Calibrare un Vna modulare

STRUMENTAZIONE MODULARE –

Vantaggi e svantaggi delle diverse tecniche che è possibile utilizzare per la calibrazione utente di un analizzatore di rete vettoriale modulare.

Gli analizzatori di rete vettoriali sono considerati unici tra gli strumenti RF per via della capacità di fornire un'eccezionale accuratezza. Pochi strumenti RF possono raggiungere le prestazioni di misura di ±0.1 dB e ±0.1 gradi offerte dalla maggior parte degli analizzatore di reti vettoriali. La calibrazione utente è una delle ragioni di queste prestazioni eccezionali. Con calibrazione utente si fa riferimento a una calibrazione periodica che l’utente effettua prima di una misura. Si tratta di una calibrazione diversa da quella annuale effettuata su strumenti RF in un centro certificato. In assenza di un’adeguata calibrazione utente, è quasi impossibile sfruttare i vantaggi dell’accurtatezza di misura di un Vna. I fattori che impattano sull’accuratezza di misura e sulla ripetibilità si possono rilevare facilmente dato che i Vna sono in grado di effettuare misure precise. Un analizzatore di spettro con un'accuratezza di ampiezza di ±2 dB potrebbe non essere in grado di caratterizzare esattamente l’ampiezza di un filtro alla stregua di un Vna con un'accuratezza di ampiezza di ±0.1 dB. L’accuratezza del Vna si nota da alcuni tratti fondamentali. Per prima cosa, il Vna effettua misure confrontabili. I parametri S, S11, S21 e così via, sono definiti come i segnali riflessi o trasmessi (attraverso il dispositivo sotto test) divisi per input o per segnale incidente. Qualsiasi variazione nei livelli di potenza sull’input viene cancellata quando i segnali vengono confrontati. Secondo, i generatori e ricevitori di segnali condividono una piattaforma fisica comune che include un oscillatore locale. Qualsiasi variazione di temperatura o modifica nell’ambiente, quale l’interferenza elettromagnetica, vengono percepite sia dei ricevitori che dai generatori di segnali. Infine, la calibrazione applica una correzione di errore di vettore (grandezza e fase). L'utente che esegue periodicamente la calibrazione si assicura che le sorgenti di errore del Vna vengano prese in considerazione prima della misura.

Le sorgenti di errore
La calibrazione utente risponde a 12 sorgenti di errori sistematici in un Vna. Consideriamo la misura di segnale del forward path, dove il generatore di segnale esce sulla porta 1 del dispositivo sotto test. La prima sorgente di errori sistematici è il termine di tracciamento o la frequenza di risposta dei percorsi di segnali per la trasmissione o dei percorsi di misura del riflesso. In seguito, l'impedenza di carico e sorgente combaciano con l’input e l’output del dispositivo, rispettivamente. L’isolamento è una piccola quantità di perdita che si irradia dalla porta 1 e viene misurata nella porta 2. E la direttività dell'accoppiatore produce un totale di sei errori in termini di instradamento. Sei termini simili quando la sorgente del segnale viene posta sulla porta 2 per il segnale del reverse path e restituisce 12 errori. Gli accoppiatori direzionali Vna sono fondamentali per il funzionamento del Vna. Sono responsabili del separamento del segnale riflesso e trasmesso sulla base della direzione del viaggio. Nel progetto, gli accoppiatori direzionali hanno una perdita specifica, un fattore di accoppiamento, dal braccio principale al braccio accoppiato. Ad esempio, con un fattore di accoppiamento di 20 dB, la potenza misurata nel braccio accoppiato di un segnale viaggiante in avanti è equivalente alla potenza nel braccio principale meno 20 dB. Allo stesso modo, un segnale viaggiante in direzione opposta non viene rilevato affatto nel braccio accoppiato. Questo è il caso per un accoppiatore direzionale ideale. In pratica, gli accoppiatori direzionali reali sono inferiori di quelli ideali e le loro performance impattano direttamente sull’incertezza di misura del Vna. Una cifra di merito, la direttvità, è utilizzata per quantificare le prestazioni e viene definita come la differenza tra il fattore di accoppiamento di un accoppiatore e l’isolamento. L’esame di questi errori sistematici sottolinea l’importanza di una correzione di vettore. Se questo fosse un sistema scalare (solo grandezza), come un analizzatore di spettro con un generatore di tracciamento, si potrebbe, al massimo, considerare i termini di tracciamento e isolamento. Termini come l’abbinamento e la direttività richiedono funzionalità di misura vettoriale.

