La tecnología actual evoluciona con rapidez y se caracteriza por unas frecuencias de operación más elevadas y mayores anchos de banda, así como por una enorme reducción del tamaño y el peso de los componentes y módulos. En conjunto, estas tendencias representan nuevos retos para los equipos de test y medida necesarios para la medida y caracterización precisa de dispositivos que incorporen estos dispositivos en miniatura. En muchas ocasiones existe la necesida de medir dispositivos “no conectorizados”, lo cual significa que no existe la posibilidad de recurrir a los instrumentos de medida accesibles en el mercado, y que incluyen conectores coaxiales estándar como los principales interfaces al dispositivo bajo prueba (device under test, DUT).
En tales casos, el dispositivo bajo prueba (colocado sobre un sustrato o base de oblea) necesita conectarse al instrumento de medida mediante algún tipo de interfaz que le proporcione una conexión mecánica y eléctrica. Este interfaz suele tener una estructura basada en una sonda, conocida como accesorio de prueba, y puede consistir en una conexión a una base fija (atornillada o soldada) o bien en una solución “universal” que proporcione flexibilidad, eficiencia y calidad a las medidas. También existe un numeroso grupo de sistemas complejos basados en estaciones de sondas con su propio segmento de aplicaciones (algunas de las cuales pueden coincidir con las aplicaciones de los accesorios de prueba), si bien su mayoría suelen añadir complejidad y un mayor coste.
La amplia caracterización y las medidas de alta calidad exigidas por la mayoría de dispositivos de prueba requiere generalmente el uso de un analizador vectorial de redes, que proporciona los resultados de las medidas en forma de unidades vectoriales de parámetros S para magnitud y fase. Un sistema completo de medida suele incorporar un accesorio de prueba, un analizador vectorial de redes y un kit de calibración del “sustrato” (para la calibración en el propio accesorio).
El término “universal” en el contexto de los accesorios de prueba se debe a su compatibilidad con una gran variedad de formas y tamaños de los dispositivos bajo prueba, su amplio rango de frecuencia, repetibilidad de la conexión, funcionalidad añadida, como capacidad de polarización y pruebas de dispositivos multipuerto, así como su facilidad de uso y excelentes niveles de fiabilidad y rendimiento en general, incluyendo las pérdidas de retorno y las pérdidas de inserción del propio accesorio. Por ejemplo, el accesorio mostrado en la Fig. 1 permite realizar transiciones repetibles y precisas de coaxial a microstrip o coaxial a guiaondas coplanar (coplanar waveguide, CPW), ofreciendo capacidad de medida del sustrato para el diseño de componentes y dispositivos.
 
Figura 1. Accesorios universales de prueba.

Una ventaja añadida de este tipo de accesorio es que ofrece un cierto nivel de mantenimiento en el propio emplazamiento, aumentando así la flexibilidad desde el punto de vista del ingeniero. Si, por ejemplo, el accesorio sufre daños debido a un accidente, es posible sustituir sus principales piezas allí mismo, ahorrando de este modo tiempo y dinero, ya que no se detiene el proceso de medida.
Una situación ideal para un accesorio de prueba que disponga del interfaz correspondiente entre un dispositivo bajo prueba y un instrumento de medida (analizador de redes vectoriales) sería una conexión totalmente “transparente”, sin pérdidas de inserción y con pérdidas infinitas de retorno (sin desadaptación), una respuesta de frecuencia plana y conocida como fase lineal, y sin fugas entre puertos (aislamiento infinito), lo cual desde luego no es factible. Hay muchos factores que influyen sobre la calidad de las medidas; al estar constituido por un sistema de medida, todas sus partes (el analizador de redes vectoriales con sus componentes, cables, adaptadores y accesorios) añadirán errores, aumentando así la incertidumbre de medida. Además, el rendimiento del dispositivo bajo prueba también influye sobre la precisión de medida en general. Sin embargo, es posible eliminar la mayoría de estos errores de medida utilizando técnicas de corrección de errores vectoriales del analizador dentro del proceso de calibración, el cual se basa en estándares de calibración de alta calidad bien definidos como elementos de referencia.

Errores aleatorios y sistemáticos
En la mayoría de medidas realizadas por analizadores de redes vectoriales de RF y ondas milimétricas, los términos de error se clasifican entre aleatorios o sistemáticos.
Los errores aleatorios no son predecibles y por tanto no se pueden corregir en el proceso de calibración. Los principales factores que aumentan los errores aleatorios son la repetibilidad del conector, la estabilidad del cable, cambios en el entorno (sin incluir los efectos de la deriva), repetibilidad de frecuencia y ruido. Una buena práctica de medida es fundamental para reducir los errores aleatorios.
Entre los errores sistemáticos se encuentran, por otro lado, factores como directividad, adaptación de fuente y carga, aislamiento, y seguimiento de reflexión y de transmisión. Aunque representan las fuentes más significativas de incertidumbre de medida, se pueden reducir enormemente en el proceso de calibración (y en la posterior corrección de errores). Algunos efectos residuales no se corrigen debido a que los estándares de calibración no están perfectamente definidos y los modelos de error utilizados para describir el setup de medida no son perfectos. Los errores residuales se pueden utilizar para calcular las incertidumbres totales de medida y se indican dentro de las especificaciones técnicas del analizador de redes vectoriales para varios algoritmos de calibración. Esto ayuda a conocer el nivel de precisión de medida disponible en un instrumento para unas condiciones determinadas.
La cuestión principal para un sistema de medida que utilice un accesorio de prueba es que los términos de incertidumbre antes citados queden definidos para los kits estándar de calibración coaxial del analizador de redes vectoriales, lo cual significa que los efectos del error solo se eliminan hasta los conectores coaxiales de los cables utilizados en la prueba.
Se puede recurrir a diversas prácticas para eliminar la aportación de un accesorio de prueba de los resultados de medida de un dispositivo bajo prueba. Todos ellos son aplicables a los casos de uso correspondientes, dependiendo principalmente de la precisión exigida a la medida. El rendimiento del accesorio de prueba también está directamente relacionado con el rendimiento del dispositivo bajo prueba y determina el nivel de calibración necesario para cumplir los criterios de incertidumbre de la medida.
La separación (de-embedding) es una herramienta de software del analizador de redes vectoriales que se utiliza para eliminar “matemáticamente” el efecto de los accesorios de prueba a partir de los resultados de la medida. El accesorio de prueba (o “red” en este caso) se debe medir de forma precisa con anterioridad con un archivo de datos de parámetros S o un modelo simulado del accesorio. La calibración se efectúa en este caso mediante estándares coaxiales.
 
