unidad 1 Corzo Lamas Kevin

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL
FACULTAD REGIONAL LA RIOJA
Ingeniería Electrónica
Monografía N. ° 1: Medición de
parámetros de componentes AF y
Teoría RF
Alumnos:
Corzo Lamas Kevin
Profesor:
Abril 2024
ÍNDICE
PORTADA
1
ÍNDICE
2
INTRODUCCIÓN
3
OBJETIVOS, IMPORTANCIA Y JUSTIFICACIÓN
4
DESARROLLO DEL TEMA




Medición de baja Frecuencia
Instrumentos para la medición de baja Frecuencia
Trazador de curvas
o Como Funciona
o Aplicación en la industria
o Curvas Tipicas
Medición de altas Frecuencias
o Instrumento para medición de alta frecuencia
o Conceptos claves
o Longitud de onda
o Linea de Transmisión
o Ondas Estacionarias
o Porcentaje de potencia Reflejada
o Guia de onda
o Importancia de la magnitud y Fase
o Adaptación de impedancia
o Transferencia de Potencia
o Caracterización de Disp. De alta Frecuencia
o Caracterización de Componentes en RF
o Redes Lineales y Redes Alineales
o Parametros S y Diagrama de Smith
o Voltimetro Vectorial
o Fasimetro
o Analizador Vectorial de Redes
o Diferencia entre analizador de espectro y analizador
Dinamico de señales
o Dif. Entre instrumentos Escalares y Vectoriales
5
5
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36
37
39
40
CONCLUSIÓN
41
RESUMEN
42
BIBLIOGRAFÍA
47
2
Introducción
En el ámbito de la ingeniería electrónica y la ciencia de las señales, la
realización de mediciones precisas y la comprensión de los parámetros
fundamentales son pilares esenciales para el diseño, análisis y optimización de
sistemas electrónicos en una amplia gama de aplicaciones. En esta unidad,
titulada "Medición de parámetros de componentes: AF y teoría RF", se abordan
una variedad de temas relacionados con las mediciones en baja y alta
frecuencia, así como los aspectos teóricos y prácticos asociados con ellas.
En la primera sección, nos adentraremos en las mediciones en baja
frecuencia, explorando conceptos como los trazadores de curvas, los parámetros
del amplificador operacional y los parámetros de componentes digitales. Estas
mediciones son fundamentales para comprender el comportamiento de los
circuitos en condiciones de frecuencia baja, lo que resulta crucial en numerosas
aplicaciones electrónicas.
Posteriormente, nos sumergiremos en el mundo de las mediciones en alta
frecuencia, explorando conceptos clave como las líneas de transmisión y las
ondas progresivas, así como los comportamientos lineales y no lineales de los
sistemas a altas frecuencias. Además, de los parámetros S y el diagrama de
Smith, herramientas indispensables para el análisis de redes en alta frecuencia.
Para complementar este estudio, también se examinara tecnologías
avanzadas de medición, como el voltímetro vectorial y el analizador vectorial de
redes, que ofrecen capacidades de análisis precisas y detalladas en el dominio
de las frecuencias. Estas herramientas son esenciales para caracterizar y
optimizar el rendimiento de sistemas electrónicos en aplicaciones exigentes.
En resumen, esta unidad proporcionará una visión integral de las mediciones
en baja y alta frecuencia, así como los conceptos fundamentales y las
herramientas de análisis asociadas. A través de la exploración de estos temas,
se busca profundizar en el entendimiento de los sistemas electrónicos y facilitar
el desarrollo de soluciones innovadoras en el campo de la ingeniería electrónica.
.
3
Objetivos







Explorar y comprender los métodos y técnicas utilizadas en la medición
de parámetros de componentes en el dominio de baja frecuencia, como
trazadores de curvas y mediciones de amplificadores operacionales.
Analizar los conceptos fundamentales relacionados con las mediciones
en alta frecuencia, incluyendo el comportamiento lineal y no lineal de los
sistemas, así como la caracterización de redes mediante parámetros S y
el diagrama de Smith.
Identificar y explicar la importancia de las mediciones precisas en ambos
dominios de frecuencia para el diseño y la optimización de sistemas
electrónicos en una variedad de aplicaciones prácticas.
Familiarizarse con tecnologías avanzadas de medición, como el
voltímetro vectorial y el analizador vectorial de redes, y comprender cómo
estas herramientas pueden mejorar la precisión y eficiencia en la
caracterización de componentes y sistemas electrónicos.
Establecer una base sólida de conocimientos teóricos y prácticos que
permita abordar desafíos específicos en la medición de parámetros de
componentes, tanto en el ámbito de baja frecuencia como en el de alta
frecuencia.
Aplicar los conceptos aprendidos en el diseño y análisis de circuitos
electrónicos mediante la interpretación y uso adecuado de los resultados
obtenidos a través de las mediciones realizadas.
Integrar los conocimientos adquiridos en esta unidad para mejorar la
capacidad de resolver problemas y tomar decisiones informadas en el
diseño y la optimización de sistemas electrónicos en diferentes contextos
de aplicación.
Importancia y justificación del estudio
La importancia y justificación del estudio de mediciones de parámetros de
componentes en los dominios de baja y alta frecuencia radica en:

Optimizar el rendimiento de sistemas electrónicos en diversas
aplicaciones.

Detectar y resolver problemas en circuitos electrónicos de manera
eficiente.

Impulsar el desarrollo de tecnologías avanzadas.

Cumplir con estándares y especificaciones de calidad y seguridad.

Mejorar la eficiencia y reducir costos en la producción de dispositivos
electrónicos.
4
Desarrollo
Mediciones de baja Frecuencia:
Se refiere a la realización de mediciones de señales eléctricas que oscilan a
frecuencias relativamente bajas en comparación con otras aplicaciones,
generalmente en el rango de kHz o Hz. Algunas aplicaciones comunes incluyen
electrónica de consumo, sistemas de potencia, electrónica analógica,
instrumentación científica y control de procesos industriales.
Los Instrumentos utilizados incluyen multímetros, generadores de funciones,
osciloscopios, analizadores de espectro y medidores LCR, entre otros.
Instrumentación para Mediciones en Baja Frecuencia:

Multímetro (polímetro): Medición básica de voltaje, corriente y resistencia.

Generador de funciones: Producción de señales de forma de onda para
pruebas en circuitos de baja frecuencia.

Osciloscopio: Visualización y análisis de forma de onda de señales
eléctricas en función del tiempo.

Analizador de espectro: Medición y visualización de la distribución de
potencia de una señal en función de la frecuencia.

Analizador de redes: Caracterización de la respuesta de componentes y
circuitos en el dominio de la frecuencia.

