Abstract— The Vector Network Analyzer (VNA) is the most frequently used instrument to characterize RF devices, which basically consist of a RF generator, S-Parameters measurement modules and multiple receivers. This work focuses on the implementation of a S-parameter measurement module, in cellular phone bands from 0.8 to 2 GHz. In addition, to complying with the characteristics of a classical VNA, this module can be used as a stand-alone instrument for use in laboratory measurements, calibration and production lines in the electronics industry. We designed and implemented the distribution system of the signal, directional couplers, RF Switching for Keys, programmable attenuators steps and a control system based on Microcontroller. Keywords— Sweeper, Module, Phase, VNA.

I. INTRODUCCIÓN N EL Diseño de Sistemas de Telecomunicaciones es fundamental la caracterización de los componentes de

radiofrecuencia. Los parámetros más utilizados para el estudio en RF son Parámetros S o de Dispersión (scattering), que caracterizan al dispositivo en función de su reflexión y transmisión directa e inversa. Los parámetros S son importantes en el diseño de microondas debido a que son conceptualmente simples, convenientes analíticamente y capaces de proporcionar una buena comprensión en un problema de medición o de diseño.

El instrumento utilizado para caracterizar componentes de RF es el Analizador Vectorial de Redes (VNA), éste mide señales incidentes y reflejadas en sentido directo e inverso.

Este proyecto consiste en el diseño y construcción de un Módulo de Adquisición de parámetros “S” que sea capaz de medirlos en circuitos pasivos y activos de dos puertos, en frecuencias desde los 800 MHz hasta los 2000 MHz [17].

Este modulo es parte integrante de un VNA, en desarrollo por el Laboratorio de Radio Frecuencias y Microondas (LARFyM) de la FCEFyN de la UNC [15]-[16].

II. DESCRIPCIÓN GENERAL El funcionamiento general del módulo consiste en excitar

el dispositivo bajo estudio DUT (Device Under Test) con señales de RF y adquirir módulo y fase de las señales incidentes y reflejadas presentes en ambos puertos de dicho dispositivo. Así se obtiene el coeficiente de reflexión de entrada y salida, y coeficiente de transferencia directa e F. Bianco, Universidad Nacional de Córdoba, fernandobianco@gmail.com G. Naldini, Universidad Nacional de Córdoba, gnaldini@gmail.com J. Amado, Universidad Nacional de Córdoba, jose.amado@gmail.com F. Gonzalez, Universidad Nacional de Córdoba, felipegnz@gmail.com S. Chiale, Universidad Nacional de Córdoba, schiale@gmail.com

inversa. Estos módulos y fases son proporcionales a las señales incidentes y reflejadas en cada puerto, por lo que realizando esta adquisición tanto de manera directa como inversa, respecto al DUT, y procesando toda la información es posible obtener el coeficiente de reflexión de entrada, coeficiente de reflexión de salida, coeficiente de transferencia directa y coeficiente de transferencia inversa. Estos coeficientes complejos son los parámetros de dispersión a una determinada frecuencia.

La señal que excita al DUT es proporcionada por el Generador/Barredor que fue desarrollado en un proyecto anterior, este se programa mediante una interfaz de datos [16].

La adquisición se realizo en base a un integrado dedicado a la medición de módulo y fase relativa de las señales. Posteriormente se digitalizan dichas mediciones y se transfieren a los módulos de procesamiento de información.

Se desarrolló un software específico para el control del Módulo de Adquisición de parámetros “S”, que corre en sistemas operativos Windows. La interfaz entre el ordenador y el proyecto es un USB 2.0, [2]-[3].

Los resultados de las mediciones se presentan en un archivo cuya extensión es S2P, y exhibe los valores de los diferentes parámetros en función de la frecuencia a las que fueron obtenidos. Dicho archivo puede ser utilizado de esa manera o puede asociarse a un software específico que permite visualizar los parámetros en una carta de Smith, gráficos polares, cartesianos, etc. El dispositivo posibilita trabajar en dos diferentes modos: Medición por Puntos (frecuencia puntual) y Medición por Barrido (rango de frecuencias).

