Padrões e métodos de calibração com um analisador de redes vetoriais

Importância da calibração do analisador de redes vetoriais

A calibração da medição é o processo de remoção de erros sistemáticos de um sistema de medição. Ao conectar padrões de calibração especialmente desenvolvidos no plano de referência , o ponto em que o dispositivo em teste será conectado, os analisadores de redes vetoriais quantificam a influência da configuração de teste e corrigem as medições subsequentes.

Erros são inerentes a qualquer sistema de medição, e os analisadores de redes vetoriais não são uma exceção. Esses erros se enquadram em três categorias principais:

• Erros de desvio: causados por mudanças ambientais após a calibração, especialmente variações de temperatura.
• Erros aleatórios: resultantes de variáveis da configuração de teste, como ruído, conexões inconsistentes de cabos ou práticas do usuário.
• Erros sistemáticos: erros previsíveis e consistentes devido a imperfeições nos componentes do analisador ou da configuração de teste, como perdas em cabos ou descasamento de impedâncias.

Embora os erros aleatórios e de desvio só possam ser minimizados por meio do controle das condições ambientais e boas práticas, os erros sistemáticos podem ser quase totalmente eliminados utilizando a calibração.

É importante observar que calibração das medições não é a mesma coisa que calibração de instrumentos, a qual verifica se um instrumento está funcionando dentro das suas especificações. A calibração de um instrumento é realizada periodicamente por uma central de serviços, enquanto a calibração das medições é realizada pelo usuário sempre que medições são feitas.

Padrões de calibração do analisador de redes vetoriais

A calibração do analisador de redes vetoriais se baseia em padrões de calibração, que são terminadores ou acopladores com respostas de fase e magnitude precisamente conhecidas. Eles são usados durante o processo de calibração para quantificar e corrigir os erros causados pelo analisador e pela configuração de teste.

Esses padrões geralmente são fornecidos como parte de um kit de calibração, e os dados para cada padrão são armazenados em arquivos de definição do kit de calibração, que geralmente estão pré-carregados no analisador ou podem ser importados.

Há quatro padrões comuns:

• Through (T): estabelece uma conexão direta e ideal entre duas portas, fornecendo uma referência para medições de transmissão.
• Open (O): representa um circuito aberto no plano de referência. Entretanto, em frequências mais altas, esse padrão desenvolve capacitância, e esse comportamento deve ser levado em conta no processo de calibração.
• Short (S): representa um curto-circuito e é outro padrão para medições de reflexão. Assim como o «open», suas não idealidades devem ser definidas para fins de precisão.
• Match (M), também chamado de «load»: fornece uma terminação compatível com a impedância característica (por exemplo, 50 ohms), minimizando as reflexões no plano de referência.

A calibração com padrões pode ser dividida em calibração manual e calibração automática.

Na calibração manual, cada padrão é conectado e desconectado manualmente no plano de referência na sequência correta. Esse método é preciso, mas consome muito tempo e está sujeito a erros do operador.

Na calibração automática ou autocal, os padrões são incorporados em uma unidade de calibração automática, que é controlada pelo analisador. A unidade alterna automaticamente os padrões nos pontos apropriados da tarefa, acelerando significativamente o processo e reduzindo os erros humanos. Isso é particularmente vantajoso para sistemas com múltiplas portas, nas quais a calibração manual pode ser trabalhosa.

Tipos de calibração de um VNA

Os tipos de calibração na análise de redes vetoriais determinam os padrões específicos usados e o processo de conexão entre eles durante a rotina de calibração.

A calibração de uma porta é usada para medições de reflexão e pode ser categorizada em dois tipos principais:

• Calibração completa de uma porta: requer a conexão sequencial de um padrão «open», «short» e «match» no plano de referência. Esse é o método de calibração de uma porta mais preciso, mas também consome muito tempo devido às várias conexões padrão.
• Normalização de reflexão: usa um único padrão, seja ele «short» ou «open», para normalizar a resposta de reflexão. Isso é mais rápido do que a calibração completa de uma porta, mas também é menos preciso.

A calibração de duas portas é usada para medições de transmissão e envolve procedimentos mais complexos para considerar os parâmetros de erro que afetam ambas as portas. Há três tipos principais de calibração de duas portas:

• Normalização de transmissão: requer apenas um único padrão «through» para medir a transmissão. A calibração pode ser realizada em uma ou ambas as direções. É rápida, mas limitada em termos de precisão, pois não lida com os erros de reflexão nas portas.
• Calibração de duas portas em um trajeto: combina a calibração completa de uma porta somente em uma porta com a normalização de transmissão entre duas portas. É um método de calibração híbrido que atinge um equilíbrio entre velocidade e precisão.
• Calibração completa de duas portas: método de calibração abrangente que fornece os resultados mais precisos para medições de duas portas, corrigindo todos os erros de transmissão e reflexão para ambas as portas.

A calibração completa de duas portas pode ser novamente dividida em dois tipos:

• Método Through-open-short-match (TOSM)
• Método Unknown-open-short-match (UOSM)

TOSM é o método padrão e mais amplamente utilizado para a calibração completa de duas portas. O processo envolve a realização de uma calibração de uma porta (padrão «open», «short» e «match») em ambas as portas e, em seguida, a conexão de um padrão «through» entre as duas portas e a medição em ambas as direções — é necessário um total de oito varreduras. Esse método permite medições precisas e exatas de todos os parâmetros S; no entanto, pode ser trabalhoso e demorado devido à conexão de vários padrões.

O UOSM é uma variação do TOSM em que o padrão «through» conhecido é substituído por um acoplador desconhecido, que deve ter características simétricas em ambas as direções. É particularmente útil quando o dispositivo em teste possui diferentes tipos de conectores (por exemplo, SMA em uma extremidade e tipo N na outra) e oferece uma alternativa prática em situações nas quais um padrão «through» não está disponível.