Medidores LCR: Medición de inductancia, capacitancia y resistencia de
componentes eléctricos.
5
Trazadores de curva:
 ¿Qué es un trazador de curva?
Un trazador de curvas, también
conocido como analizador de curvas,
es un dispositivo utilizado para
visualizar
y
analizar
el
comportamiento de un componente
electrónico, como un transistor o un
diodo,
en
función
de
sus
características
eléctricas.
Este
dispositivo permite trazar la curva de
salida de un componente en un
gráfico que representa una o más
variables eléctricas, como voltaje o
corriente, en función de otra variable,
como el tiempo o un parámetro de
control.
En esencia, un trazador de curvas
aplica una serie de voltajes o
corrientes a un componente y mide la
respuesta del mismo, registrando los
valores de voltaje y corriente en un gráfico. Esto permite a los ingenieros
visualizar cómo varía el comportamiento del componente en diferentes
condiciones de operación, como cambios en la tensión de alimentación o la
temperatura ambiente.
Los trazadores de curvas son herramientas valiosas en el diseño, análisis y
diagnóstico de circuitos electrónicos, ya que proporcionan información detallada
sobre las características de los componentes individuales. Por ejemplo, pueden
utilizarse para determinar los puntos de operación óptimos de un transistor en un
amplificador, identificar problemas de polarización en un circuito o verificar la
consistencia de los componentes antes de su uso en un diseño final.
Existen diferentes tipos de trazadores de curvas, desde dispositivos simples de
banco de laboratorio hasta instrumentos más avanzados integrados en equipos
de prueba y medición. Independientemente de su complejidad, los trazadores de
curvas son herramientas esenciales para el análisis y la caracterización de
componentes electrónicos en una amplia variedad de aplicaciones.
6
 ¿Cómo funciona?
En pocas palabras se trata de aplicar un barrido (que varía automáticamente de
forma continua con el tiempo) de tensión a dos terminales del dispositivo bajo
prueba, y se toma la medida de la cantidad de corriente que el dispositivo permite
que fluya en cada nivel voltaje. El trazador de curvas puede visualizar todos los
parámetros de interés tales como la tensión directa del diodo, la corriente de fuga
inversa, la tensión de ruptura inversa, y así sucesivamente. En este sentido, el
aporte destacado del equipo aquí presentado se encuentra en la posibilidad de
obtener la ganancia dinámica de los distintos dispositivos, seleccionar la
cantidad de curvas requeridas, niveles de tensión y corrientes de ensayo
máximos, entre otras.
Los trazadores de curvas utilizan una técnica llamada "muestreo de puntos" para
medir y representar gráficamente el comportamiento de los dispositivos
electrónicos en función de las variables eléctricas como voltaje y corriente. Esto
implica aplicar una secuencia de valores de voltaje y medir la corriente
correspondiente (o viceversa) para generar la curva característica del dispositivo.
 Aplicaciones en la industria y la tecnología
Los trazadores de curvas son utilizados en la producción y el diseño de
dispositivos electrónicos para verificar y garantizar la calidad y el rendimiento de
los componentes. También se utilizan en el proceso de caracterización de
dispositivos electrónicos, como transistores y diodos, para determinar sus
parámetros eléctricos y comportamiento en diferentes condiciones de operación.
Los trazadores de curvas son utilizados en la producción y el diseño de
dispositivos electrónicos para verificar y garantizar la calidad y el rendimiento de
los componentes. También se utilizan en el proceso de caracterización de
dispositivos electrónicos, como transistores y diodos, para determinar sus
parámetros eléctricos y comportamiento en diferentes condiciones de operación.
Algunos puntos importantes acerca de sus aplicaciones serían las de:
1. Diseño y desarrollo de circuitos electrónicos: Los trazadores de
curvas son herramientas esenciales para los ingenieros de diseño de
circuitos electrónicos, ya que les permiten comprender y optimizar el
rendimiento de los componentes individuales y de los circuitos completos.
Esto es crucial en áreas como la electrónica de potencia, la comunicación
inalámbrica, la electrónica de consumo y muchos otros campos de
aplicación.
2. Diagnóstico y reparación de circuitos: En la industria electrónica, los
trazadores de curvas se utilizan para diagnosticar fallas y problemas en
los circuitos electrónicos. Al medir las características de los componentes
individuales, los técnicos pueden identificar fácilmente componentes
defectuosos o mal funcionamiento en un circuito.
7
3. Tecnología de prueba y medición: Los trazadores de curvas son
componentes clave de los sistemas de prueba automatizados (ATE)
utilizados en la producción en masa de dispositivos electrónicos. Estos
sistemas permiten realizar pruebas de alta velocidad y precisión en
componentes individuales y circuitos integrados.
4. Desarrollo de nuevos dispositivos y tecnologías: En el ámbito de la
investigación y el desarrollo, los trazadores de curvas juegan un papel
importante en la creación y optimización de nuevos dispositivos
electrónicos y tecnologías emergentes. Permiten a los investigadores
entender el comportamiento de nuevos materiales y estructuras, así como
mejorar la eficiencia y el rendimiento de los dispositivos existentes.
o Ejemplo de un trazador de curva aplicado para el diagnóstico de
centrales de generación fotovoltaica.
 Ejemplos de dispositivos
o Serie CS-8000: La serie CS-8000 está equipada con una
fuente de alto voltaje de hasta 5 kV y una fuente de alta corriente
de 2 kA. Cuenta con salida de pulso, patrón de puerta y
capacidades de medición de corriente muy pequeñas, y admite la
evaluación de diseño de semiconductores de banda ancha como
SiC y GaN.
8
Algunas características de este dispositivo son los siguientes:

Prueba de alta potencia de hasta 5 kV, 2000 A

Medición precisa de corriente muy pequeña (resolución 250fA）

Gran pantalla táctil de 12,1 pulgadas

Variedad de salida de señal GATE

Opción de medición de características de temperatura mejorada

Pruebas de alta potencia en oblea con Wafer-Prober
o Serie CS-3000/5000/10000: Los trazadores de curvas de las
Series CS-3000, CS-5000 y CS-10000 de Iwatsu están diseñados
para caracterizar Semiconductores de potencia, IGBTs, MOSFETs,
Transistores y Diodos. Voltaje máximo de 10 kV pico y corrientes
de hasta 8000 Apico.
Algunas características de estos dispositivos son:

Muchos de los trazadores de curvas Iwatsu están disponibles con un
modo HC (HIGH CURRENT) para obtener corrientes de miles de
Amperios. Por el contrario el modo Leakage permite medir con
resoluciones de 1 pA.
9


Todos los trazadores están equipados con interfaz USB para descarga de
datos y capturas de pantalla/gráficas y LAN para control remoto. Software
opcional.
Numerosos test fixtures y opciones de escáner multicanal para
aplicaciones automáticas.
Comparativa de los trazadores de curva:
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 Curvas típicas
Mediciones de altas frecuencias
Medir en alta frecuencia implica realizar mediciones de señales eléctricas que
oscilan a frecuencias relativamente altas en comparación con otras aplicaciones.
Generalmente, en el contexto de la electrónica y la comunicación, "alta
frecuencia" se refiere a frecuencias que van desde varios megahercios (MHz)
hasta varios gigahercios (GHz) o incluso más. Este rango de frecuencias se
encuentra comúnmente en aplicaciones de radiofrecuencia (RF), microondas y
comunicaciones inalámbricas. Aplicaciones comunes incluyen comunicaciones
inalámbricas, radar, electrónica de alta velocidad, instrumentación científica y
médica, y radiodifusión y televisión.
Instrumentación para Mediciones en Alta Frecuencia:

Analizador de Espectro: Para analizar la distribución de potencia de una
señal en función de la frecuencia.
Analizador de espectro SIGLENT SSA3000X Plus
11

Analizador de Redes Vectorial (VNA): Mide y analiza las características
de transmisión y reflexión de componentes y sistemas de RF.
Analizador de red vectorial SNA5000A con pantalla táctil de 12” y 4 puertos

Generador de Señales RF: Para generar señales de prueba en sistemas
de RF y calibrar otros instrumentos.
Generador de señales Serie DSG800

Osciloscopio de RF: Permite visualizar la forma de onda de señales de
alta frecuencia.
12
RIGOL MSO7054 – Osciloscopio de Señales Mixtas

Analizador de Potencia de RF: Mide la potencia de una señal de RF con
alta precisión.
Medidor de potencia Boonton Modelo 4500B
13

