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Los VNA de sobremesa ofrecen un elevado rendimiento con un gran rango dinámico en un amplio intervalo de frecuencias

Medidas personalizadas y automatizadas con analizadores vectoriales de redes

Pavol Polacek, Experto en Redes Inalámbricas05/11/2019
Los analizadores vectoriales de redes (Vector Network Analysers, VNA) son instrumentos de medida utilizados habitualmente en el ámbito de la tecnología de radiofrecuencia (RF) y se encuentran a menudo en aplicaciones de fabricación, mantenimiento y laboratorios. Son instrumentos versátiles empleados para caracterizar componentes de RF, cables y antenas. Las medidas se realizan enviando una señal conocida a un dispositivo de prueba (device under test, DUT) y el VNA mide la respuesta.

A diferencia del más sencillo analizador de redes escalares (Scalar Network Analyser, SNA), que solo mide la amplitud de una señal de retorno, el VNA también mide su fase, es decir, el vector. Por tanto, a diferencia de un SNA, el VNA es más avanzado y puede comprobar la variación de fase en función de la frecuencia además de la ganancia de un amplificador para un determinado ancho de banda.

Gracias a las API SCPI/VISA definidas con C++/C#/Python o Matlab se pueden implementar de forma económica nuevas soluciones de medida personalizadas que se suman a las ofrecidas por el proveedor.

Tipos de VNA

Los VNA de sobremesa, como el VectorStar de Anritsu, ofrecen un elevado rendimiento con un gran rango dinámico en un amplio intervalo de frecuencias. Con una pantalla integrada, teclado y/o un interface de usuario con pantalla táctil, además de la capacidad de ejecutar el software de control en el dispositivo, dichos VNA son fáciles de usar y adecuados para aplicaciones en interiores como I+D o modelado de dispositivos. Sus inconvenientes potenciales son su tamaño, peso y precio relativamente elevado.

Otro tipo de VNA, especialmente indicado para trabajo en campo, es el VNA portátil alimentado por batería, como el VNA Master de Anritsu. También incorporan una pantalla y botones de control para facilitar su control en el exterior. A veces se pueden utilizar junto con un analizador de espectros para obtener una solución de prueba en campo todo en uno. Al tratarse de un equipo más especializado no se les considera apropiados para comprobaciones personalizadas.

El tercer tipo de VNA, como la familia Shockline de Anritsu, no tiene una pantalla o panel de control. Necesitan un PC externo con software de control y están más indicados para aplicaciones de fabricación, defensa, aeroespacial, universidad o medidas en campo cuando se controlan desde una tablet. Un VNA sin pantalla o panel de control es considerablemente más ligero, pequeño, robusto y económico que un equipo de sobremesa todo en uno o un dispositivo portátil.

Aunque este tercer tipo de VNA parece menos funcional, ofrece una mayor flexibilidad gracias a su interfaz de control y al uso de API predefinidos y a un software especializado y personalizado.

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El MS46121B es el modelo más pequeño de la familia de VNA Shockline de Anritsu, con un solo puerto y un peso inferior a 0,4 kg, pero con un rango de frecuencia de 150 kHz a 6 GHz.

Control personalizado de VNA mediante SCPI y VISA

Los VNA se pueden controlar a través de diferentes API/drivers, pero los más comunes son SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments) y VISA (Virtual Instrument Software Architecture). Estos API, bien consolidados y definidos, permiten crear un software de control personalizado para VNA. SCPI proporciona acceso de más bajo nivel a las funciones del VNA, con una mejor velocidad y menos cabecera de datos, pero exige implementar comprobación de errores y formateado. VISA, por otro lado, ofrece una mayor tranquilidad a los usuarios ya que proporciona comprobación básica de errores y formateado, pero puede ser más lento y con mayor cabecera.

La flexibilidad del VNA depende de su capacidad de medida y del software de control. Éste puede desarrollarse usando varios lenguajes de programación, como C++/C#/Python o Matlab, que se pueden comunicar con el VNA a través de interfaces GPIB, USB o Ethernet.

Medidas comunes con VNA

Los VNA se utilizan para caracterizar muchas cosas, incluidos conjuntos de antenas y filtros paso banda. Su uso más habitual, no obstante, es la medida de componentes de RF o de microondas, como cables, conectores o antenas, así como placas de circuitos durante el diseño. Si se conocen las características de amplitud y fase de un dispositivo se puede obtener una imagen más completa de su comportamiento. Por ejemplo, uno de los parámetros más importantes de un amplificador es la ganancia para una determinada banda de frecuencia, pero una variación no lineal de la fase a lo largo del rango de frecuencias puede provocar una distorsión en señales de banda ancha y, por tanto, se debe evaluar cuidadosamente.

Estos son algunos ejemplos de posibles aplicaciones:

Parámetros de transmisión

El coeficiente de transmisión indica cómo cambia la señal de entrada al atravesar el DUT. Si la amplitud del voltaje transmitido es inferior a la amplitud del voltaje de entrada, el DUT tiene pérdidas de inserción y si la salida es mayor, el DUT tiene ganancia. La parte de fase de la ganancia se denomina fase de inserción. Para toda señal formada por múltiples componentes frecuenciales, es importante saber hasta qué punto el DUT distorsiona y altera la forma de la señal. Conocer los parámetros de la transmisión a través del DUT ayuda a seleccionar los componentes más adecuados y la capacidad de compensar las pérdidas y la distorsión durante la transmisión.

