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I
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL BUENOS AIRES
Departamento de Electrónica
Materia: Medidas Electrónicas 2
Proyecto: VNA DE UN PUERTO
Docente: Ing. Alejandro Henze
Ayudante de TP: Nahir Murana
Grupo N : 5
Alumnos :
Apellido y Nombre Legajo
1 Gomez Verdini, Pablo 122.155-3
2 Hernando, Sebastián 122.122-0
3 Mogliasso, Hernan 137.155-1
4 Monastirsky, Javier 137.524-6
5 Rizzuto, Alejandro 135.348-7
6 Wajs, Ezequiel 137.638-0
Entrega Informe Fecha Firma
Primer entrega / 12 / 16
Aprobación / / 16
Entrega Devolución Re-entrega Firma Recepción
2° / / 12 / / 12
3° / / 12 / / 12
4° / / 12 / / 12
UTN – FRBA – ME2 2016
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ÍNDICE
Pág. 1. Introducción…………………….………………………………………….…….……….. .4
2. Desarrollo del Trabajo …...........................................………….……………..…….… .5
2.1- Descripción…………………….…………………………………..…..................…. .5
2.2. Principio de funcionamiento……………….……………….………..................… .6
2.3. Análisis teórico……….…………….……………………..........…….….......…..…. .7
2.4. Descripción de elementos……………………….…………….………....….….…. 9
2.5. Especificaciones………………...........……………………...........…………….….. 11
2.6. Inconvenientes encontrados….........……………………...........…………….….. 12
2.7. Interfaz Gráfica….........………………………….…………...........………….…….. 13
3. Resultados………………………………….………………………………………………. 15
4. Discusión………………………………….………………………………………………... 21
5. Conclusiones………………………………….………………………………………….... 21
6. Referencias ………………………………….……………………………..…………...…. 21
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VNA – 1 PORT
Gomez Verdini, P., Hernando, S., Moglasso, H., Monastirsky, J., Rizzuto, A., Wajs, E. Docente a cargo: Henze, Alejandro.
Universidad Tecnológica Nacional - Facultad Regional Buenos Aires Medidas Electrónicas 2
Resumen: El presente informe se realizó a fin de explicar el proyecto propuesto: VNA de un puerto. El
mismo es un medidor de coeficiente de de reflexión ( ) complejo (módulo y fase) de una carga en función de la frecuencia. El mismo es el cociente entre el valor incidente y reflejado de la onda de tensión que se establece. A partir de la información obtenida se aplicarán los algoritmos de corrección característicos de un VNA de un puerto. Para contrastar el funcionamiento del dispositivo se utilizará un VNA patrón de mejor calidad.
1. INTRODUCCIÓN
El Analizador de Redes Vectorial (VNA) de un puerto es básicamente un medidor de impedancia compleja pero, en vez de medir directamente esta impedancia de carga se mide la relación entre ondas de tensión en un punto de circuito. Esta relación depende exclusivamente de la impedancia de carga. Esta carga puede ser: resistores, capacitores, inductores y antenas, entre otros.
En términos de los “parámetros S”, el parámetro medido es el S11 o coeficiente de reflexión . Como el VNA realizado es de un puerto, solo podrá obtenerse la medición S11 o S22. El dispositivo realizado tiene la capacidad de medir el S11 en un rango de frecuencias determinado por el usuario, procesar la información obtenida aplicando las correcciones necesarias para el de-embedding de los errores introducidos por el mismo dispositivo, representar la información obtenida en forma gráfica (Gráficos de Bode, de Smith y en forma Real-Imaginaria) y exportar la misma al formato estándar .s1p, de modo de permitir utilizar programas externos para visualizar o posprocesar la medición. Durante el presente informe se explicarán los mecanismos de medición, los algoritmos de corrección, los problemas y soluciones encontrados durante la implementación del dispositivo, Los objetivos buscados son:
a) Implementar el dispositivo en base al CI AD8302 de bajo costo.
b) Trabajar a una frecuencia máxima de 2,7 GHz.
c) Lograr repetitividad y precisión en la medición.
d) Minimizar el error u offset entre el dispositivo desarrollado y el patrón.
