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En el mundo de la prueba, la medición y la evaluación, el análisis vectorial de redes (VNA) se encuentra entre las metodologías de medición de RF y microondas más importantes. Al ofrecer una variedad de características, desde excelentes características de RF hasta una amplia variedad de funciones de análisis, las últimas soluciones de VNA facilitan la captura y evaluación de importantes parámetros de rendimiento. A continuación se ofrece una visión general de algunas de las últimas soluciones, de la mano de los responsables de las empresas implicadas.
Arquitecturas avanzadas
El VNA de 2 puertos ShockLine ME7868A de Anritsu está diseñado con una arquitectura avanzada que permite distribuir físicamente los puertos del VNA de fase sincronizada fuera de un único chasis. Esto permite que la instrumentación se ubique en el dispositivo bajo prueba (DUT) en lugar de estar atada a una sola ubicación (Fig. 1).
1. El VNA de 2 puertos ShockLine ME7868A permite distribuir físicamente los puertos de VNA con sincronización de fase fuera de un único chasis.
Según Stan Oda, director de productos de VNA de ShockLine, el ME7868A utiliza la tecnología PhaseLync de la empresa para sincronizar dos VNA de 1 puerto ShockLine MS46131A. Esto permite realizar mediciones de pérdida de inserción vectorial entre los dos VNA. PhaseLync admite la sincronización a más de 100 metros entre los VNA de 1 puerto, lo que mejora el rendimiento de las mediciones de parámetros S de 2 puertos a distancias comparables a las de las soluciones de VNA tradicionales.
Steve Reyes, Sr. Gerente de Productos, señaló que el sistema VNA de banda ancha VectorStar ME7838G permite la caracterización de dispositivos en la oblea desde 70 kHz hasta 220 GHz en un solo barrido. El sistema utiliza los módulos de línea de transmisión no lineal (NLTL) de Anritsu, que ofrecen un excelente rendimiento con la mejor directividad bruta del sector, para proporcionar el mejor rendimiento de calibración y estabilidad de medición de su clase (Fig. 2).
2. El sistema VNA de banda ancha VectorStar ME7838G proporciona una caracterización de dispositivos en la oblea desde 70 kHz hasta 220 GHz en un solo barrido.
Permite a los usuarios ir más allá de los límites tradicionales en un solo barrido sin necesidad de reconstruir la estación de sondeo de la oblea desde una banda de 110 GHz hasta bandas de guía de onda superiores. Anritsu también ha introducido recientemente la opción Universal Fixture Extraction (UFX) para VectorStar, que satisface la necesidad de realizar extracciones de alta frecuencia en las mediciones de integridad de la señal.
Navneet Kataria, Product Manager de VNA de VectorStar, añadió que el sistema VNA optoelectrónico basado en VectorStar ME7848A puede caracterizar dispositivos optoelectrónicos. Estos sistemas de analizadores de redes ópticas (ONA) combinan un VNA VectorStar, un convertidor E/O y un fotodetector de referencia trazable por el NIST para realizar mediciones E/O con trazabilidad NIST hasta 70 GHz, en dispositivos como fotodetectores y moduladores/transmisores ópticos.
Caracterización de dispositivos
Los requisitos de caracterización por vía aérea (OTA) en distancias más largas para las pruebas de 5G y de vehículos grandes se están convirtiendo en un reto para los VNA tradicionales, debido a los largos cables de interconexión. El ShockLine ME7868A aborda este requisito trasladando el puerto del VNA al DUT, eliminando los cables y mejorando la estabilidad de la medición y el rango dinámico.
Las mediciones en la oblea deben abarcar las frecuencias superiores de las ondas milimétricas para una caracterización precisa del dispositivo. Al desarrollar estos sistemas, es importante caracterizar los dispositivos en un rango de frecuencias mucho más amplio, desde cerca de DC hasta mucho más allá de la frecuencia de funcionamiento. Por ejemplo, los amplificadores diseñados para aplicaciones como 802.11ad deben barrerse mucho más allá de 60 GHz en las regiones de ondas milimétricas -idealmente más allá de 180 GHz- para incluir las pruebas de tercera armónica.
