Medi_Poten2

PRACTICA DE LABORATORIO N 1
MEDICION DE POTENCIA
Objetivos: Al finalizar la práctica el estudiante deberá estar capacitado para:
1. Medir la potencia incidente y reflejada mediante el uso del acoplador direccional.
2. Deducir las pérdidas por retorno en un sistema desacoplado a partir de la medición
de potencia.
3. Aplicar las técnicas de medición de potencia en radio frecuencia, para verificar la
calibración de un atenuador de microondas y medir los parámetros de dispersión
de un dispositivo (divisor de potencia).
Introducción:
La existencia del patrón de ondas estacionarias ocasionado por un desacoplamiento de la
carga con respecto a la línea de transmisión que transporta la energía es un problema interesante
de estudio. Desde el punto de vista de la transferencia de potencia desde el generador hacia la
carga, el efecto del desacoplamiento se traduce en una disminución de la potencia entregada a la
misma. La medición de la potencia entregada es de primordial importancia en la región de
microondas, así como también los diferentes métodos que pueden ser empleados para
contrarrestar los efectos de la reflexión.
Medición de potencia en microondas:
La medición de potencia, a diferencia de otras medidas en la región de microondas, tiene la
ventaja de ser independiente de las relaciones de fase entre la onda incidente y la reflejada, y es
por tanto independiente de la posición sobre la línea (en líneas sin pérdidas), ya que se realiza en
forma indirecta estudiando los efectos de calentamiento sobre un elemento. Los diversos métodos
se pueden clasificar de acuerdo a dos técnicas principales.
a) Calorímetro.
b) Circuito puente.
- Técnica del calorímetro: esta técnica se emplea para mediciones de alto nivel. La potencia
se absorbe en una carga acoplada a la línea, la cual está total o parcialmente cubierta con un
líquido que fluye a velocidad constante. El alza de temperatura en el fluido se calibra directamente
en función de la potencia aplicada.
La figura 1 ilustra este concepto por medio de un montaje típico.
La cantidad de calor absorbido por una masa m de refrigerante es:
EIE/UCV
3
LJF/ljf/lc
Q = m C T
donde C es la constante calórica del refrigerante, y T es el incremento de temperatura alcanzada
durante el tiempo que duró la aplicación de la señal de RF. La rata a la cual se está transfiriendo
energía de RF a la carga (y al refrigerante) es la potencia de la señal:
P
dQ d
dm
dv
  mCT   CT
 CT
 CTq  kc T2  T1 
dt
dt
dt
dt
donde kc=qC es la constante del calorímetro, y T=(T2-T1) es el alza de temperatura
experimentada por el refrigerante al circular a través del calorímetro.
T2
Entrada de RF
q
Salida de ref rigerante
T1
q
Entrada de ref rigerante
Figura 1. Calorímetro
- Técnica del circuito puente: esta técnica hace uso de un elemento cuyas características
eléctricas dependen fundamentalmente de la temperatura (BOLOMETRO), colocado en una de las
ramas de un puente de Wheatstone como se ilustra en la figura 2.
Se aplica la potencia de microondas al bolómetro y con ayuda de R2 se logra el equilibrio
del puente. En estas condiciones el bolómetro se encuentra a una temperatura T1, tal que su
resistencia RB es tal que se cumple:
RB . R4 = r R 5
Esa temperatura T1 es producida por una disipación de potencia
EIE/UCV
4
P  PDC  Pmicroondas
LJF/ljf/lc
Se elimina la potencia de microondas y se sustituye por una potencia de audio mediante la
fuente A, y por medio de R3 se reestablece el equilibrio del puente. Esto significa que el bolómetro
se halla a la misma temperatura T1, por lo que se tiene la misma potencia disipada. La potencia de
audio requerida para el balance del puente es, en consecuencia, igual a la potencia de microondas
aplicada.
R2
I
R4
R5
S1
R1
E
R3
R
B
B
r
A
Figura 2. Circuito Puente de Balance Manual.
Se observa que en estas mediciones, es de primordial importancia que la sensitividad del
bolómetro (en Ohms por miliwatt), sea independiente de la frecuencia. En otras palabras, un
miliwatt de potencia de microondas debe producir el mismo cambio de resistencia en el bolómetro,
que un miliwatt de potencia DC o de audio frecuencia. Además de este requisito, el bolómetro debe
llenar otros aspectos importantes como son:
1) Las características de sobrecarga
2) La facilidad de acoplamiento en una banda ancha.
