Misure di potenza

Standard

1) Standard per la misura di potenza :

a)       Standard primario               utilizzato esclusivamente nei laboratori metrologici

b)       Standard sostituzionale     effettua confronti tra potenze a frequenze diverse

c)       Standard secondario         

 

2) Standard primario :

a)       Wattmetro a pressione di radiazione

Si pone una placca metallica all´interno di una guida d´onda, la placca è connessa tramite un filo al lato orizzontale superiore della guida, la deflessione della placca è funzione della radiazione su di essa incidente ma per rilevarla con esattezza occorre che vi siano condizioni ambientali (temperatura, pressione, umidità) costanti e la deflessione stessa deve essere misurata mediante interferometria tra onda diretta e riflessa di un laser.

b)       Wattmetro ad effetto Hall

Si misura la differenza di potenziale generata dal campo e.m. ai capi di un semiconduttore.

 

3) Standard sostituzionale :

a)       Calorimetro termostatato

In un calorimetro ho due vaschette contenenti ciascuna una resistenza adattata alla sorgente cui è connessa che per una è la continua mentre per la altra è il segnale RF del quale vogliamo misurare la potenza, tra le due vaschette si hanno delle termocoppie in serie le quali producono una differenza di potenziale proporzionale alla differenza di temperatura, vario la continua sin quando non rilevo che la differenza di temperatura è 0, a quel punto le due sorgenti avranno prodotto lo stesso effetto e quindi la potenza RF è pari alla potenza in continua che però è facilmente misurabile. Il problema di questo schema è nella tenuta termica.

b)       Calorimetro a flusso di liquidi

In questo caso abbiamo una sola resistenza immersa in un calorimetro dove del fluido entra ed esce, ed una termopila misura la differenza di temperatura tra i due flussi, sono possibili le due seguenti modalità di misura :

b1) Applico alla resistenza il segnale RF del quale misurare la potenza e misuro la differenza di temperatura tra i flussi, dopodiché applico la continua e la vario sin quando non ottengo la stessa differenza di temperatura.

               b2) Applico prima la continua, gli sommo il segnale RF quindi diminuisco la continua sin quando non ottengo la stessa differenza di temperatura che avevo con la sola continua, questo mi consente di polarizzare il sistema nella zona di lavoro ottimale per il funzionamento della termopila.

c)       Dispositivi sensibili alla temperatura

Posso utilizzare sia i metalli i quali sono PTC (…la loro resistività aumenta al crescere della temperatura) che i semiconduttori i quali sono NTC (…la resistività diminuisce al crescere della temperatura in quanto è maggiore il numero di elettroni che dalla banda di valenza si sposta verso la banda di conduzione). Si utilizzano anche misuratori a filo i quali sono molto simili a fusibili.

 

4) Standard secondario :

a)       diodi a giunzione che danno una raddrizzata proporzionale alla potenza RF che li attraversa

b)       termocoppie che misurano la differenza di temperatura tra zona irradiata e non irradiata

c)       termistori

Metodi di misura della potenza

5) Fattore di calibrazione del sensore :

esso tiene conto di due caratteristiche tipiche del sensore ossia il coefficiente di riflessione  , che è la sorgente prevalente della errore e varia sia in funzione della potenza incidente che della frequenza, e l´efficienza effettiva del sensore  che tiene conto del fatto che la potenza può essere dissipata in punti diversi del sensore. Il valore del fattore di calibrazione è circa 0.9 il che vuol dire che misura una potenza inferiore del 10% rispetto alla potenza realmente incidente.

 

6) Sensore a termistore :

Un termistore è un semiconduttore nel quale l´innalzamento della temperatura provocato per effetto Joule dalla potenza incidente determina una diminuzione della resistività, tuttavia le curve che esprimono la resistenza in funzione della potenza dissipata sono non lineari e variano fortemente con la temperatura pertanto tutti i circuiti pratici prevedono una controreazione del termistore che fa si che si trovi sempre nello stesso punto di lavoro sulle caratteristiche. In particolare il termistore viene polarizzato in continua, quando la potenza incidente ne diminuisce la resistività allora il Power Meter dispone una diminuzione della continua che riporta la resistività al valore precedente.

