Descripción de S11 y S22 (parámetros de reflexión en cada puerto)

Magnitud logarítmica

En una red de RF de dos puertos (como un conjunto de cables), S11 y S22 son los parámetros S de reflexión en el puerto 1 y el puerto 2, respectivamente. Cuantifican la cantidad de señal incidente que se refleja en la entrada de cada puerto debido a la falta de coincidencia de impedancia. En términos prácticos, S11 mide la pérdida de retorno mirando hacia el puerto 1 (con el puerto 2 terminado en 50 Ω), mientras que S22 mide la pérdida de retorno mirando hacia el puerto 2. Tanto S11 como S22 revelan la coincidencia de impedancia en sus respectivos extremos, lo que esencialmente indica qué fracción de la señal rebota desde cada puerto en lugar de viajar. Un puerto bien emparejado tiene una pequeña reflexión (baja |S11| o |S22|), mientras que un puerto mal adaptado refleja una mayor parte de la señal.

Magnitud logarítmica y pérdida de retorno en pruebas de parámetros S

Al examinar los parámetros S, los ingenieros suelen ver los resultados en forma de magnitud logarítmica (dB). La magnitud del registro (a veces etiquetada como "LogM" en los analizadores de red) es simplemente 20·log10(|S|) en decibelios. Expresar S11 o S22 en dB facilita la interpretación de pequeñas reflexiones en un amplio rango dinámico. Esta magnitud logarítmica es esencialmente la pérdida de retorno cuando se trata de coeficientes de reflexión. Un valor de dB más negativo para S11 o S22 indica una señal reflejada más pequeña (por lo tanto, una mejor coincidencia). Por ejemplo, un S11 de –20 dB significa que solo se refleja alrededor del 1% de la potencia (pasa el 99%), mientras que –10 dB corresponde a ~10% de reflexión. En otras palabras, mayor pérdida de retorno (en dB) = menor reflexión, que es lo deseado. La medición de S11 o S22 en escala logarítmica permite a los técnicos ver rápidamente qué tan bien coinciden los extremos del cable: cada –6 dB adicionales de pérdida de retorno significa que la potencia reflejada se reduce a una cuarta parte (ya que la potencia está en una escala logarítmica).

T11 vs S22: Pérdida de retorno en el puerto 1 vs puerto 2

S11 (LogM)

• Prueba específicamente el comportamiento de reflexión del puerto 1. En la práctica, para medir S11 del conjunto de cables, el puerto 1 del VNA se conecta a un extremo SMP-hembra del cable y el otro extremo (puerto 2) termina en una carga conocida de 50 Ω (a menudo el puerto 2 del VNA durante una medición de dos puertos). La lectura S11 (en dB) nos dice cuánta señal se refleja en el puerto 1 en comparación con la entrega en el cable. Esta es efectivamente la pérdida de retorno que mira hacia ese extremo del ensamblaje, que abarca el conector y cualquier discontinuidad cerca del puerto 1. De la misma manera 

S22 (LogM)

• ¿Es el reflejo que se ve mirando en el puerto 2 del ensamblaje? Al medir S22, los roles se invierten: el puerto 2 es controlado y el puerto 1 es la terminación. S22 en dB indica qué parte de la señal incidente del puerto 2 se refleja hacia el puerto 2. En otras palabras, S22 mide la pérdida de retorno en el extremo opuesto del cable (el segundo conector SMP-hembra). Juntas, estas dos mediciones aíslan el rendimiento de cada extremo: S11 revela reflexiones en el extremo del puerto 1 y S22 revela reflexiones en el extremo del puerto 2. Si un extremo del conjunto de cables está menos adaptado (por ejemplo, debido a un problema de conector o defecto de ensamblaje), el parámetro S correspondiente (S11 o S22) mostrará una reflexión más alta (un valor de dB menos negativo) para ese extremo.

Simetría vs. asimetría en el rendimiento del ensamblaje de cables

Ejemplos de gráficos de parámetros S de un conjunto de cables coaxiales (magnitud frente a frecuencia de hasta 40 GHz). S11 (arriba a la izquierda) y S22 (abajo a la derecha) indican una buena pérdida de retorno en general, pero una resonancia distinta en la curva S22 (~18 GHz) está ausente en S11, lo que destaca una asimetría o un desajuste específico en el puerto 2.

