Para llevar a cabo una caracterización general de dispositivos bajo prueba (DUT) complejos, como son los amplificadores, se requieren medidas de diversos parámetros. En algunos casos se necesita incluso más de un instrumento o equipos muy sofisticados. Gracias a su versatilidad, el R&S®ZNL es una solución económica que permite caracterizar toda una gama de DUT utilizando tanto análisis de red como análisis de espectro.
Medida de cifra de ruido de un amplificador con el R&S®ZNL (al fondo), una fuente de ruido R&S®FS-SNS18 (izda.) y un preamplificador externo (dcha.) alimentados por una fuente de alimentación programable R&S®HMP2030 (al fondo a la dcha.).
Los amplificadores son los componentes de RF de uso más común por sus innumerables aplicaciones, pero son también los dispositivos más complejos a la hora de medirlos. Para obtener una caracterización más exhaustiva de un amplificador se requieren medidas para determinar los parámetros de dispersión lineales a una frecuencia o potencia concreta y para verificar parámetros como la distorsión de armónicos, intercepción de tercer orden (TOI), puntos de compresión y cifra de ruido, los cuales, en general, no pueden medirse con un analizador de redes vectoriales convencional. De hecho, para medir estos parámetros se utilizan a menudo instrumentos de alta gama; los analizadores de redes vectoriales (VNA) clásicos de gama económica generalmente exigen configuraciones muy complejas y un procesamiento posterior muy laborioso para obtener datos con el formato correcto.
Si bien alternar entre bancos de prueba para utilizar un analizador de redes vectoriales y un analizador de espectro es también una opción, no es la solución ideal cuando apremia el tiempo o el espacio es limitado, ya que supone tener que trasladar el DUT y probablemente el VNA, los cables y un kit o unidad de calibración de un lugar a otro.
Visualización de datos en el modo Multiview del R&S®ZNL. Esta configuración se activa automáticamente cuando está activado más de un modo como un canal adicional, y se puede acceder a ella navegando a la pestaña correspondiente en la parte superior de la pantalla.
Solución Rohde & Schwarz
Las funciones de analizador de espectro, de generador de señales y de medida de cifra de ruido (habilitada con las opciones R&S®ZNLx-B1, R&S®ZNL-K14 y R&S®ZNL-K30) permiten abordar estos problemas con el R&S®ZNL, y eliminan por completo la necesidad de trasladar el sistema de medida entre estaciones de prueba.
El R&S®ZNL es un instrumento multifuncional portátil y económico. Se compone de un analizador de redes vectoriales, que puede ampliarse con hardware real de análisis de espectro (opción R&S®ZNLx-B1) y proporciona todas las herramientas y el rendimiento necesarios para la caracterización completa de amplificadores utilizando un único equipo, ligero y compacto, que también puede equiparse con un pack de baterías (opción R&S®FPL1-B31) para garantizar la máxima movilidad. El cambio entre los modos de análisis de red y de análisis de espectro es sumamente sencillo. Con el Multiview del R&S®ZNL, el usuario obtiene todos los resultados de ambos modos en una única ventana que permite visualizar cómodamente los datos y generar informes exhaustivos.
Medida de magnitud de parámetros de dispersión en modo de análisis de red en un amplificador con una ganancia mínima de cerca de 15 dB en el rango de frecuencias seleccionado. Una salida de alta potencia del VNA puede sobrecargar el receptor de medida.
Aplicación
La ganancia del amplificador, la pérdida de retorno de la entrada (o ROE) y la pérdida de retorno de la salida se pueden medir con precisión con el R&S®ZNL en modo de análisis de red vectorial: basta con definir el rango de frecuencias, el número de puntos necesarios para el barrido, y ajustar el rango dinámico y la velocidad de medida requeridos seleccionando el ancho de banda apropiado para la medida. Si bien los puertos del R&S®ZNL pueden resistir +27 dBm de entrada sin sufrir daños, también es importante que ni el amplificador examinado ni los receptores internos del R&S®ZNL entren en compresión (o sufran desperfectos). Por ello, la potencia de salida del R&S®ZNL debería seleccionarse siempre con precaución y sopesarse el uso de atenuadores externos, dado el caso. Un mensaje del sistema informa al usuario cuando el receptor de medida está sobrecargado para así garantizar la precisión de medida, por un lado, y la integridad de los equipos, por otro. Para una mayor protección, el R&S®ZNL también puede tener activados atenuadores de pasos de receptor en el puerto 1 (opción R&S®ZNLx-B31) y en el puerto 2 (opción R&S®ZNLx-B32), y la tensión de salida se puede ajustar a tan solo –40 dBm (opción R&S®ZNLx-B22).
