FocusonPCB - Vicenza, 15-16 maggio 2024
Torna a Vicenza il 15 e 16 maggio 2024 Focus on PCB, la terza edizione della fiera dedicata all'intera filiera dei circuiti stampati. Nata dalla volontà del Gruppo PCB Assodel…
Tra gli strumenti a radiofrequenza (RF), gli analizzatori di reti vettoriali, o VNA (Vector Network Analyzer), sono considerati unici per la loro capacità di fornire un'eccezionale accuratezza.
Pochi altri strumenti RF sono in grado di raggiungere prestazioni di misura di ±0,1 dB e ±0,1 gradi, come la maggior parte dei VNA pefettamente calibrati. La calibrazione (o taratura) effettuata dall'utente è una delle ragioni che rende possibile raggiungere queste prestazioni eccezionali.
Con calibrazione dell'utente si intende la calibrazione periodica effettuata da parte di un utente prima di una misura. Differisce dalla calibrazione richiesta, di solito annualmente, da effettuare sugli strumenti RF (inclusi gli VNA) nei centri di calibrazione certificati. Senza effettuare prima dell'esecuzione delle misura una calibrazione utente adeguata, è quasi impossibile sfruttare a pieno i vantaggi dell'accuratezza offerta dalle misure con gli analizzatori di reti vettoriali.
I fattori che incidono sull’accuratezza di misura e sulla ripetibilità possono essere rilevati facilmente poiché gli analizzatori di reti vettoriali sono in grado di effettuare misure molto precise. Un analizzatore di spettro con una precisione di ampiezza di ±2 dB può non essere in grado di caratterizzare esattamente la funzione di trasferimento di un filtro allo stesso modo di un VNA, che invece può garantire una precisione di ampiezza di soli ±0,1 dB.
La figura 1 confronta la misura di un filtro passa-banda realizzata utilizzando un analizzatore di reti vettoriale PXIe-5630 di National Instruments calibrato e non calibrato, con un generatore di segnali vettoriali (VSG) e un analizzatore di segnali vettoriali (VSA) che effettuano la stessa misura.
L’accuratezza dell'analizzatore di reti vettoriale è determinata da alcune sue caratteristiche fondamentali. La Figura 2 mostra una tipica architettura di trasmissione/riflessione (T/R) utilizzata da un analizzatore di rete vettoriale.
Innanzitutto, i VNA effettuano misure su rapporti tra segnali, espessi tramite i parametri S, come S11, S21 e così via, che sono definiti come il rapporto tra segnale riflesso o trasmesso (attraverso il dispositivo sotto test) rispetto al segnale d'ingresso o incidente. Qualsiasi variazione nel livello di potenza sul segnale d'ingresso non influenza la misura quando tra i segnali si esegue un rapporto.
Secondo, i generatori e i ricevitori di segnali condividono un’architettura fisica comune che include uno stesso oscillatore locale (LO). Qualsiasi variazione di temperatura o modifica nell’ambiente, come l’interferenza elettromagnetica (EMI), viene percepita allo stesso modo, sia dai ricevitori che dai generatori di segnali.
Infine, la calibrazione applica una correzione di errore vettoriale (ampiezza e fase). Una calibrazione periodica da parte dell'utente permette di tenere conto degli errori sistematici introdotti dall'analizzatore di reti vettoriale prima della misura.
La calibrazione utente considera 12 sorgenti di errori sistematici che posso insorgere in un analizzatore di reti vettoriale.
Si prenda in considerazione la misura del segnale del percorso diretto, dove il generatore di segnale è in uscita sulla porta 1 del dispositivo sotto test. La prima sorgente di errori sistematici è il termine di inseguimento (tracking), per tener conto della la risposta in frequenza dei percorsi di segnale attraversati dai segnali di riflessione (reflection tracking) e trasmissione (trasmission tracking) durante la misura.
Segue il disadattamento di impedenza tra carico e sorgente relativo rispettivamente all'ingresso (source match) e all'uscita (load match) del dispositivo in prova.
L’isolamento (isolation) è una piccola quantità di energia irradiata trasmessa dalla porta 1 e misurata nella porta 2. Aggiungendo la direttività dell'accoppiatore (RF coupler directivity) si arriva a un totale di sei termini di errore nel percorso diretto.
Si ottengono altri sei termini analoghi quando si considere la sorgente del segnale è posizionata sulla porta 2 sul percorso inverso, pertanto in totale si arriva a 12 termini di errore, che sono illustrati graficamente nella figura 3.