Para satisfacer los requisitos de ancho de banda de los dispositivos de próxima generación, se están desarrollando tecnologías que requieren el uso de frecuencias extremadamente altas. Una de estas tecnologías es la optoelectrónica, que ofrece un enorme ancho de banda, baja latencia y es comercialmente viable. La demanda de pruebas de estos dispositivos optoelectrónicos con precisión es un gran reto en la actualidad. La solución ONA de Anritsu proporciona mediciones exactas y precisas con trazabilidad NIST de estos dispositivos optoelectrónicos.
Los VNAs siguen utilizándose en muchas aplicaciones variadas, desde la caracterización de dispositivos hasta la medición de materiales. La necesidad de realizar mediciones precisas de ondas milimétricas mucho más allá de 110 GHz es una tendencia clave. Se prevé que la próxima generación de redes celulares 6G supere las frecuencias de radio de la banda D de 170 GHz y se adentre en las regiones de 325 GHz, para seguir ampliando las capacidades de manejo de datos.
Caracterización de dispositivos activos y pasivos
Cuando se trata de abordar espacios de aplicación específicos, Stan Oda nos dijo que los VNA ShockLine son muy adecuados para las pruebas de fabricación y de componentes pasivos. Con VNAs de 1, 2 y 4 puertos en una variedad de paquetes que cubren frecuencias de 50 kHz a 92 GHz, la familia ShockLine de VNAs cubre una amplia gama de aplicaciones. Navneet Kataria añadió que el VNA VectorStar cubre todos los principales mercados objetivo, a saber, la caracterización de dispositivos activos y pasivos.
La caracterización de dispositivos optoelectrónicos es otra área objetivo de los sistemas ONA basados en VectorStar de Anritsu. La capacidad de actualización, la flexibilidad y la trazabilidad NIST en los resultados de las mediciones son algunas de las ofertas únicas que ayudan a nuestros clientes. Las capacidades de medición de materiales para varios tipos de materiales que cubren frecuencias de hasta 1,1 THz es otra de las aplicaciones de VectorStar.
Los VNAs ShockLine utilizan la tecnología NLTL patentada por Anritsu para conseguir una capacidad de VNA de alta frecuencia con eficiencia de costes y espacio. En el futuro, esperamos seguir utilizando esta tecnología probada para aumentar las capacidades de prueba en la familia ShockLine. VectorStar también utiliza la tecnología de muestreo NLTL para realizar análisis precisos de VNA de alta frecuencia hasta 70 GHz de banda base y 110, 125, 145 y 220 GHz de banda ancha. El siguiente paso en la línea de análisis de banda ancha es la capacidad de realizar mediciones diferenciales hasta 220 GHz para un análisis diferencial óptimo.
La posición de Anritsu es que los VNA seguirán desempeñando un papel clave en la caracterización de 5G, automoción y OTA en general de todos los dispositivos, desde pequeños UE hasta grandes vehículos. A medida que las frecuencias sigan aumentando y se consoliden en la oblea, seguirá aumentando la necesidad de realizar calibraciones precisas in situ, así como la capacidad de desinstalar con precisión los accesorios de prueba y las rutas de transmisión en la oblea.
Medición de estabilidad no invasiva
Cuando nos pusimos en contacto con Charles Hymowitz, vicepresidente de ventas &de marketing de Picotest, nos habló de su Medición de estabilidad no invasiva, basada en un software propio que utiliza un algoritmo matemático creado por Steve Sandler. Sin embargo, la compañía lo ha portado a muchos VNAs, sin costo alguno, y están tratando de tenerlo agregado a tantos como sea posible. NISM permite al usuario obtener el margen de fase a partir de una medición de impedancia de salida.
Muchos circuitos integrados de fuentes de alimentación son fijos y no tienen sus bucles de control disponibles para los gráficos de Bode, y muchos reguladores tienen múltiples bucles internos. En algunos casos, los reguladores se han vuelto tan pequeños que romper el bucle se ha vuelto poco práctico. Aparte de las pruebas de carga por pasos, que realmente no proporcionan un número de margen de fase, no hay otras formas de obtener la estabilidad del bucle de control de un regulador de este tipo, excepto mediante el uso de NISM.