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2. DESARROLLO DEL TRABAJO Descripción
Para implementar el VNA se utilizará el circuito integrado AD8302. Sin embargo, el mismo sólo permite obtener la relación entre módulos y la diferencia de fases entre dos ondas de tensión (típicamente la incidente y la reflejada), como dos valores analógicos de tensión. Para implementar un VNA completo con interfaz de usuario y la posibilidad de digitalizar y procesar la información es necesario un conjunto extra de dispositivos que permitan acondicionar, muestrear, procesar y presentar la información medida. Parte de los dispositivos utilizados fueron provistos por la cátedra:
Generador Agilent N9310A
Power Splitter
Acoplador Direccional
Amplificador
Cadena de atenuadores
Mientras que el resto de los dispositivos comprados o empleados fueron:
Placa adquisidora basada en AD8302 con conectores SMA (fcs=12.4 GHz)
Arduino Nano (ADC)
PC con Windows 7 corriendo MATLAB y los drivers de Agilent
El amplificador y la cadena de atenuadores fueron utilizados a fin de maximizar el rango dinámico del dispositivo. Las especificaciones resultantes del proyecto dependen de los dispositivos antes mencionados y sus limitaciones:
Rango de frecuencia de 100 MHz a 2,7 GHz
Rango dinámico de -30 dB a +30 dB
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Principio de funcionamiento – Diagrama en bloques
Fig. 1: Diagrama en bloques del equipo fabricado.
Analizando en detalle los bloques de la Figura 1:
1) Generador Agilent N9310A: Será el que proveerá la señal que se utiliza para realizar las
mediciones. El mismo se controla remota y automáticamente desde la PC a través de MATLAB.
2) Power Splitter: Divide la señal de entrada, enviando la mitad de la potencia hacia el acoplador y la
otra mitad hacia el AD8302, esta segunda mitad de la potencia es atenuada por la cadena de
atenuación y sirve como muestra de la señal incidente.
3) Acoplador direccional: interconecta una de las salidas del power splitter con el DUT y permite
muestrear la señal reflejada, que se lleva hasta el AD8302 como segunda entrada.
4) DUT (Device Under Test): Dispositivo a caracterizar.
5) AD8302: Circuito integrado que genera dos señales analógicas de tensión proporcionales a la
relación de módulos y diferencia de fases entre las señales incidente y reflejada.
6) Arduino: Microcontrolador utilizado principalmente como ADC controlable por USB a través de
MATLAB, el mismo no corre código sino que se le instancia un servidor desde MATLAB y se lo
controla desde la PC.
7) PC – MATLAB: Controla toda la lógica de la medición así como aplica las correcciones necesarias,
presenta y exporta la información y provee al usuario de una interfaz gráfica a través de la cual
controlar fácilmente la realización de mediciones.
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Análisis teórico
Para caracterizar el coeficiente de reflexión ( ) de un DUT es necesario medir la señal reflejada y la señal incidente, ya que esta es la definición de S11.
Fig. 2: Setup para medición de parametros forward.
(1)
Para la medición del S22 se realiza el mismo procedimiento invirtiendo el DUT. Debido a que el VNA introduce errores debido a los parametros S propios del dispositivo es necesario realizar un de-embedding de los mismos para lo que estos deben ser medidos primero mediante un proceso de calibración. Este proceso se llama calibración OSM debido a que se realiza midiendo el S11 de elementros patrones Open, Short y Match. Utilizamos el modelo de tres terminos de error, visto en clase. La fórmula utilizada para realizar la corrección es la siguiente:
(2)
Dicha ecuación se deriva de aplicar el teorema de Mason al diagrama que se observa en la figura 4. Para generar la matriz propiamente dicha se observa que hay 3 términos de error (e00, e11 y ) cuya obtención es posible mediante el uso de los tres patrones antes mencionados.
