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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL

FACULTAD REGIONAL BUENOS AIRES

Departamento de Electrónica

MATERIA: Medidas Electrónicas 2

PROYECTO: VNA de 2 puertos

Docente: Ing. Alejandro HenzeAyudante de TP: Guillermo Monasterios, Nahir Murana

Alumnos:

Alumno Legajo

1 Ferrari, Guillermo 137.132-0

2 Gomez, Christian 143.709-4

3 Lujan Gallo, Lourdes 116.425-9

ÍNDICE ÍNDICE

Índice

1. Resumen 4

2. Introducción 4

3. Descripción 5

4. Modelo Matemático 6

5. Desarrollo Práctico 7

6. Elección del Switch 14

7. Extensión del Rango Dinámico mediante Atenuadores 16

8. Mediciones de un dispositivo 17

9. Mediciones de un Atenuador de 7dB 21

10.Contraste del VNA construido con el VNA Patrón 22

11.Conclusiones Finales 24

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ÍNDICE DE FIGURAS ÍNDICE DE FIGURAS

Índice de �guras

1. Medición de S11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52. Primera idea de Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73. Nueva Idea de Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84. Boceto y simulación 3D del Power Splitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95. Magnitud simulada de los 4 puertos del PS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106. Fase simulada de los 4 puertos del PS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107. PCB del Power Splitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118. Parámetro S11 del PS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129. Parametro S21 del PS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1210. Parámetro S21 del PS teniendo en cuenta las longitudes de los adaptadores . . . 1311. Switch elegido en un principio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1412. Switch adquirido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1413. Características del Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1514. Circuiteria interna del Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1515. Atenuadores de incidente para aumentar rango dinamico . . . . . . . . . . . . . 1616. Calibración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1717. Short del puerto 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1818. Open del puerto 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1819. Open del puerto 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1920. Open y Short del puerto 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1921. Medición de trhough . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2022. Medición de atenuador de 7dB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2123. Comparación entre instrumentos en un atenuador de 10dB . . . . . . . . . . . . 2224. Resultado de los parámetros S11 y S21 del atenuador de 10 dB . . . . . . . . . . 2325. Medición de carga de 50 Ohm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

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Medidas Electrónicas II 2017 Informe �nal VNA de 2 puertos

1. Resumen

Un VNA es un medidor del coe�ciente de re�exión complejo (módulo y fase) de una carga enfunción de la frecuencia. Dicho coe�ciente se obtiene como el cociente entre el valor re�ejado yel incidente de las ondas de tensión que se establecen. En base a la experiencia de un proyectoanterior se aplicarán los algoritmos de corrección correspondientes para expandir dichoproyecto a un VNA con 2 puertos, utilizando tecnología y criterios similares pero, con lapropuesta de completar la medición de los parámetros s de un cuadripolo. Para contrastar elfuncionamiento del dispositivo se utilizara un VNA patrón.

2. Introducción

El proyecto que se describe a continuación tiene como objetivo realizar un medidor VNA de 2puertos para la medición de parámetros S.

Para ello se requerirá de dos placas adquisidoras con el circuito integrado AD8302 queproporciona una tensión proporcional a la relación de módulos y diferencia de fases entre dosondas de tensión, un medidor ABC, un switch y dos re�ectómetros. Varios de estos materialesson provistos por la universidad.

La frecuencia máxima de trabajo, limitada por el AD8302 es de 2.7 GHz.

El proyecto cuenta con un sistema de software, para su desarrollo, se partirá de un modeloanterior, el cual se adaptará para lograr el objetivo propuesto. Dicho software estadesarrollado en MATLAB bajo lenguaje símil C.

Como fase inicial del proyecto se proponen determinadas etapas y actividades que estánbasadas en la información que tenemos al presente, pudiendo sufrir las mismas algunoscambios en el avance del proyecto pero que no se desviarán del objetivo �nal.

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3. Descripción

El Analizador de Redes Vectorial (VNA) de 2 puertos es básicamente un medidor deimpedancia compleja, que en lugar de medir directamente esta impedancia sobre la carga,mide la relación entre ondas de tensión en un punto de circuito. Esta relación dependeexclusivamente de la impedancia de carga. Esta carga pueden ser: resistores, capacitores einductores, entre otros. Por tratarse de un VNA de 2 puertos permite realizar la medicióncompleta de los Parámetros S, es decir, S11, S12, S21 y S22.