III. IMPLEMENTACIÓN En la Fig. 1 se presenta el diagrama en bloques general. La señal del Generador/Barredor que ingresa al dispositivo es dividida en tres caminos iguales por un splitter, una de ellas es utilizada como referencia y las dos restantes ingresan cada una a los módulos desfasadores acondicionando la señal para la medición. Una placa de control, administra el sistema, con una interfaz que posibilita el control del Generador/barredor; dos placas de adquisición, las cuales miden las magnitudes necesarias en los puertos del dispositivo bajo análisis; dos placas de acondicionamiento de señal, y una interfaz de usuario que se ejecuta en una PC con sistema operativo Windows.

A. Generación y Distribución de Señal Para la inyección de señales de RF, se utiliza un

Generador/Barredor realizado en un proyecto anterior [16], cuyas principales características son las siguientes:

F. Bianco, G. Naldini, J. Amado, F. González and S. Chiale

Measurement Module S Parameters for Vector Network Analyzer

E

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Figura 1. Diagrama de bloques simplificado de un transmisor digital inalámbrico.

Rango de frecuencias: 800 MHz-2000MH Resolución de generación: 100 KHz. Error en frecuencia: ± 10 KHz. Rango de salida: -30 dBm a +5 dBm. Resolución: 1dB Error de nivel: ± 0.5 dB

Los diferentes módulos que componen el sistema necesitan la misma señal de RF que proporciona el Generador/Barredor. Para tal función se diseñó un hardware que contiene un Splitter que se colocó en el interior del equipo y un software de comando que se programó en la placa de control del medidor de Parámetros S. De esta forma el Generador/Barredor puede ser utilizado de manera independiente del medidor de módulo y fase.

B. Conexión entre dispositivos Ambos proyectos se conectan a través de un cable paralelo.

El generador puede ser controlado por teclado matricial (panel frontal) o mediante una PC, a través de un software específico. El material con el que fue implementado el circuito impreso es fibra de vidrio de 1mm de espesor y todos los componentes del sistema son de montaje superficial.

Las dimensiones físicas de la placa son 96mm x 65mm. La misma se encuentra alojada dentro del Generador/Barredor, como se muestran en las Fig. 2.

Figura 2. Interfaz dentro del dispositivo Generador Barredor.

C. Módulo de Adquisición La función de este circuito es la adquisición de magnitudes

de módulo y fase, relativas, de las señales de RF presentes en el dispositivo bajo estudio (DUT), a la entrada y salida del

mismo. Por este motivo se utilizan dos unidades iguales, el Módulo de adquisición 1 a la entrada y el Módulo de adquisición 2 a la salida, y se controla el acondicionamiento de la señal ejecutado por el módulo de desfasajes. Forman parte de los Módulos de Adquisición un Acoplador Direccional, un Microcontrolador, un conversor A/D y dos medidores de módulo y fase [2].

D. Acoplador Direccional El componente que toma la muestra de señal de RF es un

acoplador direccional de la marca Minicircuits, modelo DBTC-17-5, y sus principales características son: Frecuencia de trabajo entre 50 y 2000 MHz; Impedancia de entrada y salida de 50 Ohm; Potencia de entrada de 2W, [10]-[11]-[25].

E. Medidor de Módulo y Fase Como elemento de medición de módulo y fase, relativa, de

las señales se utilizó un circuito integrado de la marca Analog Devices modelo AD8302, cuyas principales características son: Medición de ganancia/perdida y fase hasta 2.7 GH; Rango de potencia de entrada –60 dBm a 0 dBm (50Ω); Escala de medición de ganancia/perdida 30 mV/dB; Escala de medición de fase 10 mV/grado; Alimentación de 2.7 a 5.5V [22]. El circuito interno está compuesto por dos amplificadores logarítmicos y un detector de fase (XOR), los cuales procesan las señales y entregan la información de Módulo y Fase en forma de corriente a los amplificadores de salida [5].

El dispositivo es gobernado por un Microcontrolador de la marca Microchip encapsulado SOIC 28 cuyo modelo es PIC 16F873 [21].