Medidor de Fase: Para medir la diferencia de fase entre dos señales de
RF.
Medidor de 3 Fases ETCR 4700
Algunos conceptos que se deben tener en cuenta serian:
1. Ancho de banda: El ancho de banda se refiere a la gama de frecuencias
en la que una señal o un sistema puede funcionar efectivamente. En el
contexto de las mediciones de alta frecuencia, comprender el ancho de
banda es esencial para seleccionar equipos de prueba adecuados y
garantizar mediciones precisas dentro del rango de frecuencia deseado.
2. Impedancia característica: La impedancia característica es la
impedancia intrínseca de una línea de transmisión o un dispositivo en una
frecuencia específica. En mediciones de alta frecuencia, es crucial
comprender y adaptar correctamente las impedancias para minimizar las
reflexiones de señal y garantizar mediciones precisas.
14
3. Reflexión de señal: La reflexión de señal ocurre cuando una señal de
alta frecuencia se encuentra con una discontinuidad en una línea de
transmisión o un dispositivo. Esto puede causar problemas en las
mediciones, como distorsión de la señal y mediciones inexactas. Es
importante comprender cómo minimizar las reflexiones de señal mediante
la correcta terminación de líneas de transmisión y la utilización de
adaptadores y conectores adecuados.
4. Atenuación: La atenuación se refiere a la pérdida de potencia de una
señal a medida que se propaga a lo largo de una línea de transmisión o a
través de un dispositivo. En mediciones de alta frecuencia, es importante
comprender la atenuación en diferentes medios de transmisión y
dispositivos para compensarla adecuadamente y garantizar mediciones
precisas.
5. Ruido: El ruido es cualquier señal no deseada que pueda afectar las
mediciones de alta frecuencia. Puede provenir de diversas fuentes, como
interferencias electromagnéticas, ruido térmico, ruido de fase, entre otros.
Comprender las fuentes de ruido y cómo mitigar sus efectos es esencial
para realizar mediciones precisas.
15
6. Linealidad y distorsión armónica: En mediciones de alta frecuencia, es
importante evaluar la linealidad y la presencia de distorsión armónica en
los dispositivos y sistemas bajo prueba. La distorsión armónica puede
afectar la precisión de las mediciones y debe tenerse en cuenta al
interpretar los resultados. Ser lineal seria amplitud cte, fase lineal,
retardo de grupo cte. No lineal seria armónicas, inter-modulación,
compresión, AM -> PM.
7. Calibración y corrección de errores: La calibración adecuada de los
equipos de prueba y la corrección de errores son fundamentales para
garantizar mediciones precisas en el contexto de alta frecuencia. Es
importante realizar calibraciones periódicas y seguir prácticas adecuadas
de calibración para minimizar errores sistemáticos y garantizar
mediciones confiables.
Estos son solo algunos de los conceptos importantes en mediciones de alta
frecuencia. Comprender estos conceptos y cómo afectan las mediciones es
fundamental para trabajar de manera efectiva en este campo.
Longitud de ondas
La longitud de onda 𝜆 es la distancia entre puntos sucesivos de la onda con la
misma fase eléctrica. La fase original de la onda incidente es (𝑤𝑡 + 𝜃 ), y es
modificada en la medida que la onda avanza, en un factor 𝛽𝑧 radianes, esto es:
(𝑤𝑡 − 𝛽𝑧 + 𝜃) .
Así entonces, 𝛽𝑧 será igual a 2𝜋 radianes si la distancia 𝑧 es igual a 𝜆. O sea:
𝛽𝑧 = 2𝜋
De donde:
𝜆=
2𝜋
𝛽
Longitud de Onda, Frecuencia y velocidad de propagación
16
Línea de transmisión
Una línea de transmisión es el medio para transmitir señales eléctricas y para el
caso de señales de radiofrecuencia es la forma de conectar el amplificador y
circuitos transmisores con la antena.
Modelo esquemático de una línea de transmisión conectada
Las líneas de transmisión son medios pasivos utilizados para el transporte de
energía entre dos puntos. Existen una gran variedad de tipos de líneas de
transmisión tales como líneas bifilares, de trenzado, coaxiales, microcinta,
etcétera, todas con un amplio uso en la industria y a la que debemos los avances
tecnológicos más importantes de nuestra era.
Una antena que transmite recibe la señal de una línea de transmisión para luego
irradiarla. Se requiere que la transferencia de la energía proveniente de la línea
sea la máxima posible para que este proceso sea eficiente.
Las líneas de transmisión operan a distintas frecuencias y el uso de uno u otro
tipo de línea dependerá de los requerimientos de la transmisión. Estas líneas
poseen una impedancia que depende de los parámetros distribuidos:
Resistencia(R), Inductancia (L), Capacitancia(C) y Conductancia (G).
17
La transmisión de señales a través de este medio requiere de la comprensión de
los principios ondulatorios que hacen posible alcanzar el objetivo fundamental de
dicho proceso, el cual es la máxima transmisión de la energía en forma optima.
Este proceso de transmisión se ve afectado por una serie de factores que
impiden la calidad y efectividad de la transmisión
La principal razón para el uso de líneas de transmisión es la necesidad de
transferencias eficientes de radiofrecuencias. En bajas frecuencias donde las
longitudes de ondas de las señales son más largas que la longitud de los circuitos
conductores, un simple cable es suficiente para llevar la potencia. La corriente
viaja fácilmente por el cable y la corriente y el voltaje son los mismos sin importar
en
donde
midamos
el
cable.
Por otro lado, en altas frecuencias la longitud de ondas de las señales de interés
es similares o menores a la longitud de los circuitos conductores. En este caso,
la transmisión de potencia es más conveniente a través de ondas viajeras. Es de
una importancia crítica que una transmisión sin pérdidas tome una impedancia
característica (Zo) cuyos valores más comunes son 50 o 75 ohmios. Zo describe
la relación entre las ondas viajeras de voltaje y las de corriente; también es una
función de las diversas dimensiones de la línea de transmisión y de la constante
dieléctrica (ε). En situaciones de baja potencia (como la de la televisión por cable,
por ejemplo) las líneas de transmisión coaxial se optimizan para la baja pérdida,
lo que funciona alrededor de los 75 ohmios (esto para líneas de transmisión
coaxial). Para radiofrecuencia, comunicación por microondas y aplicaciones de
radar, donde se hallan altas potencias, las líneas de transmisión coaxial se
diseñan para tener una impedancia característica de 50 ohmios, una
contemporización entre el manejo de del máximo poder (que ocurre a 30 ohmios)
y
la
pérdida
mínima.
Cuando la línea de transmisión es terminada en su impedancia característica, la
mayor potencia es transferida a la carga. De hecho una línea de transmisión
infinitamente larga parece ser una carga resistiva, es decir, que produce calor,
pero no movimiento. Cuando la terminación no equivale a Zo, la porción de la
señal que no es absorbida por la carga es reflejada de vuelta a su fuente. Esto
último crea una condición donde el voltaje envolvente junto a las líneas de
transmisión varía con la posición.
Ondas estacionarias
El fenómeno estacionario de las ondas al que haré referencia es medido a través
de un parámetro que cuantifica su efecto en la transmisión y el cual es conocido
como razón de onda estacionaria (ROE).
Para facilitar nuestro análisis usaremos señales de voltaje y corriente.
La ecuación de onda para una señal fasorial de voltaje “vs” en una línea de
transmisión con propagación en el eje “z” es gobernada por la siguiente
expresión:
18
Donde " γ " representa la constante de propagación compleja dada por:
La solución de la Ecuación diferencial (1) está dada por la expresión:
La expresión (4) muestra la existencia de dos ondas en la propagación, la onda
incidente que se propaga hacia la carga y una onda reflejada originada en algún
punto, donde las características del medio presentan variación.
Los términos vi0 y vr0 representan las amplitudes de las ondas incidentes y
reflejadas que se propagan en la línea de transmisión respectivamente.
La expresión (4) puede escribirse de la forma:
Donde "ρv " representa el coeficiente de reflexión de la señal de voltaje.
Los valores extremos del voltaje resultante en la línea son obtenidos de la
magnitud de la ecuación (5).
Donde consideramos que la atenuación en la línea es pequeña ("α"→0) para
efectos de simplificación.
19
Dado que:
De forma similar al voltaje, la corriente eléctrica en la línea se obtiene de la
expresión:
Los términos Ii0 y Ir0 representan las amplitudes de las ondas de corriente
incidentes y reflejadas que se propagan en la línea de transmisión
respectivamente.
Las expresiones de voltaje y corriente permiten obtener la potencia de las
señales que intervienen en el proceso de transmisión, está es dada por la
expresión general:
Donde "Z0" representa la impedancia de la línea definida por:
Las diferencias de impedancia entre la línea de transmisión definida por la
ecuación (13) y la impedancia en la carga “ZC”, son el origen principal de las
reflexiones en la frontera que separa estos dos elementos. Este evento es
conocido como desadaptación o desacople de impedancias, lo cual se traduce
en señales de retorno al generador, que superpuesta con la onda que viaja hacia
la carga, forma una onda estacionaria. Este efecto estacionario de las ondas es
no deseado debido a que además de provocar posibles daños en los
transmisores o generadores ocasionan sobrevoltajes y pérdidas adicionales en
la línea.
20
Es importante acotar que el fenómeno estacionario no es únicamente originado
en el extremo que une la línea y la carga. La señal de retorno generará el mismo
fenómeno en la entrada de la línea si existen diferencias o desacople entre Z 0 y