Para la medición de dichos parámetros, se hace incidir una onda de tensión en uno de lospuertos del DUT (device under testing o dispositivo a caracterizar) mientras que el otropuerto sera la carga. Se mide la relación entre onda re�ejada e incidente en el puerto 1, dandocomo resultado S11. Si relacionamos onda transmitida (re�ejada en el puerto 2) con la ondaincidente del puerto 1 obtenemos S21. Si ahora hacemos incidir una onda de tensión en elpuerto 2 del DUT y en el puerto 1 colocamos la carga. Midiendo la relación entre ondare�ejada e incidente en el puerto 2 obtenemos S22. Si relacionamos onda transmitida(re�ejada en el puerto 1) con la onda incidente del puerto 2 obtenemos S12. Las relaciones deonda son magnitudes complejas donde la relación de módulos y diferencia de fases sonprovistas por el AD8302. Se debe agregar unos switchs de RF que permitan conectar losdiferentes puertos a un generador o a una carga según el parámetro que se este midiendo.

Para caracterizar el coe�ciente de re�exión de un DUT es necesario medir la señal re�ejada yla señal incidente, ya que esta es la de�nición de S11.

Figura 1: Medición de S11

Para la medición del S22 se realiza el mismo procedimiento invirtiendo el DUT. Para S21 yS12 es necesario medir la señal transmitida respecto de la incidente en el otro puerto, por esoson necesarias 2 placas del AD8302. Debido a que el VNA introduce errores debido a losparámetros S propios del dispositivo es necesario realizar un de embedding de los mismos paralo que estos deben ser medidos primero mediante un proceso de calibración. Este proceso sellama calibración OSM debido a que se realiza midiendo el S11 de elementos patrones Open,Short y Match

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4. Modelo Matemático

PARÁMETROS S

b1 = s11.a1 + s21.a2

b2 = s21.a1 + s22.a2

COEFICIENTES

a1 =V +1√Z0

a2 =V +2√Z0

b1 =V −1√Z0

b2 =V −2√Z0

GAMMA DE ENTRADA

s11 =b1a1|a2 = 0

GANANCIA DIRECTA

s21 =b2a1|a2 = 0

GAMMA DE SALIDA

s22 =b2a2|a1 = 0

GANANCIA INVERSA

s12 =b1a2|a1 = 0

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5. Desarrollo Práctico

En base al análisis del proyecto el primer cambio signi�cativo surge a partir de la elección deun nuevo esquema de medición, ya que las señales incidente y re�ejada no hubieran sido lascorrectas para poder medir los parámetros s12 y s21 con el diagrama elegido anteriormente,debido a la conexión de las mismas en los respectivos AD.

Figura 2: Primera idea de Setup

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Para solucionar este inconveniente, se propone el siguiente circuito:

Figura 3: Nueva Idea de Setup

Con lo cual surge la necesidad de realizar un power splitter de 4 puertos, 1 entrada que es elgenerador y 3 salidas. Al que deberá soldarse una con�guración estrella de 4 resistencias SMDde 25 Ohm y conectores sma para circuito impreso. Este VNA va a considerar que a0 = a3 yaque no puede medir relaciones cruzadas y mide a0 y a3 todo el tiempo.

Se investiga sobre las características de la placa necesaria para desarrollar el splitter, los datosde entrada para el mismo son: placas doble faz que cuenten con las especi�caciones tales comoespesor del cobre, permeabilidad, para aplicaciones de RF. Se propone utilizar la marca Rogercomo la que se encuentra disponible en la Facultad. El software utilizado para desarrollar laplaca sera CST Studio.

Cabe destacar que recolectar la información sobre los materiales a utilizar fue un aprendizajepara nosotros ya que no todos conocíamos los componentes o circuitos comunes en este tipoproyectos. Por ejemplo, un primer inconveniente que se nos presento fue que los conectoressma que se conseguían en el mercado eran hembra inverso, con lo cual se estudiaronalternativas para adaptar esos conectores. Las resistencias deseables tienen encapsulado 1206,cuyo tamaño coincide con el tamaño de la pista que hay que utilizar para una Z0 de 50 Ohm.Pero se optó por el encapsulado 0805 ya que era el se conseguía en el mercado.

Otro punto importante con respecto a esto, fue la adquisición del switch, que fuerecomendado por los docentes para adaptar mejor el circuito.