Tanto el circuito esquemático como el impreso se diseñaron con programa de diseño. El material con el que fue implementado el circuito impreso es Rogers 3010 y todos los componentes del sistema son de montaje superficial.

Las dimensiones físicas de la placa son 60mm x 40mm, la misma se encuentra alojada dentro de una caja de aluminio con tapa, que actúa como blindaje[12]-[13]-[14], Fig. 3.

Figura 2. Módulos de adquisición 1 y 2.

F. Desfasadores y Atenuadores de referencia Los desfasadores son dispositivos utilizados para resolver

la incertidumbre del signo, como se muestra en la Fig. 4, al determinar la fase de la señal de RF.

BIANCO et al.: MEASUREMENT MODULE S PARAMETERS 237

Figura 4. Tensión de salida en función de la Fase.

Para la implementación se utilizó un desfasador basado en la selección de líneas de transmisión de diferentes longitudes. La ecuación que rige una onda viajera en dirección Z en un medio conductor determinado es:

( ) ( ) ( ), cosazx mE z t E e t zω β−

+= − (1)

dónde: α = Constante de atenuación β = Constante de fase

Se utiliza la constante de fase para calcular la diferencia de fase entre una onda que atraviesa una línea de longitud determinada y otra que lo hace por otra línea de iguales características dieléctricas pero con una diferencia de longitud respecto de la primera [4]-[6]. Fig.5.

Figura 5. Sistema de desfasajes relativos mediante selección de dos caminos de señal.

Si en la ecuación: ( )2 1l lθ βΔ = − (2)

se selecciona de forma arbitraria una de las longitudes de las líneas, se puede calcular la longitud de la segunda a fin de obtener el desfasaje deseado. La constante de fase definida en radianes se expresa como:

/2 r f

Cπ ε

β = (3)

dónde: C= velocidad de propagación en el vacío (3x108 m/s) f = frecuencia de cálculo en Hz εr

/ = Constante dieléctrica eficaz de la línea

Combinando “(2)” y “(3)”, agrupando, y expresando la constante de fase en grados, obtenemos:

[ ][ ]/

º56

r

lf MHz

θ

ε

ΔΔ = (4)

De esta manera a partir del desfasaje deseado entre dos líneas de transmisión y teniendo como datos la frecuencia de diseño y la constante dieléctrica eficaz de la línea, se puede obtener la diferencia de longitud física entre ellas [1].

Las líneas desfasadoras fueron implementadas con microtiras, siendo la constante dieléctrica eficaz del material utilizado de: εr

/ =6,12 Así, para el caso de los desfasajes elegidos, para el centro de banda (1400MHz), son de 50° y 130°; las diferencias de longitud de las microtiras respecto de la de referencia son: Δl50º =12,03 mm y Δl130º = 31,27 mm. Para la microtira de referencia se eligió una longitud de: Lref = 50mm. Esta longitud se seleccionó en función de las dimensiones de la caja en la cual se montara la placa en cuestión. De esta manera, las longitudes de las otras microtiras son: L50º =62,03 mm, L130º = 81,27 mm

Para corroborar los cálculos realizados anteriormente, se realizaron simulación en el programa GENESYS. En la Fig. 6 se observan los defasajes producidos por las microtiras. Las diferencias de tiempo son: Δt50º =0,105ns y Δt130º =0,27ns.

A partir de estas diferencias de tiempo se pueden obtener los desfasajes simulados según la siguiente expresión:

[ ] [ ] [ ]º 360fase t ns f GHzΔ = Δ (5)

Para la frecuencia de diseño se verifica Δfase 50º =52,92º y Δfase 130º =136,08º

Figura 6. Gráfica de la simulación realizada.

Las capacidades adicionales introducidas, desde el punto de vista práctico, no influyen en los desfasajes relativos debido a que las tres líneas de transmisión poseen las mismas capacidades.