Zg.
En cualquier caso, la finalidad de la línea es operar como un medio de transporte
de la onda viajera proveniente del transmisor o generador y no está construida
con el objeto de almacenar una onda estacionaria cuya energía no se propaga,
si no que por el contrario, está atrapada entre sus puntos nodales.
Ondas estacionaria
apreciar que la máxima transferencia de la energía transportada ocurrirá en el
caso ideal en el que la línea y la carga estén acopladas, es decir, que la onda
viajera o incidente que se propaga hacia la carga no registre cambios de
impedancias (ZC=Z0).
Debido a las dificultades que implica lograr este acoplamiento la cantidad de
energía reflejada es monitoreada a través del coeficiente de reflexión y la razón
de onda estacionaria (ROE) dada por la expresión:
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El valor de ROE proporciona una medida del desacople existente entre la línea
y la carga y permite además hacer los correctivos dirigidos a minimizar estas
reflexiones y, en muchos casos, la inclusión de elementos acopladores que
optimicen la transmisión de la señal hacia la carga.
Los valores máximos y mínimos de la razón de onda estacionaria están dados
por:
Generalmente ROE es asociado, con fines más prácticos, a los porcentajes de
potencia reflejada en la carga (potencia de retorno) y la potencia entregada a ella
a través de las siguientes expresiones.
Porcentaje de potencia Reflejada
Porcentaje de potencia transmitida (Recibida por la carga)
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En la siguiente tabla se muestra algunos valores referenciales de las potencias
reflejadas y las recibidas por la carga, obtenidas de las ecuaciones (17) y (19)
para distintos valores de ROE.
Los valores de ROE ≥ 3 son considerados como excesivos por lo que se deben
tomar medidas preventivas que permitan reducir este valor.
Existen en el mercado instrumentos que permiten medir la razón de onda
estacionaria (ROE) identificado como medidor de SWR por sus siglas en ingles
(STANDING WAVE RATIO).
Instrumento de medición de la razón de onda estacionaria (ROE)
23
Guía de onda
Las guías de onda son estructuras físicas diseñadas para dirigir y confinar ondas
electromagnéticas o acústicas a lo largo de un camino específico. Se utilizan en
una variedad de aplicaciones, desde la transmisión de señales de
radiofrecuencia y microondas hasta la transmisión de señales ópticas en fibras
ópticas. Básicamente, funcionan como un conducto para dirigir las ondas a lo
largo de una trayectoria definida, minimizando la pérdida de señal y maximizando
la eficiencia de transmisión
Onda progresivas
las ondas progresivas son aquellas que se propagan a través de una línea de
transmisión, como puede ser un cable, y son detectadas por un instrumento de
medición en el punto de destino.
Cuando estas ondas se propagan en una dirección específica, se espera que su
amplitud sea máxima en la dirección de la señal y disminuya a medida que se
alejan del punto de origen. Por otro lado, si una parte de la onda es reflejada en
el medio y viaja en sentido contrario, se espera que su amplitud sea menor y se
pueda detectar como una señal reflejada.
La expectativa de que la señal reflejada sea menor que la señal originalmente
transmitida se debe a la pérdida de energía que ocurre durante la reflexión.
Cuando una onda se encuentra con una interfaz entre dos medios con diferentes
impedancias acústicas, parte de la energía de la onda se refleja mientras que
otra parte se transmite a través del nuevo medio. La cantidad de energía
reflejada depende de la diferencia en impedancia entre los dos medios. Cuanto
mayor sea esta diferencia, mayor será la cantidad de energía reflejada.
La señal reflejada se espera que sea menor que la señal original debido a las
pérdidas de energía que ocurren durante la reflexión. Cuando una onda se refleja
en una interfaz entre dos medios con diferentes impedancias, parte de la energía
de la onda se disipa, se dispersa o se transmite al medio reflejante. Como
resultado, la amplitud de la señal reflejada suele ser menor que la de la señal
incidente.
Si la señal reflejada no fuera menor que la señal original, podría haber varias
consecuencias no deseadas:
1. Interferencia: Si la señal reflejada tuviera una amplitud similar o mayor
que la señal original, podría interferir con la detección de la señal deseada.
Esto dificultaría la interpretación precisa de la información medida y podría
llevar a errores en el análisis.
2. Pérdida de información: Si la señal reflejada no es significativamente
más débil que la señal original, la capacidad de distinguir entre la señal
transmitida y las señales reflejadas se vería comprometida.
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3. Daño a los dispositivos de medición: Si las señales reflejadas fueran
igual de fuertes que la señal original, podría haber un exceso de energía
que podría dañar los dispositivos de medición.
En resumen, que la señal reflejada sea menor que la señal original es
fundamental para garantizar mediciones precisas y evitar interferencias no
deseadas o daños en los sistemas de detección.
Importancia de la magnitud y fase:
la magnitud y la fase son importantes en las mediciones de alta frecuencia por
varias razones. En algunos casos puede ser suficiente contar con información
de magnitud (ganancia de un amplificador, atenuación de un filtro, reflexión en
una antena) Sin embargo, en muchos casos es necesario contar con información
de fase para: Modelado de componentes para simulación, Caracterización en el
dominio del tiempo mediante la DFT, Diseño de redes adaptadoras para
asegurar máxima transferencia de potencia, Corrección vectorial de errores al
realizar mediciones, Errores introducidos en sistemas de comunicaciones donde
la información se transporta en la fase de la señal (por ej. QPSK, 8/16/32/64
QAM): Error Vectorial Máximo (EVM). Otras razones adicionales serian:
1. Análisis de estabilidad y margen de fase: En sistemas de alta
frecuencia, es crucial garantizar la estabilidad y evitar oscilaciones no
deseadas. El análisis de la margen de fase, que implica el estudio de la
diferencia de fase entre la entrada y la salida de un sistema, es
fundamental para evaluar la estabilidad del sistema y prevenir problemas
de oscilación.
2. Caracterización de componentes no lineales: Muchos dispositivos en
sistemas de alta frecuencia, como amplificadores y mezcladores, exhiben
comportamientos no lineales. La caracterización precisa de estos
componentes requiere la medición de la magnitud y la fase de las señales
de entrada y salida, lo que permite comprender mejor cómo estos
dispositivos afectan las señales de entrada en términos de amplitud y
fase.
3. Compensación de distorsión y ecualización: En sistemas de
comunicaciones de alta velocidad, la distorsión de la señal debido a
efectos de dispersión y no linealidades puede afectar significativamente
la calidad de la transmisión. La información de magnitud y fase se utiliza
para diseñar algoritmos de ecualización y compensación que corrigen
estas distorsiones, mejorando así la calidad de la señal recibida.
4. Caracterización de canales de transmisión: En sistemas de
comunicaciones inalámbricas y de fibra óptica, la magnitud y la fase de
las señales transmitidas y recibidas proporcionan información crucial
sobre las características del canal de transmisión, como la atenuación y
la dispersión. Esto es fundamental para diseñar técnicas de modulación y
25
demodulación adecuadas que maximicen la eficiencia y la confiabilidad
de la transmisión de datos.
Otro uso de estas mediciones a través del uso de un analizador de redes es la
caracterización del dominio del tiempo, que requiere de información sobre
magnitudes y fases para realizar la Transformada de inversión de Fourier. Esta
consiste en la descomposición de una función de tiempo (una señal) entre las
frecuencias que la componen, de la misma manera en que un sonido se puede
expresar por las frecuencias (o tonalidades) de sus notas constituyentes.
Finalmente, para la mejor precisión en la medición, los datos de fase se requieren
para realizar una adecuada corrección vectorial de errores.
Adaptación de impedancias: consiste en la práctica de diseñar la impedancia
de entrada de una carga eléctrica o la impedancia de salida de su fuente de señal
correspondiente, para maximizar la transferencia de potencia o para minimizar
la pérdida de potencia por señales reflectivas de la carga.
Transferencia de potencia
La transferencia de potencia se refiere a la cantidad de energía eléctrica que se
transfiere desde una fuente de energía a una carga a través de un circuito
eléctrico. En términos generales, la transferencia de potencia se expresa como
la potencia entregada a la carga por la fuente de energía.
La máxima transferencia de potencia ocurre cuando la carga está adaptada a la
fuente de energía, es decir, cuando la impedancia de carga coincide con la
impedancia interna de la fuente. Este principio se conoce como el teorema de
máxima transferencia de potencia.
En sistemas de corriente continua (DC), esto ocurre cuando la resistencia de
carga es igual a la resistencia interna de la fuente. En sistemas de corriente
alterna (AC), esto ocurre cuando la impedancia de carga es igual al conjugado
complejo de la impedancia de la fuente.
En resumen, la máxima transferencia de potencia se produce cuando la carga
está adaptada a la fuente de energía, lo que maximiza la eficiencia de la
transferencia de energía desde la fuente hacia la carga.
Es muy importante lograr máxima transferencia de potencia entre las etapas
del circuito. Esto implica:




Conectar impedancias a sus valores conjugados (parte real igual, parte
imaginaria opuesta) tanto en LDTs como entre componentes
Que la envolvente de voltaje a lo largo de una LDT es constante
Que la onda progresiva en dirección de señal es máxima
Que la onda progresiva en dirección opuesta (reflejada) es mínima
La condición para la transferencia de potencia máxima en una carga depende de
una impedancia de la fuente de Rs. La figura 2 muestra que la condición
emparejada (RL = RS) resulta en la máxima potencia disipada en la resistencia
26
de carga. Esta condición es verdadera si el estímulo es una fuente de voltaje DC
o una RF sinusoide.
Para la máxima transferencia de energía a una línea de transmisión desde una
fuente o de una línea de transmisión a una carga (la siguiente etapa de un
amplificador, una antena, etc.), la impedancia de la fuente y la carga debe
coincidir con la impedancia característica de la línea de transmisión. En general,
entonces, Zo es el objetivo para impedancias de entrada y salida de dispositivos
y redes.
Cuando la impedancia de la fuente no es puramente resistiva, la máxima
transferencia de potencia se produce cuando la carga de la impedancia es igual
al conjugado complejo de la fuente de impedancia. Esta condición se cumple
invirtiendo el signo de la parte imaginaria de la impedancia. Por ejemplo, si RS =
0.6 + j0.3, entonces el complejo conjugado RS * = 0.6 - j0.3. A veces la fuente
de impedancia es ajustado para ser el conjugado complejo de la impedancia de
carga. Por ejemplo, cuando se empareja con una antena, la impedancia de carga
está determinada por las características de la antena. Un diseñador tiene que
optimizar la salida de partida del amplificador de RF sobre el rango de frecuencia
de la antena, para que se transmite la máxima potencia de RF a través de la
antena.
27
Caracterización de dispositivos de alta Frecuencia
Una vez se entiende la relación de las ondas electromagnéticas, también se debe
reconocer los términos utilizados para describirlos. La terminología común del
analizador de red tiene la onda incidente medida con el receptor R (para
referencia). La onda reflejada se mide con el receptor A y la onda transmitida
se mide con el receptor B. Con la información de amplitud y fase de estas tres
ondas, podemos cuantificar las características de reflexión y transmisión de
nuestro dispositivo bajo prueba (DUT). Algunos de los términos medidos
comunes son de una naturaleza que escala (la parte de la fase se ignora o no se
mide), mientras que otros son vectores (se miden tanto la magnitud como la
fase). Por ejemplo, la pérdida de retorno es una medida escalar de reflexión,
mientras que la impedancia resulta de una medición de reflexión vectorial.
Algunos, como el retardo de grupo, son mediciones puramente relacionadas con
la fase.
La reflexión proporcional a menudo se muestra como A / R y la transmisión
proporcional a menudo se muestra como B / R, en relación con los receptores
de medición utilizados en el analizador de red.
Parámetro de Reflexión
El primer término para las ondas reflejadas es coeficiente de reflexión gamma
(Γ). El coeficiente de reflexión es la relación entre el voltaje de la señal reflejada
y el voltaje de la señal incidente. Se puede calcular como se muestra arriba al
conocer las impedancias de la línea de transmisión y la carga. La porción de
magnitud de gamma se llama rho (ρ). Una línea de transmisión terminada en Zo
28
tendrá toda la energía transferida a la carga; por lo tanto, Vrefl = 0 y ρ = 0.
Cuando ZL no es igual a Zo, se refleja algo de energía y ρ es mayor que cero.
Cuando ZL es un circuito corto o abierto, toda la energía se refleja y ρ = 1. El
rango de valores posibles para ρ es por lo tanto de cero a uno.
Como a menudo es muy conveniente mostrar la reflexión en una pantalla
logarítmica, la segunda forma de transmitir la reflexión es la pérdida de retorno.
La pérdida de retorno se expresa en términos de dB, y es una cantidad escalar.
La definición de pérdida de retorno incluye un signo negativo, de modo que el
valor de la pérdida de retorno es siempre un número positivo (cuando se mide la
reflexión en un analizador de red con un formato de magnitud de registro, ignorar
el signo de menos da los resultados en términos de pérdida de retorno). La
pérdida de retorno se puede considerar como el número de dB que la señal
reflejada está por debajo de la señal de incidente. La pérdida de retorno varía
entre el infinito para una impedancia Zo y 0 dB para un circuito abierto o
cortocircuito.
Dos ondas que viajan en direcciones opuestas en la misma línea de transmisión
causan una "onda estacionaria". Esta condición se puede medir en términos de
la relación de onda de voltaje de soporte (VROE o ROE). VROE se define como
el valor máximo de la envolvente de RF sobre el valor mínimo de la envolvente.
Este valor se puede calcular como (1 + ρ) / (1 – ρ).
Parámetro de Transmisión
El coeficiente de transmisión se define como la tensión transmitida dividida por
la tensión incidente. Si | Vtrans | > | Vinc |, el DUT tiene ganancia, y si | Vtrans |
<| Vinc |, el DUT exhibe una atenuación o pérdida de inserción. Cuando la
pérdida de inserción se expresa en dB, se agrega un signo negativo en la
definición para que el valor de la pérdida se exprese como un número positivo.
La porción de fase del coeficiente de transmisión se llama fase de inserción. Hay
más en la transmisión que la simple ganancia o pérdida. En los sistemas de
comunicaciones, las señales varían en el tiempo: ocupan un ancho de banda
29
determinado y están formadas por múltiples componentes de frecuencia. Es
importante, entonces, saber hasta qué punto el DUT altera la composición de la
señal, causando así la distorsión de la señal. Si bien a menudo se piensa que la
distorsión es solo el resultado de redes no lineales, en las redes lineales también
pueden causar distorsión de la señal.
Caracterización de componentes en RF
La caracterización de componentes en radiofrecuencia (RF) implica la
evaluación de sus propiedades eléctricas en un rango de frecuencia que abarca
desde varios kilohertz hasta varios gigahertz. La importancia de esta
caracterización radica en la necesidad de comprender cómo los componentes se
comportan en condiciones de alta frecuencia, lo que es crucial para el diseño y
la operación de sistemas y dispositivos RF.
Algunos aspectos clave de la caracterización de componentes en RF son:
1. Parámetros S (Scattering): Los parámetros S son parámetros de
dispersión que describen cómo un componente RF afecta a las señales
que pasan a través de él. Estos parámetros incluyen la reflexión de la
señal y la transferencia de energía a través del componente. La
caracterización de componentes en RF a menudo implica la medición y el
análisis de los parámetros S para comprender cómo un componente
interactúa con el resto del sistema.
2. Diagrama de Smith: El diagrama de Smith es una herramienta gráfica
utilizada en RF para visualizar la impedancia de un componente o sistema
en un plano complejo. Permite comprender cómo cambia la impedancia a
medida que varía la frecuencia, lo que es útil para el diseño y la
optimización de circuitos RF.
3. Ancho de banda y respuesta en frecuencia: La caracterización de
componentes en RF implica la evaluación de su ancho de banda y su
respuesta en frecuencia. Esto implica medir cómo varía el rendimiento del
30
componente en función de la frecuencia, incluida la ganancia, la
atenuación, la distorsión y otros parámetros relevantes.
4. Estabilidad térmica y de potencia: En RF, es importante caracterizar
cómo los componentes responden a cambios en la temperatura y la
potencia de entrada. Esto implica evaluar la estabilidad de los parámetros
del componente bajo diferentes condiciones de operación para garantizar
un rendimiento consistente y confiable en entornos variables.
5. Intermodulación y distorsión armónica: Los componentes en RF
pueden generar distorsiones no lineales que afectan la calidad de la señal.
La caracterización implica medir y analizar la intermodulación y las
distorsiones armónicas para evaluar el rendimiento del componente y
minimizar el impacto en la señal transmitida o recibida.
Redes Lineales y Redes Alineales