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El circuito propuesto para el power splitter es el siguiente:

Figura 4: Boceto y simulación 3D del Power Splitter

Lo importante es el coe�ciente de re�exión a la entrada y a la salida del PS para veradaptación de impedancia del mismo, parámetros S11, S22, S33, S44 y los parámetroscruzados S21, S31 y S41.

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La simulación del power splitter arrojo el siguiente resultado:

Figura 5: Magnitud simulada de los 4 puertos del PS

Figura 6: Fase simulada de los 4 puertos del PS

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Como conclusión podemos decir que los parámetros de transmisión son correctos, pero estades adaptado ya que a una frecuencia cercana a 3GHz el S11 da -10 dB.Una vez realizada la placa, el resultado fue el siguiente:

Figura 7: PCB del Power Splitter

Las mediciones realizadas no fueron lo que se esperaba, pues se encuentran algunas desadaptaciones al aumentar la frecuencia. Al revisar el circuito realizado se descubre que unpuerto del PS se encontraba en corto circuito. Se corrige y se vuelven a realizar las mediciones.

Las grá�cas en trazo rojo corresponden a la simulación y las curvas en color negrocorresponden a las mediciones realizadas con el VNA de la facultad.

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Figura 8: Parámetro S11 del PS

Figura 9: Parametro S21 del PS

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Como vemos, las mediciones de módulo de los parámetros es muy similar a las simulaciones,pero las de fase di�eren. Esto es porque en la simulación no se tuvieron en cuenta losconectores SMA del PCB y los adaptadores que se usaron para calibrar y medir con el VNA.Estos elementos agregan longitud de linea de transmisión provocando variaciones en la fasemas no en el módulo. Entonces se simuló agregando estas longitudes al modelo y losresultados fueron los siguientes.Cabe aclarar que al igual que antes, las curvas en negro son las medidas y las rojas son lassimuladas.

Figura 10: Parámetro S21 del PS teniendo en cuenta las longitudes de los adaptadores

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6. Elección del Switch

En base al primer diagrama en bloques confeccionado se había elegido el siguiente switch consus respectivas características.

Figura 11: Switch elegido en un principio

Donde la característica principal de este dispositivo es que, como se observa en el primerdiagrama en bloques ideado, es que el conector que no estaba conectado al resto del circuito,cualquiera de los 2 que sea, quedaba a circuito abierto (ZL ->in�nito), en vez de quedaradaptado a una impedancia de 50 Ohm.Esto, en principio, no era un inconveniente porque se colocaban 2 atenuadores de 20 dB paracompensar esa des adaptación. Pero esto, a su vez, producía otras situaciones e inconvenientesa resolver como sea el desmejoramiento del rango dinámico de medición de los circuitosintegrados AD8302, entre otros.Por esta razón, se decidió invertir mas dinero para obtener el switch con las característicasideales en base a lo que requería el circuito. Por lo tanto, se eligió el siguiente con susrespectivas características

Figura 12: Switch adquirido

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Figura 13: Características del Switch

Donde este switch si cuenta con la característica principal, la cual es cargar y adaptar a 50Ohm los puertos que no esta conectado al resto del circuito en cada instante, como se observaen la siguiente �gura:

Figura 14: Circuiteria interna del Switch

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7. Extensión del Rango Dinámico mediante Atenuadores

Nos encontramos con el inconveniente de que los acopladores direccionales acoplan en 20dB,es decir, 20dB menos que la incidente. Por lo tanto, al medir la mejor condicion (un open o unshort) tenemos 0dBm en la entrada de incidente del AD8302 y -20 dBm en la entrada de lare�ejada. La especi�cación del AD8302 dice que no se pueden exceder los rangos de -60dBm a0dBm en cada puerto del mismo y que es capaz de medir una relación de módulos de +-30dB,o sea 30dB por encima o por debajo de la incidente. Si la incidente es 0dBm y la maximare�ejada -20dBm, el rango dinámico es solo de 10dB (de-30dB a -20dB). Entonces, se propusocomo solución atenuar la entrada de incidente del AD8302 lo máximo posible (30dB). Estohace que la potencia de entrada de incidente sea de -30dBm y la máxima re�ejada sea de-20dBm, dando una relación de +10dB, extendiendo el rango dinámico de -30dB a +10dB (40dB en lugar de 10dB).

