Metodi e standard di calibrazione di un VNA

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Metodi e standard di calibrazione di un VNA

Paul Denisowski, Product Management Engineer

I VNA sono strumenti eccellenti per valutare l'ampiezza e la fase dei segnali RF. Tuttavia, per ottenere un'elevata accuratezza delle misure è necessaria una calibrazione adeguata.

Importanza della calibrazione di un VNA

La calibrazione di una misura è il processo di eliminazione degli errori sistematici da un sistema di misura. Collegando degli standard di calibrazione appositamente progettati al piano di riferimento - il punto in cui verrà collegato il dispositivo in prova (DUT) - i VNA quantificano l'influenza di adattatori e connessioni di test per correggere le successive misure.

Gli standard di calibrazione vengono collegati nei piani di riferimento.

Gli errori sono insiti in qualsiasi sistema di misura, e i VNA non fanno eccezione. Questi errori rientrano in tre categorie principali:

  • Errori di deriva: causati da cambiamenti ambientali, in particolare variazioni di temperatura, dopo la calibrazione.
  • Errori casuali: risultano da effetti variabili nei sistemi di test, come rumore, connessioni incoerenti dei cavi o pratiche dell'utente.
  • Errori sistematici: si tratta di errori prevedibili e costanti dovuti a imperfezioni del VNA o dei componenti del sistema di test, come perdite dei cavi o disadattamenti di impedenza.

Mentre la deriva e gli errori casuali possono essere ridotti al minimo solo attraverso il controllo ambientale e le buone pratiche, gli errori sistematici possono essere eliminati quasi completamente attraverso la calibrazione.

È importante notare che la calibrazione delle misure non è la stessa cosa della calibrazione degli strumenti, con la quale si verifica che uno strumento funzioni secondo le sue specifiche. La calibrazione dello strumento viene eseguita periodicamente da un centro di assistenza, mentre la calibrazione delle misure viene eseguita dall'utente ogni volta che vengono effettuate tali misure.

Standard di calibrazione di un VNA

La calibrazione di un VNA si basa su standard di calibrazione, che sono terminatori o accoppiatori con risposte in termini di ampiezza e fase esattamente conosciute. Vengono utilizzati durante il processo di calibrazione per quantificare e correggere gli errori causati dal VNA e dal sistema di test.

Questi standard vengono generalmente forniti come parte di un kit di calibrazione e i dati per ogni standard sono memorizzati in file di definizione del kit di calibrazione, che spesso sono precaricati sul VNA o possono essere importati.

Esistono quattro standard comuni:

  • Circuito passante / Through (T): stabilisce una connessione diretta e ideale tra due porte, fornendo una linea di base per le misure di trasmissione.
  • Circuito aperto / Open (O): rappresenta un circuito aperto sul piano di riferimento. A frequenze medio-alte, però, questo standard sviluppa capacità elettrica e questo comportamento deve essere tenuto in considerazione nel processo di calibrazione.
  • Corto circuito / Short (S): rappresenta un cortocircuito ed è un altro standard per le misure di riflessione. Come per il circuito aperto, le sue caratteristiche non ideali devono essere accuratamente definite.
  • Circuito adattato / Match (M), talvolta definito “carico”: fornisce una terminazione adattata all'impedenza caratteristica (ad esempio, 50 Ohm), riducendo al minimo le riflessioni sul piano di riferimento.

Kit di calibrazione per analizzatori di reti R&S®ZV-Z2xx

La calibrazione tramite standard può essere suddivisa in calibrazione manuale e calibrazione automatica.

Nella calibrazione manuale, ogni standard viene collegato e scollegato manualmente al piano di riferimento nella sequenza corretta. Questo metodo è accurato ma richiede molto tempo ed è soggetto ad errori da parte dell'operatore.

Nella calibrazione automatica o autocal, gli standard sono incorporati in una unità di autocalibrazione, che è controllata dal VNA. L'unità commuta automaticamente gli standard nei punti appropriati della routine, accelerando notevolmente il processo e riducendo gli errori umani. Questo procedimento è particolarmente vantaggioso per i sistemi multiporta, dove la calibrazione manuale può richiedere molto lavoro.