Un conjunto de cable coaxial ideal es una red pasiva recíproca, por lo que esperamos que se comporte simétricamente desde cualquier extremo. De hecho, para un cable perfecto y sin pérdidas con conectores idénticos, los reflejos en ambos extremos serían los mismos (S11 = S22 en magnitud). En ensamblajes del mundo real, si la construcción es realmente simétrica y ambos conectores SMP-hembra son idénticos y están instalados correctamente, S11 y S22 deberían ser trazas casi idénticas en toda la frecuencia. Cualquier diferencia significativa entre la pérdida de retorno S11 y S22 indica que el sistema no es perfectamente simétrico.

Las pequeñas discrepancias entre S11 y S22 son comunes y generalmente se pueden atribuir a pequeñas diferencias físicas en los dos extremos. Por ejemplo, las tolerancias de fabricación o los procesos de ensamblaje pueden hacer que un conector tenga una profundidad de clavija o una interfaz dieléctrica ligeramente diferentes. Incluso si el cable y los conectores son nominalmente iguales, un extremo podría tener una protuberancia de impedancia sutil que el otro extremo no tiene. La asimetría en el conjunto de cables, ya sea debido a un estilo de conector diferente, una curva en un extremo o una ligera imperfección del conjunto, se manifestará como S11 ≠ S22. En los gráficos de ejemplo anteriores, aparece una muesca pronunciada (caída de pérdida de retorno alta) alrededor de 18 GHz en S22 pero no en S11, lo que significa una resonancia o desajuste específico del lado del puerto 2. En un ensamblaje verdaderamente simétrico, tal característica aparecería de manera idéntica tanto en S11 como en S22 (o no aparecería en absoluto). Por lo tanto, los ingenieros interpretan las diferencias entre S11 y S22 como una pista de diagnóstico: el final con la pérdida de retorno más pobre o la respuesta de frecuencia anómala es probablemente el lado con un conector o un problema de construcción.

Consideraciones sobre la coincidencia de conectores y la calidad del ensamblaje

La coincidencia de conectores y la calidad general del ensamblaje afectan directamente los resultados de S11 y S22. Un conector SMP-hembra (como cualquier conector RF) tiene una geometría interna que necesita pasar suavemente del cable coaxial de 50 Ω a la interfaz del conector. Si esa transición está bien diseñada y ensamblada correctamente, el conector presentará una carga de casi 50 Ω a las señales entrantes, lo que producirá una baja reflexión (alta pérdida de retorno). Los conectores SMP de alta calidad están diseñados para una excelente continuidad de impedancia: por ejemplo, los conectores de cable SMP rectos pueden alcanzar una pérdida de retorno del orden de 23 dB de hasta 20 GHz. Esto significa que cada conector refleja muy poco de la señal cuando se acopla correctamente a un sistema de 50 Ω.

Sin embargo, las imperfecciones de ensamblaje pueden socavar esa combinación. En un conjunto de cables de 4 pulgadas, la corta longitud significa que la mayoría de los problemas de pérdida de retorno provienen de los conectores y de cómo están conectados. Si un conector hembra SMP no está instalado con la misma precisión que el otro, su interfaz de acoplamiento puede tener un pequeño espacio de aire, un dieléctrico desalineado o un conductor central ligeramente sobresaliente. Estas pequeñas diferencias físicas crean discontinuidades de impedancia que reflejan la energía. Por ejemplo, un ligero espacio o exceso de soldadura en el conector puede introducir una protuberancia capacitiva o inductiva, causando una mayor reflexión a ciertas frecuencias. El resultado sería que el parámetro S para ese extremo (S11 o S22) muestra una peor pérdida de retorno o tal vez una muesca / caída a una frecuencia particular (como en el ejemplo anterior). Por el contrario, el extremo opuesto, si se ensambla correctamente, mostraría una respuesta más suave con reflexiones más bajas.

Debido a que los conectores SMP funcionan a frecuencias muy altas (hasta ~ 40 GHz para SMP estándar), incluso las variaciones muy pequeñas (fracciones de milímetro en la posición del pin o espaciado dieléctrico) pueden afectar la pérdida de retorno. Un ensamblaje simétrico requiere una calidad de conector constante en ambos extremos: el mismo tipo de conector, el mismo proceso de ensamblaje, el par y la soldadura adecuados, etc. En la práctica, los técnicos de RF prestan mucha atención a la conexión del conector: recortan el cable con precisión, se aseguran de que el dieléctrico esté al ras y que el conector esté completamente asentado. Las buenas prácticas de montaje producirán S11 y S22 que son bajos (por ejemplo, mejores que –20 dB) y muy parecidos entre sí. Por el contrario, si S11 vs S22 difieren por un amplio margen (por ejemplo, un extremo es 10 dB peor), a menudo es un signo de un problema de ensamblaje como una férula mal engarzada, una junta de soldadura defectuosa o incluso un conector dañado en el extremo de menor rendimiento.

