Métodos y patrones de calibración para analizadores de redes vectoriales

Importancia de la calibración de un analizador de redes vectoriales

La calibración de medida es el proceso que consiste en eliminar errores sistemáticos de un sistema de medida. Conectando patrones de calibración diseñados específicamente en el plano de referencia —el punto donde se va a conectar el dispositivo examinado (DUT)— los analizadores de redes vectoriales cuantifican la influencia de la configuración de medida y corrigen las medidas sucesivas.

Los errores son inherentes a cualquier sistema de medida, y los analizadores de redes vectoriales no son una excepción. Estos errores se dividen en tres categorías principales:

• Errores de deriva: provocados por cambios ambientales, especialmente por variaciones de temperatura, después de la calibración.
• Errores aleatorios: resultantes de variables de la configuración de medida, como ruido, conexiones de cables defectuosas o prácticas incorrectas del usuario.
• Errores sistemáticos: errores predecibles y coherentes que proceden de imperfecciones del analizador de redes vectoriales o de componentes de la configuración de medida, como pérdidas en cables o desajuste de impedancias.

Mientras que los errores de deriva y aleatorios solo pueden reducirse mediante un control de las condiciones ambientales y con unas buenas prácticas de manejo, los errores sistemáticos pueden eliminarse prácticamente por completo mediante una calibración.

Es importante subrayar que la calibración de medida no es lo mismo que la calibración del instrumento, que verifica si un instrumento funciona dentro de sus especificaciones. La calibración del instrumento se realiza de forma periódica a través de un centro de servicio, mientras que la calibración de medida la ejecuta el usuario cada vez que se van a realizar medidas.

Patrones de calibración para analizadores de redes vectoriales

La calibración de un analizador de redes vectoriales se basa en patrones de calibración, que son terminaciones o acoplamientos con respuestas de magnitud y fase precisas y conocidas. Se utilizan durante el proceso de calibración para cuantificar y corregir los errores introducidos por el analizador de redes vectoriales y la configuración de medida.

Estos patrones se suministran normalmente como parte de un kit de calibración, y los datos de cada patrón están almacenados en archivos de definición del kit de calibración, que a menudo están ya precargados en el analizador de redes vectoriales o se pueden importar.

Existen cuatro patrones comunes:

• Through (T): establece una conexión directa e ideal entre dos puertos, aportando una línea de base para medidas de transmisión.
• Open (O): representa un circuito abierto en el plano de referencia. Sin embargo, con frecuencias más altas, esta patrón desarrolla capacidad eléctrica, y este comportamiento debe tenerse en cuenta en el proceso de calibración.
• Short (S): representa un cortocircuito y es otro patrón para medidas de reflexión. Al igual que en «Open», deben definirse sus propiedades no ideales para aumentar la precisión.
• Match (M), denominado también «load» (carga): proporciona una terminación adaptada a la impedancia característica (p. ej., 50 ohmios), lo que minimiza las reflexiones en el plano de referencia.

En el proceso de calibración con patrones se puede distinguir entre calibración manual y calibración automática.

En la calibración manual, cada patrón se conecta y desconecta manualmente en el plano de referencia en la secuencia correcta. Este método es preciso pero consume mucho tiempo y encierra un riesgo de errores del operador.

En la calibración automática o autocal, los patrones se montan en una unidad «autocal», que se controla a través del analizador de redes vectoriales. La unidad cambia automáticamente los patrones en los puntos relevantes en la rutina, lo que acelera considerablemente el proceso y reduce la probabilidad de errores humanos. Esto resulta especialmente ventajoso con sistemas de varios puertos, donde la calibración manual puede resultar muy laboriosa.

Tipos de calibración para analizadores de redes vectoriales

Los tipos de calibración en el análisis de redes vectoriales determinan los patrones específicos utilizados y el proceso de conexión de los mismos durante la rutina de calibración.

Para las medidas de reflexión se emplea la calibración de un puerto, y puede categorizarse en dos tipos principales:

• Calibración completa de un puerto: requiere la conexión secuencial de un patrón «open», «short» y «match» en el plano de referencia. Este es el método de calibración de un puerto más preciso, pero consume también mucho tiempo por las innumerables conexiones de patrones que hay que realizar.
• Normalización de reflexión: se utiliza un solo patrón, bien un patrón «open» o «short», para normalizar la respuesta de reflexión. Este procedimiento es más rápido que la calibración de un puerto completa, pero ofrece menos precisión.

La calibración de dos puertos se emplea para medidas de transmisión y abarca procedimientos más complejos para registrar errores que afectan a ambos puertos. Existen tres tipos principales de calibración de dos puertos:

• Normalización de transmisión: requiere solamente un patrón «through» para medir la transmisión. La calibración se puede ejecutar en una o en ambas direcciones. Si bien esta calibración es rápida, su precisión es limitada, ya que no considera los errores de reflexión en los puertos.
• Calibración de dos puertos en un camino: combina la calibración completa de un puerto con la normalización de transmisión entre dos puertos. Se trata de un método de calibración híbrido que aporta un nivel equilibrado de velocidad y precisión.
• Calibración completa de dos puertos: método de calibración completo que proporciona los resultados más precisos para medidas de dos puertos, y que corrige todos los errores de reflexión y de transmisión en los dos puertos.

La calibración completa de dos puertos se puede dividir a su vez en dos tipos:

• Método «through-open-short-match» (TOSM)
• Método «unknown-open-short-match» (UOSM)

TOSM es el método estándar y más extendido para la calibración completa de dos puertos. El proceso consiste en ejecutar una calibración de un puerto («open», «short» y «match») en ambos puertos, y conectar después un patrón «through» entre los dos puertos para medir en ambas direcciones; en total se necesitan ocho barridos. Este método permite obtener medidas precisas y exactas de todos los parámetros S, si bien puede resultar laboriosa y requerir mucho tiempo por la necesidad de conectar varios patrones.

UOSM es una variación de TOSM en la que el patrón conocido «through» se sustituye por un acoplador desconocido, que debe tener características simétricas en ambas direcciones. Resulta especialmente útil cuando el DUT tiene diferentes tipos de conectores (p. ej., SMA en un extremo y tipo N en el otro), y es una alternativa práctica en situaciones en las que no está disponible un patrón «through».