La calibrazione utente
La calibrazione utente è fondamentale nell’assicurare l’accuratezza e la ripetibilità delle misure Vna. I moderni Vna offrono un programma integrato che guida l'utente attraverso il processo di calibrazione. Come per qualsiasi misura RF, la qualità del risultato è correlata direttamente con la qualità delle pratiche di misura utilizzate durante il processo di calibrazione. Un dinamometro corretto, componenti di alta qualità e il connettore appropriato sono tra le considerazioni per un’efficace calibrazione Vna. È possibile acquistare sia un kit di calibrazione che contiene un insieme standard oppure costruire un insieme di standard le cui caratteristiche elettriche sono note. Successivamente è possibile eseguire il processo richiesto per la procedura di calibrazione che misura ciascuno standard. Il Vna confronta i valori misurati con i valori noti di ciascuno standard. Attraverso un insieme definito di equazioni di calibrazione, il Vna calcola un fattore di correzione per ciascun punto di frequenza utilizzato i valori misurati e noti di ciascuno standard. Questi fattori di correzione vengono poi applicati alle misure Vna. Il punto in cui gli standard di calibrazione vengono connessi, definisce il piano di misura. Noto anche come piano di riferimento, è il punto in cui i fattori di correzione vengono applicati e la misura ha inizio. Ad esempio, se cavi coassiali sono connessi alle porte del Vna e gli standard di calibrazione sono connessi all'estremità di ciascun cavo durante la calibrazione, il piano di misura si trova all’estremità del cavo. Questa discussione sulla calibrazione di un Vna è focalizzata sul più completo metodo di calibrazione a 2-port. È possibile usare altri approcci quali 1-port e calibrazioni di risposta, ma generalmente si tratta di sottoinsiemi di una calibrazione completa 2-port. Le principali tecniche di calibrazioni utente sono: Solt (Short, Open, Load, Thru), Trl (Thru, Reflect, Line) e calibrazione automatica.

La calibrazione Solt
La calibrazione Solt è probabilmente la tecnica più diffusa tra tutte le calibrazioni Vna. Utilizza come standard un corto circuito, un aperto, un carico noto (di solito 50 o 75 Ω) e una breve linea di trasmissione tra le due porte (thru). Uno ad uno, ogni standard viene connesso al piano di riferimento così il Vna può misurarli. Una volta completate queste procedure, è possibile connettere assieme i due piani di riferimento per formare una breve linea di trasmissione per la misura finale. La calibrazione Solt è una scelta efficace per dispositivi connettorizzati. Se utilizzata con pratiche di misure acustiche, fornisce una grande accuratezza e ripetibilità. Molti produttori offrono kit di calibrazione che contengono degli standard ben definiti e dispongono di una vasta gamma di tipologie di connettori. La calibrazione Solt si occupa di ciascuna delle sorgenti di errore tramte il modello di errore 12-term discusso prima, che consiste in 12 incognite e 12 equazioni. Con connettori accoppiabili, la connessione thru richiede una connessione maschio-femmina. Questo implica che il dispositivo da testare abbia una connessione inseribile, cosa che non sempre avviene. Dato che le caratteristiche RF dell’adattatore vengono considerate durante la calibrazione e il calcolo dei fattori di connessione, la rimozione di questo dalla misura induce all’errore. Non bisognerebbe utilizzare un adattatore per effettuare una connessione thru durante la calibrazione e rimuoverla in fase di misura del dispositivo. Molti kit di calibrazione Solt contengono un insieme di adattatori RF ad alta qualità con le stesse caratteristiche di lunghezza elettrica ed RF. Si chiamano adattori swap equal (o phase equal) poichè è possibile utilizzare un adattore per effettuare una connessione thru non inseribile e scambiarlo per un altro adattatore dal kit di calibrazione per connettere il dispositivo durante la misura. In sostanza, se si utilizza un adattatore durante la calibrazione, bisogna sostituire un adattatore simile durante la misura. È possibile scegliere tra questo e molti altri approcci per gestire i dispositivi non inseribili per far fronte a specifici bisogni di accuratezza e convenienza.

