Autor: Alexander Chenakin, Jon Marteens, Navneet Kataria y Aaron Miller – Anritsu Company
Los analizadores de redes vectoriales (VNA) son una parte integral del sector de la radiofrecuencia y las microondas [1-2] y siguen experimentando un fuerte crecimiento, con una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) superior al 6 % en ámbitos como la investigación y el desarrollo, la integridad de la señal, el sector aeroespacial y de defensa, y otras aplicaciones [3]. Se utilizan ampliamente para caracterizar diversos dispositivos pasivos, activos o de conversión de frecuencia, como los mezcladores. Los VNA modernos incorporan cada vez más tecnologías avanzadas que permiten realizar mediciones más rápidas, precisas y automatizadas con una intervención mínima por parte del usuario. El analizador vectorial de redes Tensor™ de Anritsu supone un avance significativo en este campo. Incorpora capacidades de inteligencia artificial (IA), un rendimiento para medidas de alta velocidad y una mayor flexibilidad arquitectónica. Entre sus características principales se incluyen:
- La primera configuración y optimización de medidas asistidas por IA del mundo
- Adquisición y transferencia de datos de alta velocidad
- Fuente dedicada por puerto para una mayor flexibilidad
- Control independiente de múltiples fuentes y receptores
- Capacidad de medición biestática real
Figura 1. Analizador de redes vectoriales Tensor™ de Anritsu.
Aplicaciones
El Tensor cumple todos los requisitos para definirse como una plataforma moderna de última generación que admite una amplia gama de aplicaciones en múltiples sectores:
Integridad de la señal. La integridad de la señal es uno de los segmentos de mercado de más rápido crecimiento. El Tensor permite realizar mediciones multipuesto precisas para sistemas digitales de alta velocidad e infraestructura de servidores de datos. La comprobación de más trazas de cobre en una placa de circuito impreso (PCB) que conecta dispositivos modernos de alta velocidad (como CPU y GPU dedicadas a servidores de datos), interconexiones eléctricas, placas base y cables de servidor son algunos ejemplos en los que es necesario utilizar analizadores de redes vectoriales (VNA) para garantizar que se mantenga la integridad de la señal. La arquitectura escalable del Tensor (de 8 a 128 puertos mediante matrices de conmutación), combinada con un software de automatización propio, permite realizar mediciones de gran precisión, repetibles y eficientes con un excelente rango dinámico.
Aeroespacial y defensa. A medida que aumenta la complejidad de los sistemas de RF, como los satélites, las matrices en fase y los front-ends de radar, la caracterización precisa de los componentes individuales se vuelve fundamental. Incluso las desviaciones de rendimiento más leves pueden comprometer la funcionalidad del sistema. Los dispositivos activos, los mezcladores, los filtros de alto rango dinámico y los variadores de fase son ejemplos que deben someterse a pruebas precisas y rápidas. El VNA de Tensor, con una fuente dedicada por puerto, permite realizar pruebas simultáneas de múltiples dispositivos sin necesidad de generadores de señal externos. Funciones avanzadas como el control de fuentes múltiples (MSC) permiten una configuración flexible de la frecuencia, lo que mejora significativamente la eficiencia y la capacidad de las pruebas.
Investigación y desarrollo. El ámbito de la investigación y el desarrollo es siempre el principal mercado para los VNA, ya que exige la máxima flexibilidad. El VNA Tensor (al igual que una navaja suiza) no solo consta de un núcleo de VNA puro, sino que también puede utilizarse como un generador de señales altamente reconfigurable de múltiples salidas (con cuatro fuentes independientes) con una excelente pureza espectral y velocidad de conmutación. Esto reduce la necesidad de contar con instrumentación adicional costosa y simplifica las complejas configuraciones de prueba.
Rendimiento y funcionalidad
Los avances en el análisis de redes vectoriales se dividen en dos categorías: mejoras en los parámetros de rendimiento tradicionales y la introducción de nuevas funcionalidades. La plataforma Tensor aborda ambas. Uno de los aspectos clave del primer grupo es la fuente de potencia de RF y la capacidad de manejo de potencia. Ambos pueden ser importantes para medir dispositivos de potencia, mientras que el primero puede ser relevante incluso para mediciones pasivas cuando el escenario de prueba (por ejemplo, pruebas «over-the-air», accesorios con pérdidas, etc.) está limitado por la relación señal-ruido (SNR). En este caso limitado por la SNR, una mayor potencia de la fuente permite disponer de un mayor margen por encima del umbral de ruido del instrumento cuando el dispositivo bajo prueba (DUT) o las pérdidas en la ruta son elevadas. Las potencias disponibles en los puertos del instrumento Tensor superan los 15 dBm en todas las frecuencias con opciones de hardware mínimas y, por lo general, pueden situarse en ese rango con las opciones de hardware habituales seleccionadas. Esa potencia de la fuente también resulta valiosa cuando el VNA proporciona el oscilador local (LO) para un DUT con conversión de frecuencia (la importancia depende de la tecnología del dispositivo). La pureza espectral de la fuente también se ha mejorado en términos de ruido de fase (en unos 20 dB con respecto a la generación anterior) y de contenido armónico. Las mejoras en la pureza espectral pueden resultar valiosas cuando se utiliza una fuente como oscilador local (LO) de un mezclador para mediciones de ondas milimétricas (donde los factores de multiplicación pueden ser elevados) y para mejorar el ruido general de la traza.
