Caracterización de un amplificador con la combinación de análisis de redes y espectro

La caracterización general de complejos dispositivos, como amplificadores, requiere de mediciones de diversos parámetros. Algunos pueden requerir más que un equipo de prueba o equipamiento costoso. Gracias a su versatilidad, el R&S®ZNL es una solución económica que puede caracterizar una variedad de dispositivos tanto mediante el análisis de redes como el análisis de espectro.

Medición de la cifra de ruido de amplificadores con el R&S®ZNL (parte posterior), un R&S®FS-SNS18 (izquierda) y un preamplificador externo (derecha) alimentado por una fuente de poder programable R&S®HMP2030 (parte posterior derecha).
Medición de la cifra de ruido de amplificadores con el R&S®ZNL (parte posterior), un R&S®FS-SNS18 (izquierda) y un preamplificador externo (derecha) alimentado por una fuente de poder programable R&S®HMP2030 (parte posterior derecha).
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Su tarea

Los amplificadores son uno de los componentes de RF más comunes debido a sus innumerables aplicaciones, pero también son uno de los dispositivos más difíciles de medir. Para una caracterización más completa, se debe probar un amplificador para determinar los parámetros-S lineales a una cierta frecuencia o potencia y para medir los parámetros como la distorsión armónica, el punto de intercepción de tercer orden (TOI), los puntos de compresión y la cifra de ruido. Todas estas pruebas no se podrían realizar con un analizador de redes vectoriales tradicional. De hecho, para probar tales parámetros a menudo se utilizan equipos de alta gama. Generalmente, los analizadores de redes vectoriales clásicos que son económicos necesitan de configuraciones complicadas y de posprocesamiento que requieren mucho tiempo para que los datos estén disponibles en el formato correcto.

Conmutar entre estaciones de pruebas para utilizar un analizador de redes vectoriales y un analizador de espectro es también factible. Sin embargo, no es ideal cuando se tiene poco espacio y tiempo, debido a que el dispositivo y posiblemente el analizador de redes, los cables, el kit o la unidad de calibración necesitarían ser trasladados de un lugar a otro.

Visualización de datos con R&S®ZNL Multiview. Esta configuración se habilita automáticamente cuando se activa más de un modo de funcionamiento, como un canal adicional, y se puede acceder a esta navegando a la pestaña correspondiente en la parte superior de la pantalla.
Visualización de datos con R&S®ZNL Multiview. Esta configuración se habilita automáticamente cuando se activa más de un modo de funcionamiento, como un canal adicional, y se puede acceder a esta navegando a la pestaña correspondiente en la parte superior de la pantalla.
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La solución de Rohde & Schwarz

El analizador de espectro, el generador de señales y las funciones de medición de la cifra de ruido (habilitadas mediante las opciones R&S®ZNLx-B1, R&S®ZNL-K14 y R&S®ZNL-K30) permiten que el R&S®ZNL afronte todos estos problemas, mientras que se elimina completamente la necesidad de mover la configuración de medición entre estaciones.

El R&S®ZNL es un equipo de prueba portátil, multifuncional y económico. Consiste de un analizador de redes vectoriales, el cual puede actualizarse con un hardware de análisis de espectro real (opción R&S®ZNLx-B1) y proporciona las herramientas y el rendimiento necesarios para completar la caracterización de amplificadores. Consiste en un solo instrumento liviano y compacto, el cual puede incluso equiparse con un paquete de baterías (opción R&S®FPL1-B31) para alcanzar máxima movilidad. Conmutar entre los modos de análisis de redes y de análisis de espectro es muy fácil y el R&S®ZNL Multiview brinda a los usuarios todos los resultados de ambos modos en una sola ventana para una visualización conveniente de los datos y un reporte completo.