Redes Lineales:

En una red lineal, la relación entre la entrada y la salida del sistema
sigue la propiedad de superposición y homogeneidad.

La propiedad de superposición establece que la salida del sistema
ante múltiples entradas es la suma de las salidas producidas
individualmente por cada entrada.

La propiedad de homogeneidad implica que, si se multiplica la
entrada por un escalar, la salida del sistema también se multiplica
por el mismo escalar.

Las redes lineales se caracterizan por su comportamiento
predecible y regular en respuesta a diferentes señales de entrada.
Ejemplos comunes incluyen amplificadores lineales, filtros pasabajos y pasa-altos, entre otros.
Redes No Lineales:

En contraste, una red no lineal no sigue la propiedad de
superposición y homogeneidad.

Esto significa que la salida de la red no es simplemente la suma
ponderada de las entradas, y la relación entre entrada y salida
puede ser más compleja.

Las redes no lineales pueden generar armónicos, distorsiones y
otros efectos no deseados en la señal de salida.

Ejemplos comunes de redes no lineales incluyen diodos,
transistores en regiones de saturación, y circuitos con elementos
no lineales como amplificadores de potencia.
La diferencia entre redes lineales y no lineales es importante en el diseño y
análisis de sistemas electrónicos, ya que el comportamiento de una red puede
31
variar significativamente dependiendo de si es lineal o no lineal. En muchos
casos, el análisis de sistemas se simplifica al considerar componentes y redes
como lineales, pero en aplicaciones donde la no linealidad es importante (como
en la amplificación de señales), es crucial tener en cuenta estos efectos para
lograr un diseño preciso y eficiente.
Parametros S y diagrama de Smith
Los parámetros S, también conocidos como parámetros de dispersión, son una
forma de caracterizar el comportamiento eléctrico de componentes y redes en el
dominio de la radiofrecuencia (RF). Estos parámetros relacionan las ondas
incidentes y reflejadas en un sistema, lo que permite predecir su comportamiento
en diferentes condiciones de fuente y carga. Los parámetros S son
especialmente útiles en RF debido a su capacidad para representar sistemas no
recíprocos y lineales.
En la imagen anterior, S11 y S22 representan los coeficientes de reflexión
(reflejo/entrada), mientras que S21 y S12 representan los coeficientes de
transmisión (transmisión/entrada).
El diagrama de Smith es una herramienta gráfica utilizada para visualizar y
analizar los parámetros S de un componente o red en el plano complejo de
impedancia. Permite representar de manera intuitiva cómo varía la impedancia
del componente en función de la frecuencia y cómo se comporta bajo diferentes
condiciones de carga. El diagrama de Smith es especialmente útil para el diseño
y la optimización de sistemas RF, ya que facilita la sintonización de componentes
y la adaptación de impedancias para lograr una transferencia de potencia óptima.
Al utilizar parámetros S y el diagrama de Smith, es importante tener en cuenta lo
siguiente:
1. Comportamiento no recíproco: Los parámetros S permiten modelar
sistemas que no exhiben simetría respecto a la inversión de dirección de
la señal, lo que es común en RF debido a la presencia de componentes
como amplificadores y mezcladores.
32
2. Adaptación de impedancia: El diagrama de Smith facilita la adaptación
de impedancias entre componentes y sistemas, lo que es esencial para
maximizar la transferencia de potencia y minimizar las reflexiones de
señal en sistemas de RF.
3. Sintonización de componentes: El análisis de los parámetros S y el
diagrama de Smith permite sintonizar componentes como filtros y
amplificadores para optimizar su rendimiento en aplicaciones específicas
de RF.
Los parámetros S y el diagrama de Smith son herramientas fundamentales en el
diseño y análisis de sistemas RF, permitiendo predecir el comportamiento de
componentes y redes bajo diferentes condiciones de operación y facilitando la
adaptación de impedancias para maximizar la eficiencia y la calidad de la
transmisión de señales.
La nomenclatura de los parámetros S sigue un patrón específico. El primer
número indica el puerto de medición, y el segundo número indica el puerto de
referencia. Por ejemplo, S21 representa la señal medida en el puerto 2 en
relación con la fuente de excitación de la señal en el puerto 1. Los parámetros S
pueden expresarse en términos de potencia, voltaje o corriente.
S11 se refiere a la señal de reflexión en el puerto 1 en comparación con la
señal incidente en el puerto 1. Matemáticamente, se expresa como
𝑆11 =
𝑆𝑟𝑒𝑓𝑙𝑒𝑥𝑖ò𝑛
𝑆𝐼𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒
33
S21 se refiere a la señal de transmisión en el puerto 2 en relación con la señal
incidente en el puerto 1. Matemáticamente, se expresa como:
𝑆21 =
𝑆𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑠𝑖ò𝑛
𝑆𝐼𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒
S12 se refiere a la señal de transmisión en el puerto 1 en relación con la señal
incidente en el puerto 2. Matemáticamente, se expresa como:
𝑆12 =
𝑆𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑠𝑖ò𝑛
𝑆𝐼𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒
34
S22 se refiere a la señal de reflexión en el puerto 2 en relación con la señal
incidente en el puerto 2. Matemáticamente, se expresa como:
𝑆12 =
𝑆𝑅𝑒𝑓𝑙𝑒𝑥𝑖𝑜𝑛
𝑆𝐼𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒
Voltimetro Vectorial
Un voltímetro vectorial es un instrumento de medición utilizado en ingeniería
eléctrica y electrónica para medir la magnitud y la fase de una señal eléctrica en
el dominio de la frecuencia. A diferencia de un voltímetro convencional, que solo
mide la magnitud de la señal, un voltímetro vectorial también puede medir la fase,
lo que lo hace especialmente útil en aplicaciones de radiofrecuencia (RF) y otras
áreas donde la fase de la señal es crítica.
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Aquí hay algunas cosas que se deben tener en cuenta al realizar mediciones con
un voltímetro vectorial:
1. Precisión de la medición: Es importante asegurarse de que el voltímetro
vectorial esté calibrado correctamente para garantizar mediciones
35
precisas de la magnitud y la fase de la señal. Se deben seguir los
procedimientos de calibración recomendados por el fabricante del
instrumento.
2. Impedancia de entrada: Al igual que con cualquier instrumento de
medición, la impedancia de entrada del voltímetro vectorial puede afectar
la medición. Es importante que la impedancia de entrada del instrumento
sea lo suficientemente alta para minimizar la carga en el circuito bajo
prueba y evitar perturbar la señal que se está midiendo.
3. Compensación de fase: En algunas situaciones, puede ser necesario
compensar la fase del voltímetro vectorial para tener en cuenta cualquier
desfase introducido por el instrumento o el cableado utilizado en la
medición. Esto es especialmente importante en mediciones de fase
precisas, como en aplicaciones de modulación de fase.
4. Calibración del ángulo de fase: Algunos voltímetros vectoriales
permiten calibrar el ángulo de fase para corregir cualquier desviación o
error en la lectura de fase. Es importante realizar esta calibración si se
requieren mediciones precisas de fase.
5. Selección de la frecuencia de operación: El voltímetro vectorial debe
ser capaz de operar en la frecuencia de la señal que se está midiendo. Es
importante seleccionar un instrumento que tenga un rango de frecuencia
adecuado para las aplicaciones específicas.
Un voltímetro vectorial es una herramienta valiosa para medir la magnitud y la
fase de señales eléctricas en el dominio de la frecuencia. Al realizar mediciones
con un voltímetro vectorial, es importante tener en cuenta la precisión de la
medición, la impedancia de entrada, la compensación de fase, la calibración del
ángulo de fase y la selección adecuada de la frecuencia de operación.
Fasímetro
Un fasímetro es un instrumento de medición utilizado para determinar la
diferencia de fase entre dos señales eléctricas. Es especialmente útil en
aplicaciones donde la relación de fase entre señales es crítica, como en sistemas
de comunicaciones, redes eléctricas y electrónica de potencia. Algunas
consideraciones importantes al utilizar un fasímetro son:
1. Calibración precisa: Es fundamental asegurarse de que el fasímetro esté
calibrado correctamente para garantizar mediciones precisas de la
diferencia de fase entre las señales. Se deben seguir los procedimientos
de calibración recomendados por el fabricante para mantener la precisión
del instrumento.
2. Selección de frecuencia de operación: Al igual que con otros
instrumentos de medición de RF, es importante seleccionar un fasímetro
que pueda operar en la frecuencia de las señales que se están midiendo.
36
Debe tener un rango de frecuencia adecuado para las aplicaciones
específicas.
3. Impedancia de entrada y carga: La impedancia de entrada del fasímetro
debe ser lo suficientemente alta para minimizar la carga en el circuito bajo
prueba y evitar perturbar las señales que se están midiendo. Además, la
carga conectada al fasímetro debe ser compatible con su impedancia de
salida para obtener mediciones precisas.
4. Compensación de errores: Algunos fasímetros pueden requerir
compensación de errores para tener en cuenta cualquier desviación o
error en la lectura de fase. Esto puede involucrar ajustes manuales o
automáticos para garantizar mediciones precisas.
5. Interferencias y ruido: Se debe tener cuidado para minimizar las
interferencias y el ruido que pueden afectar las mediciones de fase. Esto
puede incluir el uso de cables de conexión blindados, la ubicación
adecuada del instrumento y la minimización de fuentes de interferencia
cercanas.
6. Interpretación de resultados: Es importante comprender cómo
interpretar los resultados proporcionados por el fasímetro, especialmente
en términos de la diferencia de fase entre las señales medidas. La lectura
del fasímetro puede estar en grados o radianes, dependiendo de la
configuración del instrumento.
Un fasímetro es un instrumento valioso para medir la diferencia de fase entre dos
señales eléctricas. Al utilizar un fasímetro, es importante tener en cuenta la
calibración precisa, la selección adecuada de la frecuencia de operación, la
impedancia de entrada y carga, la compensación de errores, la minimización de
interferencias y ruido, y la interpretación correcta de los resultados.
Analizador vectorial de redes (VNA)
Algunos de los conceptos más fundamentales en el análisis de redes de alta
frecuencia involucran ondas incidentales, transmitidas y reflejadas que viajan por
líneas de transmisión. Las energías electromagnéticas pasan por rangos de
radiofrecuencia cuyas magnitudes y calidad pueden variar dependiendo de los
equipos eléctricos y redes eléctricas por las que pasen. El análisis de redes
eléctricas consiste en la medición precisa de la proporción de la señal reflejada
a la señal incidente y también de la proporción de la señal transmitida a la señal
incidente.
Un Analizador de Redes Vectorial (VNA, por sus siglas en inglés) es un
instrumento de medición avanzado utilizado en aplicaciones de alta frecuencia y
microondas para caracterizar y analizar componentes y sistemas de RF.
El VNA mide una variedad de parámetros de dispersión (parámetros S), que
describen la relación entre las señales de entrada y salida en un sistema eléctrico
37
Aquí hay algunas consideraciones importantes al utilizar un VNA:
1. Rango de frecuencia y ancho de banda: Los VNA están disponibles en
una variedad de rangos de frecuencia y anchos de banda. Es importante
seleccionar un VNA con el rango de frecuencia adecuado para las
aplicaciones específicas de RF que se están probando.
2. Parámetros S y otros parámetros de red: Los VNA pueden medir una
variedad de parámetros de red, incluidos los parámetros S (dispersión),
los parámetros Y (admitancia), los parámetros Z (impedancia) y otros.
Estos parámetros proporcionan información detallada sobre cómo un
componente o sistema responde a las señales de RF en diferentes
condiciones.
3. Precisión y calibración: La precisión de las mediciones del VNA
depende de su calibración. Es esencial seguir los procedimientos de
calibración recomendados por el fabricante para garantizar mediciones
precisas y confiables.
4. Impedancia de entrada y carga: Al igual que con otros instrumentos de
RF, la impedancia de entrada del VNA debe ser lo suficientemente alta
para minimizar la carga en el circuito bajo prueba y evitar perturbar la
señal que se está midiendo. Además, la carga conectada al VNA debe ser
compatible con su impedancia de salida para obtener mediciones
precisas.
5. Compensación de errores y corrección de calibración: Algunos VNA
permiten la compensación de errores y la corrección de calibración para
tener en cuenta cualquier desviación o error en las mediciones. Esto
puede ser especialmente importante en mediciones de alta precisión y en
aplicaciones críticas.
6. Análisis de parámetros de reflexión y transmisión: Los VNA pueden
analizar parámetros de reflexión, como el coeficiente de reflexión (S11,
38
S22) y parámetros de transmisión, como el coeficiente de transmisión
(S21, S12). Estos parámetros son fundamentales para evaluar el
rendimiento y la respuesta de los componentes y sistemas de RF.
Algunos de los parámetros que un VNA puede medir incluyen:




Parámetros S (parámetros de dispersión): Estos parámetros describen
cómo una red afecta las señales que la atraviesan en términos de amplitud
y fase. Permiten entender cómo se comporta una red ante diferentes
frecuencias y condiciones de carga.
Impedancias y admitancias: El VNA puede medir las impedancias y
admitancias de una red en diferentes frecuencias y puertos. Esto es útil
para comprender cómo una red se adapta o refleja las señales según las
condiciones de carga y frecuencia.
Ganancia y pérdida: Se pueden medir la ganancia y la pérdida de
potencia de una red en función de la frecuencia. Esto es esencial para
diseñar y optimizar sistemas de comunicaciones y amplificadores.
Respuesta en frecuencia: El VNA permite caracterizar la respuesta en
frecuencia de una red, lo que ayuda a identificar características como las
resonancias, las bandas de paso y las bandas de rechazo en sistemas de
filtrado y transmisión.
En su forma de medición lineal, el analizador de red permite mantener amplitudes
constantes y una relación entre fases lineales y la frecuencia lineal, que
mantengan el ancho de banda que interese. En su forma no lineal los
analizadores de redes permiten tener control sobre la información de los
armónicos, la intermodulación, la compresión y la conversión de AM a PM. En
general es de gran importancia medir que tan reflectivo es un componente para
asegurarse que absorba la energía eficientemente.
Diferencia entre analizador de espectro y analizador dinámico de
señales:
El principal punto de diferencia entre un analizador de espectro y un analizador
dinámico de señales radica en la naturaleza de las mediciones que realizan y las
aplicaciones para las cuales están diseñados.
Analizador de Espectro:

Mediciones: Un analizador de espectro mide la distribución de potencia
de una señal en función de la frecuencia. Proporciona información sobre
la amplitud de las componentes de frecuencia que componen una señal
en un rango determinado.