Por ejemplo, NISM se incluye con el OMICRON Lab Bode 100 (Fig. 3), como un complemento de software para el Keysight E5061B/E5071C, así como el Rohde ZNL/ZNLE, y la línea de VNAs Copper Mountain CMT. Se están preparando otros puertos.
3. Dispositivos como el OMICRON Lab Bode 100 incluyen la tecnología de Medición de Estabilidad no Invasiva de Picotest.
Todas las sondas e inyectores de señal de Picotest se pueden utilizar con cualquier VNA, lo que permite conectar DUTs al VNA para realizar diversas mediciones (Fig. 4). La mayoría de estos inyectores (además de los relacionados con el diagrama de Bode) son propios y no están disponibles en otros fabricantes de VNA. Los diversos inyectores de línea, como el J2102B, ofrecen cable PDN y admiten la medición de la PSRR y de la impedancia de 2 puertos. El divisor activo J2161A es único y puede convertir un osciloscopio en un VNA.
4. Todas las sondas e inyectores de señal de Picotest se pueden utilizar con cualquier VNA. El divisor activo de banda ancha de 2 vías J2161A de Picotest, junto con su transformador de modo común J2102B, pueden utilizarse para convertir muchos osciloscopios nuevos en VNAs con el mismo o mayor ancho de banda y sensibilidad que los VNAs dedicados.
Desafíos
La medición de impedancia de dos puertos es actualmente el estándar de oro para la medición de baja impedancia, siendo la integridad de la potencia y la impedancia de la PDN (red de distribución de potencia) una gran preocupación de diseño y rendimiento. Aparte de la simulación, la medición es esencial para comprender, delimitar y diseñar buenas PDN.
Para medir las impedancias bajas y ultrabajas, Picotest ha creado una serie de accesorios esenciales para una medición precisa, entre los que se incluyen los disyuntores de bucle de tierra J2102B/J2113A (esenciales para eliminar el error de bucle de grupo inherente a la medición) y el cable de PDN flexible, ultrafino y de bajas pérdidas (Fig. 5).
5. El cable PDN flexible, ultrafino y de bajas pérdidas permite realizar mediciones precisas.
Cuando se mide la impedancia PDN de miliohmios y microhmios, es fundamental controlar las fuentes de error de medición, y estos productos lo consiguen. Además, Picotest introducirá un sustituto de su actual sonda de 2 puertos que será una verdadera sonda BROWSER de mano de 4 puertos capaz de medir la impedancia del plano de potencia en miliohmios. La conexión al DUT, especialmente en placas de circuito impreso densas, es un aspecto difícil de la medición de la impedancia del PDN y la nueva sonda de 2 puertos P2102A de Picotest va a facilitar en gran medida esta barrera.
Tendencias
La tendencia a que los osciloscopios incorporen capacidades de VNA es significativa, y puede afectar drásticamente a las ventas de los instrumentos tradicionales de VNA, especialmente a medida que los proveedores de osciloscopios incorporan más y mejores interfaces. Una de las áreas más importantes en la actualidad para los VNA es la medición de la integridad de la energía/impedancia de la red eléctrica.
Específicamente, la medición de dos puertos de la impedancia del carril de alimentación se está convirtiendo en algo muy importante para casi todos los sistemas. Esto incluye las fuentes de alimentación para circuitos digitales de alta velocidad o de RF. Tradicionalmente, las sondas del carril de alimentación se utilizaban para medir el ruido en el dominio del tiempo, pero esto es inaceptable, ya que no delimita las posibles excursiones de tensión que pueden producirse en el carril.
La impedancia puede definir el estado del carril de alimentación y los posibles problemas de rendimiento. Además, la banda de frecuencias de interés va desde la baja frecuencia (10s de Hz) hasta muchos GHz, lo que hace que la medición sea un reto y el dominio del VNA. La empresa también tiene previsto introducir una serie de sondas de 1 y 2 puertos que ayudarán a los usuarios de VNA a conectarse a sus DUTs.
Herramientas potentes y flexibles
La explosión de los sistemas habilitados para la nube y las infraestructuras basadas en RF ha supuesto una enorme presión para los ingenieros que trabajan en el espacio inalámbrico. Nos pusimos en contacto con Rich Pieciak, director de producto de analizadores vectoriales de redes de Rohde & Schwarz USA, y le preguntamos qué está haciendo la empresa para solucionar estos problemas. Nos dijo que las plataformas de analizadores vectoriales de redes más recientes de Rohde & Schwarz son la familia R&S ZNA y la plataforma R&S ZNBT40, que amplió sus soluciones multipuerto hasta 40 GHz, con hasta 24 puertos (Fig. 6).