Fig. 3: Matriz de errores.
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Fig. 4: Error box más gamma de la carga.
En éste caso también se comete un error ya que existe lo que se llama “Plano de referencia”. Los patrones OPEN y SHORT generalmente poseen un pequeño offset que lo hacen comportar como una impedancia ideal, sumada a una pequeña línea de transmisión, lo que genera un corrimiento de fase a medida que se toman las mediciones a distintas frecuencias. Es por ello que a la fórmula anterior se le debe agregar la corrección del offset.
Fig. 5: Error de Offset
Se observa en la figura 5 que se debe aplicar una corrección para minimizar el error. Esta corrección es:
(3)
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Descripción de elementos Se utilizó una placa adquisidora basada en el AD8302, que contiene todos los componentes recomendados por la nota de aplicación del fabricante y los conectores necesarios para poder realizar las mediciones.
Fig. 6: Esquemático de la placa que integra el circuito AD8302.
Fig. 7: Placa adquisidora de datos antes de ser soldada.
Además de la placa, como se observa en la figura 8, se utilizaron:
Cadena de atenuadores conectados en cascada, para obtener mayor rango dinamico.
Arduino Nano, utilizado principalmente como ADC para muestrear los valores de tensión de la placa
adquisidora.
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Fig. 8: Setup de medición
Tambien utilizamos los componentes que contiene la caja de que se observa en la figura 8, provista por la catedra:
Acoplador direccional, utilizado para muestrear la señal reflejada desde la carga.
Amplificador de señal a partir de 100 MHz
Power Splitter, para separar la señal de entrada hacia el acoplador y hacia la placa adquisidora
Por último, utilizamos el generador Agilent N9310A, encargado de proveer la señal de entrada.
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Especificaciones
AD8302:
Tensión de alimentación: 5V
Potencia de entrada: -60 dBm a 0 dBm
Zin = 50
Pendiente de Módulo: 30 mV/dB (ver figura 9)
Pendiente de Fase: 10 mV/º (ver figura 10)
Ancho de Banda: hasta 2.7 GHz
Rango dinámico: -30 dB a +30 dB
Salida de tensión analógica: 0 a 1,8V
Fig. 9: Magnitud de salida en función del módulo.
Fig. 10: Magnitud de salida de fase en función a la fase en grados.
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Arduino Nano (ATMega 328)
Tensión de alimentación: 5V
Referencia del ADC: 1,8V (proporcionada por AD8302)
Agilent N9310A
Tensión de alimentación: 220V AC
Rango de frecuencias: 9 kHz a 3 GHz
Rango de potencia: -127 dBm a 13 dBm
Interfaz USB – Protocolo VISA
Inconvenientes encontrados En las secciones anteriores se han mencionado alguno de los inconvenientes encontrados durante el proceso de desarrollo del equipo. Estos fueron:
Respuesta no inyectiva de la fase: La respuesta de la placa adquisidora de datos en función a
la fase corresponde a la curva que se muestra en la figura 7.
Esta respuesta de la fase genera dos problemas:
o Lectura errónea en fase 0º
o Dos fases diferentes para cada valor de Vphase out.
El error por máxima alinealidad alrededor de 0º se corrige mediante el suavizado de la señal
previo a la presentación. Debido a que este error es más complejo de resolver aplicando algún
criterio sencillo a veces puede observarse en los valores medidos.
