Caracterização de um amplificador com a combinação de análise de espectro e rede

A caracterização geral de complexos dispositivos em teste, tais como amplificadores, requer a medição de diversos parâmetros. Alguns podem requerer mais de um dispositivo em teste ou equipamentos com custos elevados. Graças à sua versatilidade, o R&S®ZNL é uma solução econômica que permite caracterizar vários dispositivos em teste, tanto por análise de rede quanto por análise de espectro.

Medição de valor de ruído de amplificador com o R&S®ZNL (atrás), um R&S®FS-SNS18 (esquerda) e um pré-amplificador externo (direita) alimentado por uma fonte de alimentação programável R&S®HMP2030 (atrás, à direita).
Medição de valor de ruído de amplificador com o R&S®ZNL (atrás), um R&S®FS-SNS18 (esquerda) e um pré-amplificador externo (direita) alimentado por uma fonte de alimentação programável R&S®HMP2030 (atrás, à direita).
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Sua tarefa

Os amplificadores são um dos mais comuns componentes de RF devido às suas inúmeras aplicações, mas também são um dos mais complexos dispositivos em teste (DUT) a serem medidos. Para uma caracterização mais completa, um amplificador deve ser testado para determinar parâmetros S lineares em uma determinada frequência ou potência, e para medir parâmetros como distorção harmônica, interceptações de terceira ordem (TOI), pontos de compressão e valor de ruído; e tudo isso pode não ser possível com um analisador de redes vetoriais tradicional. Na verdade, equipamentos avançados frequentemente são utilizados para testar esses parâmetros e os analisadores de redes vetoriais (VNA) econômicos clássicos geralmente requerem complicadas instalações e demorados pós-processamentos para disponibilizar os dados no formato correto.

A alternância entre estações de teste para utilizar um analisador de redes vetoriais e um analisador de espectro também é possível, porém, não é ideal quando há limitações de tempo ou espaço, pois é necessário mover de um local para o outro o dispositivo em teste, o analisador de redes vetoriais, os cabos e uma unidade ou um kit de calibração.

Exibição de dados com o R&S®ZNL Multiview. Esta instalação é ativada automaticamente quando mais de um modo é ativado como um canal adicional e pode ser acessada ao navegar até a guia correspondente na parte superior da tela.
Exibição de dados com o R&S®ZNL Multiview. Esta instalação é ativada automaticamente quando mais de um modo é ativado como um canal adicional e pode ser acessada ao navegar até a guia correspondente na parte superior da tela.
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A solução da Rohde & Schwarz

As funções de analisador de espectro, gerador de sinais e medição de valor de ruído (possibilitadas pelas opções R&S®ZNLx-B1, R&S®ZNL-K14 e R&S®ZNL-K30) permitem que o R&S®ZNL consiga lidar com todos esses problemas, ao mesmo tempo em que eliminam completamente a necessidade de mover a configuração para testes entre estações.

O R&S®ZNL é um dispositivo de teste portátil multifuncional econômico. Ele consiste em um analisador de redes vetoriais que pode ser atualizado com hardware real para análise de espectro (opção R&S®ZNLx-B1) e fornece todas as ferramentas e o desempenho necessários para a caracterização completa de amplificadores em uma única caixa compacta e leve, que também pode ser equipada com um conjunto de baterias (opção R&S®FPL1-B31) para mobilidade máxima. É muito fácil alternar entre os modos de análise de rede e de análise de espectro e o R&S®ZNL Multiview apresenta aos usuários todos os resultados de ambos os modos em uma única janela, para conveniente exibição dos dados e relatórios abrangentes.

