Si alguna vez ha tenido que medir señales de alta frecuencia (por ejemplo, en un collage o en un trabajo), es muy probable que sepa que el Vector Network Analyzer (VNA) debe calibrarse para tener en cuenta los cables y otros errores lineales. Esto se hace conectando estándares conocidos (abierto, corto, carga y a través) al dispositivo bajo prueba. Al igual que cualquier buen equipo de medición, estos estándares pueden ser increíblemente caros; Es fácil gastar unos pocos miles de dólares en un kit de prueba.

Si bien esto ciertamente es importante para las mediciones de alto nivel, a menudo no es económico para el uso diario, especialmente si necesita algunos juegos o no quiere arriesgarse a un equipo costoso cuando se lo entrega a los estudiantes (como yo). Claro, puede obtener alternativas baratas, pero a menudo tienen un bajo rendimiento a altas frecuencias.

En este instructivo te mostraré cómo hacer. estándares de alta calidad de SMA, adecuado hasta 23GHz, por alrededor 6 $ cada uno. El diseño propuesto es el resultado de varias iteraciones, optimizadas para la mejor respuesta de frecuencia. Dependiendo de sus requisitos, también puede elegir una variación para una respuesta de baja frecuencia aún mejor o una calificación de potencia más alta para una frecuencia máxima más baja. El rendimiento se ha confirmado con un analizador de red vectorial calibrado R&S ZVK 40GHz.

Si bien este proyecto se realiza principalmente como un desafío personal, fue emitido y financiado por mi universidad, que acordó publicar la documentación en mi cuenta personal de instrucción. También me han proporcionado el VNA mencionado anteriormente y un kit de calibración adecuado para comparar mi compilación. ¡Gracias!

Aunque este instructivo está escrito principalmente para fabricantes avanzados o para uso académico, debo señalar que mi propia experiencia con el diseño de HF es limitada. Cada iteración se basa en experimentar con algunas ideas y en perfeccionar la que funcionó mejor.Por favor, disculpe la falta de fotos y medidas en las compilaciones intermedias, inicialmente no planeaba publicar este trabajo.

Este instructivo también se duplica como documentación oficial del proyecto. Si mi universidad le ha dado este estándar de calibración, contácteme en [email protected] con la dirección de correo electrónico de su universidad para obtener una copia de este en formato PDF y todos los documentos que tengo.

Suministros:

Paso 1: Resumen de Investigación y Experimentos

En las frecuencias altas, todo se convierte en un componente eléctrico: un mm de cable adicional, una gota de soldadura, todo . Por lo tanto, no es sorprendente que la selección cuidadosa de componentes sea tan importante como el diseño real. A continuación encontrará los detalles de cada paso de iteración.

Después de algunas investigaciones, encontré esta entrada de blog de Andrey E. Stoev, quien usó y recomendó una resistencia de alta frecuencia clasificada 0603. Por decir lo menos, las mediciones del primer prototipo fueron decepcionantes (solo alrededor de -3dB absolutos en la frecuencia objetivo de 18 GHz).

Una mejora importante se archivó al soldar la resistencia verticalmente en el centro del conductor, lo que me llevó a suponer que un diseño simétrico es crítico. El resultado sigue siendo malo, pero el doble de bueno que antes (-6dB absoluto a 18GHz).

Varias construcciones experimentales adicionales indican que el tamaño del componente también tiene un gran impacto. Para pruebas adicionales usé resistencias SMD genéricas 0805, 0603, 0402 y 0201. En general, reducir el tamaño de los componentes (longitud) a la mitad parece duplicar el rango de frecuencia utilizable. Sin embargo, los componentes más pequeños tienen varios inconvenientes, lo más importante es el ensamblaje extremadamente complicado. Sin las medidas adecuadas (y que requieren mucho tiempo) es casi imposible usar componentes 0201, ya que es muy probable que se produzcan cortocircuitos.

