Manual de ingeniería

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1 Manual de ingeniería Proyecto: Sistema modular de medición de Parámetros-S (VNA Modular) Alumnos: Fernando Ponce ( ) Giordano Sandro ( ) Profesor Tutor: Ing. Alejandro Henze

2 Índice: UTN-FRBA Índice:... 2 Descripción del proyecto:... 3 Diagrama en bloque del setup físico... 4 Decisiones y desafíos... 5 Correlación entre los Vi y explicación de su funcionamiento... 9 Estructura tipo árbol de los Vi... 9 Explicación de la función de cada Vi:... 9 Apéndice A: Introducción a parámetros S Apendice B: Modelo 2 puertos 1 camino Apéndice C: VNA Configuración física y modelo de error Método de corrección de errores TOSM Calibración OSM de 1 puerto Completando la calibración TOSM Apéndice D: Errores e incertidumbres del método 2 puertos 1 camino Propagación de errores de reflexión: Propagación de errores de transmisión:

3 Descripción del proyecto: La intención del proyecto es la de proveer a laboratorios de metrología y universidades que no posean los recursos necesarios para adquirir un analizador vectorial de redes comercial la capacidad de medir parámetros-s en radiofrecuencia. Un VNA (Vector Network Analyzer, Analizador Vectorial de Redes) es un sistema cuya función es la de medir parámetros-s para caracterizar todo tipo de elementos de radiofrecuencia como por ejemplo: divisores de potencia, sensores de potencia, filtros, antenas, atenuadores, etc.., utilizados en telecomunicaciones, industria aeroespacial., etc. Gracias a este sistema modular y una licencia de LabVIEW una universidad o laboratorio de metrológica puede capacitar a su personal de forma didáctica y realizar mediciones de parámetros-s aprovechando el instrumental disponible en el laboratorio o accediendo a instrumental de menor costo con la posibilidad de actualizar la interfaz con mejoras futuras

4 Diagrama en bloque del setup físico Se eligió este setup en base a los equipos disponibles en la facultad. Generador de RF Agilent N9310A Splitter Mini circuits ZX S+ Directional Bridge Agilent 86205A Osciloscopio Agilent MSO-X-3024A Con este setup podemos medir los parámetros S11 (reflexión) y S21 (Trasmisión) a través del método 2 puertos 1 camino

5 Decisiones y desafíos A medida que nos adentramos en el proyecto fuimos encontrándonos con diversos problemas y desafíos Modelo de VNA completo (2 puertos 2 caminos) o 2 puertos 1 camino: La decisión sobre el modelo a seguir incumbe varios puntos de vista, desde el punto de vista físico y comercial el modelo completo nos plantea la necesidad de más componentes para armar el sistema, alguno de los cuales no eran disponibles en la facultad, por otro lado el modelo matemático estaba desarrollado para este tipo de sistemas. Este sistema tenia como principal ventaja la de medir los 4 parametros S en una sola medición. Se continúo con el modelo 2 puertos 1 camino debido a la simpleza de su sistema y la disponibilidad de todos los componentes del sistema. Desventaja de esta decisión: para medir los 4 parámetros hay que dar vuelta el DUT y volver a medir (Al decidir por esta configuración hubo que replantear todas las ecuaciones de corrección del método lo cual llevo un tiempo importante). Setup Disponibles en la facultad: Para la configuración fisica decidida habia varios dispositivos que cumplian con las necesidades del proyecto, la división de la señal de entrada se pude hacer mediante un Splinter o un acoplador bidireccional. El acoplador bidireccional permite tomar una muestra de la señal incidente y reflejada con 1 solo dispositivo el problema por el cual se descarto fue que su banda de trabajo es de 100Mghz a 2 Ghz y nos acota la banda de trabajo en la franja inferior del espectro, en cambio el Splitter su banda de trabajo va desde 300Khz a 6Ghz pero tiene la necesidad de ser usado con un bridge para medir la onda reflejada, esto aumenta las perdidas y los errores del sistema. Interfaz de programación: Surgieron 2 posibles interfaces de programación: LabVIEW y Matlab Matlab: Ventajas: interfaz matemática robusta y velocidad de proceso. Desventaja: manejo a bajo nivel de la automatización de los equipos de laboratorio, interfaz grafica poco amigable, pocos conocimientos de los integrantes del equipo sobre este código. LabView: Ventajas: Manejo a alto nivel de la automatización de equipos de laboratorio, drivers fácil de conseguir, interfaz grafica intuitiva. Desventajas: Interfaz matemática simple, mayor tiempo de proceso. Decidimos utilizar Labview y separamos el modulo de medición del modulo de corrección para mejorar el rendimiento del código