Gli accoppiatori direzionali del VNA (alcuni VNA utilizzano ponti, ma il concetto è lo stesso) sono fondamentali per il funzionamento dell'analizzatore. La loro funzione è quella di separare il segnale riflesso e trasmesso in base alla direzione di propagazione del segnale.
Per progetto, gli accoppiatori direzionali sono caratterizzati da una specifica perdita e un fattore di accoppiamento tra il ramo principale e il ramo accoppiato. Ad esempio, con un fattore di accoppiamento di 20 dB, la potenza misurata nel ramo accoppiato di un segnale che viaggia in avanti è equivalente alla potenza nel ramo principale meno 20 dB. Allo stesso modo, un segnale che viaggia nella direzione opposta non viene rilevato affatto nel ramo accoppiato.
Questo nel caso disponessimo di un accoppiatore direzionale ideale. Nella realtà, gli accoppiatori direzionali reali sono tutt'altro che ideali e le loro prestazioni hanno un impatto diretto sull’incertezza di misura del VNA. Una figura di merito, la direttività, viene impiegata per quantificarne le prestazioni. La direttività viene definita come la differenza tra un fattore di accoppiamento di un accoppiatore e l’isolamento. Si veda la Figura 4.
L'esame di questi errori sistematici sottolinea l'importanza della correzione vettoriale. Se si trattasse di un sistema di misura scalare (misure di sola ampiezza), come nel caso di un analizzatore di spettro accoppiato ad un generatore a inseguimento (tracking generator), si potrebbe, al massimo, tener conto dei termini di tracciamento e l'isolamento. La correzione dei termini come il disadattamento e la direttività richie invece la presenza di capacità di misura vettoriali.
La calibrazione utente è fondamentale per assicurare l’accuratezza e la ripetibilità delle misure di un analizzatore di rete vettoriale. I moderni VNA dispongono di un programma integrato che guida l'utente nel processo di calibrazione. Come per qualsiasi misura a radiofrequenza, la qualità del risultato è legata in modo diretto alla qualità delle tecniche di misura impiegate durante il processo di calibrazione. Un accoppiamento preciso, componenti di alta qualità e l'affidabilità di un giusto connettore sono tra gli elementi fondamentali per una calibrazione del VNA efficace.
È possibile acquistare sia un kit di calibrazione contenente gli accessori standard o costruire un set di accessori standard con caratteristiche elettriche note e ben definite. Si eseguono poi un passo per volta le misure previste dalle procedure di calibrazione, che prevedono una successione di misure con ciascuno degli accessori standard.
Lo strumento confronta i valori misurati con i valori noti di ciascun accessorio standard. Mediante una serie di equazioni definite di calibrazione, il VNA calcola un fattore di correzione per ciascun punto di frequenza, utilizzando i valori misurati e noti di ciascun accessorio standard. Questi fattori di correzione vengono successivamente applicati alle misure dell'analizzatore di rete vettoriale.
Il punto di connessione degli accessori standard di calibrazione definisce il piano di misura. Noto anche come piano di riferimento (reference plane), è il punto in cui si applicano i fattori di correzione e dove la misura inizia. Ad esempio, se dei cavi coassiali vengono collegati alle porte del VNA e si connettono gli standard di calibrazione all'estremità dei cavi durante la calibrazione, il piano di misura si troverà alle estremità del cavo.
Questa discussione riguardante la calibrazione dei VNA si concentra sui metodi più accurati di calibrazione completa a 2 porte. È possibile utilizzare altri approcci, come le calibrazioni di risposta o ad 1 porta, ma generalmente sono sottoinsiemi di una calibrazione completa a 2 porte.
Le metodologie di calibrazione utente principali per gli analizzatori di rete vettoriali si dividono in tre categorie: SOLT (Short, Open, Load, Thru), TRL (Thru, Reflect, Line) e calibrazione automatica.
La calibrazione SOLT è, probabilmente, tra le metodologie di calibrazione dei VNA, quella la più diffusa. L'acronomimo fa riferimento ai 4 diversi accessori di calibrazione richiesti: S (short) per corto circuito, O (open) per circuito aperto, L (load) per carico, e T (through) per attraversamento.
Utilizza un corto circuito, un circuito aperto e un carico ben definiti (di impendenza caratteristica, di solito 50 o 75 Ω). Uno ad uno, ogni standard viene connesso al piano di riferimento, così che il VNA possa misurarli. Completate queste procedure, è possibile collegare insieme i due piani di riferimento per formare una linea di trasmissione (thru) per la misura finale.
