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Uso de las capacidades de calibración de un VNA para obtener medidas de espectro integradas extremadamente precisas

Aunque los smartphones y las tabletas son cada vez más finos y ligeros, los últimos modelos parecen incluir cada vez más capacidad en un espacio cada vez más reducido. Para los ingenieros de pruebas, esta creciente integración suele traducirse en probar más funciones por dispositivo a través de un número menor de puntos de acceso. Si bien hay menos puntos de prueba físicos, para conectar el dispositivo a un instrumento de pruebas sigue siendo necesaria una combinación de cables, sondas y útiles de prueba, y todos ellos introducen errores. Por suerte, las capacidades de calibración integradas en un analizador vectorial de redes (VNA) eliminan estos errores y proporcionan una precisión de medida superior. En un VNA, la corrección de errores se aplica a medidas como los parámetros S y la compresión de ganancia. No obstante, al utilizar un VNA de alto rendimiento equipado con capacidad de análisis de espectro integrada, la corrección de errores también se aplica a las medidas espectrales, como la distorsión, que se realizan a lo largo de las rutas de las señales internas.

Descripción de los problemas

Como marco de referencia, tomemos un dispositivo sometido a prueba (DUT) con varios requisitos de prueba, entre los que se incluyen medidas de redes y espectro. Al realizar cualquier tipo de medida, el DUT se conecta a un tipo de instrumento y luego se desconecta antes de conectarse al otro. Si nos centramos en el VNA, hay cables de entrada y salida entre el DUT y el analizador y, en algunos casos, el DUT estará montado en una fijación para pruebas. En fases anteriores del proceso de desarrollo, el DUT todavía puede estar en oblea, por lo que la conexión al VNA precisa de sondas y cables. Todos los elementos entre la salida del VNA, la entrada del DUT, la salida del DUT y la entrada del VNA introducen algún tipo de error eléctrico, y eliminarlo puede resultar complicado y llevar mucho tiempo. Como aspecto práctico, la necesidad de conectar, desconectar y volver a conectar el DUT al VNA o al analizador de espectros enseguida se convertirá en un inconveniente que requiere mucho tiempo. Además, existe la posibilidad de dañar el DUT durante cada actividad de conexión.

Mejora de la precisión, la comodidad y la velocidad de medida

La mayoría de las medidas de componentes se realizan utilizando un VNA. Las capacidades de calibración integradas proporcionan una precisión de medida superior, puesto que eliminan los errores sistemáticos del instrumento y cualquier efecto de los cables. Estas correcciones se aplican a medidas de parámetros S, compresión de ganancia, figura de ruido y otras. Utilizar un VNA que incluya funcionalidad integrada de análisis de espectros ofrece tres ventajas adicionales. En primer lugar, simplifica las conexiones del DUT, porque las medidas del VNA y el analizador de espectros comparten los mismos puertos de pruebas, por lo que ya no se necesitan ni cambios de configuración manuales ni matrices de conmutadores externas. En segundo lugar, reduce el tiempo necesario para realizar las medidas de dos formas:

  • El cambio entre los modos de VNA y de analizador de espectro es más rápido que conectar y volver a conectar durante pruebas manuales, y es cuestión de milisegundos en un sistema automatizado.
  • Las recientes mejoras de velocidad en las medidas de VNA también aceleran las medidas de análisis de espectros integradas. En tercer lugar, los resultados del análisis de espectro se benefician de las ventajas de calibración y mayor precisión en medidas como la distorsión, la relación señal/ruido y las señales espurias no armónicas.

Introducción de medidas calibradas de análisis de espectros en obleas y fijaciones

Obtener resultados precisos al realizar medidas en obleas y fijaciones puede resultar complicado, porque cada configuración introduce varios errores potenciales. Por primera vez pueden realizarse medidas de espectros calibradas en estos casos, y las capacidades de corrección integradas del VNA superan los errores provocados por cables, fijaciones y sondas de obleas. Al realizar medidas de espectro con un VNA, los pasos de calibración son los mismos: calibrar la potencia de la fuente, calibrar todos los receptores y eliminar los efectos de los cables de los puertos de pruebas. Se utilizan un kit desustrato estándar de impedancia (ISS). La función de de-embedding elimina los efectos de las sondas y el proceso es el mismo que el descrito anteriormente para una medida en la fijación. El proceso con el kit de calibración en oblea ISS es diferente.