6 Modelo de error a utilizar: La elección del modelo de error fue un punto clave del proyecto, debido a estar acotados en hardware disponible hubo que elegir entre varios modelos posibles Modelo de 8 términos: Necesita ser calibrado con 7 elementos calibradores diferentes y resolución matemática compleja. Modelo de 12 errores: este fue el modelo de error adoptado, debido a la necesidad de solo 3 elementos calibradores y calibraciones mas simples y rápidas. Tomando simplificaciones matemáticas debido a que solo tomamos 1 camino se transformo en un modelo de 6 errores pero solo podemos medir 2 parámetros S (reflexión a la entrada y trasmisión de la entrada a la salida). Para medir los parámetros inversos (Camino reverse) hay que dar vuelta el DUT y volver a medir. Rango dinámico: La señal reflejada esta sometida a todas las pérdidas del sistema llegando a medir en el puerto 2 una señal 17.5db menos que la señal incidente. El problema esta planteado debido a la sensibilidad en la medición del canal 2, automatizando la medición no se puede considerar valida una medición por debajo de 10 mv pico a pico, para aumentar el rango dinámico hubo que adopar un amplificador de frecuencia para amplificar la señal del puerto

7 Diagrama de Flujo de la interfaz de programación Modulo Medición-Calibración Inicialización de dispositivos Calibrar Conectar Open Medir Grabación a archivo Conectar Dut Medir Grabación a archivo Conectar Short Medir Grabación a archivo Terminación Conectar Match Medir Grabación a archivo Conectar Thru Medir Grabación a archivo Terminación - 7 -

8 Modulo Corrección Lectura de archivo de mediciones de calibrador Open Lectura de archivo de mediciones de calibrador Short Lectura de archivo de mediciones de calibrador Match Lectura de archivo de mediciones de DUT Ejecución de Scrip de corrección de mediciones y generación de graficos Terminación - 8 -

9 Correlación entre los Vi y explicación de su funcionamiento Este programa fue desarrollado en la interfaz de programación LabVIEW, en dicha interfaz se generan los Vi (virtual instrument) Los vi son funciones predeterminadas o programadas por usuarios cuyos datos de entrada y salida son conectados con otros Vi a través de conexiones graficas. Solo se detallarán los Vi escritos por nosotros ya que los demás son funciones estándar del LabVIEW. Estructura tipo árbol de los Vi Explicación de la función de cada Vi: VNA (Vi principal): Este Vi esta separado en 2 secciones: Medición: Inicializa la comunicación VISA con los dispositivos y genera el rango de frecuencia requerido por el usuario. Luego se divide en 2 subsecciones: o Calibración: Mide los patrones de medición OPEN, SHORT, MATCH y THRU a las frecuencias preestablecidas por el usuario necesarios para la corrección de las mediciones a través del método TOSM 2 puertos 1 camino (Subvi_osc-auto mejorado) y los graba en un archivo (Escribir datos). o Medición: Mide el dispositivo a medir (DUT) a las frecuencias preestablecidas por el usuario (Subvi_osc-auto mejorado) y los graba en un archivo (Escribir datos). Corrección: Busca en el disco (C:\mediciones) los archivos de las mediciones de los patrones de medición y el dispositivo a medir, realiza la corrección a través - 9 -

