Per caratterizzare e analizzare il comportamento dei dispositivi a radiofrequenza e microonde, si affrontano sistematicamente tre temi fondamentali:

1. Quali sono i parametri di interesse in fase di test di un dispositivo?
2. Quali sono gli strumenti necessari?
3. Quali sono le caratteristiche e le prestazioni richieste agli strumenti di misura?

Dean Gooroochurn di Anritsu ci guida nel trovare la risposta a queste domande.

Quali sono i parametri di interesse in fase di test di un dispositivo?

Misuratori di potenza RF di AnritsuCosa è importante misurare e quali risultati o valori limite gli sviluppatori sperano di rilevare, durante il test di un dispositivo RF (radiofrequenza) o MW (microonde)

Tipcamente vengono misurati diversi parametri caratteristici per garantire che il prodotto funzioni come previsto e soddisfi le specifiche. Queste caratteristiche dipendono dal dispositivo specifico e dalla sua applicazione prevista. Il dispositivo in questione può essere un trasmettitore, un componente attivo o passivo, un ricevitore o altro.

L’interesse di progettisti e tecnici è focalizzato su:

• Potenza: misurare la potenza in uscita del dispositivo RF/MW per assicurarsi che soddisfi i livelli di potenza specificati
• Frequenza: verificare che il dispositivo funzioni entro l'intervallo di frequenza specificato. Ciò include il controllo della copertura di frequenza, della gamma di sintonizzazione e di qualsiasi requisito di larghezza di banda
• Rumore di fase: valutare la purezza del segnale di dispositivi come oscillatori o sintetizzatori di frequenza
• Sensibilità: determinare la sensibilità del dispositivo, fondamentale nelle applicazioni come i ricevitori, e valutare la sua capacità di rilevare segnali deboli
• Distorsione di intermodulazione (IMD): valutare la suscettibilità del dispositivo alla distorsione di intermodulazione, che può verificarsi quando più segnali interagiscono all'interno dello stesso
• Figura del rumore: determinare la cifra del rumore del dispositivo, ovvero la quantità di rumore che lo stesso aggiunge ad un segnale. Sono auspicabili valori di rumorosità più bassi, soprattutto nelle applicazioni dove è richiesta un’alta sensibilità in ricezione
• Emissioni spurie: verificare la presenza di emissioni armoniche o spurie indesiderate al di fuori dell'intervallo operativo di frequenza ed assicurare che il dispositivo sia conforme ai limiti di emissione previste dalle normative vigenti

Possiamo anche esaminare i parametri S (Scattering Parameters), un insieme di misurazioni standardizzate utilizzate nell'ingegneria RF/MW per caratterizzare il comportamento di reti, componenti e dispositivi elettrici lineari e stabili nel tempo.

I parametri S sono utilizzati principalmente nell'analisi delle reti e descrivono come i segnali elettrici interagiscono con un dispositivo o una rete, rendendoli uno strumento fondamentale per la progettazione e l'analisi dei circuiti RF e a microonde. Questi parametri sono particolarmente utili per qualificare e comprendere le prestazioni di reti complesse come amplificatori, filtri e linee di trasmissione.

Esistono due tipi principali di parametri S:

• Parametri di scattering diretti, o parametri di trasmissione (S₂₁, S₁₂):

• • S₂₁ (coefficiente di trasmissione): S₂₁ rappresenta il rapporto tra il segnale di uscita e il segnale di ingresso quando il segnale viaggia dalla porta 1 alla porta 2 del dispositivo o della rete. Indica quanto del segnale di ingresso viene trasmesso all’uscita

• • S₁₂ (coefficiente di trasmissione inversa): S₁₂ rappresenta la trasmissione inversa dalla porta 2 alla porta 1. Indica quanto del segnale alla porta 2 è accoppiato alla porta 1

• Parametri di scattering inversi, o parametri di riflessione (S₁₁, S₂₂):

• • S₁₁ (coefficiente di riflessione sulla porta 1): S₁₁ misura la quantità di segnale riflessa verso la porta 1 quando raggiunge la porta di ingresso. Questo permette di quantificare il disadattamento di impedenza alla porta 1

• • S₂₂ (coefficiente di riflessione alla porta 2): S₂₂ è simile a S₁₁ ma misura la riflessione alla porta 2. Quantifica il disadattamento di impedenza sulla porta 2

Ogni parametro S è in genere un numero complesso, che contiene informazioni sia sull'ampiezza che la fase. L'ampiezza fornisce informazioni sull'attenuazione o amplificazione del segnale, mentre la fase descrive lo sfasamento introdotto dal dispositivo.