6. La plataforma R&S ZNBT40 presenta soluciones multipuerto hasta 40 GHz, con hasta 24 puertos.
La familia R&S de analizadores vectoriales de redes de alto rendimiento aborda áreas de aplicación en evolución con su sofisticada y flexible arquitectura de hardware. Las características de RF de la familia R&S destacan por la sensibilidad, el rango de barrido de potencia y la linealidad, aumentadas por una novedosa arquitectura de hardware con cuatro fuentes internas de fase coherente, dos osciladores locales internos y ocho receptores para un alto nivel de versatilidad de medición.
Las aplicaciones digitales de alta velocidad también se han ampliado en estas dos familias de instrumentos, (al igual que las familias R&S ZNB y R&S ZND), con la introducción de nuevas soluciones de desincrustación que ofrecen a los clientes la posibilidad de evaluar y utilizar más fácilmente soluciones aceptadas por la industria para caracterizar estructuras de diseño digital de alta velocidad que admiten rangos de frecuencia cada vez mayores.
Por delante de la aplicación
Los avances tecnológicos en las aplicaciones inalámbricas y de defensa aeroespacial &continúan abordando conjuntos integrados que contienen un elevado número de puertos, debido a funciones avanzadas como la formación de haces, las arquitecturas de antenas integradas y las velocidades de transmisión de datos digitales cada vez más elevadas. Todos estos esfuerzos de integración están obligando a adoptar nuevos enfoques para las validaciones de rendimiento.
La arquitectura de los instrumentos de prueba debe evolucionar para proporcionar la información necesaria sobre el rendimiento del dispositivo bajo prueba. La arquitectura del R&S ZNA, por ejemplo, puede medir ahora las características de campo cercano de un conjunto de antena con un LO integrado gracias a sus múltiples sintetizadores internos y osciladores locales duales, junto con su arquitectura de receptor digital dual.
6G y otras investigaciones sobre aplicaciones en el espacio de las ondas milimétricas están poniendo un mayor énfasis en la ampliación de las mediciones tradicionales de VNA a áreas de frecuencia de hasta 300 GHz y más allá. La arquitectura de VNA versátil es primordial para la caracterización adecuada del componente o del entorno del canal correspondiente.
Abordando las aplicaciones
Los diseños digitales de alta velocidad siguen adquiriendo importancia y especialmente en las áreas de integridad de la señal. La proliferación de diferentes estándares y los correspondientes diseños de placas están requiriendo nuevas formas de sondear y analizar las señales tanto en el dominio de la frecuencia como en el del tiempo. Rohde & Schwarz ha introducido recientemente herramientas para evaluar mejor el rendimiento de los diseños y aislar su rendimiento de fuentes externas como conectores, cables, sondas, etc.
Las nuevas opciones que abordan las técnicas de desincrustación basadas en la norma P370, la desincrustación inteligente de Packet Micro, así como la desincrustación in situ de AtaiTec son ahora compatibles como opciones en las familias R&S ZNA, R&S ZNB, R&S ZNBT y R&S ZND para permitir a los clientes evaluar las técnicas más adecuadas para sus aplicaciones individuales.
También está disponible una opción para la caracterización de PCB Delta-L. Las mediciones de conversión de frecuencias son otra área de medición fundamental muy adecuada para el R&S ZNA, debido a su arquitectura de sintetizador múltiple y a las técnicas de medición, como las destinadas a los subconjuntos con osciladores locales integrados.
Los sintetizadores DDS del R&S ZNA son la base de cuatro fuentes coherentes y repetibles en fase. El usuario puede definir la amplitud y la diferencia de fase entre cuatro señales para aplicaciones como la formación de haces o la simulación de objetivos. Las aplicaciones de ondas milimétricas y los continuos avances en los conjuntos integrados requieren un avance continuo en la estrategia de pruebas. Las plataformas de prueba deben evolucionar en consecuencia tanto en la arquitectura como en la ciencia de medición correspondiente.