10 del método TOSM de 2 puertos 1 camino (Nodo de programación de Mathscript) y genera los gráficos. Subvi_osc-auto mejorado: Este Vi Configura de valores de escala del osciloscopio por canal, inicializa el generador de señales con frecuencias preestablecidas y 13,2dbm de amplitud (1V eficaz sobre una resistencia de 50 ohm), actualiza la base de tiempo del osciloscopio para mejorar la visión de las señales cada vez que cambia de frecuencia, mide la amplitud pico a pico de los 3 canales (Medición auto mejor) y la diferencia de fase del canal 2 y 3 respecto del canal 1(Medición de Fase). Escribir datos: Escribe los datos ingresados en un archivo con cabecera Medición auto mejor: Este Vi toma la medición, evalúa las limitaciones del osciloscopio y los errores de medición y decide si l medición fue correcta o no, hacer auto escala y volver a medir o emitir medición cero. Medición de Fase: Este Vi realiza la medición de fase respecto del canal 1, si la medición de amplitud es cero la fase será cero. Nodo de programación de Mathscript: Realiza la corrección de las mediciones

11 Apéndice A: Introducción a parámetros S El análisis vectorial de redes es un método para caracterizar en forma precisa componentes y circuitos, midiendo el efecto sobre la amplitud y la fase de señales de prueba barriendo en frecuencia y en potencia. Las redes lineales o no lineales operando con señales suficientemente chicas para que las redes respondan en forma lineal, pueden ser completamente caracterizadas por parámetros medidos en los terminales (puertos) de la red sin importar el contenido de dicha red. Una vez que se determinaron los parámetros de la red, su comportamiento en cualquier configuración externa puede ser predicha, otra vez, sin importar el contenido de la red. Modelo de cuadripolo Modelo matricial del cuadripolo Sistema de ecuaciones del cuadripolo El parámetro S11 hace referencia al coeficiente de reflección a la entrada del cuadripolo. El parámetro S22 hace referencia al coeficiente de reflección a la salida del cuadripolo. Los parámetros S21 y S12 hacen referencia a la transferencia en ambos sentidos del cuadripolo

12 Apendice B: Modelo 2 puertos 1 camino Para medir los 4 parámetros S del dispositivo a medir es necesario barrerlo en frecuencia y tomar las mediciones de amplitud y fase en ambos sentidos (Forward y Reverse). El modelo 2 puertos 1 camino calcula los parámetros S11 y S21 (solo sentido forward), para conocer los parámetros reverse (S22 y S12) solo hay que invertir el DUT (device under test) y volver a efectuar la medición

13 Apéndice C: VNA UTN-FRBA Configuración física y modelo de error A través del diagrama de señal del sistema se pueden identificar los errores sistemáticos del mismo. Efectuando una calibración TOSM se pueden disminuir dichos errores, a continuación se muestra el diagrama de señal de la configuración 2 puertos 1 camino, resolviendo dicho diagrama a través de la regla de Mason se encuentran los valores de S11 y S21 corregidos con los errores del sistema

14 Método de corrección de errores TOSM Parte de la calibración TOSM es la calibración OSM (open short y match) de el puerto 1 para determinar los errores pertenecientes al puerto 1 que se detalla a continuación, luego se realiza una medición con un Thru para los errores de transferencia. Una vez conocidos los errores del puerto 1 y de transferencia en todas las frecuencias se puede realizar la corrección de las mediciones. Calibración OSM de 1 puerto Para simplificar el análisis se idealiza el puerto 1 adjudicando todos los errores a una caja de errores perteneciente al sistema. Se realiza el diagrama de señal y se resuelve por Mason

15 Se realizan barridos en frecuencia con cargas patrones con reflexiones conocidas OPEN= circuito abierto Gama= 1 SHORT= cortocircuito Gama= -1 MATCH= 50 ohm Gama= 0 Se ingresan los valores en el siguiente sistema de ecuaciones lineales salidos del análisis de señal Resolviendo el sistema se consigue caracterizar los errores del sistema del puerto 1 Completando la calibración TOSM Luego para terminar con la calibración se coloca un THRU entre el puerto 1 y el 2 y se determinan los errores de trasmisión del sistema a las frecuencias a medir. Una vez conocidos todos los parámetros de error del sistema