Un tipico montaggio coassiale prevede 4 termistori, due che effettuano la misura della potenza incidente e che pertanto presentano 50W verso la terminazione e 200W verso il Power Meter mentre altri 2 termistori provvedono alla compensazione termica.

 

7) Power Meter a doppio ponte :

Un Power Meter a doppio ponte è costituito da un ponte per la RF ed un ponte per la compensazione termica mantenuti in equilibrio tramite degli amplificatori differenziali. Le tensioni in uscita dagli amplificatori differenziali vengono mandate ad un chopper che in sostanza le somma e modula con una onda quadra, in tal modo si può consentire al Power Meter di essere posto a distanza dal sensore. All´uscita del Chopper abbiamo sia il segnale somma il quale viene applicato ad un convertitore Tensione / frequenza che il segnale differenza il quale viene amplificato e successivamente moltiplicato per quello in uscita dal convertitore, in totale si ha la differenza dei quadrati delle tensioni in uscita dagli amplificatori differenziali la quale è proporzionale alla potenza dissipata. È inoltre presente un circuito di zero.

Sono possibili misure a partire da –50dBm.

 

8) Sensore a termocoppia :

Si tratta di una coppia di materiali metallici diversi uniti ad una estremità, si hanno i seguenti effetti fisici :

a)       se scaldiamo una barretta di metallo da un lato, si portano degli elettroni in banda di conduzione, essi per via del gradiente di temperatura si sposteranno verso la altra estremità lasciando degli ioni positivi, in definitiva quindi si avrà una differenza di potenziale, questo effetto è chiamato Thomson.

b)       se mettiamo a contatto due metalli caratterizzati da differenti funzioni lavoro, affinché esse si bilancino si creerà una differenza di potenziale, questo effetto è chiamato Peltier.

L´effetto complessivo è chiamato effetto Seebeck e sostanzialmente associa una differenza di potenziale ad una differenza di temperatura. Affinché sia possibile misurare piccole potenze, è necessario che le dimensioni della elemento dissipativi siano contenute e che rappresenti una terminazione per il segnale RF a tal fine si realizzano termocoppie a film sottile. Nella pratica ogni sensore contiene due termocoppie in serie a formare una termopila, esse presentano 50W verso la terminazione RF e 200W verso il voltmetro.

 

9) Caratteristica principale delle termocoppie :

La caratteristica principale di una termocoppia è la sensibilità ossia i mV forniti in uscita per ogni mW di potenza in ingresso, essa è il prodotto della potenza termoelettrica (… la tensione in uscita per grado di differenza di temperatura tra le due giunzioni, vale circa 250nV/°C ) e della resistenza termica (… la variazione di temperatura dovuta alla potenza incidente, vale circa 0,4°C/W) pertanto la sensibilità di una termocoppia vale circa 100nV/mW e diminuisce a causa della accoppiamento termico nel caso se ne pongano due in serie. La massima potenza misurabile è 300mW.

Visto che la termocoppia fornisce tensioni molto basse, della ordine dei nV, si rende necessario un chopper a 220 Hz integrato nel sensore stesso il quale amplifica il segnale e ne consente la trasmissione al Power Meter.

 

10) Schema di un Power Meter utilizzante termocoppie :

Il sensore come visto è costituito dalla termocoppia, il chopper ed un amplificatore che invia il segnale ad un analogo amplificatore posto nel Power Meter, successivamente c´è un blocco che contiene amplificatori ed attenuatori che consentono di variare il fondo scala dello strumento , poi un diodo rivelatore di picco ed un amplificatore che tiene conto del fattore di calibrazione, il segnale in uscita da esso viene mandato ad un voltmetro. Sono inoltre anche presenti un circuito di autozero che agisce a valle della termocoppia ed un oscillatore di riferimento a 50MHz che invece agisce a monte e consente la taratura dello strumento.