Implicaciones prácticas de los resultados de S11 vs S22

Las diferencias en S11 y S22 tienen consecuencias prácticas tanto para las pruebas como para el uso del conjunto de cables. En un escenario ideal, un conjunto de cables debería funcionar igual de bien independientemente del extremo que esté conectado a la fuente o carga. Si S11 y S22 son altos (por ejemplo, –20 dB o mejor) y aproximadamente iguales, el cable se puede usar en cualquier orientación con confianza: ambos extremos SMP están bien emparejados, lo que minimiza los reflejos en el equipo conectado. Esto indica buenas coincidencias de conectores y calidad general del ensamblaje, por lo que el cable transferirá energía de manera eficiente y predecible en aplicaciones reales.

Por otro lado, si un puerto muestra una pérdida de retorno más pobre que el otro, el conjunto de cables tiene efectivamente un "extremo débil". Por ejemplo, supongamos que S11 es –25 dB (excelente) pero S22 es solo –12 dB. En uso, el extremo del puerto 2 (con una pérdida de retorno de –12 dB) reflejará aproximadamente el 6% de la potencia en la fuente (ya que –12 dB ≈ el 6% reflejado), en comparación con solo ~0,3% reflejado en el extremo del puerto 1 (–25 dB). Esto tiene algunas implicaciones:

Falta de coincidencia del conector:

• El dispositivo o instrumento conectado al extremo peor (puerto 2 en este caso) verá un desajuste de impedancia significativo. Si ese extremo se conecta, por ejemplo, a un transmisor o un puerto de medición sensible, la reflexión más alta podría distorsionar la medición o incluso estresar la fuente (un VSWR alto puede causar un voltaje más alto en las salidas del transmisor). Por lo tanto, se podría conectar preferentemente el extremo mejor emparejado al equipo crítico para reducir posibles problemas, aunque lo ideal es que el cable se arregle o reemplace. Como dijo un ingeniero de RF, el objetivo es hacer que tanto el S11 como el S22 sean "lo más bajos posible" (es decir, reflexiones lo más pequeñas posible) porque cualquier potencia reflejada se desperdicia esencialmente y puede interferir.

Control de calidad del montaje:

• Una diferencia notable entre S11 y S22 alerta al técnico para que inspeccione el cable. Es posible que solicite volver a medir después de volver a terminar el extremo defectuoso o apretar la interfaz del conector. En la fabricación, las pruebas de pérdida de retorno en ambos extremos a menudo son parte del control de calidad precisamente por esta razón: para detectar una situación en la que, por ejemplo, un conector no se soldó correctamente o la profundidad de un pin está fuera de las especificaciones. El resultado práctico es que el rendimiento de cada puerto debe cumplir con las especificaciones para que el ensamblaje se considere bueno. Si el puerto 2 muestra –12 dB cuando la especificación es, digamos, ≤ –15 dB, es probable que el ensamblaje sea rechazado o reelaborado incluso si el puerto 1 estuviera bien.

Rendimiento portuario en sistemas:

• Si se debe usar un cable con una coincidencia asimétrica, los diseñadores de sistemas pueden tenerlo en cuenta. Por ejemplo, el puerto con mayor reflexión podría conectarse a un puerto que tenga un aislador o una almohadilla atenuadora después, para amortiguar la reflexión. En configuraciones de prueba, se puede calibrar el VNA con el cable en su lugar; la calibración puede anular matemáticamente algunos efectos del cable, pero un fuerte desajuste aún puede volver a reflejarse entre el cable y el DUT e introducir ondulación. Por lo tanto, una alta pérdida de retorno (baja reflexión) en ambos extremos es especialmente importante para mediciones de precisión (para evitar la incertidumbre de medición debido a múltiples reflexiones).

En resumen

Los resultados de S11 vs S22 guían tanto la solución de problemas como el uso: una discrepancia apunta a un problema de conector o compilación en el lado más pobre, y en el campo significa que ese lado causará más problemas relacionados con la reflexión. La mejor práctica es asegurarse de que ambos extremos de un conjunto de cables de RF tengan una excelente pérdida de retorno para que el cable no se convierta en el factor limitante en el rendimiento del sistema.