16 Se corrigen los resultados medidos a través de la formula

17 Apéndice D: Errores e incertidumbres del método 2 puertos 1 camino Antes de entrar en las formulas de incertidumbre hay que hacer un pequeño análisis de las fuentes de error del sistema Ed: Error de directividad asociado al bridge. Este valor sin corregir a traves del metodo TOSM es directamente el valor de directividad del Bride (-40 db sacado de las hojas de datos del bridge) y corregido es el coeficiente de reflexión del patrón match (-46 db) Es: Source match: es la reflexión entre la carga (DUT) y la línea de transmisión a la que es colocada. Sacado de las hojas de datos del Splinter (-22db). El: load match: es el error debido al puerto 2 conectado a la carga (impedancia de entrada del osciloscopio mas el cable). Sin corregir 18db y corregido 40db Tracking de reflexión: Sin corregir son las perdidas en los cables y acopladores (Perdidas en cables 1.5db + perdidas en acopladores 16db= 17.5db) Corregido es la repetibilidad del cable 0.1db Errores del osciloscopio MSO 300 Series: Error de amplitud, se considera el peor caso, minima medición en la escala mas alta que vamos a utilizar (5V/Div) : Precisión de ganancia vertical del osciloscopio + precisión de Offset vertical % a escala completa = 0.1 V (en la escala de 5V) V (error de medición cuando se mide el valor mínimo de la escala de 5V) V = 0.18V Precisión de medición en grados de la diferencia de fase= 1 Errores del generador de señales Agilent N9310: Precisión de frecuencia: 0.1 HZ= 36 grados/ Frec(hz) a 1 Mhz = grados Precisión de amplitud: 0.1dbm = 0.001V Armando la tabla Sin corregir Corregido DB Veces DB Veces Ed Es El Ert

18 Propagación de errores de reflexión: La formula de incertidumbre de reflexión de la medición es: +-[Ed+Es S11 S11 + S12 S21 El+ S11 (1-Ert)] Notar que las incertidumbres dependen tanto de los errores del sistema como de los parámetros de DUT a medir por lo tanto se realizará un ejemplo con un DUT cuya matris S es: El valor de la incertidumbre de reflexión sin corregir es U( S11 )sin corregir = El valor de la incertidumbre reflexión corregida es U( S11 ) = Se puede notar que la incertidumbre corregida es de un orden de magnitud menor. Incertidumbre de fase de S11 corregida arcsen [U( S11 )/ S11 ] = 4.5 grados Combinando los errores del método residual con los errores de los instrumentos: Propagando el error de instrumento de S11= Vpuerto 2/Vpuerto 1 S11 debido al osciloscopio= 2 Error de amplitud del osc= 0.36V

19 Errores de amplitud y fase: U( S11 total)= [( U( S11 )²+(2 Error max de Ampl. Del osciloscopio)²+(error max de amplitud del generador de señales)²]= 0.36V Como se puede notar los errores de amplitud del método se ven apantallados por los errores del instrumental de medición. Considerando las variables variaciones de fase como variables independientes podemos sumar sus errores linealmente U(Ɵ)= incertidumbre de fase del método de corrección + incertidumbre de fase en la medicion del OSC + incertidumbre de fase del generador de señales= = 5.5 Propagación de errores de transmisión: La formula de incertidumbre de transmisión de la medición es: +-S21[S11 Es+S21 S12 Es El + S22 El]

20 Notar que las incertidumbres dependen tanto de los errores del sistema como de los parámetros de DUT a medir por lo tanto se realizará un ejemplo con un DUT cuya matris S es: El valor de la incertidumbre de trasmisión sin corregir es = El valor de la incertidumbre trasmisión corregida es = Fase arcsen [U( S21 )/ S21 ]= 2 grados Errores de amplitud y fase: U( S21 total)= [( U( S21 )²+(Error max de Ampl. Del osciloscopio)²+(error max de amplitud del generador de señales)²]= 0.18V Como se puede notar los errores de amplitud del método se ven apantallados por los errores del instrumental de medición. Considerando las variables variaciones de fase como variables independientes podemos sumar sus errores linealmente U(Ɵ)= incertidumbre de fase del método de corrección + incertidumbre de fase en la medición del OSC + incertidumbre de fase del generador de señales= =

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