La capacidad de manejo de potencia ha aumentado gracias al uso de nuevos diseños de acopladores (capaces de manejar más de 5 vatios), nuevos atenuadores escalonados del lado de recepción (con repetibilidad mejorada) y receptores de alta linealidad. Los atenuadores escalonados del lado de recepción no son electromecánicos, por lo que pueden activarse tras una calibración y no será necesario volver a realizarla solo por errores de repetibilidad, como podía ocurrir en los instrumentos de generaciones anteriores. Para una alta capacidad de manejo de potencia, otro aspecto importante es la adaptación de los puertos, que es lineal para potencias incidentes de hasta más de 20 dBm (y, de nuevo, se pueden utilizar atenuadores internos o externos para elevar aún más ese nivel). Las mejores cifras de ruido del receptor, en comparación con las generaciones anteriores, ayudan a reducir el ruido de fondo del sistema en todas las configuraciones. En combinación con una mayor potencia de la fuente, esto suele traducirse en un rango dinámico del sistema 15 dB mayor (dependiendo del rango de frecuencias y de la configuración).
La velocidad suele ser un parámetro tradicional de gran importancia y las velocidades de medición con un ancho de banda de IF de 1 MHz (con un elevado número de puntos) son aproximadamente cinco veces más rápidas en comparación con la generación anterior de instrumentos. La velocidad de medición es una magnitud multifacética y también se han producido mejoras significativas en las mediciones de onda continua (CW) y de barrido de pocas frecuencias (entre 10 y 20 veces). Este último aspecto relacionado con la velocidad puede resultar valioso para determinadas mediciones de producción y de transmisión en directo, en las que el número de puntos de frecuencia por medición puede no ser elevado, pero el número de mediciones necesarias sí lo es. La velocidad de transferencia remota de datos también ha aumentado (aproximadamente 5 veces en comparación con la generación anterior), lo que puede ser importante en campañas de medición más prolongadas y en pruebas que requieran un elevado número de puntos.
Los cambios funcionales contribuyen a simplificar la configuración de la medición, facilitan el análisis o la interpretación de los datos, o permiten realizar diferentes mediciones o calibraciones. Los cambios funcionales en esta familia de instrumentos se clasifican en varias categorías:
- Mediciones de ondas milimétricas (de dos y cuatro puertos) sin necesidad de un equipo de prueba (aunque se requiere una opción). Con esta opción, todas las capacidades de control y excitación de RF y LO se añaden al chasis del VNA, por lo que es posible realizar mediciones de ondas milimétricas en bandas con casi cualquier módulo disponible (desde Anritsu hasta 220 GHz y de otros proveedores hasta más de 1 THz). Una mayor pureza espectral de la fuente contribuye a mejorar el rendimiento en las frecuencias más altas de ondas milimétricas, y un control de potencia más flexible simplifica las configuraciones.
- Asistentes para simplificar las configuraciones y calibraciones de clases específicas de dispositivos bajo prueba (DUT) (por ejemplo, amplificadores y mezcladores, como se muestra en la figura 2). Estas herramientas guían al usuario a través de la introducción de los parámetros necesarios del DUT, la selección de la medición y los pasos de calibración requeridos antes de configurar los canales y trazas necesarios para obtener mediciones razonables en los escenarios más comunes. Por supuesto, todas las mediciones también pueden organizarse manualmente para obtener la máxima flexibilidad y abarcar escenarios de prueba más complejos.
- Mediciones de amplificadores configurables mediante el asistente: parámetros S de pequeña señal, métricas de estabilidad, compresión de ganancia (incluidas AM/AM y AM/PM), niveles de distorsión de intermodulación y puntos de intersección, así como armónicos.
- Mediciones del mezclador configurables mediante el asistente: parámetros S (adaptación y aislamiento), conversión y fase de conversión, compresión de ganancia de conversión y sensibilidad del LO.
- Se ofrece una opción de configuración dinámica de dos LO en la que los LO internos pueden redirigirse a diferentes receptores para permitir calibraciones más avanzadas del mezclador, mediciones múltiples en diferentes planos de frecuencia y la optimización del ruido en dispositivos bajo prueba (DUT) complejos. No solo se puede utilizar cualquiera de los dos LO para todos los receptores, sino que cada LO también puede redirigirse a diferentes receptores según sea necesario.
