Medición de potencia en RF
Una fuente con ROE 1,5 y un sensor con ROE 1,2 dejan una incertidumbre de ±0,16 dB que ningún medidor puede corregir: más que el error de muchos medidores de potencia.
01Por qué se mide potencia y no tensión
En radiofrecuencia la tensión cambia a lo largo de una línea con ondas estacionarias, y depende de dónde se mide. La potencia que viaja hacia la carga, en cambio, está bien definida. Por eso los instrumentos de RF miden potencia, en watts o en dBm, con un sensor que absorbe la señal y un medidor que lee su salida. La relación entre tensión, corriente y potencia en líneas se vio en potencia en las líneas, de Medios de Enlace.
02Los sensores
| Sensor | Principio | Rango típico | Rasgo |
|---|---|---|---|
| Termistor (bolómetro) | La potencia calienta un termistor en un puente, que se rebalancea con continua | −20 a +10 dBm | Sustitución por continua: trazable, lento; hoy se usa en patrones |
| Termopar | La potencia calienta una unión termoeléctrica | −30 a +20 dBm | Mide el valor eficaz verdadero de cualquier forma de onda |
| Diodo | Rectifica la señal; en la región cuadrática la salida es proporcional a la potencia | −70 a +20 dBm | Muy sensible y rápido; fuera de la región cuadrática depende de la forma de onda |
Por debajo de unos −20 dBm, la corriente de un diodo detector es proporcional al cuadrado de la tensión, es decir, a la potencia, para cualquier modulación. Por encima pasa a comportarse como detector de pico, y con señales moduladas el resultado depende de la forma de onda. Los sensores de diodo modernos combinan varias rutas o corrigen por software, y los de potencia de pico muestrean la envolvente para medir pulsos de radar o ráfagas de comunicaciones digitales.
03Factor de calibración e incertidumbre por desadaptación
Ningún sensor absorbe toda la potencia que recibe: una parte se refleja y otra se pierde sin llegar al elemento sensible. El fabricante mide su factor de calibración en función de la frecuencia, y el medidor lo aplica. Lo que no se puede corregir sin medir fases es la interacción entre la fuente y el sensor: las reflexiones múltiples entre los dos se suman o se restan según la fase, y dejan una incertidumbre por desadaptación:
Las reflexiones entre la fuente y el sensor. El gráfico muestra la potencia medida relativa a la verdadera en función de la fase entre las dos reflexiones, que no se conoce: la banda entre el máximo y el mínimo es la incertidumbre.
La forma de reducirla es mejorar la adaptación del lado que se pueda: un atenuador de 10 dB entre la fuente y el sensor mejora la adaptación que ve el sensor, a costa de nivel. La incertidumbre por desadaptación también afecta a la medición del presupuesto de incertidumbre de cualquier medición de RF.
04En el laboratorio
Medir con un sensor de diodo una señal continua y una modulada en AM al 100 % a varios niveles, y observar dónde deja de coincidir la lectura con la potencia verdadera.
Medir la potencia de un generador a través de un cable de longitud variable con una carga mal adaptada en el medio, y observar cómo cambia la lectura con la longitud.
Repetir la medición con un atenuador de 10 dB en la salida del generador y comparar la dispersión.
05Errores frecuentes
- Olvidar el factor de calibración de la frecuencia de trabajo. Puede cambiar varios por ciento en la banda.
- Medir señales moduladas con un diodo fuera de su región cuadrática. La lectura depende de la forma de onda.
- Ignorar la desadaptación. Suele ser la mayor fuente de incertidumbre.
- Exceder la potencia máxima del sensor. Los sensores de diodo se dañan con pocos dBm por encima de su rango.
06Autoevaluación
¿Qué coeficiente de reflexión corresponde a una ROE de 2?
1/3.
¿Cuál es la incertidumbre por desadaptación con ROE 2 en la fuente y 1,3 en el sensor?
\( |\Gamma_s||\Gamma_L| = 0{,}333 \cdot 0{,}130 = 0{,}043 \): de +0,37 a −0,39 dB.
¿Qué sensor usarías para medir el valor eficaz de una señal con mucha modulación?
Un termopar, o un diodo en su región cuadrática.
¿Por qué un atenuador reduce la incertidumbre por desadaptación?
Porque las reflexiones que vuelven hacia la fuente pasan dos veces por él y llegan atenuadas: el sensor ve una fuente mejor adaptada.
07Para ampliar
- Keysight Technologies. Fundamentals of RF and Microwave Power Measurements. Nota de aplicación 1449, en cuatro partes, Keysight. Los sensores, los medidores y el cálculo de la incertidumbre.
- David M. Pozar. Microwave Engineering. 4.ª ed., Wiley, 2012. El coeficiente de reflexión y la desadaptación en redes de microondas.
- Clyde F. Coombs Jr. (ed.). Electronic Instrument Handbook. 3.ª ed., McGraw-Hill, 1999. Los medidores de potencia de RF y sus sensores.