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MEDICIONES EN RADIOFRECUENCIA
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TERMOCUPLA. La termocupla ha mejorado en los últimos años y hoy día presentan mejores
prestaciones que el
bolómetro a termistor. El principio de la termocupla responde a la ley de Coulomb donde se
afirma que si se calienta el
extremo de un metal se producen electrones libres que migran al otro extremo produciendo un
campo eléctrico lo cual
determina una diferencia de potencial denominado fuerza electromotriz de Thomson.
El efecto Peltier dice que 2 metales diferentes en contacto, como tienen distinta densidad
de electrones, producen una
difusión y una emf (fuerza electromotriz). La termocupla es la unión de 2 metales que se
calientan en un extremo y del otro
se mide la emf. Ambos efectos (emf de Thomson y emf de Peltier) producen un voltaje
termoeléctrico conocido como efecto
Seeback.
La técnica de película delgada unida al metal nitrato de tantalio es la base tecnológica de
las termocuplas actuales. En la Fig
04 se muestra un ejemplo del ensamble usado en la práctica. El nitrato de tantalio es el
material resistivo que se usa para
convertir en calor la potencia eléctrica y se deposita como una película delgada sobre un
sustrato de Si aislado por SiO2. Se
tienen 2 termocuplas de 100 ohm cada una con lo cual en paralelo poseen una impedancia de
50 ohm igual a la de la línea de
transmisión. La salida de la termocupla es de muy bajo nivel (160 nV
para 1 μw) lo cual afecta a la conexión del detector con el voltímetro por
ello lleva anexo al detector un conversor chopeado con amplificador.
DIODO DETECTOR. El diodo detector es un elemento muy usado
para convertir valores pico de potencia en lugar del valor medio como
en los casos anteriores. Su ventaja en pequeños niveles es obvia para ser
usado como monitor permanente en las etapas de potencias de los
equipos transreceptores. Los diodos con juntura metal-semiconductor
Schottky permiten medir hasta niveles de -70 dBm y hasta 18 GHz, por
ejemplo. En la actualidad, existen diseños que permiten medir potencia
promedio en lugar del valor pico y que por lo tanto sirven para
modulación de amplitud como ser en QAM.
El MS-Schottky permite un rango de -20 a -70 dBm y de 10 MHz a 18
GHz. Consiste en un sustrato monocristalino de Si, oxidado en su
superficie (SiO2) para aislación y protección y con un metal de baja
barrera. El diodo detector es 3000 veces más eficiente que la termocupla
en convertir potencia de RF en tensión continua DC; por ello para -70
dBm el diodo entrega 50 nV. Para estos niveles tan pequeños de
potencia se requiere un circuito de conexión con chopeado como para la
termocupla.
MEDICIONES EN RADIOFRECUENCIA
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3- PERDIDA DE RETORNO
Hasta el momento se estudió el Analizador de espectros
(para medir potencia, frecuencia o ruido) y el Analizador de
redes vectoriales (para medir linealidad de amplitud y
retardo de grupo). Ahora se introduce el analizador de redes
escalares SNA (Scalar Network Analysis) que permite medir
impedancia y características de transmisión como ser la
pérdida de retorno. Las magnitudes escalares son aquellas
que solo difieren en módulo, en tanto que las vectoriales
difieren en módulo y en fase. Es así que en la medición de
retardo de grupo se toma en cuenta la distorsión sobre la
fase de la señal. El concepto de magnitud vectorial (números
complejos) fue introducido por el matemático Leonhard
Euler, muerto en 1783 luego de introducir los símbolos –ecomo
base de logaritmos naturales, el símbolo –i- para la
raíz cuadrada de menos uno y el símbolo f( ) para las
funciones.
3.1- BANCO DE MEDICION.
En la Fig 05 se muestra un diagrama muy esquemático del SNA que consiste de 3 componentes:
-Fuente de microondas con barrido (Swepp) para estudiar las características en función de
la frecuencia.
-Separador de señal que toma una nuestra de la señal incidente, reflejada y transmitida.
-El detector de señal que puede ser térmico (termistor, termocupla) o un diodo (Schottky o
de punto de contacto).
-El detector a diodo es más rápido con mayor rango dinámico y ancho de banda.
-El display para desplegar en la pantalla en resultado de las medidas en función de la
frecuencia.
