Métodos y patrones de calibración de analizadores de redes vectoriales

Importancia de la calibración del analizador de redes vectoriales

La calibración de medición es el proceso de eliminar errores sistemáticos de un sistema de medición. Al conectar patrones de calibración especialmente designados en el plano de referencia, el punto donde el dispositivo se fijará, los analizadores de redes vectoriales cuantifican la influencia de la configuración de prueba y corrigen las mediciones subsiguientes.

Los errores son inherentes a cualquier sistema de medición y los analizadores de redes vectoriales no son la excepción. Estos errores caen en tres categorías principales:

• Errores de desplazamiento: ocasionados por cambios ambientales, particularmente variaciones de temperatura, tras la calibración.
• Errores aleatorios: resultan de las variables de la configuración, como ruido, conexiones inconsistentes/incompatibles de los cables o prácticas del usuario.
• Errores sistemáticos: errores predecibles y constantes debido a imperfecciones en el analizador de redes vectoriales o en los componentes de la configuración, como pérdidas en el cable o desadaptaciones de impedancia.

Mientras que los errores de desplazamiento y aleatorios solo pueden minimizarse a través del control ambiental y las buenas prácticas, los errores sistemáticos pueden eliminarse casi por completo por medio de la calibración.

Es importante señalar que la calibración de medición no es lo mismo que la calibración de instrumento, la cual verifica que el instrumento esté funcionando dentro de sus especificaciones. Un centro de servicio es quién periódicamente realiza la calibración de medición, mientras que el usuario es quién lleva a cabo la calibración de medición cada vez que se efectúa una medición.

Patrones de calibración del analizador de redes vectoriales

La calibración del analizador de redes vectoriales recae en los patrones de calibración, los cuales son terminadores o acopladores con respuestas de magnitud y fase que se conocen con precisión. Se utilizan durante el proceso de calibración para cuantificar y corregir los errores que tanto el analizador de redes vectoriales y la configuración introducen.

Estos patrones suelen proporcionarse como parte de un kit de calibración, y los datos para cada patrón se almacenan en archivos de definición del kit de calibración, los cuales a menudo se precargan en el analizador de redes vectoriales o pueden importarse.

Existen cuatro patrones comunes:

• Through (T): establece una conexión ideal directa entre dos puertos, lo que proporciona una base de línea para las mediciones de transmisión.
• Open (O): representa un circuito abierto en el plano de referencia. Sin embargo, a frecuencias más altas, este patrón desarrolla capacitancia y este comportamiento debe tenerse en cuenta en el proceso de calibración.
• Short (S): representa un circuito corto y es otro patrón para mediciones de reflexión. Al igual que Open, sus no idealidades deben definirse para obtener precisión.
• Match (M), a veces llamado «load»”: proporciona una terminación adaptada a la impedancia característica (por ejemplo, 50 Ω), a fin de minimizar reflexiones en el plano de referencia.

La calibración con patrones puede dividirse en calibración manual y calibración automática.

En la calibración manual, cada patrón se conecta o desconecta manualmente en el plano de referencia en la secuencia correcta. Este método es preciso pero lleva mucho tiempo y es propenso a errores del operador.

En la calibración automática o autocal, los patrones se incorporan en una unidad autocal la cual es controlada por el analizador de redes vectoriales. La unidad automáticamente cambia los patrones a los puntos adecuados en la rutina, lo que acelera considerablemente el proceso y reduce los errores humanos. Esto resulta particularmente ventajoso para los sistemas multipuerto, donde la calibración manual puede requerir de mucho trabajo.

Tipo de calibración del analizador de redes vectoriales

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

La calibración monopuerto se utiliza para mediciones de reflexión y pueden clasificarse en dos tipos principales:

• Calibración monopuerto completa: requiere conectar secuencialmente un patrón Open, Short y Match en el plano de referencia. Este es el método de calibración monopuerto más preciso, pero también toma mucho tiempo debido a las múltiples conexiones de patrones.
• Normalización de la reflexión: utiliza un solo patrón, Open o Short, a fin de normalizar la respuesta de reflexión. Es mucho más rápida que la calibración monopuerto completa, pero también es menos precisa.

La calibración bipuerto se utiliza para mediciones de transmisión e involucra procedimientos más complejos a fin de tener en cuenta los términos de error que afectan a ambos puertos. Existen tres tipos principales de calibración bipuerto:

• Normalización de transmisión: requiere de un solo patrón Through para medir la transmisión. La calibración puede realizar en una o en ambas direcciones. Es rápida, pero en limitada en términos de precisión ya que no aborda los errores de reflexión en los puertos.
• Calibración de dos puertos y un trayecto: combina una calibración monopuerto completa en un puerto con normalización de transmisión entre dos puertos. Es un método de calibración híbrido que logra un equilibrio entre velocidad y precisión.
• Calibración bipuerto completa: método de calibración completo que proporciona los resultados más precisos para mediciones bipuerto, ya que corrige todos los errores de reflexión y transmisión en ambos puertos.

La calibración bipuerto completa puede de nuevo dividirse en dos tipos:

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

TOSM es el método estándar y el más ampliamente utilizado para una calibración bipuerto completa. El proceso consiste en realizar una calibración monopuerto (Open, Short y Match) en ambos puertos y luego conectar un patrón Through entre ambos puertos y medir en ambas direcciones, se requieren de ocho barridos. Este método permite realizar mediciones precisas y exactas de todos los parámetros-S; sin embargo, pueden requerir de mucho trabajo y tiempo debido a la conexión de múltiples patrones.

UOSM es una variación de TOSM donde el conocido patrón Through se sustituye por un acoplador desconocido, el cual debe tener características simétricas en ambas direcciones. Esto es de mucha utilidad cuando el dispositivo cuenta con diferentes tipos de conectores (p. ej. SMA en un extremo y tipo N en el otro) y proporciona una alternativa práctica en situaciones donde no se dispone de un patrón Through.