La calibrazione SOLT è una scelta efficace per i dispositivi dotati di connettore. Se eseguita correttamente, fornisce un'elevata accuratezza e ripetibilità. Molti produttori forniscono kit di calibrazione che contengono accessori standard ben definiti e dispongono di una vasta gamma di connettori. La calibrazione SOLT riesce a determinare ciascuna delle sorgenti di errore tramite il modello di errore a 12 termini menzionato precedentemente, che consiste in 12 incognite e 12 equazioni.
Se i connettori sono di genere diverso, l'accessorio per l'attraversamento (thru) da utilizzare è dotato di una connessione maschio-femmina. Ciò significa che il dispositivo da collaudare deve avere una connessione maschio e una femmina (ingresso-uscita o uscita-ingresso). Un dispositivo con queste caratteristiche viene definito “inseribile”.
Sfortunatamente, molti dispositivi sono non-inseribili, ossia dispongono di connettori di ingresso e uscita maschio-maschio o femmina-femmina. Dal momento che le caratteristiche RF di un adattatore (ad esempio per convertire da maschio a femmina) vengono valutate durante la calibrazione e il calcolo dei fattori di connessione, eliminarlo dalla misura indurrebbe un errore. Non bisogna pertanto utilizzare un adattatore per creare una connessione thru durante la calibrazione e poi rimuoverlo quando si effettuano le misure sul dispositivo in prova.
Un modo per gestire correttamente i dispositivi non inseribili viene mostrato nella Figura 5. Molti kit di calibrazione SOLT contengono un set di adattatori RF di alta qualità con lunghezze elettriche e caratteristiche RF simili. Si chiamano adattori sostituibili, o swap equal (o phase equal), perché è possibile utilizzare un adattore per effettuare una connessione di attraversamento (thru) non inseribile durante la calibrazione e sostituirlo con un corrispondente adattatore del kit di calibrazione per connettersi al dispositivo durante la misura.
In definitiva, se si utilizza un adattatore durante la calibrazione, bisogna sostituirlo con un adattatore simile durante la misura. Questi e molti altri approcci sono disponibili per gestire i dispositivi non inseribili e soddisfare le proprie esigenze specifiche di accuratezza e convenienza.
Molte varianti di questa tecnica ampiamente diffusa di calibrazione SOLT sono state ideate per soddisfare esigenze particolari. Un esempio è l'utilizzo di due “corti” di lunghezza differente, di un corto deviato e un carico durante la calibrazione di dispositivi a guida d'onda dal momento che i circuiti aperti in una guida d'onda sono difficili da caratterizzare. La Tabella 1 riassume alcune delle caratteristiche del metodo di calibrazione SOLT.
| Calibrazione SOLT | |
| Facilità di utilizzo | Buona |
| Accuratezza | Buona |
| Ripetibilità | Buona, se la calibrazione è eseguita correttamente |
| Vantaggi | - Metodo ben documentato con molte varianti disponibili per soddisfare esigenze applicative specifiche - Calibrazione su un ampio spettro di frequenze - Ampia disponibilità di diversi tipi di kit di calibrazione e connettori - Economicità |
| Svantaggi | - Necessità di attenzioni particolari per lavorare con i dispositivi non inseribili - Sequenza operativa complessa, suscittibile di indurre errori umani - Gli accessori standard di calibrazione devono essere esattamente definiti |
Tabella 1 - Riassunto delle caratteristiche della calibrazione SOLT
La metdologia di calibrazione TRL (Thru, Reflect, Line) degli analizzatori di reti vettoriali rappresenta una scelta efficace per misurare dispositivi privi di connettore o dispositivi che hanno connettori incompatibili con quelli degli accessori presenti nei kit di calibrazione standard. La calibrazione TRL non richiede accessori di calibrazione standard con connettori ben definiti. Anche se non è diffusa come la SOLT, sono comunque disponibili alcuni kit di calibrazione TRL connettorizzati.
L'acronimo TRL fa riferimento ai tre accessori di calibrazione necessari: T (thru) o attraversamento breve, R (reflect) o carico riflessivo e L (line) o linea di trasmissione.
La metodologia di calibrazione TRL richiede una breve connessione di attraversamento thru (preferibilmente di lunghezza nulla o molto breve con la stessa impedenza dello standard di linea), un accessorio standard altamente riflessivo e una linea con caratteristiche simili o identiche all'impedenza del sistema.
In molti casi, è possibile fabbricare e caratterizzare accessori standard di calibrazione TRL con lo stesso materiale o sullo stesso supporto che ospita il dispositivo sotto test. Le misure per la valutazione su wafer o le attrezzature per il collaudo automatico di dispositivi RF sono esempi comuni di applicazioni adatte alla calibrazione TRL.
