sistema de radar. Mediante el uso de técnicas de imagen, podemos utilizar un sistema de radar de este tipo para detectar defectos invisibles en los materiales sin tener que recurrir a la tecnología de rayos X.
Arquitectura de receptor heterodino
Los receptores VNA suelen utilizar una arquitectura heterodina. El término heterodino se deriva de hetero (diferente) y Dina (Mezcla). Apropiadamente, estos receptores mezclan dos señales de diferentes frecuencias: una de la entrada y otra de un oscilador local.
La Figura 5 muestra un diagrama de bloques simplificado de canales de prueba y referencia heterodinos. Los ejes de entrada están marcados con vA Y vb; los osciladores locales se denominan LO. Un único procesador de señal digital (DSP) procesa las señales de ambos canales.
Figura 5. Diagrama de bloques simplificado de la referencia y canales de un VNA. Imagen cortesía de Steve Arar
En la Figura 5, cada señal de entrada de alta frecuencia es:
- Pasa a través de un filtro de paso de banda (BPF).
- Introduzca un mezclador de RF.
- Mezclado con una señal del oscilador local (LO) del receptor.
- Sale del mezclador de RF y pasa por un filtro de paso bajo (LPF).
- Pasa a través de un convertidor analógico a digital (ADC).
- Activa el DSP.
El filtro de paso de banda realiza el rechazo de la frecuencia de la imagen para el mezclador de RF. Luego, el mezclador convierte la entrada de RF que tiene la frecuencia FRFa una frecuencia intermedia (FSI). Esta frecuencia resulta de:
$$f_{IF}~=~|f_{RF}~-~f_{LO}|$$
Dónde FLO es la frecuencia del oscilador local.
Los mezcladores de RF desempeñan un papel crucial en el rango dinámico del VNA. Aplicar una señal muy grande al mezclador puede causar distorsión, mientras que una señal muy pequeña no se puede distinguir del ruido. Por lo tanto, el diseño de mezcladores de conversión descendente generalmente implica un compromiso crucial entre la figura de ruido y la linealidad del sistema.
El filtro de paso bajo (IF) de frecuencia intermedia representa el siguiente bloque en la cadena de señal. Este filtro se utiliza para limitar el ancho de banda de la señal y evitar el alias en el ADC. Además, una gran parte del ruido recibido se mantiene alejado de los eslabones posteriores de la cadena de procesamiento de la señal.
Finalmente, el ADC digitaliza la señal y la entrega al DSP para su posterior procesamiento. El DSP determina la relación de amplitud y la diferencia de fase de las señales de entrada de prueba y de referencia. Esta información luego se utiliza para caracterizar el desempeño del examinado. Para obtener mediciones precisas, los receptores de prueba y de referencia deben coincidir bien.
El procesador de señal digital.
La Figura 6 muestra algunos detalles adicionales de la funcionalidad DSP.
Figura 6. Diagrama de bloques simplificado de un DSP utilizado en análisis de redes vectoriales. Imagen cortesía de Rohde & Schwarz
Como puede ver en la imagen de arriba, este DSP incluye un convertidor descendente digital (DDC) para procesamiento IF digital. Aquí se utilizan dos multiplicadores digitales como mezcladores de cuadratura para convertir la señal IF a CC. Si desea obtener más información sobre la funcionalidad de esta parte del receptor, lea «Fundamentos del análisis de redes vectoriales» de Rohde & Schwarz.
Resumen
En este artículo, aprendimos el funcionamiento interno de los VNA examinando sus fuentes y receptores de señales. Los artículos futuros de esta serie discutirán cómo calibrar, analizar y mejorar el rendimiento de VNA. Hasta entonces, espero que la discusión de hoy les haya resultado interesante e informativa.
Imagen destacada utilizada con permiso de Adobe Stock
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