Medição da magnitude de parâmetros S em modo de análise de rede para medição de um amplificador com um mínimo de 15 dB de ganho na faixa de frequência selecionada. Uma saída de potência elevada no analisador de redes vetoriais pode sobrecarregar o receptor de medição.
Medição da magnitude de parâmetros S em modo de análise de rede para medição de um amplificador com um mínimo de 15 dB de ganho na faixa de frequência selecionada. Uma saída de potência elevada no analisador de redes vetoriais pode sobrecarregar o receptor de medição.
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Aplicação

O ganho de amplificador, a perda de retorno de entrada (ou VSWR) e a perda de retorno de saída podem ser medidos com precisão pelo R&S®ZNL no modo de análise de redes vetoriais: basta definir a faixa de frequência e o número de pontos necessários para a varredura e ajustar a faixa dinâmica e a velocidade de medição necessárias selecionando a largura de banda apropriada para a medição. Apesar de as portas do R&S®ZNL poderem suportar +27 dBm de entrada sem danos, é importante não provocar compressões nos receptores internos do R&S®ZNL e do amplificador em teste (ou destruí-los). Portanto, a potência de saída do R&S®ZNL deve ser selecionada cuidadosamente e deve-se considerar a possibilidade de utilizar atenuadores externos quando necessário. Uma mensagem do sistema informa o usuário quando o receptor de medição está sobrecarregado, para assegurar tanto a precisão da medição quanto a integridade do equipamento. Para proteção adicional, o R&S®ZNL também pode ter atenuadores de etapas de receptores ativados na porta 1 (opção R&S®ZNLx-B31) e na porta 2 (opção R&S®ZNLx-B32); além disso, a saída de potência pode ser definida para valores tão baixos como –40 dBm (opção R&S®ZNLx-B22).

Escolha de medições do analisador de espectro. Este menu pode ser acessado ao pressionar o botão “Meas” (Medição) durante o modo de análise de espectro.
Escolha de medições do analisador de espectro. Este menu pode ser acessado ao pressionar o botão “Meas” (Medição) durante o modo de análise de espectro.
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Por fim, é necessária uma calibração completa de duas portas antes de iniciar o teste. O fluxo de trabalho de calibração no menu guia os usuários passo a passo através de todo o processo; desde a seleção dos kits de calibração manual ou unidades de calibração automática da Rohde & Schwarz até a conexão e a medição de padrões.

O modo de análise de espectro pode ser acessado no menu “Mode” (Modo), permitindo que diversas medições sejam executadas e as informações relevantes sejam exibidas convenientemente. Nada precisa ser alterado fisicamente na configuração de medição.

As seguintes medições são recomendadas para amplificadores:

  • Zero span (Intervalo zero)
  • Harmonic distortion (Distorção harmônica)
  • Third-order intercept (Interceptação de terceira ordem)

“Zero span” (Intervalo zero) pode medir pontos de compressão de amplificadores em uma determinada frequência quando é aplicado um estímulo na mesma frequência. Geralmente é necessária uma fonte de sinal externo, porém a opção R&S®ZNL-K14 elimina a necessidade de equipamentos adicionais com um gerador de sinais de onda contínua (CW) independente. As únicas configurações necessárias para o receptor são a seleção da frequência de teste e da atenuação apropriada. O gerador deve ser, então, configurado ao entrar na mesma frequência de teste e em um nível de sinal suficientemente baixo para assegurar que o dispositivo em teste não entre em compressão.

Para identificar facilmente os pontos de compressão, o desvio de referência pode ser ajustado de modo que o nível do gerador corresponda à saída do amplificador. Quando o nível de sinal da fonte de onda contínua for aumentado gradualmente, somente a quantidade exibida na tela deve ser monitorada e o usuário deve observar quando a quantidade exibida é reduzida em uma determinada quantidade de dB abaixo da entrada selecionada.