Figura 2. Proceso de separación o de-embedding (eliminación de los efectos del accesorio a partir de la medida del dispositivo bajo prueba).

La precisión de las medidas en general se puede determinar principalmente en función de calidad de los datos de parámetros S del accesorio (medido o modelado), que en aplicaciones complejas es bastante difícil de obtener. Si el rendimiento real del accesorio de prueba no se ajusta a los datos modelados o medidos, se producen errores. La separación, o de-embedding, también es difícilmente aplicable a dispositivos bajo prueba con pocas pérdidas y no tiene en cuenta los términos de error por desadaptación. En tales casos, la calibración en el interior del CAN del accesorio ofrece una representación más precisa de los parámetros S del dispositivo bajo prueba.
Calibración en el accesorio
Existen dos métodos básicos para calibración en el accesorio de dos puertos: OSL(T) (open-short-load (through)) y LRL/LRM (line-reflect-line/line-reflect-match). La calibración LRM es una variación de la calibración LRL, en la que se utiliza una carga (terminación) en lugar de la segunda línea. También existen modificaciones como ALRM (LRM avanzada), una técnica de calibración de Anritsu implementada en los menús de calibración de VectorStar que utiliza diferentes modelos de carga para cada puerto y dos estándares de reflexión. La Tabla 1 ofrece una lista de los típicos algoritmos de calibración disponibles y sus aplicaciones apropiadas “en el accesorio”.
 
La precisión de la medida dependerá sobre todo de los estándares de calibración – la precisión con la que se hayan definido los estándares – y del número de términos de error que se pueden corregir dependerá del algoritmo y del tipo de calibración seleccionado. Para que el dispositivo de dos puertos elimine los 12 términos (los errores sistemáticos antes citados: directividad, adaptación de fuente, seguimiento de reflexión, adaptación de carga, seguimiento de transmisión y aislamiento en ambas direcciones (para el flujo de señal), en total 12 términos) hará falta una calibración completa y corrección de errores de 2 puertos. Esto aportará la máxima precisión de medida pero requiere más estándares de calibración.

Las calibraciones LRL ofrecen la mejor precisión pero su ancho de banda es limitado. Las calibraciones OSL y LRM, menos precisas, cubren un amplio rango de frecuencia y se pueden calibrar a frecuencias más bajas. Las calibraciones LRM dan como resultado una mejor adaptación de la fuente que la calibración OSL. Para mejorar la calibración de banda ancha se pueden combinar las calibraciones LRL y LRM. La calibración LRL/LRM también es preferible en entornos con microstrip ya que los estándares correspondientes se elaboran con más facilidad que para OSL. Los estándares OSL también necesitan una caracterización precisa de las medidas de calidad. La Fig. 4 muestra algunos ejemplos de estándares OSL “en el accesorio”.

     
Picture 4a – Open-Short Calibration Standard inside the 3680 series UTF

Picture 4b – Load Calibration Standard inside the 3680 series UTF
Figura 4. Estándares de calibración “en el accesorio” para calibración OSL.

Resulta muy útil que la configuración de la calibración “en el accesorio” también incorpore componentes de verificación para ayudar al ingeniero a cualificar el sistema de medida. Además, es importante disponer de las especificaciones para los términos de error residual que se pueden obtener utilizando la configuración del sistema (formado por el analizador vectorial de redes, el accesorio de prueba y el kit de calibración “en el accesorio”). Esto aporta al ingeniero la confianza en la precisión de la medida y en los resultados obtenidos. La Tabla 2 muestra un ejemplo de estos valiosos datos.
El ingeniero también puede utilizar un “calculador de incertidumbre” dedicado, como “Exact Uncertainty” de Anritsu, para lograr una mayor confianza en el nivel de precisión. Dicho sea de paso, dado que el microstrip representa un medio dispersivo en el cual el cambio de fase no es lineal respecto a la frecuencia, la capacidad que tiene el analizador de redes vectoriales de compensar esta dispersión puede mejorar la precisión de las medidas vectoriales.
Conclusión
El desafío que supone la proliferación de nuevos diseños de RF/ondas milimétricas exigirá la caracterización de dispositivos de forma precisa y con alta calidad. Contar con las herramientas adecuadas y comprender la importancia de una correcta calibración, junto con los algoritmos citados en el artículo, asegurará las mejores prácticas y mejorará la calidad del diseño del componente/dispositivo.

Autor: Maksim Pud, Anritsu EMEA