TP_VNA v1.0

Trabajo Práctico de Laboratorio
VNA
Objetivo:
La finalidad del presente trabajo Práctico de Laboratorio, es familiarizar al alumno con el
“Analizador Vectorial de Redes” (VNA), vinculando la teoría vista en clase con la utilización del
instrumento para mediciones reales. Para la realización del presente Trabajo Práctico es
imprescindible contar con los conceptos vistos en clase así como también aquellos que aporta la
bibliografía sugerida por la cátedra.
Intrumentos y accesorios:
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VNA , TAPR / Ten-Tec (1MHz – 100MHz, rango sin degradación)
Standards de Calibración SMA (Open, Short, Match, Thru)
Atenuadores mini-circuits VAT-30+, VAT-10+
Filtro Pasa Banda en 21.4MHz minicircuits SBP-21.4+
Fixture calibration para componentes SMD
o PCB con microstrip de 50 Ω
o Conectores SMA
o Standards para Calibración (Open, Short, Match, Thru)
Componentes pasivos varios:
o Resistencia de Carbón de 100 Ω
o Inductor Fijo Axial CESS-101 (valor nominal 100μH)
o Inductor Fijo Axial CESS-2R2 (valor nominal 2.2μH)
o Capacitor cerámico SMD 0805 (valor nominal 100pF)
o Capacitor cerámico Through Hole (valor nominal 100nF), largo pines 20mm
o Capacitor cerámico Through Hole (valor nominal 100nF), largo pines 3mm
o Cristal de frecuencia fundamental 24MHz
Software Smith v3.10
Matlab c/toolbox RF (scripts: VNA_Atenuadores.m , VNA_ZL.m)
Ansoft Designer, Student Edition
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Calibración:
El instrumento posee dos calibraciones: Calibración del Detector, y calibración del Fixture
a utilizar.
La primera se realiza sólo una vez y permite que el equipo pueda caracterizar su
Detectores presentes en Tx y en Rx ( Amplitud y fase), así como el Acoplador Direccional.
La segunda calibración debe realizarse para cada nuevo setup de medición, a fin de poder
eliminar en la medición todos estos elementos que intervengan permitiendo mostrar los valores
sólo del DUT (valores corregidos)
Setup de Medición:
El efecto de todos los cables, conectores y adaptadores conectados a los terminales de Tx
y Rx durante la calibración del Fixture serán removidos al realizar la medición. Aquellos elementos
que se agreguen posterior a la calibración del Fixture formarán parte del DUT medido.
Setup para Calibración del Fixture:
Solo los cables, conectores y adaptadores conectados al Tx serán parte del Fixture durante
los primeros 3 pasos de calibración. Durante el cuarto paso, el efecto de todos los cables,
conectores y adaptadores conectados al terminal de Rx también serán tenidos en cuenta de
manera de completar la calibración del Fixture. Típicamente, sólo se debería conectar el DUT al
Fixture tal como se calibró sin conectores ni cables adicionales, dado que todo lo que se agregue
será parte de la medición del DUT.
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Procedimiento para Calibrar el Fixture:
1) Ingresar al menú de calibración del Fixture
2) Conectar el cable a utilizar en el port Tx y en el otro extremo colocar secuencialmente los
standard de calibración (Short, Open, Match) presionando el botón correspondiente
luego de conectar cada una de ellas
3)
Conectar el cable a utilizar en el port Rx e interconectarlo mediante un Thru al port Tx y
hacer click en el botón correspondiente. Generalmente el Thru es un Barrel (adaptador
doble hembra)
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4) Guardar los resultados en un archivo de calibración, que será utilizado a la hora de hacer
la corrección de los errores. Este archivo puede ser cargado siempre que se utilice el
mismo setup de medición.
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Mediciones a realizar:
Mediciones en 2 puertos:
Filtro Pasa Banda
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
Realizar la calibración TOSM con los standard correspondientes (SMA)
Conecte el Filtro Pasa Banda de 21.4MHz minicircuits SBP-21.4+
Mida los 4 parámetros S en todo el rango de frecuencias que permite el equipo
Guarde el resultado en un archivo s2p
Repetir la medición para el rango de frecuencias de la banda pasante del filtro
Guarde el resultado en un archivo s2p
Evalúe los valores medidos utilizando el Software del VNA o utilizando Matlab a partir de los
archivos s2p y compare los mismos con la hoja de datos, a saber:
 Ancho de banda a 3dB
 Banda de paso (I.L. 1.5 dB Max.)
 Insertion Loss vs. Frec (evaluar x media y σ)
 Return Loss
 Group Delay
8) Saque conclusiones de la medición
Capacitor cerámico SMD (colocado como una Z en serie entre ports)
1)
2)
3)
4)
5)
Realizar la calibración TOSM con los standard correspondientes (PCB)
Conecte la Placa con el componente SMD
Mida los 4 parámetros S en todo el rango de frecuencias que permite el equipo
Guarde el resultado en un archivo s2p
Evalúe los valores medidos utilizando el Software del VNA o utilizando Matlab a partir de los
archivos s2p y compare los mismos con los simulados en Ansoft Designer:
 Compare los resultados en los 4 parámetros
 Determine las diferencias que puedan aparecer entre lo medido y lo simulado
6) Saque conclusiones de la medición
Diodo PIN tipo BA479G
1) Realizar la calibración TOSM con los standard correspondientes (PCB) y utilizando ambos bias
tee para colocar la polarización del diodo PIN.