El primer paso consiste en realizar una calibración de la potencia de la fuente y del receptor de referencia: se conecta un sensor de potencia al extremo del cable del puerto de pruebas y, a continuación, se calibración y un sensor de potencia para detectar y corregir los errores medidos. Para realizar medidas de análisis de espectros en fijaciones, el mejor planteamiento consiste en utilizar una capacidad opcional de extracción automática de la fijación (AFR) para caracterizar la fijación. Hecho esto, los pasos siguientes son realizar una calibración en los extremos de los cables de pruebas coaxiales y, a continuación, utilizar la función de de-embedding integrada del VNA para eliminar los efectos de la fijación. Esto lleva el plano de calibración más allá del plano de medida hasta el plano del dispositivo (Figura 2). Para las medidas en oblea hay dos enfoques disponibles: usar de-embedding o utilizar un kit de calibración especializado llamado conecta un kit de calibración coaxial. El ISS se utiliza para realizar una calibración en el extremo de la sonda de oblea. Estos pasos llevan el plano de calibración de la fuente y el receptor a la punta de las sondas de oblea, lo que garantiza unas medidas de espectros en oblea muy precisas.

Acceso a los resultados

Un análisis más profundo de la medida de espectro real pone de manifiesto que existe potencial para mejorar la precisión de medida. En la Figura 3, la traza amarilla es el resultado de medida sin aplicar la calibración del VNA. Se ha corregido la potencia de fuente, pero no se ha aplicado ninguna corrección del receptor. Este resultado es parecido al que ofrece un analizador de espectros independiente sin compensación de cables. La traza azul es la potencia de salida (Pout) en el plano de medida después de la calibración con el VNA. Si bien un analizador de espectros independiente puede compensar los efectos de los cables eliminando la “pérdida por GHz”, esto no es tan preciso como una calibración con un VNA, que elimina toda la respuesta de frecuencia de los cables de los puertos de pruebas. En este caso, la magnitud medida presenta una diferencia de 1,67 dB con respecto a la traza amarilla.

La traza lila es Pout en el plano del dispositivo después del de-embedding. Esto incluye una corrección adicional de errores al eliminar los efectos de la fijación tanto de la potencia de la fuente de entrada como de las diversas medidas de potencia de salida. Su magnitud presenta una diferencia de 3,47 dB con respecto a la traza amarilla y es 1,80 dB superior a la traza azul. Es un nivel de diferencia considerable que puede bastar para provocar resultados falsos de aceptación/ fallo durante las pruebas de límites.

Estimación de la precisión de las medidas calibradas de análisis de espectro

El nivel de mejora ilustrado anteriormente supera las posibilidades de un analizador de espectro típico. Es posible gracias a la aplicación de los puntos fuertes del VNA. Para determinar la precisión real, hay que analizar varios factores en profundidad. Incluyen especificaciones reales para el VNA y el sensor de potencia, y también incluye una especificación llamada precisión del detector del analizador de espectros. Por poner un ejemplo sencillo, la precisión estimada a 26,5 GHz sería así: la incertidumbre del VNA es ±0,15 dB; la precisión del sensor de potencia es ±0,10 dB; y la precisión del detector del analizador de espectros es ±0,16 dB. Por tanto, el valor más pesimista es ±0,41 dB, que se obtiene sumando los tres valores absolutos anteriores (por ejemplo, 0,15 + 0,10 + 0,16). En realidad, lo más probable es que la precisión se sitúe en ±0,24 dB si se calcula utilizando técnica de la suma de cuadrados residual (RSS). La precisión se calcula en los puertos del DUT después de usar calibración y de-embedding para tener en cuenta todos los efectos de los cables, la fijación y las sondas. El resultado es bastante impresionante cuando se compara con analizadores de espectros independientes, que suelen ofrecer una precisión de ±2,0 a ±2,5 dB a 26,5 GHz, especificada en el puerto de pruebas del analizador. Este detalle es importante: con capacidad de análisis de espectros en un VNA, la precisión es 10 veces mejor y el punto de referencia es el puerto del DUT en lugar del puerto de pruebas del analizador.

Conclusión

Incorporar la capacidad de análisis de espectro de alto rendimiento a un VNA avanzado aporta nuevos niveles de velocidad, comodidad y datos a las pruebas de componentes. La posibilidad de aplicar las capacidades de corrección integradas del VNA también permite obtener nuevos niveles de precisión, en especial al conectar dispositivos al sistema a través de fijaciones y sondas de obleas. En la línea de producción, la mayor precisión en el análisis de espectro puede traducirse en bandas de guarda de límites de pruebas más estrechas, lo que a su vez reduce la probabilidad de obtener resultados de aceptación/fallo falso. En última instancia, esto permite maximizar las especificaciones de rendimiento del DUT, lo que puede suponer una considerable ventaja competitiva en el mercado actual. Para obtener más información, visite www.keysight.com/find/PNASA.

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