 

11) Misura di potenza con rivelatore a diodo :

La caratteristica del diodo  può essere sviluppata in serie di potenze in un intorno della origine  dove considerando che i termini che danno origine alla continua sono quelli di ordine pari e che poi per V piccola ci possiamo arrestare al 2° ordine, abbiamo che la continua è proporzionale al quadrato della tensione e quindi alla potenza. Al fine di terminare la sorgente, in parallelo all´ingresso si ha una resistenza da 50W mentre il diodo è posto passante ed è di tipo Schottky (…possiede una giunzione      metallo-semiconduttore) in modo da avere una piccola barriera di potenziale. Le potenze rivelabili vanno da –70dBm (…in corrispondenza dei quali si hanno circa 50nV in uscita) a –20dBm per frequenze sino a 40GHz.

Misure di potenza ed errori per disadattamento

12) Potenza ceduta al carico da un generatore :

Consideriamo il caso di un generatore  (…caratterizzato da un coefficiente di riflessione G_G) connesso ad un carico (…caratterizzato da un coefficiente di riflessione G_L) mediante una linea senza perdite. La potenza ceduta alla linea è  avendo sostituito prima  e successivamente  dove b_G è l´onda emessa dal generatore nel caso di carico adattato. Tale potenza incidente P₁ coinciderà con quella disponibile dal generatore soltanto nel caso di adattamento coniugato G_G = G₁^* .  La potenza P_L ceduta al carico è invece   …in quanto la linea è senza perdite e pertanto a₁ = b₂  ….       .

 

 

13) Perdite per disadattamento:

È il rapporto tra la potenza disponibile dal generatore e quella effettivamente ceduta al carico

dove si può far tendere a zero la lunghezza della linea di trasmissione pertanto G₁ = G_L .

Si ha poi la perdita per disadattamento da Z₀  ossia  e quella per disadattamento  .

 

14) Osservazioni su adattamento coniugato e carico adattato :

Nel caso di adattamento coniugato tutta la potenza disponibile dal generatore viene fornita al carico tuttavia vi sono delle onde riflesse che potrebbero danneggiare il generatore stesso, nel caso invece di carico semplicemente adattato, la potenza fornita al carico non è massima ma non vi sono onde riflesse.

 

15) Obiettivo delle misure di potenza :

Misurare la potenza che il dispositivo da caratterizzare erogherebbe su una terminazione adattata.

 

16) Incertezza per disadattamento :

Tiene conto del fatto che G_G e G_L  sono noti con precisione soltanto per quel che riguarda il modulo, ne segue che M_conj ed M_Z0 possono soltanto essere stimati mediante l´incertezza per disadattamento

variabile tra un valore massimo ed un valore minimo in funzione del verso dei vettori di cui è solo noto il modulo.

Errori ed incertezza totale nelle misure di potenza

17) Tipologie di errori ed incertezze nelle misure di potenza :

Gli errori prevalenti sono associati alla perdita per disadattamento ed all´incertezza di disadattamento, vi è poi la non perfetta efficienza di conversione del sensore e gli errori associati all´elettronica del Power Meter.

 

18) Errori della misura associati all´elettronica del Power Meter :

a)       incertezza nella potenza emessa dall´oscillatore di calibrazione

b)       incertezza per disadattamento della oscillatore di riferimento

c)       incertezza dovuta agli amplificatori ed ai cambi di scala

d)       rumore

e)       perdita del riferimento di zero nel caso di una misura di lungo periodo

 

19) Equazione della misura di potenza :

Per via del disadattamento la potenza dissipata sul carico è  inoltre la P_rivelata  deve tener conto degli errori introdotti dal Power Meter, in particolare indicando con m quelli dovuti a calibrazione e scalatura mentre indicando con t quelli dovuti al riferimento di zero si ha  da cui estraendo P_rivelata  e sostituendo si ottiene l´equazione della misura di potenza .