Selección de medidas de analizador de espectro. Se accede a este menú pulsando el botón «Meas» desde el modo de análisis de espectro.
En último lugar, para poder iniciar el test debe realizarse una calibración completa de dos puertos. El flujo de trabajo de calibración del menú guía al usuario paso a paso por el proceso, empezando por la elección de kits de calibración manual o unidades de calibración automáticas de Rohde & Schwarz, hasta la conexión y la medida de estándares.
El modo de análisis de espectro está accesible desde el menú «Modo», y permite llevar a cabo distintas medidas así como visualizar cómodamente la información relevante. En el sistema de medida no es necesario cambiar nada físicamente.
Para amplificadores se recomiendan las siguientes medidas:
En «zero span» se pueden medir los puntos de compresión del amplificador a una frecuencia determinada al aplicar un estímulo en la misma frecuencia. Generalmente se requiere una fuente de señal externa, pero con la opción R&S®ZNL-K14 puede prescindirse de un equipo adicional con un generador de señal de onda continua (CW) independiente. Los únicos ajustes necesarios en el receptor son seleccionar la frecuencia de medida y una atenuación adecuada. A continuación se configura el generador introduciendo la misma frecuencia de medida y un nivel de señal lo suficientemente bajo para garantizar que el DUT no entre en compresión.
Para identificar con facilidad los puntos de compresión se puede adaptar la desviación de referencia de forma que el nivel del generador coincida con la salida del amplificador. Al aumentar gradualmente el nivel de la señal de la fuente de onda continua, basta con vigilar la cantidad mostrada en la pantalla, el usuario debe observar cuándo cae la cantidad visualizada en un número determinado de dB por debajo de la entrada seleccionada.
Medida «Zero Span» a 500 MHz en un amplificador. Con una señal de entrada de onda continua de –20 dBm, la desviación de referencia se selecciona de tal modo que el marcador muestre la misma cifra de la entrada del generador (–20 dBm). Su nivel de señal se incrementa entonces de forma gradual hasta que el marcador muestra exactamente una diferencia de 1 dB del nivel del generador, de modo que puede concluirse que el punto de compresión a –1 dB se encuentra en la potencia de entrada de –10,5 dBm.
La misma medida se puede realizar igualmente en modo de análisis de red normalizando la señal de onda continua amplificada transferida cuando el DUT se encuentra en su región lineal (antes de la compresión a –1 dB) y observando la desviación de la curva S21 desde su cero al aumentar gradualmente la potencia de la señal introducida en la entrada del amplificador.
El modo de análisis de espectro también permite verificar el rendimiento de distorsión de armónicos del DUT. Todo lo que hay que hacer es seleccionar «harmonic distortion» (distorsión de armónicos) en el menú de medida de análisis de espectro para visualizar los valores de armónicos relevantes para la portadora seleccionada. El sistema mostrará automáticamente los datos para los primeros diez armónicos, así como la tasa de distorsión armónica total (THD). En el menú correspondiente se puede ajustar tanto la cantidad de armónicos como el tiempo de barrido.
El sensor de potencia NRP18T permite realizar medidas desde –35 dBm hasta +20 dBm y desde DC hasta 18 GHz.
Los productos de intermodulación también se pueden visualizar con facilidad seleccionando «third-order intercept» (intercepción de tercer orden) en el menú de medida. No obstante, para esta medida específica, la entrada del DUT debe ser una señal de dos tonos, la cual puede obtenerse mezclando dos señales diferentes de onda continua mediante un combinador externo. Una de las señales se puede obtener por el puerto 1 del R&S®ZNL gracias a la opción R&S®ZNL-K14, y la segunda debe aportarse a través de una fuente externa, como un generador de señales o un segundo analizador de redes vectoriales. El sistema puede proporcionar así información sobre el punto de intercepción de tercer orden del amplificador.