Figura 15: Atenuadores de incidente para aumentar rango dinamico

En las imágenes pueden verse los atenuadores en los puertos correspondientes a las incidentes.

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8. Mediciones de un dispositivo

Antes de realizar la medición, se realiza la calibración del equipo, de tipo TOSM. El resultadode estas mediciones son datos en crudo.

A continuación vemos la interfaz grá�ca del software desarrollado para asistir en la calibraciónde ambos puertos del VNA.

Figura 16: Calibración

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Y ahora podemos ver los Datos obtenidos de esta calibración, en negro pueden verse los datosen crudo y en rojo los datos corregidos.

Short puerto 1

Figura 17: Short del puerto 1

Open puerto 1

Figura 18: Open del puerto 1

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Open puerto 2

Figura 19: Open del puerto 2

Ahora analizaremos la comparación entre open y short puerto 2 sin corregir. Las curvas rojascorresponden a short, las curvas negras corresponden a open. Es notable que la medición es,por lo menos, coherente, ya que al ser la medición de un open y un short, están desfasadas180 grados y los picos de los ripples de módulo están en contrafase(pico de open con valle deshort y viceversa)

Figura 20: Open y Short del puerto 2

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Mediciones de through en crudo y corregidas. Las curvas rojas corresponden al parámetrocorregido, las curvas negras corresponden al parámetro en crudo.

Figura 21: Medición de trhough

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9. Mediciones de un Atenuador de 7dB

Mediciones del dispositivo through en crudo y corregidas. Las curvas rojas corresponden alparámetro corregido, las curvas negras corresponden al parámetro en crudo. Se puedeobservar que los parámetros no son los esperados, lo que llevo a revisar las conexiones y elsoftware. Se encuentra un error en la confección de los archivos TOUCHSTONE, en el ordende los parámetros. Eso afecta la corrección y la toma de datos haciendo que las medicionesden incorrectas.Además, el algoritmo de corrección de fase no inyectiva de los AD8302 falla silas mediciones tomadas son muy distantes en frecuencia. Por lo tanto no pueden tomarseintervalos logarítmicos de frecuencias para la medición, otro error que debió ser corregido. Setomó nota de estos errores y se corrigieron para realizar mediciones y contrastarlas con unVNA patrón.

Figura 22: Medición de atenuador de 7dB

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10. Contraste del VNA construido con el VNA Patrón

A continuación se muestran los resultados de las mediciones del VNA construido contra elVNA Patrón. Se realizaron mediciones de un Atenuador de 10dB del fabricante Minicircuitsen sus 4 parámetros y también se midió el S11 y S22 de dos terminaciones de 50 Ohms SMAdel mismo fabricante.

Figura 23: Comparación entre instrumentos en un atenuador de 10dB

En esta primer �gura se presenta el resultado del contraste del parámetro S21 del Atenuador.Vemos que la medición de módulo es mas que satisfactoria, ajustándose a los valores medidoscon el VNA patrón. La fase es otro caso, pues llega a verse que no es muy buena la �delidad,en las conclusiones detallamos las hipótesis sobre la causa de este problema. A continuaciónvemos los resultados para los parámetros S11 y S21 en la misma ventana. Recordemos que lascurvas rojas son del VNA Patrón y las negras del VNA construido.

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Figura 24: Resultado de los parámetros S11 y S21 del atenuador de 10 dB

Como se ve, se mantiene la misma linea de lo anterior, módulos aceptables y fases muydispersas. Veamos ahora los resultados para la medición de las cargas de 50 Ohms.

Figura 25: Medición de carga de 50 Ohm

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11. Conclusiones Finales

1-Se logró medir de forma satisfactoria el módulo de los 4 parámetros S de un Dispositivo(DUT).2-La fase es una medición menos con�able producto de, entendemos, fallas en el algoritmo decorrección de dualidad de fase y variación de fase en módulos bajos.3-Una placa de AD8302 presentó rendimientos mas pobres, por lo que las mediciones de losS12 y S22 fue menos precisa y presentaba incongruencias.4- El Setup de medición incluía MUCHOS cables y conectores, una posible mejora consistiríaen analizar que elementos se pueden integrar en un PCB y la utilización de conectoressemirígidos.5- Se cambiaron los acopladores direccionales por una cuestión de espacio, cables necesarios yadaptadores. Los nuevos acopladores se especi�can hasta 2GHz y puede verse que lasmediciones a partir de esa frecuencia son menos con�ables.

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