Diafonía

La diafonía es el efecto de acoplamiento no deseado que se produce como consecuencia de la gran proximidad entre dos conductores. Se mide como porcentaje relativo (o dB) de la señal procedente de la línea de origen que aparece en la línea afectada. Por ejemplo, durante el diseño de un componente digital, las dimensiones de las placas de circuito impreso tienden a ser más pequeñas y los componentes se colocan cada más próximos entre sí, por lo que los conductores conectados pueden tener acoplamiento capacitivo o inductivo. Por tanto, la medida de diafonía analógica puede resultar de una gran ayuda durante el diseño de componentes digitales ya que mitiga su impacto negativo del comportamiento de la placa de circuito impreso.

Distancia al fallo

La distancia al fallo (Distance To fault, DTF) es una medida en el dominio del tiempo en lugar del dominio de la frecuencia, como es más habitual. Se utiliza para hallar todas las discontinuidades de los sistemas radiantes o cables, que puedan producirse debido a daños, conexiones sueltas, corrosión o a los efectos del envejecimiento. Para obtener las distancias hasta las discontinuidades se efectúa un barrido a lo largo de un rango de frecuencias establecido, y se almacenan la magnitud y la información de fase resultantes. A continuación se aplica la Transformada Rápida de Fourier Inversa para convertir los datos al dominio del tiempo. Finalmente, se obtiene el nivel de la señal reflejada para cada distancia multiplicando los valores de tiempo en el eje x por una determinada velocidad de propagación de la señal. Un gran ancho de banda en frecuencia permite localizar estos fallos con una precisión considerable.

Aplicaciones personalizadas para medidas con VNA

Los VNA pueden cubrir diversos requisitos de cliente si se dispone del software de control apropiado. Estos son algunos ejemplos que demuestran la flexibilidad de los VNA y su potencial de personalización.

Software de control ligero para medir DTF

Los ingenieros de campo a menudo llevan consigo una tablet para diagnosticar, controlar o gestionar equipos de comunicaciones. Esta tablet también se puede utilizar para ejecutar un software sencillo que puede realizar diversas medidas, como por ejemplo DTF. A diferencia del software de control estándar para VNA, que suele ofrecer una gran funcionalidad y menús complejos, un software ligero puede proporcionar algunas funciones básicas, como calibración, medida y el registro de los resultados de las medidas. Por tanto, con el software adecuado en su tablet un ingeniero de campo solo necesita un VNA sencillo para realizar medidas básicas.

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Figura 1: Ejemplo de un diseño de software ligero para obtener medidas de calibración, pérdidas de retorno y DTF, así como para guardar los resultados.

Medidas en antenas

También es posible realizar medidas de diagrama de radiación de una antena. La configuración de medida está formada por un VNA de 2 puertos, un controlador del posicionador, un posicionador de antena, el PC de control y una cámara OTA (over-the-air) opcional. Dado que también contiene un generador de señal y un analizador de espectro, el VNA tiene la ventaja añadida de reunir las funciones de dos instrumentos.

El PC ajusta el azimut y la elevación del posicionador por medio de su controlador para efectuar medidas en la antena de prueba desde todos los ángulos. El resultado es una representación en 3D del diagrama de radiación de la antena. Una vez establecida una posición, un puerto del VNA se usa para generar la señal que se radiará por la antena de prueba. La señal radiada es recibida a continuación por la antena de medida y se procesa utilizando el segundo puerto del VNA.

Esto permite medir la ganancia de la antena, la directividad, la potencia radiada isotrópica efectiva (effective isotropic radiated power, EIRP), la potencia radiada total (total radiated power, TRP), etc. Se pueden tomar medidas en múltiples frecuencias durante una sola rotación de una antena de prueba.

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Figura 2: Realización de medidas para una antena en una cámara OTA mediante un VNA que funciona como fuente de señal y como receptor. Obsérvese que la cámara OTA es opcional.

Medidas en materiales

Los VNA también se pueden utilizar para medir las propiedades de diferentes materiales dieléctricos, como permitividad o permeabilidad. Esto se puede realizar con un VNA, dos antenas muy direccionales y un accesorio para las antenas que incorpore el soporte de muestras. La muestra se coloca en el centro entre las dos antenas y se realiza un barrido dentro de la banda de frecuencia necesaria. Una antena direccional dirige un haz estrecho a la otra con el fin de maximizar la precisión de la medida. A partir de la medida de la transmisión se pueden calcular las características del material utilizando software especializado.

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Figura 3: Medida en un material con un VNA. Un VNA y dos antenas direccionales permiten realizar la medida y el software calcula las características del material.

Conclusión

La gama de VNA ShockLine de Anritsu ofrece soluciones que cumplen diversos requisitos de tamaño, rendimiento y coste. Gracias a los drivers disponibles se pueden implementar soluciones de software personalizadas y económicas para una amplia variedad de requisitos únicos y no convencionales.

Los VNA se utilizan para caracterizar muchas cosas, incluidos conjuntos de antenas y filtros paso banda. Su uso más habitual, no obstante, es la medida de componentes de RF o de microondas, como cables, conectores o antenas, así como placas de circuitos durante el diseño

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