La calibrazione TRL, se realizzata correttamente, può essere estremamente accurata e rivelarsi utile perché gli accessori standard per la calibrazione SOLT, in un ambiente senza connettori, sono molto più difficili da realizzare rispetto agli accessori standard necessari per la calibrazione TRL.
Gli accessori standard TRL, inoltre, non hanno bisogno di essere completamente definiti e caratterizzati come gli accessori standard SOLT, ma vengono invece modellati. Accessori standard ben costruiti e ripetibili sono essenziali per effettuare calibrazioni TRL accurate.
E' indispensabile adottare tecniche di misura, progettazione e costruzione di alta qualità per garantire la migliore accuratezza. La tecnica di calibrazione TRL ha anche una discreta gamma di varianti, come la calibrazione LRM (Line, Reflect, Match), LRL (Line, Reflect, Line), e TRM (Thru, Reflect, Match) che consentono di far fronte a numerose esigenze operative. La Tabella 2 riassume alcune caratteristiche del metodo di calibrazione TRL.
| Calibrazione TRL | |
| Facilità di utilizzo | Discreta |
| Accuratezza | Eccellente |
| Ripetibilità | Eccellente |
| Vantaggi | - Sono richiesti dei modelli ma non è necessario definire e caratterizzare completamente gli accessori standard di calibrazione - Numerose varianti per soddisfare diverse esigenze applicative - Modellazione economica - Efficace per applicazioni di misura su wafer, sonde e altri dispositivi privi di connettori |
| Svantaggi | - Larghezza di banda più limitata. Può richiedere accessori di calibrazioni diversi per varie gamme di frequenza - Richiede buone tecniche di progettazione e realizzazione per garantire la miglior ripetibilità - Non così intuitiva come la tecnica di calibrazione SOLT |
Tabella 2 - Riassunto delle caratteristiche della calibrazione TRL
Negli ultimi anni, i moduli di calibrazione automatica, come quello mostrato in basso a sinistra nella figura di apertura di questo articolo, sono diventati un’alternativa diffusa alle tecniche manuali come la calibrazione SOLT e la calibrazione TRL. Il sistema di commutazione interno, la tendenza al riscaldamento e altre incertezze rendevano, tuttavia, i primi moduli di calibrazione automatica privi della stessa accuratezza e ripetibilità della calibrazione manuale. L'odierna generazione di moduli, invece, offre risultati accurati e ulteriori vantaggi che li rendono una scelta interessante.
I moduli di calibrazione automatica sono dotati di connettori RF che si collegano al piano di riferimento dell’analizzatore di rete. Il modulo si connette al sistema di controllo dell'analizzatore di rete vettoriale mediante un bus standard, come l'interfaccia USB o RS232.
La circuiteria interna del modulo viene mantenuta ad una temperatura costante per ridurre gli errori dovuti alla deriva termica. Si avvia poi sullo strumento la procedura di calibrazione automatica. Il modulo per la calibrazione elettronca viene telecomandato per porsi in diversi stati di impedenza predefiniti e noti, che il VNA misura. Questi valori misurati vengono confrontati con i valori noti memorizzati su una Eprom o nella memoria interna del VNA. La differenza risultante tra i valori noti e quelli misurati viene utilizzata con una serie di equazioni di calibrazione per calcolare i fattori di correzione.
Uno dei vantaggi chiave di questo metodo è la limitata interazione richiesta all'utilizzatore. Un numero relativamente piccolo di connessioni riduce al minimo le interazioni umane durante la calibrazione. Le possibilità di errore umano sono, quindi, ampiamente ridotte e la ripetibilità aumenta notevolmente. Un altro vantaggio riguarda la possibilità di adattare il modulo di calibrazione automatica ad una varietà di connettori di diverso tipo e genere, impiegando, quindi una vasta gamma di connessioni.