Unità di calibrazione automatica R&S®ZN-Z5x

Tipi di calibrazione di un VNA

I tipi di calibrazione nell'analisi delle reti vettoriali determinano gli standard specifici utilizzati e il processo di collegamento degli stessi durante la routine di calibrazione.

La calibrazione a una porta viene utilizzata per le misure di riflessione e può essere classificata in due tipologie principali:

  • Calibrazione completa a una porta: richiede il collegamento sequenziale di uno standard aperto, corto e adattato al piano di riferimento. È il metodo di calibrazione a una porta più accurato, ma richiede molto tempo a causa delle molteplici connessioni standard.
  • Normalizzazione della riflessione: utilizza un singolo standard, con circuito aperto o corto, per normalizzare la risposta di riflessione. Questo metodo è più veloce della calibrazione completa a una porta, ma è anche meno preciso.

La calibrazione a una porta prevede il collegamento di uno standard a un piano di riferimento.

La calibrazione a due porte viene utilizzata per le misure della trasmissione e comporta procedure più complesse per tenere conto dei termini di errore che interessano entrambe le porte. Esistono tre tipi principali di calibrazione a due porte:

  • Normalizzazione della trasmissione: richiede un solo standard a circuito passante per misurare la trasmissione. La calibrazione può essere eseguita in una sola direzione o in entrambe. È una procedura veloce, ma limitata in termini di precisione perché non affronta gli errori di riflessione sulle porte.
  • Calibrazione a due porte con percorso singolo: abbina all'intera calibrazione a una porta la normalizzazione della trasmissione tra due porte. Si tratta di un metodo di calibrazione ibrido, che trova un equilibrio tra velocità e accuratezza.
  • Calibrazione completa a due porte: Metodo di calibrazione completo che fornisce i risultati più accurati per le misure a due porte, correggendo tutti gli errori di riflessione e trasmissione per entrambe le porte.

Anche in questo caso, la calibrazione completa a due porte può essere suddivisa in due tipologie:

  • Metodo a circuito passante-aperto-corto-adattato (TOSM)
  • Metodo a circuito sconosciuto-aperto-corto-adattato (UOSM)

Il metodo TOSM è quello standard e maggiormente utilizzato per la calibrazione completa a due porte. Il processo prevede l'esecuzione di una calibrazione a due porte (a circuito aperto, corto e adattato) su entrambe le porte, quindi il collegamento di uno standard passante tra le due porte e la misura in entrambe le direzioni - in totale sono necessarie otto scansioni. Questo metodo consente di eseguire misure accurate e precise di tutti i parametri S; a causa del collegamento di più standard, tuttavia, può richiedere molto tempo e lavoro.

Il metodo UOSM è una variante del TOSM, in cui lo standard a circuito passante conosciuto è sostituito da un accoppiatore sconosciuto, (U, Unknown Through), che deve avere caratteristiche simmetriche in entrambe le direzioni. È particolarmente utile quando il DUT ha diversi tipi di connettore (ad esempio, SMA su un'estremità e tipo N sull'altra) e fornisce un'alternativa pratica nelle situazioni in cui non è disponibile uno standard a circuito passante.

Riassunto

  • La calibrazione delle misure è il processo di eliminazione degli errori sistematici da un sistema di misura.
  • La calibrazione di un VNA si basa su standard di calibrazione, che sono terminatori o accoppiatori con risposte in termini di ampiezza e fase esattamente conosciute.
  • Esistono quattro standard comuni: a circuito passante (T, Through), aperto (O, Open), corto (S, Short), adattato (M, Match).
  • Nella calibrazione manuale, ogni standard viene collegato e scollegato manualmente al piano di riferimento nella sequenza corretta.
  • Nella calibrazione automatica o autocal, gli standard sono incorporati in una unità di autocalibrazione, che è controllata dal VNA.
  • Il metodo TOSM è quello standard e maggiormente utilizzato per la calibrazione completa a due porte.

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