Con la medida de «distorsión de armónicos» se visualizan claramente los diez primeros armónicos de una portadora de 500 MHz. La tabla de resumen de resultados indica su frecuencia y nivel de potencia. El generador de señal de onda continua se puede controlar con la barra de herramientas del margen izquierdo de la pantalla.
Si se necesita un mayor intervalo de medida o precisión de clase de metrología para medidas de potencia en el modo de análisis de espectro, se puede activar la compatibilidad para todos los sensores de potencia del R&S®NRP con la opción R&S®FPL1-K9.
Puesto que los cables inducen pérdidas, es posible comprobar el nivel de potencia de la señal del R&S®ZNL en la entrada del DUT para constatar si existen dichas pérdidas. La diferencia entre la entrada y la salida se puede analizar en el modo de análisis de espectro comparando el nivel de potencia del generador y el nivel visualizado en el instrumento cuando el cable que conduce a la entrada del DUT está conectado al puerto 2 o a un sensor de potencia. La desviación del generador se puede utilizar para adaptar con precisión la señal de entrada del DUT y compensar las pérdidas de cable. También es posible una verificación similar en el modo de análisis de red analizando las cantidades de ondas a1 en el puerto 1 y b1 en el puerto 2.
Asimismo, se puede verificar la cifra de ruido (NF) del amplificador seleccionando «Noise Figure» (cifra de ruido) en el menú «Mode» del R&S®ZNL. Para esta medida debe estar activada la opción R&S®ZNL-K30 y debe estar disponible una fuente de ruido junto con un preamplificador externo en función de los requisitos del DUT. La opción R&S®FPL1-B5 permite controlar una fuente de ruido directamente con el R&S®ZNL. Para realizar medidas de cifra de ruido sencillas y de alta precisión se recomienda una fuente de ruido inteligente R&S®FS-SNS, que el sistema identifica automáticamente y no requiere ningún ajuste por parte del usuario.
El generador de onda continua de un R&S®ZNL6 está ajustado a 1 GHz, y se proporciona otra señal de onda continua a 1,2 GHz desde un generador de señal externo. Los dos tonos se mezclan en un combinador y se ponen a disposición como entrada en el amplificador. El espectro resultante se mide en el R&S®ZNL6 en el modo de medida de «intercepción de tercer orden». También puede activarse un espectrograma.
Los ajustes de medida son también muy sencillos: el usuario solo tiene que seleccionar el rango de frecuencias y los puntos de barrido. Si es necesario, también se puede controlar la medida y los tiempos de establecimiento para cada punto. Para caracterizar la cifra de ruido de un amplificador se necesita una conexión de DUT diferente. El sistema se calibra conectando la fuente de ruido al segundo puerto del R&S®ZNL con un preamplificador entre medio. Una vez completado el paso de calibración, el DUT se inserta entre la fuente de ruido y el preamplificador (véase la foto en la página 1) y se mide. Todos los modelos de R&S®FS-SNS ofrecen también cálculos de incertidumbre, que se visualizan claramente en el diagrama de cifra de ruido. La activación y la correcta visualización de la incertidumbre son muy sencillas: el usuario activa el menú apropiado, marca la casilla de verificación para utilizar el preamplificador e introduce su ganancia y cifra de ruido.
Medida de un amplificador con 101 puntos entre 1 GHz y 2,4 GHz. La cifra de ruido, la ganancia y el factor Y se visualizan en sus diagramas respectivos, y sus valores para cada frecuencia medida se relacionan en la lista de resultados. El cálculo de incertidumbre se ajusta fácilmente con una R&S®FS-SNS18.
Resumen
El analizador de redes vectoriales R&S®ZNL es un instrumento versátil que permite caracterizar los DUT más complejos, como amplificadores, sin necesidad de extensas configuraciones y sin que el usuario tenga que disponer de amplios conocimientos de RF. Las opciones de análisis de espectro, con funciones de generador de señales y medida de cifra de ruido, garantizan la flexibilidad del instrumento y brindan más opciones de hardware como un paquete de baterías que convierten el R&S®ZNL en la solución perfecta multiuso para cualquier puesto de trabajo, ya sea en el laboratorio o en la aplicación exterior. Los sensores de potencia R&S®NRP y las fuentes de ruido inteligentes R&S®FS-SNS se pueden emplear para obtener medidas más precisas con menos esfuerzo.
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