La función de los desfasadores y Atenuadores de Referencia [7]-[8]-[9]-[18]-[24], es el acondicionamiento de la señal de RF, proveniente del Splitter, que se dirige a la entrada de referencia de los Módulos de Adquisición. Acondicionamiento en cuanto a sus niveles, para lograr la potencia de referencia necesaria para los detectores de módulo y fase del integrado AD8302 y en cuanto a sus fases relativas, para lograr ampliar el rango de medición del detector de fase del integrado mencionado [22].

El sistema está compuesto por dos de estos módulos, uno asociado al módulo de adquisición de entrada y otro al de salida. El diagrama en bloques se muestra en la Fig. 7.

-90º 90º 0º 180º -180 0V

900 mV

1,8V

Vfase

+10 mV/[º] -10 mV/[º]

Fase

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Figura7. Diagrama en bloques del Módulo de Desfasaje y Atenuación, con el flujo de señal.

Las señales de RF provenientes del Splitter se dirigen hacia una de tres posibles líneas de transmisión, seleccionadas mediante una combinación de llaves de RF [19]-[20]-[23], controladas por el módulo de adquisición. La primera es utilizada como referencia para las otras dos, las cuales presentan un desfasaje de 50º y 130º a 1400Mhz, respecto de ésta. Luego la señal de RF ingresa a un atenuador programable [25], para ingresar posteriormente a la entrada de referencia del integrado AD8302 que se encuentra en el Módulo de Adquisición. La selección de las líneas de transmisión para realizar los desfasajes se lleva a cabo mediante seis llaves de RF de la marca SKYWORKS modelo AS179-92 [23].

A fin de obtener el nivel de atenuación necesario, que se debe aplicar a la señal, se realizó una medición de nivel de la señal de salida de este módulo y se confeccionó una tabla de niveles en función de la frecuencia. Dicha tabla es utilizada por el Microcontrolador para lograr un nivel de señal constante de -30 dBm a la entrada de referencia del integrado AD8302.Ver diccionario detallado.

La tabla se genera en un documento Excel, que contiene 120 mediciones de nivel desde 800 a 2000Mhz, en intervalos de 10MHz. Para lograr dicha atenuación se utilizó un atenuador programable paralelo de cinco bits de la marca SKYWORKS AA101-80 [24].

Tanto el circuito esquemático como el impreso se diseñaron con el programa Genesys. El material con el que fue implementado el circuito impreso es Rogers 3010 y todos los componentes del sistema son de montaje superficial. Las dimensiones físicas de la placa son 100mm x 65mm. La placa se encuentra alojada dentro de una caja de aluminio con tapa, que actúa como blindaje y se muestra en la Fig.8.

Figura 8. Módulos de desfasaje y atenuación.

G. Módulo de Control Es una placa basada en un PIC18F4550 que realiza el

control general del sistema [21]. En la Fig. 9 se muestra el

diagrama en bloques. El circuito impreso de este módulo fue diseñado en fibra de vidrio, ya que en este coexisten solamente señales digitales de baja frecuencias y señales continuas.

Figura 9. Diagrama en bloques del Módulo de Control.

Las dimensiones físicas de la placa son 124mm x 76mm, que se muestra en la Fig. 10.

Figura.10. Módulo dentro del sistema completo.

H. Procesamiento e Interfaz de Usuario La interfaz de usuario es el medio por el cual el operador

se comunica con el dispositivo a fin de peticionar una determinada medición y poder visualizar los resultados que esta arroje. Se pueden ingresar diversos parámetros que dependerán lo que se pretenda medir y de las condiciones en las que se quiera medir. El sistema posibilita los siguientes modos de operación:

― Modo Barredor: Consiste en un barrido en frecuencia en el que se adquirirán y realizar todas las acciones peticionadas. A tal fin se ingresa frecuencia inicial, final y paso en frecuencia. Dentro de este modo es posible configurar solo el barrido en frecuencia, sin ningún otro tipo de acción.