También investigué el efecto de múltiples resistencias paralelas como lo sugiere este artículo de Claudio Girardi. La mayoría de las versiones de prueba tuvieron una mejor respuesta de frecuencia, al menos hasta cierto punto. Para el tamaño 0402, tres resistencias de 150Ω en paralelo fueron mejores que 2x100Ω, 4x200Ω y 6x300Ω. La misma prueba también se realizó con 0201 para hasta tres partes, pero la resistencia única de 49.9Ω fue mejor que 2x100Ω y 3x150Ω. También se probó un diseño en forma de estrella de resistencias de 300Ω (dos verticalmente y cuatro planas, en cada lado), pero se realizó peor que cualquiera de las otras construcciones.

La cantidad de cobertura de soldadura en la parte posterior también parece tener un efecto en el rendimiento. Para operaciones de hasta 18 GHz, parece razonable recubrir la cinta de cobre con una capa uniforme de soldadura. El rendimiento ligeramente mejorado en frecuencias aún más altas (aproximadamente -6dB en relación a f> 25 GHz) se puede archivar cubriendo los 4 lados con soldadura.

La cinta kapton, que debe agregarse por motivos de fabricación, no parece influir en el rendimiento de manera significativa. Se puede quitar empapando el conector con alcohol isopropílico durante unos segundos y tirando suavemente de las tiras con unas pinzas. Puede tomar aproximadamente media hora hasta que todo el solvente se haya evaporado y la medición se estabilice. Debido al bajo impacto, debería dejarlos en su lugar y agregar cobertura de soldadura en todos los lados como se mencionó anteriormente.

Para mantener bajo el costo de las iteraciones, los conectores se han reutilizado muchas veces. Una carga particular mostró un resultado muy pobre (10dB-20dB peor en todas las frecuencias) a pesar de la construcción idéntica. Asumí que esto se debe a cambios dentro del dieléctrico cuando se expone repetidamente a altas temperaturas.

El experimento se repitió con nuevos conectores, desafortunadamente los resultados mejoraron solo un poco. Me he dado cuenta de que la tensión mecánica en el caso cambia las medidas. Exprimir las partes "malas" aporta mejoras de hasta 8dB, pero también puede empeorar las cosas. Supongo que el estrés mecánico inducido por el calor durante la soldadura es un contribuyente principal para las construcciones defectuosas, pero no volví a investigar esto.

Mi universidad solicitó cuatro referencias de carga que se hicieron de acuerdo con las instrucciones a continuación. A pesar de la construcción idéntica, la respuesta de frecuencia medida varía entre "buenas" partes de 5dB (f <10GHz) a 8dB (10GHz <f <18GHz). Esta figura no incluye construcciones fallidas con un rendimiento mucho peor. Los 3^rd La coincidencia (gráfico C) no es tan buena, pero aún así es algo utilizable. Los 4^th El partido falló (corto) antes de que pudiera tomar la medición final. Lo más probable es que sea causado por una tensión mecánica interna, por lo que es necesario investigar más la confiabilidad del dispositivo de uso regular.

El diagrama anterior se registró con un analizador de red vectorial R&S ZVK 40GHz calibrado (ambos se muestran en el siguiente paso). Obviamente, la calibración no es perfecta, el pico a 380Mhz no debería estar allí, pero no pude encontrar la falla en la configuración. El gráfico azul etiquetado "HP902C" es una medida de una segunda coincidencia (que ha estado en el laboratorio) y se agregó como un valor objetivo de referencia. Comparado con el partido de Claudio Girardi (2^{Dakota del Norte} diagrama) el mío es ligeramente peor en frecuencias <1 GHz debido a la peor precisión de las resistencias.