Un panorama cambiante
Los analizadores de red caracterizan los componentes electrónicos en casi todas las industrias. Aunque su versatilidad ha crecido, la arquitectura central de los analizadores de redes ha permanecido prácticamente inalterada durante las últimas décadas. Las tecnologías modernas con frecuencias más altas y anchos de banda más amplios, como el 5G, superan los límites de los analizadores de redes actuales y crean nuevos retos para los ingenieros a la hora de medir dispositivos multicanal.
Matt Campbell, ingeniero de marketing de productos de Keysight Technologies, señaló que las fuentes de los analizadores de redes tradicionalmente no tenían que ser muy precisas, ya que las discontinuidades se podían eliminar de las mediciones. Sin embargo, el rendimiento de la fuente puede tener un impacto más significativo en las complejas mediciones de banda ancha y no lineales de hoy en día.
Para hacer frente a esto, Keysight habilitó sus analizadores de redes PNA y PNA-X con la misma fuente de señal que sus generadores de señal de gama alta. Presentados como los que tienen el menor ruido de fase disponible, los ingenieros pueden realizar rápidamente mediciones como EVM, mediciones de convertidores con fase y análisis de redes no lineales con confianza en los resultados (Fig. 7).
7. Analizador de redes mcondas N5245B PNA-X de Keysight.
Para ayudar en las pruebas de fabricación de 5G, Keysight introdujo su analizador de componentes vectoriales, presentado como el primer instrumento modular multipuerto que puede realizar tanto análisis de redes como mediciones de señales moduladas. Esto permite a los diseñadores realizar mediciones de analizadores de redes como parámetros S y ganancia simultáneamente con EVM y ACP.
Matt señaló que cuando los clientes buscan analizadores de redes, las aplicaciones como las mediciones de RF pulsada, el análisis de espectro y el análisis en el dominio del tiempo suelen ser tan importantes para ellos como los parámetros S. La gente piensa en los analizadores de redes como herramientas generales de RF, no sólo como máquinas de parámetros S, y los analizadores de redes de Keysight ofrecen funciones como la calibración guiada con un módulo ECal y asistentes que guían en las mediciones avanzadas.
Los analizadores de redes de Keysight cubren todas las aplicaciones, desde el I+D hasta la fabricación, pasando por las pruebas de campo, con factores de forma adaptados a cada aplicación. Los VNAs USB, cómodos y capaces, los VNAs multipuerto con hasta 50 puertos, y el robusto FieldFox de mano, llevan el rendimiento allí donde se necesita. Prácticamente todas las industrias están viendo cómo las frecuencias aumentan y los dispositivos se vuelven más integrados, por lo que Keysight ofrece cobertura de frecuencias hasta las frecuencias milimétricas, así como aplicaciones de medición flexibles para cada factor de forma.
Las conexiones son importantes
Una conexión de cualquier tipo es tan buena como sus conectores y cables, y las pruebas no son una excepción. Según Steve Ellis, director de la línea de productos de Pasternack, su última línea de cables de prueba VNA altamente flexibles se dirige a una amplia gama de exigentes aplicaciones de laboratorio y de prueba (Fig. 8). Sus características incluyen una estabilidad de fase de ±6° a 50 GHz y de ±8° a 70 GHz con flexión, así como una VSWR de 1,3:1 a 50 GHz y de 1,4:1 a 70 GHz.
8. Los cables de prueba de VNA de Pasternack abordan una amplia gama de exigentes aplicaciones de laboratorio y de prueba.
Estos conjuntos de 50 GHz están terminados con conectores de 2,4 mm, mientras que los conjuntos de 70 GHz utilizan conectores de 1,85 mm. La armadura de acero inoxidable trenzado que rodea el coaxial proporciona un cable resistente pero flexible con una vida útil de flexión que supera los 100.000 ciclos, y los cables están terminados con conectores resistentes de acero inoxidable que proporcionan hasta 5.000 ciclos de acoplamiento cuando se colocan con el cuidado adecuado. Las versiones de 50 y 70 GHz se ofrecen con conectores de tipo NMD, con opciones de conectores de ángulo recto de 2,4 y 1,85 mm.
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