Medición de la magnitud de los parámetros-S en modo de análisis de redes al medir un amplificador con una ganancia mínima de unos 15 dB en la gama de frecuencias seleccionada. Una salida de potencia elevada de un analizador de redes vectoriales puede sobrecargar el receptor de mediciones.
Medición de la magnitud de los parámetros-S en modo de análisis de redes al medir un amplificador con una ganancia mínima de unos 15 dB en la gama de frecuencias seleccionada. Una salida de potencia elevada de un analizador de redes vectoriales puede sobrecargar el receptor de mediciones.
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Aplicación

La ganancia del amplificador, la pérdida de retorno de entrada (o ROE) y la pérdida de retorno de salida pueden medirse con precisión usando el R&S®ZNL en el modo de análisis de redes vectoriales: simplemente defina la gama de frecuencias, el número de puntos necesarios para el barrido, ajuste el rango dinámico requerido y la velocidad de medición, seleccionando el ancho de banda adecuado para la medición. Aunque los puertos del R&S®ZNL pueden resistir +27 dBm de entrada sin sufrir daño alguno, es también importante no someter el amplificador bajo prueba y a los receptores internos R&S®ZNL a comprensión (o destruirlos). Por lo tanto, la potencia de salida del R&S®ZNL debe seleccionarse cuidadosamente y deben también considerarse atenuadores externos donde sea necesario. Un mensaje del sistema informa al usuario cuando el receptor de medición está sobrecargado para asegurar tanto la precisión de medición como la integridad de los equipos. Para protección adicional, el R&S®ZNL puede tener también atenuadores por pasos del receptor activados en el puerto 1 (opción R&S®ZNLx-B31) y en el puerto 2 (opción R&S®ZNLx-B32) y la salida de potencia puede configurarse hasta –40 dBm (opción R&S®ZNLx-B22).

Elección de mediciones del analizador de espectro. Se accede a este menú presionando el botón «Meas» cuando se está en el modo de análisis de espectro.
Elección de mediciones del analizador de espectro. Se accede a este menú presionando el botón «Meas» cuando se está en el modo de análisis de espectro.
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Finalmente, se requiere una calibración de dos puertos completa antes de que se pueda iniciar la prueba. El proceso de calibración en el menú guía al usuario paso a paso a lo largo de todo el proceso, empezando por la selección del kit de calibración manual o las unidades de calibración automática de Rohde & Schwarz, hasta la conexión y medición de patrones.

Puede accederse al modo análisis de espectro en el menú «Mode», lo que permite realizar varias mediciones y la visualización adecuada de la información más importante. No se necesita cambiar nada físicamente en la configuración de medición.

Se recomiendan las siguientes mediciones para amplificadores:

  • Span cero
  • Distorsión de armónicos
  • Interceptación de tercer orden (TOI)

Span cero o «zero span» puede medir los puntos de compresión de amplificadores a cierta frecuencia cuando se aplica un estímulo en la misma frecuencia. Normalmente, se requiere de una fuente de señal externa, sin embargo, la opción R&S®ZNL-K14 elimina la necesidad de equipos adicionales con un generador de señales de onda continua (CW) independiente. Las únicas configuraciones necesarias para el receptor son la selección de la frecuencia de prueba y la atenuación apropiada. Luego, se configura el generador ingresando la misma frecuencia de prueba y un nivel de señal lo suficientemente bajo para asegurar que el dispositivo no esté en compresión.

Para identificar los puntos de compresión de manera fácil, puede afinarse el desajuste de referencia para que el nivel del generador coincida con la salida del amplificador. Cuando el nivel de señal de la fuente de onda continua se aumenta gradualmente, solo se necesita monitorear la cantidad mostrada en la pantalla y el usuario tiene que observar cuando la cantidad mostrada cae una cierta cantidad de dB por debajo de la entrada seleccionada.