Como separador direccional se utiliza un acoplador direccional, un puente direccional o un
splitter de potencia resistivo. El
puente direccional es similar al conocido puente de Wheatstone. Sobre el separador se
define el factor de acoplamiento entre
la puerta 2-a-3, el factor de aislación entre la puerta 1-a-3 y el factor de directividad
entre la puerta 1-a-2. El instrumento se
utiliza fundamentalmente para medir la adaptación de impedancia entre la salida del
transmisor y cada uno de los elementos
del circuito de antena (circuladores, filtro, guía de onda o cable coaxial y antena). Si
existe una desadaptación de
impedancias (50 ohm en RF) se produce una onda reflejada que disminuye la potencia
transferida a la carga (la antena). La onda reflejada puede interferir sobre los canales
recibidos en la misma guía de ondas. Este efecto es más importante cuando
se trata de los canales N y 1' del plan de frecuencias.
3.2- DEFINICIÓN.
Si la impedancia característica de la línea (guía de onda o cable coaxial) es Zo y la
impedancia de la carga es Zi se define el
coeficiente de reflexión ρ como:
ρ = Vref/Vinc = (Zi-Zo)/(Zi+Zo)
Es decir, es el módulo de la relación entre la señal reflejada y la incidente. Si Zi es
cero la señal reflejada es igual a la
incidente, mientras que si Zi es infinito la señal reflejada está desfasada 180° respecto
de la incidente. Si en cambio existe
una correcta adaptación de impedancias (Zi=Zo) la señal reflejada es cero y por lo tanto la
transferencia de potencia a la
carga es máxima.
Se define en base al coeficiente de reflexión la relación de onda estacionaria VSWR en
Voltaje y la pérdida de retorno RL
(Return Loss) de la siguiente manera:
VSWR = 1+ρ / 1−ρ y RL = -20.log [ρ]
Los valores de ρ se encuentran entre 0 y 1, de VSWR entre 1 e infinito y de RL de 0 a
infinito en dB. En la misma Fig 05 se
muestra el diagrama de RL obtenido sobre un cable coaxial real en la banda de 2,5 GHz. Como
se observa se tiene un ripple
superpuesto. Si en todo el circuito de antena se tiene sólo una reflexión por desadaptación
de impedancia el ripple es una
sinusoide donde:
Δd = Vρ / 2.Δf y Vρ = C / (εr.μr)1/2
con Δd la distancia hasta la irregularidad en m; Δf la periodicidad del ripple en Hz y Vρ
es la velocidad de la onda en m/s
(2.108 m/s en un cable coaxial). Si hay varias fallas el patrón del ripple es más complejo
debido a la superposición de varios
efectos. En la Figura pueden interpretarse 2 patrones uno con un ripple Δf=4 MHz y otro de
Δf=40 MHz, lo cual daría una
reflexión a 25 y 2,5 m respectivamente.
3.3- PERDIDA DE RETORNO DEL CIRCUITO DE MICROONDAS
El método para calcular el valor de RL en función de los componentes individuales del
circuito de antena es el siguiente. El
circuito de antena se divide en 3 componentes:
-Antena y radome (ρ=0,029) y conexión (ρ=0,015)
-Guía de ondas (ρ=0,029; α=2,36 dB)
-Presurización (ρ=0,005) y conexión (ρ=0,015).
Respecto al primer ítem hay que tener en cuenta que el alimentador de guía de ondas
introduce una doble atenuación de ida y
retorno. De esta forma el valor de la antena, radome y conexión que se interpreta como ρa=
0,029+0,015= 0,044 se
transforma en RLa=27,1 dB; y a continuación se le suma la atenuación de 4,7 dB producida
por el alimentador
(correspondiente a 2.α).
El valor total de RL que es 31,8 dB se lo convierte en ρa'= 0,026. Ahora se puede calcular
el valor definitivo sumando los
valores de ρ para la guía de ondas y presurización:
ρ= 0,7.(ρa'+ρb+ρc)= 0,7.0,075= 0,0525 es decir: VSWR=1,1 y RL=25,5 dB
El coeficiente 0,7 es un valor empírico (Andrew Corp) que tiene en cuenta la suma real de
los coeficientes de reflexión ρ.
Para el ajuste de filtros se utiliza la curva de RL preferentemente a la de atenuación At.
La razón de ello es que una pequeña
variación sobre At se traduce en una mayor variación de RL. Por ejemplo, para la secuencia
0,2/0,3/0,4 dB de atenuación la
secuencia de RL es 33/29/27 dB. El ancho de banda puede definirse mejor como RL que como At
en todos los componentes
del circuito de micro-ondas.


YONER J. VARELA E.
CRF

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