Aplicaciones: Se utiliza para analizar y visualizar señales en el dominio
de la frecuencia, lo que permite identificar y caracterizar señales de RF,
señales de audio, ruido y otras fuentes de interferencia en un espectro de
frecuencia dado.
39

Instrumentación: Utiliza un detector de frecuencia y una etapa de
procesamiento para analizar y mostrar la información de frecuencia.
Analizador Dinámico de Señales:

Mediciones: Un analizador dinámico de señales realiza mediciones de
características de señal más complejas, como la modulación, la amplitud,
la frecuencia y la fase en el dominio del tiempo. Puede analizar la
evolución temporal de una señal, identificar patrones y realizar
mediciones en tiempo real.

Aplicaciones: Se utiliza para analizar señales complejas y dinámicas,
como señales moduladas, ráfagas de datos, pulsos y otros eventos que
varían con el tiempo. Es útil en aplicaciones de comunicaciones, radar,
procesamiento de señales y análisis de transitorios.

Instrumentación: Utiliza técnicas de muestreo y procesamiento en
tiempo real para capturar y analizar la evolución temporal de una señal.
Básicamente mientras que un analizador de espectro se enfoca en la distribución
de potencia de una señal en el dominio de la frecuencia, un analizador dinámico
de señales se especializa en el análisis de características temporales y
dinámicas de una señal en el dominio del tiempo.
Diferencia entre instrumentos Escalares y Vectoriales:
La diferencia mas notable entre esta clase de instrumento es que los vectoriales
muestran la magnitud y fase. Otras diferencias serian:
Instrumentos Escalares:
1. Mediciones Básicas: Los instrumentos escalares están diseñados para
realizar mediciones de magnitud solamente, como voltaje, corriente,
potencia, etc.
2. Información Limitada: Proporcionan información sobre la magnitud de
una señal, pero no ofrecen detalles sobre la fase.
3. Aplicaciones Limitadas: Son adecuados para mediciones sencillas
donde solo se requiere conocer la magnitud de una señal, como en la
mayoría de las mediciones de corriente y voltaje en circuitos eléctricos.
4. Mayor Simplicidad: Debido a su naturaleza de medición más básica, los
instrumentos escalares tienden a ser más simples en diseño y operación.
40
Instrumentos Vectoriales:
1. Mediciones Complejas: Los instrumentos vectoriales, como los
analizadores de redes vectoriales, son capaces de medir tanto la
magnitud como la fase de una señal.
2. Información Completa: Proporcionan una visión completa de la señal al
ofrecer información sobre tanto la magnitud como la fase, lo que permite
un análisis más profundo de las características de la señal.
3. Amplias Aplicaciones: Son esenciales en aplicaciones donde la fase es
crítica, como en sistemas de comunicaciones, radar, electrónica de
microondas y otras áreas donde la precisión en la fase es crucial.
4. Mayor Complejidad: Debido a la capacidad de medir tanto la magnitud
como la fase, los instrumentos vectoriales tienden a ser más complejos
en diseño y operación en comparación con los instrumentos escalares.
En resumen, mientras que los instrumentos escalares se centran únicamente en
la medición de la magnitud de una señal, los instrumentos vectoriales
proporcionan información adicional sobre la fase, lo que los hace indispensables
en aplicaciones donde la fase es crítica para el análisis y diseño de sistemas.
Conclusión
En conclusión, el dominio de las mediciones en alta y baja frecuencia es
esencial para cualquier ingeniero o científico que trabaje en el campo de la
electrónica y las comunicaciones. La comprensión de los principios y la
aplicación de la instrumentación adecuada nos permite avanzar en el desarrollo
y la implementación de sistemas electrónicos cada vez más sofisticados y
eficientes.
41
Resumen
Medición de Baja Frecuencia: Se refiere a la realización de mediciones de
señales eléctricas que oscilan a frecuencias bajas, en el rango de kHz o Hz. Los
Instrumentos utilizados incluyen multímetros, generadores de funciones,
osciloscopios, analizadores de espectro y medidores LCR, entre otros.
Trazador de Curvas: También conocido como analizador de curvas, es un
dispositivo utilizado para visualizar y analizar el comportamiento de un
componente electrónico, como un transistor o un diodo, en función de sus
características eléctricas. Este dispositivo permite trazar la curva de salida de un
componente en un gráfico que representa una o más variables eléctricas, como
voltaje o corriente, en función de otra variable, como el tiempo o un parámetro
de control. En esencia, un trazador de curvas aplica una serie de voltajes o
corrientes a un componente y mide la respuesta del mismo, registrando los
valores de voltaje y corriente en un gráfico. Esto permite a los ingenieros
visualizar cómo varía el comportamiento del componente en diferentes
condiciones de operación, como cambios en la tensión de alimentación o la
temperatura ambiente. Básicamente es un instrumento para ver curvas de hojas
de datos, comparación de componentes y verificación de funcionamiento
correcto (que no haya fugas, etc.). Ejem: Tektronix 370B
Medición de alta frecuencia: Medir en alta frecuencia implica realizar
mediciones de señales eléctricas que oscilan a frecuencias altas. Generalmente,
"alta frecuencia" se refiere a frecuencias que van desde varios megahercios
(MHz) hasta varios gigahercios (GHz) o incluso más. Este rango de frecuencias
se encuentra comúnmente en aplicaciones de radiofrecuencia (RF), microondas
y comunicaciones inalámbricas. Aplicaciones comunes incluyen comunicaciones
inalámbricas, radar, electrónica de alta velocidad, instrumentación científica y
médica, y radiodifusión y televisión. Se debe tener en cuenta que los
componentes no produzcan distorsión, y si pueden soportar la potencia que se
le entrega, es decir que tan reflectivo es.
Dentro de este contexto:

los conductores se comportan como líneas de transmisión

se busca la máxima transferencia de potencia.

La máxima transferencia de potencia desde una FUENTE a una CARGA
se produce cuando la impedancia de carga es la conjugada compleja de
la impedancia de la fuente (Zs=ZL*)

Zo depende de las características física de la linea (ejem: coaxil),
dimesiones fisicas del conductor, constante dielectrica

se busca conectar impedancias a sus valores conjugados (parte real igual
y parte imag. opuesta)
42
Instrumentos usados en mediciones de alta frecuencia:

Analizador de Espectro: Para analizar la distribución de potencia de una
señal en función de la frecuencia.

Analizador de Redes Vectorial (VNA): Mide y analiza las características
de transmisión y reflexión de componentes y sistemas de RF.

Generador de Señales RF: Para generar señales de prueba en sistemas
de RF y calibrar otros instrumentos.

Osciloscopio de RF: Permite visualizar la forma de onda de señales de
alta frecuencia.

Analizador de Potencia de RF: Mide la potencia de una señal de RF con
alta precisión.

Medidor de Fase: Para medir la diferencia de fase entre dos señales de
RF.
Ancho de banda: El ancho de banda se refiere a la gama de frecuencias en la
que una señal o un sistema puede funcionar efectivamente. El ancho de banda
de una señal es la diferencia entre las frecuencias más altas y más bajas
presentes en la señal
Impedancia característica: La impedancia característica es la impedancia
intrínseca de una línea de transmisión o un dispositivo en una frecuencia
específica. Es crucial y adaptar correctamente las impedancias para minimizar
las reflexiones de señal y garantizar mediciones precisas.
Reflexión de señal: La reflexión de señal ocurre cuando una señal de alta
frecuencia se encuentra con una discontinuidad en una línea de transmisión o
un dispositivo. Esto puede causar problemas en las mediciones, como distorsión
de la señal y mediciones inexactas.
Atenuación: La atenuación se refiere a la pérdida de potencia de una señal a
medida que se propaga a lo largo de una línea de transmisión o a través de un
dispositivo.
Ruido: El ruido es cualquier señal no deseada que pueda afectar las mediciones.
Puede provenir de diversas fuentes, como interferencias electromagnéticas,
ruido térmico, ruido de fase, entre otros.
Relación señal-ruido (SNR): La relación señal-ruido es una medida de la
relación entre la potencia de la señal deseada y la potencia del ruido no deseado
en una señal.
Linealidad y distorsión armónica: La distorsión armónica puede afectar la
precisión de las mediciones y debe tenerse en cuenta al interpretar los
resultados.
Calibración y corrección de errores: La calibración adecuada de los equipos
de prueba y la corrección de errores son fundamentales para garantizar
43
mediciones precisas. Es importante realizar calibraciones periódicas y seguir
prácticas adecuadas de calibración para minimizar errores sistemáticos y
garantizar mediciones confiables.
Longitud de Onda: (𝜆) es la distancia entre puntos sucesivos de la onda con la
misma fase eléctrica.
Onda progresiva: Es una onda que va y vuelve. Se busca que la onda
progresiva sea maxima en direccion de la señal y minima en direccion opuesta
(reflejada) .Las ondas progresivas son aquellas que se propagan a través de una
línea de transmisión, como puede ser un cable, y son detectadas por un
instrumento de medición en el punto de destino. Cuando estas ondas se
propagan en una dirección específica, se espera que su amplitud sea máxima
en la dirección de la señal y disminuya a medida que se alejan del punto de
origen. Por otro lado, si una parte de la onda es reflejada en el medio y viaja en
sentido contrario, se espera que su amplitud sea menor y se pueda detectar
como una señal reflejada.
Señal Reflejada: Se espera que sea menor que la señal originalmente
transmitida, se debe a la pérdida de energía que ocurre durante la reflexión.
Cuando una onda se encuentra con una interfaz entre dos medios con diferentes
impedancias acústicas, parte de la energía de la onda se refleja mientras que
otra parte se transmite a través del nuevo medio. La cantidad de energía
reflejada depende de la diferencia en impedancia entre los dos medios. Cuanto
mayor sea esta diferencia, mayor será la cantidad de energía reflejada.
Parámetro de reflexión (un puerto): Cálculo del ROE. El valor de ROE
proporciona una medida del desacople existente entre la línea y la carga y
permite además hacer los correctivos dirigidos a minimizar estas reflexiones y,
en muchos casos, la inclusión de elementos acopladores que optimicen la
transmisión de la señal hacia la carga. Los valores de ROE ≥ 3 son considerados
como excesivos.
Línea de transmisión: Es el medio por el cual viaja la onda. Una línea de
transmisión es el medio pasivo para transmitir señales eléctricas y para el caso
de señales de radiofrecuencia es la forma de conectar el amplificador y circuitos
transmisores con la antena. Existen una gran variedad de tipos de líneas de
transmisión tales como líneas bifilares, de trenzado, coaxiales, microcinta,
etcétera.
Importancia de la Magnitud y Fase: La magnitud y la fase son fundamentales
en las mediciones de alta frecuencia por varias razones. En algunos casos, solo
la magnitud puede ser suficiente, como para la ganancia de un amplificador o la
atenuación de un filtro. Sin embargo, la información de fase es indispensable
para:

Modelar componentes para simulación.

Caracterizar en el dominio del tiempo mediante la DFT.
44

Diseñar redes adaptadoras para asegurar la máxima transferencia de
potencia.

Corregir errores al realizar mediciones.

Resolver errores introducidos en sistemas de comunicaciones, como el
Error Vectorial Máximo (EVM) en modulaciones como QPSK o QAM.
Transferencia de Potencia: La transferencia de potencia se refiere a la cantidad
de energía eléctrica que se transfiere desde una fuente de energía a una carga
a través de un circuito eléctrico.
Máxima transferencia de potencia: Ocurre cuando la carga está adaptada a la
fuente de energía, es decir, cuando la impedancia de carga coincide con la
impedancia interna de la fuente. Este principio se conoce como el teorema de
máxima transferencia de potencia.
En sistemas de corriente continua (DC), esto ocurre cuando la resistencia de
carga es igual a la resistencia interna de la fuente. En sistemas de corriente
alterna (AC), esto ocurre cuando la impedancia de carga es igual al conjugado
complejo de la impedancia de la fuente.
Parámetros S: Los parámetros S (parámetros de dispersión), también
conocidos como S-Parameters, se utilizan para caracterizar las propiedades de
señales reflejadas o transmitidas en el dominio de frecuencia en términos de
amplitud y fase. Estos parámetros se representan como una matriz de números
complejos. Podemos considerar un circuito como una caja negra (sin tener en
cuenta los elementos internos del circuito) y medir sus propiedades en los
puertos utilizando los parámetros S.

Los parametros z,y,o h requieren mediciones a circuito abierto o
cortocircuito
Diagrama de Smith: El diagrama de Smith es una herramienta gráfica utilizada
en RF para visualizar la impedancia de un componente o sistema en un plano
complejo.
Voltímetro Vectorial: Un voltímetro vectorial es un instrumento de medición
utilizado en ingeniería eléctrica y electrónica para medir la magnitud y la fase de
una señal eléctrica en el dominio de la frecuencia. A diferencia de un voltímetro
convencional, que solo mide la magnitud de la señal, un voltímetro vectorial
también puede medir la fase, lo que lo hace especialmente útil en aplicaciones
de radiofrecuencia (RF) y otras áreas donde la fase de la señal es crítica.
Fasímetro: Un fasímetro es un instrumento de medición utilizado para
determinar la diferencia de fase entre dos señales eléctricas. Es especialmente
útil en aplicaciones donde la relación de fase entre señales es crítica, como en
sistemas de comunicaciones, redes eléctricas y electrónica de potencia
Analizador vectorial de redes VNA: permite ver la carta de Smith. El VNA mide
una variedad de parámetros de dispersión (parámetros S), que describen la
relación entre las señales de entrada y salida en un sistema eléctrico
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Analizadores de señales: se conecta a bornes para ver el comportamiento de
señal, ejem osciloscopio, analizadores de espectro. Otorga: amplitud, frecuencia,
Fase, distorsion armonica, ancho de banda, relación señal-ruido.
Analizadores de redes: Busca ver las cosas desde el punto de linea de
transmisión no devuelve parámetros de roe, parámetros S, coef de reflexion, no
devuelve nada en términos de frecuencia o tiempo.
Analizador de Espectro: Un analizador de espectro mide la distribución de
potencia de una señal en función de la frecuencia. Proporciona información sobre
la amplitud de las componentes de frecuencia que componen una señal en un
rango determinado. Se utiliza para analizar y visualizar señales en el dominio de
la frecuencia, lo que permite identificar y caracterizar señales de RF, señales de
audio, ruido y otras fuentes de interferencia en un espectro de frecuencia dado.
Analizador Dinámico de Señales: Un analizador dinámico de señales realiza
mediciones de características de señal complejas, como la modulación, la
amplitud, la frecuencia y la fase en el dominio del tiempo. Puede analizar la
evolución temporal de una señal, identificar patrones y realizar mediciones en
tiempo real. Se utiliza para analizar señales complejas y dinámicas, como
señales moduladas, ráfagas de datos, pulsos y otros eventos que varían con el
tiempo. Es útil en aplicaciones de comunicaciones, radar, procesamiento de
señales y análisis de transitorios.
Diferencia entre Analizador de Espectro y Analizador Dinámico de señales:
Básicamente mientras que un analizador de espectro se enfoca en la distribución
de potencia de una señal en el dominio de la frecuencia, un analizador dinámico
de señales se especializa en el análisis de características temporales y
dinámicas de una señal en el dominio del tiempo.
Diferencia entre instrumentos Vectoriales y Escalares: Los instrumentos
escalares se centran únicamente en la medición de la magnitud de una señal,
los instrumentos vectoriales proporcionan información adicional sobre la fase.
Cargas adaptadas: Una carga adaptada en salida no devuelve señal, no hay
señal reflejada
IF: frecuencia de interferencia/ intermedia. Esta frecuencia se encuentra en un
punto intermedio entre la frecuencia de la señal de radio recibida originalmente
y la frecuencia de la señal de audio o datos que se desea demodular. Se utiliza
para simplificar el proceso de demodulación y filtrado de la señal. La señal de
RF recibida se convierte a la frecuencia de interferencia intermedia mediante un
mezclador y un oscilador local. Luego, la señal se procesa y demodula más
fácilmente a esta frecuencia intermedia antes de ser convertida a la frecuencia
final de audio o datos.
Tapón: si no se pone se mide una reflejada por los parámetros en circuito abierto
Sintonizado: El termino sintonizado es que se mide la reflejada usando un
transformador de acople
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Bibliografía
https://prezi.com/k-_mjgu3mf0c/trazador-de-curvas/
Proyecto Final - Trazador de Curvas de Semiconductores
https://ria.utn.edu.ar/bitstream/handle/20.500.12272/3537/Trazador%20de%20
Curvas.Acosta.Leonhardt.pdf?sequence=1&isAllowed=y
Trazadores de curvas para semiconductores
https://instrumentosdemedida.es/trazadores-decurvas/#:~:text=Los%20trazadores%20de%20curvas%20se,y%20pruebas%20f
inales%20de%20semiconductores
Líneas de transmisión
https://www.oocities.org/uniteciec/ondas_progresivas.htm
Analizador de espectros
https://isotest.net/productos/analizadores-de-espectros/
Medidor de Potencia
https://www.adler-instrumentos.es/medidores-de-potencia-rf-y-microondas/
Medidor de fase
https://patagoniatools.com.ar/productos/electrica/analizadores-de-fase/medidorde-3-fases-etcr-4700/
Estudio de las señales
https://usuaris.tinet.cat/acl/html_web/redes/tcp_ip/capa_1/fisica_4.html
Parámetros S
https://wiki-power.com/es/%E5%B0%84%E9%A2%91S%E5%8F%82%E6%95%B0/
Ondas estacionarias en líneas de transmisión
https://steemit.com/stem-espanol/@lorenzor/ondas-estacionarias-en-lineas-detransmision
Longitud de Onda y Frecuencia
https://esero.es/practicas-en-abierto/decodifica-imagenesiss/longitud_de_onda_y_frecuencia.html
Voltímetro Vectorial
https://www.instrumentacionhoy.com/voltimetro-vectorial-portatil/
Analizador de redes
https://www.siriored.com/analizadores-de-redes.html
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