Medición «zero span» del amplificador a 500 MHz. Con una señal de entrada de onda continua de –20 dBm, se escoge el desajuste de referencia para que el marcador muestre la misma cifra de la entrada del generador (–20 dBm). Su nivel de señal luego se aumenta gradualmente, hasta que el marcador muestre de manera exacta 1 dB de diferencia con respecto al nivel del generador, por lo tanto, puede concluirse que el punto de compresión a –1 dB está a una potencia de entrada de –10.5 dBm.
Medición «zero span» del amplificador a 500 MHz. Con una señal de entrada de onda continua de –20 dBm, se escoge el desajuste de referencia para que el marcador muestre la misma cifra de la entrada del generador (–20 dBm). Su nivel de señal luego se aumenta gradualmente, hasta que el marcador muestre de manera exacta 1 dB de diferencia con respecto al nivel del generador, por lo tanto, puede concluirse que el punto de compresión a –1 dB está a una potencia de entrada de –10.5 dBm.
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Las mismas mediciones también pueden realizarse en modo de análisis de redes mediante la normalización de la señal de onda continua amplificada y transmitida, cuando el dispositivo está en su región lineal (antes de la compresión de –1 dB) y mediante la observación de la desviación de la curva S21 desde su cero, cuando se incremente de manera gradual la potencia de la señal alimentada a la entrada del amplificador.

El modo de análisis de espectro también puede probar el rendimiento de la distorsión armónica del dispositivo. La selección de «harmonic distortion» del menú de medición del análisis de espectro es la única acción requerida para mostrar los valores armónicos relevantes para la portadora seleccionada. El sistema automáticamente mostrará los datos para los primeros diez armónicos, así como también la tasa de distorsión armónica total (THD). Tanto el número de armónicos como el tiempo de barrido pueden ajustarse en el menú correspondiente.

El sensor de potencia R&S®NRP18T admite mediciones desde –35 dBm hasta +20 dBm de CC a 18 GHz.
El sensor de potencia R&S®NRP18T admite mediciones desde –35 dBm hasta +20 dBm de CC a 18 GHz.
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Los productos de intermodulación también pueden visualizarse de manera fácil al seleccionar «third-order intercept» del menú de mediciones. Sin embargo, esta prueba específica requiere que la entrada del dispositivo sea una señal de dos tonos, la cual puede obtenerse al fusionar dos diferentes ondas continuas a través de un combinador de señales externo. El puerto 1 del R&S®ZNL puede proporcionar una de las señales gracias a la opción R&S®ZNL-K14 y la segunda debe venir de una fuente externa o un segundo analizador de redes vectoriales. La configuración puede proporcionar información sobre el TOI del amplificador.

Los primeros diez armónicos de una portadora de 500 MHz se muestran de una manera adecuada con la medición de la «distorsión armónica». El resumen de resultados muestra una lista de su nivel de potencia y frecuencia. El generador de ondas continuas puede operarse desde la barra de herramientas a la izquierda de la pantalla.
Los primeros diez armónicos de una portadora de 500 MHz se muestran de una manera adecuada con la medición de la «distorsión armónica». El resumen de resultados muestra una lista de su nivel de potencia y frecuencia. El generador de ondas continuas puede operarse desde la barra de herramientas a la izquierda de la pantalla.
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En caso de que se necesite un rango de medición aún mayor o una precisión de clase metrológica para mediciones de potencia en modo de análisis de espectro, la compatibilidad con todos los sensores de potencia R&S®NRP puede habilitarse con la opción R&S®FPL1-K9.

Dado que los cables introducen pérdidas, puede verificarse el nivel de potencia de señal R&S®ZNL en la entrada del dispositivo para determinar cualquier pérdida. La diferencia entre la entrada y la salida puede analizarse en el modo de análisis de espectro, al comparar el nivel de potencia del generador y el nivel mostrado por el instrumento cuando el cable que conduce a la entrada del dispositivo se conecta con un puerto 2 o con un sensor de potencia. El desajuste del generador puede utilizarse para configurar la señal de entrada del dispositivo y compensar las pérdidas en el cable. Una evaluación similar es posible en el modo de análisis de redes al analizar las magnitudes de onda a1 en el puerto 1 y b1 en el puerto 2.