Paso 2: Herramientas y materiales

Herramientas:

• Pinzas de punta afilada para uso general.
• pinzas, punta extra afilada (o lo suficientemente económica para hacerla más afilada)
• pinzas, punta ancha y aburrida
• vicio
• archivo, varios pequeños
• sierra de calar con una sierra de corte de metal
• Sierra o dremel para cortar el tubo.
• Estación de soldadura, temperatura regulada con al menos 50W, punta fina (0.4mm)
• cepillo antiestático
• multimetro
• tijeras o cuchillo de uso general
• Más ligero (o estación de aire caliente si quieres ir elegante)
• Microscopio de trabajo, pero si tiene buena vista, una luz brillante puede ser suficiente
• VNA calibrada

Consumibles:

• soldar, con plomo (temperatura más baja, juntas más confiables y mejor flujo de soldadura), 0,5 mm de espesor
• Flujo, no limpio, prefiero el tipo de líquido en una pluma de flujo
• limpiador de soldadura de hierro, se recomienda bronce seco / cobre, pero la esponja de soldadura húmeda también está bien
• cinta kapton o cualquier otra cinta delgada, resistente al calor (300 ° C)
• Cinta de cobre. Usé cinta de 3 mm de ancho y luego la corté más delgada.
• alcohol isopropílico (grado de laboratorio, 99% puro)
• toallas de papel
• papel de lija, rejilla 120-400

Materiales de

• Conector SMA, utilicé el Amphenol 901-9895-RFX clasificado hasta 18 GHz, no escatime aquí
• Resistencias SMD, tipo dependiendo de la aplicación, ver el siguiente paso
• Tubo de latón, 8 mm de diámetro interno (utilicé cobre, pero solo porque lo tenía a mano)
• tubo termorretráctil, de aproximadamente 10 mm de diámetro (17 mm de ancho plano), varios colores (si lo desea)
• caja para almacenamiento + relleno de espuma (opcional)

Paso 3: Selección de resistencia

Dependiendo de sus requisitos, puede elegir una de las siguientes configuraciones:

	0201 49.9Ω 1%	0402 50Ω 0.1%	2-3 0402 1% paralelo
Función clave	Mejor respuesta de alta frecuencia.	Mejor respuesta de baja frecuencia.	Clasificación de potencia más alta
Frecuencia -20 dB (typ)	23 Ghz	N / A	14 Ghz
-30 dB de frecuencia (tip)	10 Ghz	N / A	5 Ghz
reflexión de baja frecuencia *	-44dB	-66dB	-46dB
Potencia nominal	30 a 50mW	50mW	100mW a 300mW
Costo por parte	<0.10$	2,26 $ (@ 1pcs.)	<0.30$
Parte No.	genérico	FC0402E50R0BST1	genérico
Resumen
Frecuencia	★★★	N / A	★
Poder	★	★★	★★★
Costo	★★★	★	★★
Facilidad de montaje	★	★★★	★★
Confiabilidad	★★	★★★	★

Tenga en cuenta que no pude probar la resistencia de 50 ohmios especificada en el tamaño 0402 (la calificación de estrellas se basa en una parte 0402 genérica), pero si lo hace, por favor contácteme, así que puedo agregarla a la lista.

* estimación basada en tolerancia de resistencia

Paso 4: Acortar el pin central

Para este proyecto necesitamos deshacernos del pin central ya que actúa como un pedazo de cable innecesario. Corte la mayor parte de la longitud con una pequeña sierra y lime el resto al ras del dieléctrico. Hacer ni siquiera intentarlo cortarlo con cortadores laterales ya que probablemente los dañará.

Luego, limpie el área a fondo con el cepillo antiestático y algo de alcohol isopropílico, ya que el polvo disminuirá el rendimiento.

Paso 5: Afilar las pinzas (opcional)

A pesar de que tengo todas mis pinzas súper baratas (un paquete de 8 por 8 $), funcionan razonablemente bien para todos los componentes de tamaño 0402 o mayor. Para mantener firmemente 0201 piezas en su lugar, tuve que "afilar" la punta de un par con una lima y papel de lija. Claro, también puedes simplemente comprar un par adecuado en su lugar.

Paso 6: Resistencias de soldadura juntas (opcional)

Cuando planea usar resistencias múltiples como la carga, la forma más fácil es "agruparlas" antes de soldarlas al conector. Pegue los resistores verticalmente en una fila en un pedazo de cinta kapton. Manténgalos presionados con unas pinzas mientras toca la punta recién limpiada de un soldador en un extremo. Cuando se termina un lado, voltéelo al revés y repita el proceso para el otro lado.