Uma medição “Zero Span” (Intervalo zero) de amplificador em 500 MHz. Com um sinal de entrada de onda contínua de –20 dBm, o desvio de referência é escolhido de modo que o marcador mostre o mesmo valor da entrada do gerador (–20 dBm). Depois disso, seu nível de sinal deve aumentar gradualmente até que o marcador mostre exatamente 1 dB de diferença do nível do gerador, portanto, é possível concluir que o ponto de compressão –1 dB está na potência de entrada de –10,5 dBm.
Uma medição “Zero Span” (Intervalo zero) de amplificador em 500 MHz. Com um sinal de entrada de onda contínua de –20 dBm, o desvio de referência é escolhido de modo que o marcador mostre o mesmo valor da entrada do gerador (–20 dBm). Depois disso, seu nível de sinal deve aumentar gradualmente até que o marcador mostre exatamente 1 dB de diferença do nível do gerador, portanto, é possível concluir que o ponto de compressão –1 dB está na potência de entrada de –10,5 dBm.
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As mesmas medições também podem ser realizadas no modo de análise de rede ao normalizar o sinal de onda contínua transmitido amplificado quando o dispositivo em teste estiver em sua região linear (antes da compressão de –1 dB) e ao observar o desvio da curva S21 em a partir de seu zero quando a potência do sinal alimentado na entrada do amplificador for aumentada gradualmente.

O modo de análise de espectro também pode testar o desempenho de distorção harmônica de dispositivos em teste. Basta selecionar “harmonic distortion” (distorção harmônica) no menu de medição de análise de espectro para exibir os valores harmônicos relevantes para a portadora selecionada. O sistema irá mostrar automaticamente os dados para as primeiras dez harmônicas, bem como a distorção harmônica total (THD). Tanto o número de harmônicas quanto o tempo de varredura podem ser ajustados no menu apropriado.

O sensor de potência NRP18T oferece suporte a medições entre –35 dBm e +20 dBm de CC até 18 GHz.
O sensor de potência NRP18T oferece suporte a medições entre –35 dBm e +20 dBm de CC até 18 GHz.
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Produtos de intermodulação também podem ser exibidos com facilidade ao selecionar “third-order intercept” (interceptação de terceira ordem) no menu de medição. Porém, esse teste específico requer que a entrada do dispositivo em teste seja um sinal de dois tons que pode ser obtido através da união de duas ondas contínuas diferentes através de um combinador externo. Um dos sinais pode ser fornecido pela porta 1 do R&S®ZNL, graças à opção R&S®ZNL-K14, e o segundo sinal deve ser fornecido por uma fonte externa, tal como um gerador de sinais ou um segundo analisador de redes vetoriais. Assim, a instalação poderá fornecer informações sobre a interceptação de terceira ordem (TOI) do amplificador.

As primeiras dez harmônicas de uma portadora de 500 MHz são exibidas de maneira prática com a medição “Distorção harmônica”. A tabela de resumo obtida como resultado lista seu nível de potência e frequências. O gerador de onda contínua pode ser operado a partir da barra de ferramentas na parte esquerda da tela.
As primeiras dez harmônicas de uma portadora de 500 MHz são exibidas de maneira prática com a medição “Distorção harmônica”. A tabela de resumo obtida como resultado lista seu nível de potência e frequências. O gerador de onda contínua pode ser operado a partir da barra de ferramentas na parte esquerda da tela.
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Se uma precisão de classe metrológica ou um intervalo de medição ainda maior forem necessários em medições de potência no modo de análise de espectro, o suporte para todos os sensores de potência R&S®NRP pode ser ativado com a opção R&S®FPL1-K9.

Como cabos provocam perdas, o nível de potência de sinal do R&S®ZNL na entrada do dispositivo em teste pode ser verificado para determinar quaisquer perdas. A diferença entre entrada e saída pode ser analisada no modo de análise de espectro ao comparar o nível de potência do gerador e o nível exibido pelo instrumento quando o cabo que leva até a entrada do dispositivo em teste estiver conectado à porta 2 ou a um sensor de potência. O desvio do gerador pode ser utilizado para ajustar precisamente o sinal de entrada do dispositivo em teste e compensar perdas por cabos. Uma avaliação semelhante é possível no modo de análise de rede, ao analisar as quantidades de ondas a1 na porta 1 e b1 na porta 2.