― Modo Punto a Punto: Se adquirirán y realizarán todas las

acciones peticionadas en un solo valor de frecuencia. Dentro de este modo es posible generar un tono sin ningún otro tipo de acción

50o respecto a referencia

130o respecto a referencia

Referencia

Llave de RF

Llave de RF

Atenuador Programable

Proveniente del Splitter

Hacia el Módulo de Adquisición

Proveniente del Modulo de Adquisición

Rojo: Señales de Comando Azul: Señales de RF

Microcontrolador Modulo USB

Modulo USB Puerto de

Entrada Salida

Etapa Reguladora de Tensión

Modulo de Control

Fuente principal

Modulo de Adquisición

Modulo deDesfasaje

Interfaz Generador Barredor

Interfaz Generador Barredor

Señalización de Estado

Módulos de Adquisición

PC

BIANCO et al.: MEASUREMENT MODULE S PARAMETERS 239

Es posible establecer el nivel de señal de salida del Generador/Barredor en todo el rango (-30 a 5dBm) y para ambos modos de medición.

― Parámetros a ser adquiridos:

o Por puerto: se puede configurar para medir el puerto uno y/o dos, el módulo y/o la fase. En este caso es arbitrario el sentido en el que se coloca el DUT.

o Por parámetro: se pude medir desde uno a cuatro parámetros de dispersión en un sistema de dos puertos. En este caso si se tiene en cuenta el sentido del DUT.

― Atenuación del canal de referencia:

o Por medio de archivo: se utiliza un archivo Excel para registrar el valor de atenuación de cada señal de referencia, del AD8302, tabulados en función de la frecuencia. De esta forma para cada frecuencia se tiene un valor diferente de atenuación que va desde 0 a 31dB.

o Atenuación variable: esto permite que en cada frecuencia de medición, se pueda variar el nivel de atenuación de cada señal de referencia según una secuencia ingresada. Así se logran paramétricas de medición en función del nivel de atenuación. A tal fin se ingresa la atenuación inicial, el paso de atenuación y la cantidad de atenuaciones a realizar.

I. Fuente De Alimentación Es una fuente SMPS (Switching Mode Power Supply)

marca Astrodine, cuya entrada es de 220VCA y salida 12VDC/3A. Posee protección contra sobre corriente y sobre tensión.

J. Blindaje Electromagnético La implementación del blindaje electromagnético se realizó

a través de cavidades de aluminio dentro de las cuales se colocaron las placas de Radio Frecuencia que componen el dispositivo. Se realizo un estudio de Resonancia en PCBs Blindados [12]-[13]-[14], en la misma banda de frecuencias con la que se trabaja en este dispositivo. Fig. 11.

Figura 11. Blindaje Electromagnético utilizado para los distintos módulos.

IV. IMPLEMENTACIÓN DEL PROTOTIPO En la Fig. 12 se observa una imagen del prototipo final

implementado, donde puede verse el panel frontal del equipo diseñado en aluminio con serigrafía.

Figura 12. Prototipo final del modulo medidor de parámetros S.

V. MEDICIONES Para la verificación de los resultados se tomó como DUT a

un filtro pasabajos con frecuencia de corte de 1600 MHz, el cual fue medido con el equipo desarrollado y con un instrumento comercial calibrado (valor de referencia).

La Fig. 13 muestra el resultado de una medición de módulo de S21 de un DUT, para 3 atenuaciones distintas. La Fig. 14 muestra el resultado de la medición del mismo DUT con un instrumento comercial calibrado. Se observa la similitud de ambas respuestas, con la excepción del riple (picos y valles) presente en la medición del modulo desarrollado. Este riple se debe a que el sistema no cuenta aún con un proceso automático de calibración, cuya implementación será el objeto del próximo trabajo de investigación

Figura 13. Medición de S21 para tres atenuaciones diferentes.

Figura 14. Grafico del DUT medido con el instrumento comercial.

VI. CONCLUSIONES. Se ha desarrollado e implementado un módulo de medición

de Parámetros S cuyas prestaciones son comparables a equipos comerciales, con una interfaz de operación sencilla y a muy bajo costo de fabricación, por lo que alcanza a suplir costosos instrumentos.

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Se ha logrado definir una arquitectura que cumple con los objetivos planteados, y en el camino de consecución de esta meta, se ha profundizado el conocimiento sobre VNAs, barredores, topologías e instrumentación de alta frecuencia en general. Definitivamente se ha logrado crear una línea de investigación en instrumentos de RF y MW.