La calibrazione Trl
La calibrazione Trl è una scelta efficace per dispositivi di misura che non sono connettorizzari o per dispositivi che non condividono la stessa tipologia di connettore come gli standard di calibrazione. La tecnica Trl non richiede uno standard ben definito di calibrazione connettorizzato. Sebbene non sia così diffusa come la Solt, i kit di calibrazione per Trl connettorizzati sono disponibili. Trl richiede un corto circuito thru, uno standard altamente riflessivo e una linea con caratteristiche simili o identiche alle impedenza del sistema. In molti casi, è possible fabbricare e caratterizzare gli standard di calibrazione Trl sullo stesso materiale come il dispositivo sotto test. Le misure per le sonde a bordo wafer sulle stazioni di test RF sono esempi diffusi di applicazioni adatte per la calibrazione Trl. La calibrazione Trl può essere estremamente accurata e rivelarsi molto utile poichè gli standard Solt, in un ambiente privo di connessioni, sono molto più stimolanti rispetto agli standard Trl. Inoltre, gli standard Trl non richiedono di essere completamente definiti al pari degli standard Solt. In cambio, sono modellati. Gli standard ben costruiti e ripetibili sono essenziali per la maggior parte di calibrazioni Trl. È necessario utilizzare misure di alta qualità, progetti e pratiche di costruzione per assicurare la migliore accuratezza.

La calibrazione automatica
Negli ultimi anni, i moduli di calibrazione automatica sono diventati un’alternativa diffusa alla tecniche manuali come Solt e Trl. A causa di problemi di switching interno, dissipamento e altre incertezze, i primi moduli di calibrazione automatica non avevano la stessa accuratezza e ripetibilità dei moduli di calibrazione manuale. Tuttavia, l'odierna generazione di moduli offre risultati accurati e altri vantaggi che li rende una scelta interessante. I moduli di calibrazione automatica hanno connettori RF che si collegano al piano di riferimento dell’analizzatore di rete. Il modulo si connette al controller Vna attraverso un bus standard Usb o RS232. La circuiteria interna del modulo viene tenuta a una temperatura costante per ridurre errori di corrente. A questo punto avviamo un programma di calibrazione automatica sul Vna. Il modulo è comandato da diverse variabili note, stati prefediniti di impedenza misurati dal Vna. Questi valori misurati sono confrontati con i valori noti stoccati su una Eprom nella memoria interna del Vna. La differenza tra i valori noti e quelli misurati viene usata con un insieme di equazioni di calibrazione per calcolare i fattori di correzione. Uno dei fattori chiave di questo metodo è la limitata interazione richiesta. Un numero relativamente piccolo di connessioni riduce le interazioni durante la calibrazione, in questo modo le possibiltà di errore umano sono ampiamente ridotte e la ripetibilità viene incrementata. Un altro beneficio riguarda la possibilità di adattare il modulo di calibrazione automatica con una varietà di tipi di connettori diversi. È possibile utilizzare adattatori swap equal con questo metodo come per Solt. Inoltre, la calibrazione automatica è notevolmente più veloce rispetto alle tecniche manuale; tipicamente richiede meno di un minuto.

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