2) Conecte el diodo PIN montado sobre el PCB y polarícelo en una corriente seleccionada entre
0.1 y 10mA
3) Mida los 4 parámetros S en todo el rango de frecuencias que permite el equipo
4) Guarde el resultado en un archivo s2p
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5) Utilizando MatLab transforme los parámetros S para obtener la Z que presenta el diodo PIN en
el rango de frecuencias medido con la polarización usada. Compare el resultado con la hoja de
datos del diodo.
Mediciones en 1 puerto:
Inductor Axial
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
Aplicar el archivo de calibración TOSM con los standard correspondientes (SMA)
Conecte el inductor Axial de 100μH
Mida los 4 parámetros S en todo el rango de frecuencias que permite el equipo
Guarde el resultado en un archivo s2p
Repetir la medición para el rango de frecuencias en el entorno de la autoresonancia (SRF)
Guarde el resultado en un archivo s2p
Evalúe los valores medidos utilizando el Software del VNA o utilizando Matlab a partir de los
archivos s2p y compare los valores obtenidos con la hoja de datos, a saber:
 Valor de Inductancia
 Frecuencia de autoresonancia (SFR)
 Capacidad parásita
 Q mínimo
 Valor de Resistencia de DC, y de AC
 Desarrolle un modelo equivalente donde se vean las componentes residuales usando el
Software “Smith” o similar
 Comportamiento en el diagrama de Smith
8) Saque conclusiones de la medición
Capacitor cerámico through hole
1) Aplicar el archivo de calibración TOSM con los standard correspondientes (SMA)
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2)
3)
4)
5)
6)
7)
Conecte el capacitor cerámico de 100nF con patas de 20mm
Mida los 4 parámetros S en todo el rango de frecuencias que permite el equipo
Guarde el resultado en un archivo s2p
Repetir la medición para el rango de frecuencias en el entorno de la autoresonancia (SRF)
Guarde el resultado en un archivo s2p
Evalúe los valores medidos utilizando el Software del VNA o utilizando Matlab a partir de los
archivos s2p y compare los valores obtenidos con la hoja de datos, a saber:
 Valor de capacidad
 Frecuencia de autoresonancia (SFR)
 Inductancia parásita
 Desarrolle un modelo equivalente donde se vean las componentes residuales usando el
Software “Smith” o similar
 Comportamiento en el diagrama de Smith
8) Repita las mediciones con el capacitor de 100nF con patas de 3mm
9) Saque conclusiones de la medición
Capacitor cerámico SMD
1) Aplicar el archivo de calibración TOSM con los standard correspondientes (PCB)
2) Repetir los pasos realizados para el capacitor through-hole
Cristal de cuarzo
1)
2)
3)
4)
5)
Aplicar el archivo de calibración TOSM con los standard correspondientes (SMA)
Conecte el cristal de cuarzo de 24MHz o 14.3MHz
Mida los 4 parámetros S en todo el rango de frecuencias que permite el equipo
Guarde el resultado en un archivo s2p
Repetir la medición para el rango de frecuencias en el entorno de la resonancia serie y
paralelo del tono fundamental
6) Guarde el resultado en un archivo s2p
7) Evalúe los valores medidos utilizando el Software del VNA o utilizando Matlab a partir de los
archivos s2p y compare los valores obtenidos con la hoja de datos, a saber:
 Frecuencia de resonancia serie
 Frecuencia de resonancia paralelo
 Bandas de frecuencia en las que el comportamiento es inductivo o capacitivo
 Q en la frecuencia de resonancia
Desarrolle un modelo equivalente donde se vean las componentes residuales (Inductancia y
capacidad) usando el Software “Smith” o similar
 Saque conclusiones de la medición
Resistor de carbón
1) Aplicar el archivo de calibración TOSM con los standard correspondientes (SMA)
2) Conecte el resistor de carbón de 100 
3) Mida los 4 parámetros S en todo el rango de frecuencias que permite el equipo
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VNA
4) Guarde el resultado en un archivo s2p
5) Evalúe los valores medidos utilizando el Software del VNA o utilizando Matlab a partir de los
archivos s2p y compare los valores obtenidos con la hoja de datos, a saber:
• Desarrolle un modelo equivalente donde se vean las componentes residuales (Inductancia
y capacidad) usando el Software “Smith” o similar
• Capacidad parásita (idem anterior)
 Comportamiento en el diagrama de Smith
6) Saque conclusiones de la medición
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Entendiendo las correcciones del VNA:
Para lograr un entendimiento óptimo del principio de funcionamiento de un VNA, es
fundamental entender cómo puede ser implementado de manera discreta y cómo se lleva a cabo
la corrección de la medición. Esto lo llevaremos a cabo armando un setup de medición como el
que se muestra a continuación:
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Configure el Gen. de RF en 20dBm, 40MHz, CW (onda continua)
Realice la conexión de los sucesivos standard
Tome nota de la amplitud y fase relativa entre la onda incidente y reflejada para cada caso
Determine los términos del modelo de error a 1 port en base a los datos medidos
Conecte una carga conocida como DUT (Ej: 100  o alguna de las medidas con
anterioridad con el VNA) y mida el DUT
Corrobore que el S11 medido sin corrección no se corresponde con el valor conocido
(medido previamente con el VNA)
Aplique las correcciones a la medición para determinar el S11 del DUT corregido
Implemente la corrección en Matlab, y realice lo mismo para otra frecuencia
Saque conclusiones
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