- Una interfaz de usuario más flexible en la que los datos se pueden organizar en hasta 4.096 trazas utilizando hasta 512 canales de medición. La presentación se puede gestionar mediante un sistema de ventanas y pestañas de visualización que permite una interpretación rápida y exhaustiva de los resultados. Este enfoque ofrece una configurabilidad considerablemente mayor que en generaciones anteriores.
- Un solo canal puede tener hasta 1 000 000 de puntos de medición y el total, en cualquier configuración del instrumento, puede alcanzar los 3 000 000 de puntos de medición. Aunque pueda parecer una cifra elevada, permite utilizar una única calibración para numerosos subconjuntos de rangos de frecuencia sin necesidad de interpolar, manteniendo al mismo tiempo la resolución de frecuencia; permite el análisis en el dominio del tiempo y del retardo de grupo con una resolución precisa y un amplio rango libre de alias simultáneamente; y permite realizar mediciones muy complejas y con múltiples atributos en un único conjunto de barrido continuo.
El instrumento Tensor está disponible en configuraciones de dos y cuatro puertos con una variedad de opciones de hardware, entre las que se incluyen bucles de acceso directo, atenuadores escalonados tanto en el lado de recepción como en el de la fuente, un segundo oscilador local interno (LO) (solo en instrumentos de cuatro puertos), ALC externo, entrada y salida de IF externas y compatibilidad con ondas milimétricas en bandas. En la figura 2 se muestra un diagrama con algunas de estas configuraciones. Las opciones de software incluyen procesamiento en el dominio del tiempo, compresión de ganancia, varias opciones de medición de mezcladores, compatibilidad con ondas milimétricas y muchas otras.
Figura 2. Asistente de configuración de mezcladores
Figura 3. Asistente de configuración de las fuentes
Inteligencia artificial
El Tensor VNA introduce flujos de trabajo de medición asistidos por IA que permiten a los usuarios configurar mediciones complejas mediante la interacción en lenguaje natural. «Oye, Tensor, ¿puedes ayudarme a configurar una medición de mezclador?». Eso es lo único que hay que decir para que se muestren todos los detalles de la configuración, incluyendo un diagrama de bloques, las conexiones recomendadas y los ajustes. Una vez proporcionada la información suficiente, el sistema configura automáticamente la medición, realiza las calibraciones necesarias y ejecuta la prueba. Esto reduce significativamente el tiempo de configuración, minimiza los errores del usuario y establece un nuevo estándar de facilidad de uso en la instrumentación avanzada de RF. Cabe destacar que el motor de IA es inherente al Tensor, lo que significa que funciona sin necesidad de conexión a Internet, una ventaja importante para determinadas aplicaciones.
Mediciones biestáticas
El concepto de medición biestática tiene su origen en los sistemas de radar. Un radar monostático tradicional utiliza la misma antena para enviar y recibir una señal, como si se gritara y se escuchara el propio eco. Por el contrario, un radar biestático emplea dos antenas independientes; así, un dispositivo transmite la señal y otro dispositivo, distinto y separado, recibe la señal reflejada. Este enfoque aporta ciertas ventajas, por ejemplo, una mejor detección de objetos sigilosos. Inspirándose en los sistemas de radar, el Tensor VNA adopta este enfoque mediante el uso de módulos transceptores distribuidos sincronizados a través de enlaces de fibra óptica [4]. Los módulos transceptores remotos se conectan al Tensor VNA tal y como se muestra en la figura 4. Esta arquitectura permite una gran separación espacial entre los planos de referencia de medición con una degradación mínima del rango dinámico y la estabilidad de fase. Resulta especialmente valioso para aplicaciones emergentes como las superficies inteligentes reconfigurables (RIS), en las que los enfoques monostáticos o pseudobiestáticos tradicionales resultan insuficientes. Al superar las limitaciones asociadas a la pérdida en los cables y a la inestabilidad de fase, la plataforma Tensor permite realizar nuevos tipos de mediciones que antes resultaban inviables con los VNA convencionales.
Figura 4. Configuración de mediciones biestáticas
La lista completa de nuevas características y capacidades es prácticamente interminable. En resumen, el VNA Tensor combina un alto rendimiento, una flexibilidad excepcional y una automatización inteligente. Sus capacidades avanzadas redefinen la eficiencia de las mediciones y amplían los límites de las pruebas de RF y microondas. Con la integración de la IA y la capacidad de medición verdaderamente biestática, representa un importante paso adelante en el análisis de redes vectoriales.
Referencias
- R. A. Witte, «Spectrum and Network Measurements», GA: Noble Publishing, 2001.
- C. F. Coombs, Manual de instrumentos electrónicos, 3.ªed., Nueva York: McGraw-Hill, 1999.
- Frost & Sullivan, www.frost.com.
- D. Bradley, A. Chenakin, J. Borrill y J. Martens, «Método para mejorar las mediciones de la sección transversal real de un radar biestático», patente en trámite.