Además, la cifra de ruido del amplificador puede probarse al seleccionar «Noise Figure» en el menú «Mode» del R&S®ZNL. Esta medición necesita que la opción R&S®ZNL-K30 esté activa y también debe disponerse de una fuente de ruido junto con un preamplificador externo, dependiendo de los requerimientos del dispositivo. La opción R&S®FPL1-B5 puede controlar una fuente de ruido de manera directa con el R&S®ZNL. Para mediciones de cifra de ruido simples y de alta precisión, se recomienda una fuente de ruido inteligente R&S®FS-SNS, la cual es identificada automáticamente por el sistema y no necesita que el usuario realice ningún ajuste.

El generador de ondas continuas de un R&S®ZNL6 se ha configurado a 1 GHz, y se proporciona otra señal de onda continua a 1.2 GHz desde un generador de señales externas. Los dos tonos se fusionan por medio de un combinador de señales y se proporcionan como entrada al amplificador. El espectro resultante se mide con el R&S®ZNL6 en modo de medición «third-order intercept». También puede activarse un espectrograma.
El generador de onda continua de un R&S®ZNL6 se ha configurado a 1 GHz, y se proporciona otra señal de onda continua a 1.2 GHz desde un generador de señales externas. Los dos tonos se fusionan por medio de un combinador de señales y se proporcionan como entrada al amplificador. El espectro resultante se mide con el R&S®ZNL6 en modo de medición «third-order intercept». También puede activarse un espectrograma.
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Las ajustes de medición también son simples: los usuarios solo necesitan seleccionar la gama de frecuencias y los puntos de barrido. En caso de que sea necesario, también pueden controlar los tiempos de medición y de establecimiento para cada punto. La caracterización de una cifra de ruido del amplificador requiere que el dispositivo se conecte de manera diferente. El sistema se calibra conectando la fuente de ruido al segundo puerto del R&S®ZNL con un preamplificador en el medio. Una vez que se completa la calibración, el dispositivo se inserta entre la fuente de ruido y el preamplificador (véase la foto en la página 1) y se realiza la medición. Todos los modelos R&S®FS-SNS pueden también admitir cálculos de incertidumbre, los cuales se visualizan de manera correcta en el diagrama de cifra de ruido. Activar y visualizar la incertidumbre de manera correcta es sencillo: el usuario activa el menú correspondiente, marca la casilla de verificación para el uso del preamplificador e ingresa su ganancia y cifra de ruido.

Se mide un amplificador con 101 puntos entre 1 GHz y 2.4 GHz. La cifra de ruido, la ganancia y el factor Y se muestran en la pantalla, junto con sus diagramas relacionados, y sus valores para cada frecuencia medida se enumeran en la tabla de resultados. El cálculo de incertidumbre se creó de una manera sencilla gracias al uso de un R&S®FS-SNS18.
Se mide un amplificador con 101 puntos entre 1 GHz y 2.4 GHz. La cifra de ruido, la ganancia y el factor Y se muestran en la pantalla, junto con sus diagramas relacionados, y sus valores para cada frecuencia medida se enumeran en la tabla de resultados. El cálculo de incertidumbre se creó de una manera sencilla gracias al uso de un R&S®FS-SNS18.
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Resumen

El analizador de redes vectoriales R&S®ZNL es un instrumento versátil que puede caracterizar los más desafiantes dispositivos, como amplificadores, sin la necesidad de extensas configuraciones o que los usuarios tengan un amplio conocimiento de RF. Las opciones de análisis de espectro, como generación de señales y medición de la cifra de ruido, aseguran la flexibilidad del instrumento y admiten más opciones de hardware, como un paquete de baterías para hacer del R&S®ZNL el perfecto todoterreno para cualquier lugar de trabajo, desde laboratorios hasta exteriores. El sensor de potencia R&S®NRP y las fuentes de ruido inteligentes R&S®FS-SNS pueden utilizarse incluso para mediciones aún más precisas y sin mucho esfuerzo.