Paso 7: Resistencia de soldadura al centro

A diferencia de la mayoría de los conectores, este utiliza teflón como aislante, que no solo tiene propiedades superiores de HF, sino también un punto de fusión bastante alto de 326 ° C. Para tener en cuenta la pérdida de temperatura del elemento calefactor en la punta, he ajustado la temperatura de mi plancha a 330 ° C. La alta temperatura mejora significativamente el flujo de soldadura y promueve mejores juntas de soldadura. Para esto también es útil estañar y limpiar la punta regularmente.

Antes de que pueda colocar la (s) resistencia (s) que necesita para estañar la almohadilla primero. Aplicar la soldadura hasta formar una pequeña cúpula. Esto asegura un área de superficie suficientemente grande para una buena transferencia de calor. Agarre la resistencia y colóquela verticalmente en el borde de la almohadilla mientras sostiene el soldador en su lugar. Después de unos segundos, la soldadura debería haber humedecido el contacto de la resistencia (en realidad se puede ver esto cuando se trabaja bajo un microscopio). Empuje la resistencia hacia el centro y retire el soldador con un solo movimiento. Es posible que necesite algunos intentos para obtener este derecho.

Elimine el flujo restante con un cepillo antiestático y algo de alcohol isopropílico. Esto se dobla como una prueba de calidad, una buena unión de soldadura no se romperá incluso si la cepilla con fuerza.

Paso 8: Aplicar la cinta de Kapton

Cuanto más pequeña es la resistencia, más fácil es el cortocircuito cuando le suelda la cinta de cobre. Para evitar esto, coloque alrededor de 1-1.5 mm de ancho de cinta kapton a cada lado de la resistencia, como se muestra. Para cortes limpios, puede pegar la cinta a una estera de corte y cortarla con un cuchillo de uso general afilado.

Paso 9: Añadir conexión a tierra

Para obtener un buen rendimiento, debe proporcionar una conexión a tierra sólida al segundo terminal. La cinta de cobre es ideal ya que puede soldarse y aplicarse fácilmente.

Cortar una pieza corta y hacerla lo suficientemente delgada como para encajarla entre los pasadores como se muestra en la imagen de arriba. Utilice las pinzas pokiest de utilidad que tiene para hacer un agujero cuadrado en el medio. Despegue el papel hacia atrás y alinee el orificio con la resistencia. Cualquier exceso de cinta debe ser cortado.

Suelde la resistencia a la cinta con solo un poco de soldadura. Mida la resistencia entre esta nueva junta de soldadura y el pin central del conector; si no es 50Ω ± 0.5Ω, busque la junta de soldadura corta o mala antes de continuar. Desafortunadamente, el calor puede cambiar la resistencia y cambiar su valor, en cuyo caso necesita reemplazarlo.

Cuando todo esté bien, caliéntelo en el costado del conector con la mayor área de contacto posible. Añadir un montón de soldadura, puede utilizar la imagen como referencia. Asegúrese de que la soldadura haya cubierto bien todos los pines. Si lo desea, puede agregar dos piezas cortas de cinta de cobre, una en cada lado abierto y cubrirlas con soldadura después.

Paso 10: Hacer el caso

Corte un trozo de tubo de 1 cm y retire todos los bordes afilados. Si no encaja sobre los cuatro pines, retire un poco de material del conector. Suelde solo en los bordes del conector con algún flujo adicional. El otro extremo del tubo se deja intencionalmente abierto para evitar que se acumule humedad. Por último añadir un trozo de tubo termorretráctil.

Paso 11: "Sintoniza" cada partida

Como se mencionó en el Paso 2, la tensión mecánica influye en las mediciones. Este conocimiento se puede utilizar para "sintonizar" cada dispositivo apretándolo suavemente con unos alicates. Tenga cuidado, este método puede ser contraproducente y arruinar la pieza muy fácilmente. Yo sugeriría usarlo solo de otra manera partes inutilizables.