Se ha generado y transferido conocimiento, especialmente a los estudiantes, lo cual es uno de los objetivos primordiales del laboratorio, ya que permite la formación de recursos humanos especializados en un área tan compleja y requerida por la industria, como el desarrollo en microondas.

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Fernando Bianco. Nació en Coronel Moldes, Córdoba, Argentina, el 14 de abril de 1948. Se graduó como Ing. Electricista Electrónico en la Facultad de Ciencias Exactas Físicas y Naturales de la Universidad nacional de Córdoba en 1974 y como Especialista en Tele comunicaciones Telefónicas, en la FCEFyN-UNC, en 2006. Desde el año 1998 hasta la actualidad se desempeña como profesor de

postgrado en la Maestría de ciencias de la Ingeniería, mención telecomunicaciones, de la FCEFyN-UNC. En el año 1998 es nombrado Profesor Titular de la cátedra Electrónica Analógica III de la FCEFyN-UNC y en el año 2005 es designado director del laboratorio de RF y Microondas (LARFyM) de la FCEFyN-UNC. En el año 2010 es designado director del departamento de Electrónica de la FCEFyN-UNC.

Germán Naldini. Nació en Córdoba, Argentina, el 17 de junio de 1957. En 1990 se graduó como Ing. Electricista Electrónico en la Facultad de Ciencias Exactas Físicas y Naturales de la Universidad nacional de Córdoba y como Especialista en Telecomunicaciones Telefónicas en el año 2003 y Magíster en ciencias de la Ingeniería, Mención Telecomunicaciones, en el año 2008 en la FCEFyN-UNC. En

el año 2002 es nombrado titular de cátedra de comunicaciones satelitales en el Instituto Universitario Aeronáutico (IUA). Desde el año 2003 se desempeña como profesor de postgrado en la Maestría de ciencias de la Ingeniería, mención telecomunicaciones, de la FCEFyN-UNC. En el año 2007 es nombrado profesor Adjunto de la cátedra Electrónica Analógica III de la FCEFyN-UNC y en el año 2010 es nombrado subdirector del laboratorio de RF y Microondas (LARFyM) de la FCEFyN-UNC. En el año 2004 es designado miembro del Honorable Consejo Directivo de la FCEFyN-UNC, cargos que desempeña hasta la actualidad.

José Amado. Nació en La Carlota, Argentina, el 13 de Octubre de 1970. En 1990 se trasladó a Córdoba, donde se graduó como Ingeniero Electrónico en la Facultad de Ciencias Exactas Físicas y Naturales de la Universidad nacional de Córdoba. En 1998 ingresa al Instituto Nacional de Tecnología Industrial, donde continua trabajando. Desde el año 2000 se desempeña como Profesor Asistente en la

cátedra Electrónica Analógica III de la FCEFyN-UNC. Desde 2006 es investigador en el Laboratorio de RF y Microondas (LARFYM) de la FCEFyN-UNC

Felipe González. Nació en Córdoba, Argentina, el 16 de Enero de 1984. Se graduó como Ingeniero Electrónico en la Facultad de Ciencias Exactas Físicas y Naturales de la Universidad nacional de Córdoba en el año 2011. Desde el año 2011 se desempeña como Ingeniero en la firma Spinlock, es una empresa de base tecnológica con foco en

aplicaciones industriales de la resonancia Magnética y la Resonancia Cuadrupolar Nuclear.

Santiago Chiale. Nació en Córdoba, Argentina, el 22 de Abril de 1984. Se graduó como Ingeniero Electrónico en la Facultad de Ciencias Exactas Físicas y Naturales de la Universidad nacional de Córdoba en el año 2011. Desde el año 2011 se desempeña como Ingeniero en la firma Industrias Sur, dedicada a la fabricación de productos

electrónicos, especialmente iluminación LED, a cargo del área Ingeniería de Desarrollo y organización de las líneas de producción.

BIANCO et al.: MEASUREMENT MODULE S PARAMETERS 241