Medición de antenas con un analizador de redes vectoriales

Medición de la impedancia de antenas

Aunque las simulaciones y los modelos pueden predecir el rendimiento de la antena, los factores del mundo real a menudo suelen introducir variaciones. Es por ello que para verificar el rendimiento de una antena, es necesario realizar mediciones físicas en condiciones reales.

Existen dos tipos de mediciones de antenas:

• Mediciones radiadas, las cuales miden parámetros como ganancia, directividad, ancho del haz y eficiencia
• Mediciones de impedancia, las cuales miden la impedancia (compleja) de la antena

La impedancia de una antena determina cuanto de la potencia de entrada o de transmisión absorbe o irradia la antena y cuanto vuelve al transmisor. Para determinarla, se inyecta una señal en la antena y a continuación se mide la magnitud y fase de la señal reflejada.

Existen diversos métodos y herramientas que pueden utilizarse para medir la impedancia de antenas, pero el método preferido es utilizar un analizador de redes vectoriales (VNA) para realizar una medición de reflexión (S11).

Los analizadores de redes vectoriales son instrumentos versátiles capaces de realizar mediciones escalares y vectoriales tanto de mediciones reflejadas como directas. Tienen una gran precisión sobre una amplia gama de frecuencias e incluso cuentan con alto rango dinámico. Estos instrumentos pueden también utilizarse para otras tareas de RF, como medir pérdidas en los cables o probar filtros y amplificadores.

Cómo medir la impedancia de la antena

Existen tres pasos clave en las mediciones de antenas:

1. Conexión de la antena
Las antenas a menudo se conectan al analizador de redes vectoriales por medio de una línea de alimentación. Esta línea de alimentación puede conectarse directamente al puerto del analizador o puede utilizarse un cable del dispositivo adicional para conectar el analizador al cable. Si se utiliza un cable de dispositivo, la calibración al extremo del cable asegura mediciones precisas.

2. Configuración del analizador de redes vectoriales
Aquí hay tres aspectos a considerar:

• Configuración del generador de tracking: proporciona una señal de estímulo de barrido que se utiliza tanto como entrada a la antena y como una referencia a la hora de medir la señal reflejada.
• Especificación de la gama de frecuencias de barrido: determina la gama de frecuencias a través de la cual se barre el generador de tracking.
• Configuración del número de puntos de medición: aumentar este número por sobre las configuraciones predeterminadas del analizador proporciona un mayor detalle, pero también incrementa el tiempo que se necesita para un solo barrido.

3. Calibración de la configuración
La calibración monopuerto es necesaria para realizar mediciones de impedancia precisas. El proceso de calibración consiste en fijar de manera secuencial patrones de calibración en el lugar donde se conectará la antena.
Los tres patrones de calibración son:

• Open
• Short
• Match (o Load)

Las unidades de calibración electrónicas pueden ser una alternativa para estos patrones fijados manualmente. Estas unidades conmutan automáticamente sus patrones internos y se controlan por medio del analizador conectado, lo que ofrece una calibración más rápida.

En caso de que la antena o la línea de alimentación se fijen directamente al puerto del analizador, los patrones de calibración también deben fijarse directamente a este puerto. En caso de que se utilice un cable de pruebas, los patrones de calibración deben fijarse también al extremo del cable.

Empecemos con la conexión de la antena. Las antenas a menudo se conectan al analizador de redes vectoriales por medio de una línea de alimentación. Esta línea de alimentación puede conectarse directamente al puerto del analizador o puede utilizarse un cable del dispositivo adicional para conectar el analizador al cable. Si se utiliza un cable de dispositivo, la calibración al extremo del cable asegura mediciones precisas.

Patrones de calibración para mediciones de impedancia precisas

Además de configurar el analizador, es necesario realizar una calibración monopuerto para obtener mediciones precisas de la impedancia de la antena. El proceso de calibración consiste en fijar de manera secuencial patrones de calibración en el lugar donde se conectará la antena.

Los tres patrones de calibración son:

• Open
• Short
• Match/Load

Las unidades de calibración electrónicas pueden ser una alternativa para estos patrones fijados manualmente. Estas unidades conmutan automáticamente sus patrones internos y se controlan por medio del analizador conectado. Tienden a ser mucho más rápidas que utilizar patrones manuales.

En caso de que la antena o la línea de alimentación se fijen directamente al puerto del analizador, los patrones de calibración también deben fijarse directamente a este puerto. En caso de que se utilice un cable de dispositivo, los patrones de calibración deben fijarse también al extremo de un cable de dispositivo.

Formato de medición de impedancia de la antena

Los analizadores de redes vectoriales proporcionan varios formatos para analizar la impedancia de las antenas:

• Relación de ondas estacionarias (ROE): la ROE indica la relación entre la potencia incidente y la reflejada, con un valor ideal de 1:1. Para determinar el ancho de banda, suele graficarse en función de la frecuencia.
• Pérdida de retorno: expresada en dB, la pérdida de retorno representa la relación entre la potencia reflejada y la potencia incidente en una escala logarítmica. Los valores más altos indican un mejor rendimiento de la antena.
• Impedancia compleja y diagramas de Smith: Más allá de los valores escalares, los analizadores de redes vectoriales pueden medir impedancias complejas lo que proporciona información sobre los componentes reales e imaginarios. Los resultados se muestran en un diagrama de Smith, el cual ofrece una visión completa de la impedancia a lo largo de la frecuencia.