Medidas de antenas con un analizador de redes vectoriales

Medidas de impedancia de antena

Si bien el rendimiento de una antena se puede predecir mediante simulaciones y modelado, hay factores en la aplicación real que inducen a menudo variaciones. Por tanto, para verificar el rendimiento de una antena es necesario realizar medidas físicas en condiciones reales.

Existen dos tipos de medida de antena:

• Medidas de radiación, que miden parámetros como ganancia, directividad, ancho de haz y eficiencia
• Medidas de impedancia, que miden la impedancia (compleja) de la antena

La impedancia de una antena determina qué proporción de la potencia de entrada o de transmisión es absorbida o radiada por la antena, y cuánta retorna al transmisor. Esto se comprueba insertando una señal en la antena y midiendo a continuación la magnitud y fase de la señal reflejada.

Existen diversos métodos y herramientas diferentes que pueden utilizarse para medir la impedancia de la antena, pero el método preferido es emplear un analizador de redes vectoriales (VNA) para llevar a cabo una medida de reflexión (S11).

Los analizadores de redes vectoriales son instrumentos versátiles que pueden ejecutar medidas escalares y vectoriales de potencia directa y reflejada. Brindan alta precisión para un amplio rango de frecuencias, y disponen además de un alto rango dinámico. Estos instrumentos también se pueden utilizar para otras tareas de RF, como medidas de pérdidas en cables o pruebas de filtros y amplificadores.

Cómo medir la impedancia de antena

Las medidas de antenas requieren tres pasos esenciales:

1. Conectar la antena
A menudo, las antenas se conectan al analizador de redes vectoriales a través de una línea de alimentación. Esta línea se puede conectar directamente al puerto del VNA, o se puede utilizar un cable adicional de dispositivo bajo prueba (DUT) para conectar el VNA al cable examinado. Si se emplea un cable de DUT, es recomendable una calibración al final del cable para garantizar la precisión de las medidas.

2. Configurar el VNA
Deben tenerse en cuenta tres aspectos:

• Configurar el generador de seguimiento: aporta una señal de estímulo de barrido utilizada tanto a modo de entrada en la antena como a modo de referencia al medir la señal reflejada.
• Especificar el rango de frecuencias de barrido: determina el rango de frecuencias para el barrido del generador de seguimiento.
• Establecer el número de puntos de medida: elevando este número por encima de los ajustes predeterminados del analizador se obtiene un mayor grado de detalle, pero también aumenta el tiempo necesario para un barrido individual.

3. Calibrar la configuración
Para obtener medidas de impedancia de antena precisas es necesaria una calibración de un puerto. El proceso de calibración implica la conexión secuencial de patrones de calibración a la posición donde se va a conectar la antena.
Los tres patrones de calibración son:

• Open
• Short
• Match (o carga)

Las unidades de calibración electrónicas son una alternativa a estos patrones de conexión manual. Estas unidades cambian automáticamente sus patrones internos y se controlan a través del VNA conectado, lo que acelera la calibración.

Si la antena o la línea de alimentación se conectan directamente al puerto del VNA, los patrones de calibración deberían conectarse también directamente a este puerto. Si se utiliza un cable para DUT, los patrones de calibración deberían conectarse también al extremo del cable para DUT.

Empecemos por la conexión de la antena. Las antenas se suelen conectar a los analizadores de redes vectoriales a través de una línea de alimentación. Esta línea se puede conectar directamente al puerto del VNA, o se puede utilizar un cable adicional de dispositivo bajo prueba (DUT) para conectar el VNA al cable examinado. Si se emplea un cable de DUT, es recomendable una calibración al final del cable para garantizar la precisión de las medidas.

Patrones de calibración para medir la impedancia de antena con precisión

Además de configurar el VNA, también es necesaria una calibración monopuerto para obtener medidas de impedancia de antena precisas. El proceso de calibración implica la conexión secuencial de patrones de calibración a la posición donde se va a conectar la antena.

Los tres patrones de calibración son:

• Open
• Short
• Match (o carga)

Las unidades de calibración electrónicas son una alternativa a estos patrones de conexión manual. Estas unidades cambian automáticamente sus patrones internos y se controlan a través del VNA conectado. Generalmente, son mucho más rápidas que si se utilizan patrones manuales.

Si la antena o la línea de alimentación se van a conectar directamente al puerto del VNA, los patrones de calibración deberían conectarse también directamente a este puerto. Si se va a emplear un cable de DUT, entonces los patrones de calibración deberían conectarse también al final de un cable de DUT.

Formatos de medida de impedancia de antena

Los VNA proporcionan diferentes formatos para analizar la impedancia de antena:

• Relación de onda estacionaria (ROE): la ROE indica la relación entre potencia directa y potencia reflejada, con un valor ideal de 1:1. A menudo se representa respecto a la frecuencia para determinar el ancho de banda.
• Pérdida de retorno: expresada en dB, la pérdida de retorno representa la relación entre potencia reflejada y potencia directa en una escala logarítmica. Cuanto mayores son los valores, mejor es el rendimiento de la antena.
• Impedancia compleja y diagramas de Smith: además de valores escalares, un VNA puede medir la impedancia compleja, lo que permite obtener información detallada de componentes reales e imaginarios. Los resultados se visualizan en un diagrama de Smith , que ofrece una representación completa del comportamiento de la impedancia a través de la frecuencia.