La corrección que permite evitar los problemas generados por la no inyectividad de la fase
consiste en comparar una muestra con muestras inmediatamente anteriores y posteriores y
obtener la pendiente para la muestra. Si los valores anteriores se encuentran debajo de éste y
los subsiguientes por arriba, entonces la pendiente es positiva. Análogamente la zona de
pendiente negativa corresponde a aquellas muestras cuyos valores anteriores son mayores y los
posteriores menores. Asumiendo que la amplia mayoría de los dispositivos presentan fases
monótonamente decrecientes puede corregirse la fase mediante la inversión del signo en caso
de haber pendiente positiva.
Rango dinámico: Para maximizar el rango dinámico se coloca una cadena de atenuadores que
deja a la señal incidente en la entrada del AD8302 a -26 dBm, de modo de asegurar máxima
excursión en ambos sentidos. Esta cadena puede verse en la figura 8.
Ruido en los gráficos: A pesar de todas las correcciones previas y debido a que -180º y +180º
corresponden al mismo valor para el AD8302 las señales continúan presentando una pequeña
cantidad de ruido. A efectos de corregirla se aplican filtros que alizan (smoothing) la señal antes
de presentarla en pantalla. Los VNA comerciales utilizan métodos similares para corregir estos
errores. En la figura 21 puede observarse una medición presentada con y sin smoothing de la
señal.
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Repetibilidad: Las primeras mediciones tomadas con el VNA presentaban un bajo grado de
repetibilidad, para mejorar esta respuesta se hizo un promediado de muestras en el cual para
cada valor de frecuencia se toman 5 muestras de Módulo y Fase.
Estabilización de frecuencias: Originalmente se observó que ciertas mediciones presentaban
demasiado error debido a que no se estaba dando al generador tiempo suficiente para estabilizar
la frecuencia (el VNA realizado toma alrededor de 1000 muestras por minuto), por lo que se optó
por realizar una verificación con el generador para constatar que se haya seteado la frecuencia
deseada.
Interfaz Gráfica La interfaz gráfica (GUI) permite operar el VNA con las funciones convencionales más las específicas del proyecto.
Conexión con generador y ADC (Arduino – 10 Bits)
Calibración y Adquisición
Seteo de frecuencias y tipo de muestreo
Gráficos de S11
Sistema de Gestión de Mediciones
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Fig. 11: Pantalla principal de la interfaz gráfica. Proceso de medición:
1) Conectar: establece conexión entre Arduino, generador y PC.
2) Elegir frecuencia mínima, frecuencia máxima y cantidad de puntos. En caso de querer realizar
medición segmentada, presionar “Editar segmentos” (se abrirá la pantalla de la figura 12).
3) Calibrar: Aparecerá la imagen de la figura 13.
4) Colocar OPEN, SHORT o MATCH y esperar el resultado. Recordar colocar el Offset antes de
presionar “Listo”.
5) Adquirir (sólo se habilitará luego de realizar la calibración).
6) Luego de adquirir se nos habilitarán las opciones para graficar las mediciones efectuadas.
7) En la zona inferior derecha podremos elegir visualizar solo una curva (Corregido o Sin Corregir) o
ambas.
8) También se habilitará la opción de exportar la medicion en formato “.s1p”.
Fig. 12: Pantalla de selección de segmentos.
Fig. 13: Pantalla de calibración.
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3. RESULTADOS
A continuación se presentan los resultados obtenidos de las mediciones de OPEN, SHORT, MATCH y atenuadores de 3dB y 10dB con un SHORT. En las figuras [14, 15, 17 y 19] se puede observar la medición cruda entregada por la placa adquisidora de la fase del gamma y el resultado de la corrección luego del proceso de corrección aplicado. En las figuras [16, 18, 20] se ven los resultados finales del módulo en dB y la fase en grados. Finalmente se presenta la comparación de las mediciones de los atenuadores contra el VNA patrón del RF LAB. (Figuras 21 a 24).
3.1. Atenuador 3dB
Fig. 14: Módulo y fase de atenuador de 3dB.
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3.2. MATCH
Fig. 15: Módulo y fase de match.
Fig. 16: Fase sin corregir y corregida de match.