Con questo metodo è possibile utilizzare anche adattatori swap equal come con la calibrazione SOLT. La calibrazione automatica, inoltre, è molto più rapida rispetto ai metodi manuali; di solito richiede meno di un minuto. La Tabella 3 riassume alcune delle caratteristiche del metodo di calibrazione automatica.
| Calibrazione Automatica | |
| Facilità di utilizzo | Eccellente |
| Accuratezza | Buona |
| Ripetibilità | Eccellente |
| Vantaggi | - Possibilità di usare indifferentemente tipi e connettori di diverso genere - Notevolmente più rapida rispetto alle procedure di calibrazione manuali, tipicamente si conclude in meno di 1 minuto - Grande riduzione degli errori umani e ripetibilità molto migliore |
| Svantaggi | - La maggior parte delle unità supporta solo dispositivi con fino a 4 porte - Differenti bande di frequenza richiedono moduli differenti - Costo più elevato rispetto a quello di un corrispondente kit di calibrazione manuale - Utilizzabile esclusivamente in applicazioni dotate di connettori |
Tabella 3 - Riassunto delle caratteristiche della calibrazione automatica
Gli analizzatori di reti vettoriali non offrono un'accuratezza intrinseca. Senza effettuare una calibrazione utente corretta e di alta qualità non è possibile garantire le loro specifiche prestazioni. La qualità della calibrazione utente, inoltre, ha un impatto diretto sulla qualità delle misure del VNA. Per questo motivo, bisognerebbe considerare quanto segue quando si utilizza un VNA.
La calibrazione serve a correggere gli errori sistematici, non gli errori casuali. Anche se non si riescono ad eliminare completamente gli errori casuali, come quelli indotti dalle interferenze elettromagnetiche, è possibile ridurre la loro influenza sulla misura.
Installando il VNA in un ambiente con temperatura stabile si minimizza la deriva termica. Riducendo al minimo il rumore elettrico e le sorgenti di interferenza, inoltre, si migliorano le prestazioni.
Utilizzando metodi di misura efficaci durante la calibrazione e la misura, come ad esempio larghezze di banda IF strette e operazioni di media, ne beneficiano anche i risultati di misure effettivi. Inoltre, l'utilizzo di cavi e adattatori di alta qualità serrati con una coppia adeguata e un'attenzione alle caratteristiche dei connettori migliorano la ripetibilità della misura, riducendone l'incertezza.
Qualsiasi modifica nelle impostazioni dello strumento tra la calibrazione utente e le misure può compromettere o addirittura invalidare la calibrazione utente. Prima di effettuare la calibrazione, è necessario impostare l'analizzatore di reti vettoriale nella stessa configurazione che si utilizzerà per la misura, ad esempio identico numero di punti, il livello di potenza e spettro di frequenze. Inoltre, se si utilizzano funzioni speciali, come quelle nel dominio del tempo, è necessario includere anche tali impostazioni.
Dopo aver effettuato la calibrazione utente e prima di eseguire la misura, bisogna accertarsi che la calibrazione utente sia valida. Misurare il parametro S11 del corto, del circuito aperto e del carico sulla carta di Smith e il parametro S21 della connessione thru è uno dei metodi suggeriti. Un'altra possibilità è misurare un dispositivo passivo, come un filtro, la cui risposta è stata già registrata precedentemente ed è nota per essere giusta.
Si possono utilizzare anche i kit di verifica del VNA, contenenti accessori standard come le linee di trasmissione, le cui caratteristiche elettriche sono state misurate da un laboratorio certificato e sono riconducibili al sistema di tracciatura dei campioni di misura nazionali o internazionali.
Queste fasi possono essere riassunte come preparazione, impostazione, calibrazione ed esecuzione:
Una domanda frequente è quanto spesso sia necessario eseguire una calibrazione utente su un analizzatore di reti vettoraile. Sfortunatamente, non esiste un'unica risposta.
In generale, potrebbe essere necessario eseguire una calibrazione dopo poche ore o a distanza di pochi giorni; dipende dalle proprie esigenze di precisione e ripetibilità, così come dalla stabilità dell'ambiente. Utilizzare periodicamente standard di verifica è un modo per capire quando sia necessaria una calibrazione utente. Con il passare del tempo, si sviluppa una sensibilità nei confronti degli intervalli di calibrazione utente necessari.
Gli analizzatori di reti vettoriali si rivelano strumenti estremamente accurati e ripetibili quando si adottano tecniche di misura corrette e si effettua correttamente la calibrazione utente.
Le loro prestazioni sono direttamente proporzionali alla qualità della calibrazione utente, caratteristica che li rende unici tra gli strumenti RF.
In base alle proprie esigenze, si può optare tra diverse tecniche di calibrazione utente. Le tecniche di calibrazione di un VNA si dividono in tre grandi gruppi: SOLT, TRL e calibrazione automatica. Ciascuna possiede vantaggi e svantaggi, ma la varietà degli approcci assicura che è possibile trovare una tecnica che soddisfa le esigenze della propria applicazione.
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quanto deve essere l'incertezza level a -10dBm
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