 

20) Stima della incertezza totale della misura :

Vi sono due strategie di stima della incertezza totale della misura :

a)       Incertezza totale del caso peggiore

Tutte le fonti di errori vengono calcolate al loro valore massimo in modo che si sommino in maniera costruttiva, si ottiene pertanto una stima per eccesso dei possibili errori

b)       Incertezza totale come valore quadratico medio

Si calcola la somma dei quadrati delle singole incertezze e se ne fa la radice quadrata, l´ipotesi in questo caso è che le fonti d´errore siano tra loro incorrelate

 

21) Confronto tra i sensori di misura di potenza :

a)       Accuratezza

Uno stesso Power Meter può utilizzare sia un sensore a termocoppia che a LBSD ottenendo un range che va da –75dBm a +30dBm mentre i sensori a termistori vengono utilizzati nel range tra –30dBm e 10dBm.

b)       Range di frequenza

I sensori coprono lo stesso range di frequenza all´interno del quale però varia il coefficiente di riflessione e pertanto anche l´incertezza. I minori coefficienti di riflessione si hanno per i sensori a termocoppia e per i LBSD.

c)       Velocità di risposta

Le misure di segnali molto piccoli si fanno a bande molto strette ma queste implicano lunghi tempi di risposta, si va dai 35ms del termistore ai 100ms della termocoppia.

d)       Massima potenza applicabile

 

22) Configurazioni per la misura di potenze :

Si ha un dispositivo di protezione (…un circolatore o un isolatore o un attenuatore) frapposto tra la sorgente ed il DUT che in genere è un amplificatore la cui uscita se maggiore di 10mW viene inviata sia al carico che al Power Meter mediante un accoppiatore direzionale. Per potenze più basse il carico è rappresentato direttamente dal sensore. Qualora inoltre il dispositivo presenti una notevole distorsione si preferisce effettuare la misura con un analizzatore di spettro.

Misure di attenuazione

23) Metodi per la misura di attenuazione :

a)       metodi a rapporto di potenze

b)       confronto con un attenuatore di precisione ad RF

c)       confronto con un attenuatore di precisione ad IF

d)       confronto con un attenuatore di precisione ad AF

e)       metodi senza standard di sostituzione

f)        metodi basati sulla misura di coefficienti di riflessione

 

24) Metodi a rapporto di potenze :

Il segnale proveniente dal generatore viene attenuato e filtrato sono poi presenti, prima e dopo del DUT di cui misurare la attenuazione, sia degli isolatori che dei Tuner i quali provvedono a far si che il DUT veda un buon adattamento sia verso la sorgente che verso il Power Meter. L´attenuazione si ottiene come rapporto tra la potenza rilevata quando i due Tuner adattati sono connessi direttamente tra loro e la potenza rilevata quando invece viene frapposto il DUT.

Questo metodo è fortemente sensibile a variazioni della potenza fornita dalla sorgente tra le due misure, pertanto alternativamente si può inviare lo stesso segnale tramite un accoppiatore a 3dB sia al circuito di misura precedente che ad un secondo Power Meter, un divisore Kelvin Varley viene poi aggiustato in modo da avere uno zero sul rivelatore in entrambe le connessioni, la attenuazione può pertanto essere ottenuta dai valori di attenuazione nei due casi del divisore.

 

25) Metodi a confronto di potenze :

Il segnale a frequenza f₀ proveniente dalla sorgente viene modulato da uno switch a diodi PIN pilotato da un´onda quadra avente frequenza pari ad 1kHz, un accoppiatore direzionale invia lo stesso segnale sia al ramo di riferimento che al ramo di misura i quali confluiscono poi su un amplificatore differenziale la cui uscita da 1kHz è riportata alla continua tramite un P.S.D. subito dopo il quale si ha il meter.

Il ramo di riferimento è costituito da due isolatori ed un attenuatore variabile che ha il compito di far funzionare il seguente diodo nella regione della caratteristica con legge quadratica I_DC µ V² . Sul ramo di misura si ha un isolatore e poi due tuner tra i quali è frapposto un attenuatore di precisione ad RF, a seguire si ha ancora un attenuatore ed altri due tuner tra i quali inserire il dispositivo del quale si intende misurare la attenuazione, a seguire poi c´è un diodo.

La misura si effettua collegando tra loro i due tuner e mettendo la attenuatore variabile di precisione ad un valore elevato di attenuazione dopodiché si inserisce il DUT e si varia la attenuatore variabile sin quando non si ha la stessa potenza incidente sul rivelatore. L´attenuazione è pari alla differenza tra le attenuazioni settate nella attenuatore variabile.