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3.3. OPEN
Fig. 17: Módulo y fase de open.
Fig. 18: Fase sin corregir y corregida de open.
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3.4. SHORT
Fig. 19: Módulo y fase de short.
Fig. 20: Fase sin corregir y corregida de short.
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3.5. SMOOTH
Fig. 21: Medición Atenuador 10dB sin Smooth.
Fig. 22: Medición Atenuador 10dB con Smooth.
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3.6. Comparaciones con VNA patrón
Fig. 23: Medición de Atenuador de 3dB + short.
Fig. 24: Medición de Atenuador de 10dB + short.
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4. DISCUSIÓN Una de las calibraciones que se realizaron fue la del ajuste de la pendiente de la curva de la medición de módulo. La pendiente varía según la frecuencia a la que se tome la medicion, por lo tanto sería conveniente tomar puntos de medicion en distintas frecuencias y luego aplicar el algoritmo correspondiente de corrección de la pendiente. Por cuestiones de tiempo y equipamiento disponible, solo se realizo el ajuste de la recta para 100 MHz. A futuro se debería repetir el procedimiento para distintas frecuencias tratando de cubrir todo el rango de funcionamiento del VNA. Analogamente, sería conveniente realizar un procedimiento similar para la fase. En este caso el ajuste a realizar deberá contemplar la no linealidad en las cercanías de la fase 0º tratando de caracterizarla y no asumir que se comporta linealmente. En versiones futuras deberán evaluarse más en profundidad los filtros de alizado (smoothing) aplicados a la señal previo a su presentación. Haciendo un análisis más profundo de distintas señales y filtros para obtener una configuración óptima. Por otra parte, sería conveniente realizar un testeo más intensivo de los bugs menores en la interfaz gráfica (GUI). Si bien en la presente versión se verificó que ningún error impida el correcto desarrollo de la medición y presentación de datos pueden haber otros errores menores que pueden ser disparados por un uso incorrecto del GUI y que hagan que MATLAB arroje errores por la linea de comando. Si bien estos errores no se presentan durante la operación correcta del VNA, es posible que hayan otros bugs no encontrados aún en áreas más triviales. 5. CONCLUSIONES Teniendo en cuenta los costos del equipo realizado y contrastando las mediciones contra las efectuadas con el patrón provisto por la facultad, se puede concluir que el resultado es más que aceptable. Si bien no se obtuvo un rendimiento absolutamente igual se observó que las mediciones realizadas eran acordes y consistentes a las arrojadas por el patrón. De esta manera queda demostrado que el integrado y el setup utilizado son excelentes reemplazos, más económicos, del equipo que posee la facultad. Esto permitiria replicar el proyecto realizado para poder ampliar la oferta de equipamiento para los futuros alumnos de la materia. También es posible en el futuro realizar VNA de “n” puertos, agregando “n” placas idénticas a la utilizada y haciendo las modificaciones pertinentes en el software para, de esta manera, ampliar las prestaciones del equipo. Es importante destacar que si bien la implementación del proyecto tuvo un bajo costo (en comparación con otros VNA anteriores realizados en la facultad) hay ciertos componentes como el Power Splitter y el Acoplador que fueron utilizados en el setup del VNA implementado y que por lo tanto representan un gasto extra que no fue necesario en esta instancia pero que si lo sería si se trata de producir varios de estos dispositivos. 6. REFERENCIAS [1] Ing. Alejandro Henze, “Analizador de Redes Vectorial”, http://www.campusvirtual.frba.utn.edu.ar/ [2] Analog Devices, “Datasheet AD8302 – Rev A”, http://www.analog.com/ [3] Agilent Technologies, “User’s Guide Agilent N9310A RF Signal Generator” [4] Agilent Technologies, “SCPI Command Reference, Vol I.” [5] Harald Jaeger, “Vector Network Analysis uncertainty evaluation for 1 port measurements”