Oltre ai parametri S di base, è possibile definire parametri S di ordine superiore (ad esempio, S₃₁, S₄₁, ecc.) o parametri differenziali per dispositivi multi-porta, ma i parametri-S più comunemente usati sono per dispositivi a due porte.

Le misurazioni dei parametri S sono essenziali per varie attività di progettazione RF e microonde, in particolare per la caratterizzazione e la modellazione. I progettisti utilizzano i parametri S per capire come si comportano dispositivi come amplificatori, filtri e antenne all'interno di uno specifico intervallo di frequenza.

Quali strumenti sono necessari?

L'esecuzione di misurazioni ad alta frequenza richiede apparecchiature di test specializzate per analizzare e caratterizzare accuratamente i segnali in questi intervalli di frequenza. Gli strumenti possono variare a seconda delle esigenze. I più comuni includono:

• Generatore di segnali: un generatore di segnali genera segnali RF e microonde precisi a frequenze e livelli di potenza specifici, fornendo segnali di stimolo per il test e la calibrazione. I generatori di segnali possono essere generatori di segnali vettoriali per creare schemi di modulazione più complessi o generatori di segnali analogici per creare i segnali modulati più semplici.

• Analizzatore di spettro: gli analizzatori di spettro sono essenziali per la rilevazione e l’analisi nel dominio della frequenza dei segnali RF e a microonde. Visualizzano le ampiezze del segnale rispetto alla frequenza, consentendo la misurazione delle caratteristiche del segnale come frequenza, potenza, armoniche ed emissioni spurie. I moderni analizzatori di spettro possono anche eseguire misurazioni aggiuntive, come  l'analisi dello spettro in tempo reale, o RTSA (Real Time Spectrum Analysis), le misurazione del rumore di fase o l'analisi vettoriale dei segnali, o VSA (Vector Signal Analysis), rendendo lo strumento più versatile

• Analizzatore di reti vettoriale (VNA)Analizzatore di reti vettoriale (VNA): i VNA (Vector Network Analyzer) sono strumenti fondamentali per caratterizzare i parametri S dei dispositivi, misurare i coefficienti di riflessione e trasmissione e determinare l'adattamento di impedenza. A seconda del dispositivoin esame, o DUT (Device Under Test), i VNA possono misurare caratteristiche come guadagno, perdita di inserzione, accoppiamento e isolamento. I moderni VNA dispongono di di funzioni avanzate che permettono di effettuare misurazioni complesse come misure multi-dominio, misurazioni della figura di rumore e test differenziali.

• Misuratore di potenza: i misuratori di potenza misurano con precisione il livello di potenza dei segnali ad alta frequenza. Possono essere basati su vari tipi di sensori e rilevatori che permettono di misurare livelli di potenza CW, media, True RMS, di picco o molto elevati. Oggi è sempre più comune parlare di sensori di potenza USB al posto dei misuratori di potenza da banco . Questi utilizzano un PC come interfaccia di visualizzazione , rendendo la soluzione più leggera, economica e trasportabile rispetto ai misuratori di potenza tradizionali . I sensori USB sono perfetti anche per le misurazioni remote in campo in cui il PC esterno fornisce l’alimentazione.

Quali sono le caratteristiche e le prestazioni richieste agli strumenti di misura?

Generatore di segnaliGeneratore di segnali:

• Intervallo di frequenza: definisce le frequenze che possono essere generate dallo strumento. Più ampia è la gamma operativa in frequenza maggiore sarà il numero delle applicazioni di test.
• Numero di porte: la maggior parte dei generatori di segnali è dotata di una porta RF/MW unica, ma alcuni ne offrono otto o più. Ciò è particolarmente utile per applicazioni multicanale: intermodulazione, coerenza di fase, misurazione conversione di frequenza, ecc.
• Potenza di uscita: una potenza di uscita elevata può evitare la necessità di un utlizzare un amplificatore di potenza esterno, aumentando la potenza trasmessa e semplificando l'impostazione della misurazione
• Attenuatore interno: attenua la potenza del segnale generato, a qualsiasi frequenza. Ciò consente agli utenti di controllare la potenza del segnale emesso, facilitando il condizionamento del segnale, il controllo del rapporto segnale/rumore e le misurazioni con scansioni (swept) o a passi (stepped)
• Purezza del segnale e stabilità: la purezza del segnale si riferisce al rumore di fase, che dovrebbe essere il più basso possibile. La stabilità indica la velocità di invecchiamento del riferimento di frequenza interno dello strumento. Tale parametro assume particolare importanza in ambiti difesa e di metrologia.
• Tipi di modulazione: possono essere analogiche o digitale. Ad esempio, le applicazioni radar utilizzano la modulazione pulsata, mentre le applicazioni cellulari sfruttano gli standard di modulazione digitale (GSM / 3G / LTE / 5G, ecc.).
• Formato fisico: i generatori di segnali sono solitamente in formato “da banco” , adatti per applicazioni ad alte prestazioni. Alcuni produttori di strumenti offrono versioni portatili, perfette per applicazioni sul campo. In genere le versioni portatili non eccellono per prestazioni, ma hanno offrono vantaggi in termini di compattezza e peso, oltre che di consumo energetico.

Analizzatore di spettro e segnaliAnalizzatore di spettro:

• Gamma di frequenza: definisce l’intervallo fra la frequenza minima e la frequenza massima dei segnali RF rilevabile dallo strumento. La tendenza è quella di introdurre analizzatori di spettro in grado di offrire la maggiore copertura possibile in termini gamma di frequenza . Ciò rende lo strumento in grado di essere utilizzato per un maggior numero di applicazioni.

• Generatore interno (tracking): è una funzionalità o un modulo aggiuntivo presente in alcuni analizzatori di spettro avanzati. Fornisce un segnale di uscita controllato e noto utilizzato con l'analizzatore di spettro per eseguire misurazioni e test su dispositivi e circuiti ad alta frequenza. Uno degli usi più frequenti è ad esempio la caratterizzazione della banda passante dei filtri .Ciò consente di risparmiare sui costi, evitando l'utilizzo di un generatore/sintetizzatore esterno ottenendo la funzione di due strumenti in un unico chassis . Il termine "tracking” indica la possibilità del generatore di rimanere sintonizzato all’analizzatore seguendone la scansione in frequenza (sweep). Ciò garantisce che l'uscita del generatore di tracking sia sempre agganciata alla stessa frequenza della frequenza centrale dell'analizzatore, semplificando le misurazioni e consentendo di effettuare confronti accurati. Un tracking generator rende un analizzatore di spettro uno strumento versatile per i test RF, la caratterizzazione e la misurazione di vari componenti e circuiti. È particolarmente utile per applicazioni che richiedono un controllo preciso del segnale di prova e la conoscenza delle sue caratteristiche. Questa configurazione può fungere anche da SNA (Scalar Network Analyser) dove, a differenza del VNA, soltanto il valore di ampiezza viene misurato.

• Rumore di fondo o DANL (Displayed Average Noise Level): questa specifica critica caratterizza la capacità dell'analizzatore di misurare segnali deboli o rilevare segnali di basso livello in presenza di rumore. Il valore DANL (espresso in dBm) rappresenta il livello minimo di segnale rilevabile che l'analizzatore di spettro può visualizzare sul proprio schermo mantenendo un certo livello di precisione. In altre parole, indica la sensibilità dell'analizzatore verso i segnali deboli. Un valore DANL più basso implica una migliore sensibilità, poiché l'analizzatore può rilevare e visualizzare efficacemente i segnali più deboli

• Funzionalità avanzate: i moderni analizzatori di spettro sono dotati di architetture hardware e software sofisticate che offrono funzionalità di misurazione avanzate e complesse le quali rendono lo strumento compatibile con molte più applicazioni di misurazione: onde millimetriche, demodulazioni digitali, analisi a banda larga (FFT e RTSA), misure automatiche del rumore di fase, misure della cifra di rumore, etc.

• Tipo di strumento: i primi analizzatori di spettro erano unità da banco. Oggi stanno emergendo gli analizzatori di spettro “palmari” , con prestazioni molto prossime a quelle dei prodotti da banco che possono essere utilizzati anche in ambienti di laboratorio o produzione. La differenza sostanziale rimane il formato fisico dello strumento, che offre il beneficio della portatilità, molto vantaggioso per applicazioni in campo o in linee di produzione per effettuare test a campione.

*Dean Gooroochurn è Field Application Engineer in Anritsu EMEA