Além disso, o valor de ruído (NF) do amplificador pode ser testado ao selecionar “Noise figure” (Valor de ruído) no menu “Mode” (Modo) do R&S®ZNL. Esta medição requer que a opção R&S®ZNL-K30 esteja ativa e que uma fonte de ruído esteja disponível juntamente com um pré-amplificador externo, dependendo dos requisitos do dispositivo em teste. A opção R&S®FPL1-B5 pode controlar uma fonte de ruído diretamente com o R&S®ZNL. Para medições simples e altamente precisas de valor de ruído, é recomendada uma fonte de ruído R&S®FS-SNS inteligente que é identificada automaticamente pelo sistema e não requer nenhuma entrada de configuração do usuário.

O gerador de onda contínua de um R&S®ZNL6 é definido para 1 GHz e outro sinal de onda contínua em 1,2 GHz é fornecido por um gerador de sinais externo. Os dois tons são reunidos por um combinador e fornecidos como entrada para o amplificador. O espectro resultante é medido pelo R&S®ZNL6 no modo de medição “Interceptação de terceira ordem”. Também é possível ativar um espectrograma.
O gerador de onda contínua de um R&S®ZNL6 é definido para 1 GHz e outro sinal de onda contínua em 1,2 GHz é fornecido por um gerador de sinais externo. Os dois tons são reunidos por um combinador e fornecidos como entrada para o amplificador. O espectro resultante é medido pelo R&S®ZNL6 no modo de medição “Interceptação de terceira ordem”. Também é possível ativar um espectrograma.
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As configurações de medição também são simples: basta que os usuários selecionem a faixa de frequência e os pontos de varredura. Se necessário, eles também podem controlar os tempos de estabilização e de medição para cada ponto. A caracterização do valor de ruído de um amplificador requer uma conexão de dispositivo em teste diferente. O sistema é calibrado ao conectar a fonte de ruído à segunda porta do R&S®ZNL com um pré-amplificador entre elas. Assim que a etapa de calibração estiver completa, o dispositivo em teste é inserido entre a fonte de ruído e o pré-amplificador (veja a foto na página 1) e a medição é realizada. Todos os modelos de R&S®FS-SNS também oferecem suporte a cálculos de incertezas, exibidos de forma prática no diagrama de valor de ruído. A ativação e a exibição correta das incertezas são fáceis: o usuário deve abrir o menu apropriado, marcar a caixa de verificação de utilização de pré-amplificador e inserir seu ganho e seu valor de ruído.

Um amplificador é medido com 101 pontos, entre 1 GHz e 2,4 GHz. O valor de ruído, o ganho e o fator Y são exibidos em seus diagramas relacionados e seus valores para cada frequência medida são listados na tabela de resultados. O cálculo da incerteza é configurado com facilidade devido à utilização de um R&S®FS-SNS18.
Um amplificador é medido com 101 pontos, entre 1 GHz e 2,4 GHz. O valor de ruído, o ganho e o fator Y são exibidos em seus diagramas relacionados e seus valores para cada frequência medida são listados na tabela de resultados. O cálculo da incerteza é configurado com facilidade devido à utilização de um R&S®FS-SNS18.
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Resumo

O analisador de redes vetoriais R&S®ZNL é um instrumento versátil capaz de caracterizar os mais desafiadores dispositivos em teste, tais como amplificadores, sem requerer longas instalações ou profundos conhecimentos em RF por parte dos usuários. As opções de análise de espectro, tais como suporte à medição de valor de ruído e gerador de sinais, asseguram a flexibilidade do instrumento e permitem utilizar mais opções de hardware, como um conjunto de baterias; tornando o R&S®ZNL a solução completa para todos os ambientes de trabalho, desde os laboratórios até as utilizações em campo. Os sensores de potência R&S®NRP e as fontes de ruído R&S®FS-SNS inteligentes podem ser utilizados para obter medições ainda mais precisas e simples.