3) La constante de tiempo (rapidez de respuesta del elemento bolométrico).
4) La complejidad del montaje y del circuito auxiliar, etc.
Montaje del bolómetro.
El montaje del bolómetro lleva la importante función de acoplar la energía de radio
frecuencia al elemento e incluye los medios requeridos para acoplar la impedancia. El problema
más importante en su diseño es el de encontrar un acoplamiento satisfactorio en una banda ancha.
A menudo es necesario hacer un compromiso entre ancho de banda y máximo ROE permitido.
Además todo montaje debe:
2
1) Conservar las pérdidas I R y dieléctricas, pequeñas.
2) Evitar la radiación de la potencia de microondas.
EIE/UCV
5
LJF/ljf/lc
3) Evitar la influencia de potencias extrañas.
4) Poseer la suficiente masa para minimizar los efectos de variación de la temperatura
ambiente.
El montaje del bolómetro se clasifica en: sintonizable, de sintonía fija, y no sintonizados de
banda ancha. El uso y características de cada uno viene definido por la clasificación.
Fuentes de error:
Hay algunas posibles fuentes de error asociadas con la medición de potencia. Las más
importantes son:
- Error de desacoplamiento: ocurre cuando la carga no presenta la impedancia
característica de la línea. Las impedancias reales casi nunca se conocen completamente: son
dadas a través del ROE, perdiéndose la información del ángulo de fase.
- Error de substitución de potencia de microondas a potencia de audio: las diferencias
resultan del hecho de que las distribuciones de corriente y resistencia, son distintas en DC o audio
que en microondas.
- Pérdidas: error ocasionado por la potencia disipada en las paredes del montaje, en el
dieléctrico, pérdidas por radiación, etc.
- Error térmico: una variación de temperatura puede modificar el balance inicial del puente.
-
Errores instrumentales
El Acoplador Direccional:
Es un dispositivo que consiste en una guía de onda denominada "Guía Principal" (MAIN) la
cual lleva adosada una guía lateral que actúa como derivación (para potencia) y que es llamada
"Guía Secundaria o lateral" (SECONDARY). Entre las 2 guías el acoplamiento se realiza a través de
unos agujeros existentes entre ambas, en la pared común, la potencia que se desvía por la guía
lateral es una fracción pequeña de la potencia que entra a la guía principal en la dirección indicada
en el dibujo.
Cualquier señal que entre a la guía principal en dirección contraria, inducirá en la guía
secundaria una señal en esa misma dirección, la cual se disipará en la carga acoplada que está al
final de la guía secundaria.
EIE/UCV
6
LJF/ljf/lc
P
s
G u í a s e c u n d a r i a (S E C O N D A R Y )
Ca rg a
P
M
G u í a P r i n c i p a l (M A I N )
La relación entre la potencia Ps y la potencia que entra, Pm, se define como "factor de
acoplamiento" del acoplador direccional; F.A. = 10 log Pm/Ps
El factor de acoplamiento (F.A.) se define como una atenuación ya que Ps es menor que Pm.
El valor de F.A. depende del tamaño y el espaciado de los agujeros de acoplamiento entre ambas
guías de onda. Valores comerciales de F.A. son: 3, 10 y 20 dB.
Los acopladores direccionales pueden ser usados en la medición de potencia de microondas
así como en la medición de ROE.
Divisores de potencia
Las telecomunicaciones nos permite proponer soluciones en el manejo de la información a
distancia. Tales soluciones son sistemas complejos que acondicionan la información a ser
transmitida por medios guiados o no guiados.
Uno de los dispositivos que forma parte de los sistemas de telecomunicaciones es el divisor
de potencia, el cual es utilizado para obtener varias señales de características correlacionadas a
partir de una única señal. De esta forma se puede disponer en n puntos diferentes señales, con
características semejantes a una señal de referencia.
Una de las aplicaciones típicas de los divisores de potencia por ejemplo, es la conexión de un
arreglo de antenas. En estos sistemas, es imprescindible que cada uno de los elementos del
arreglo esté alimentado de forma equitativa y que todas las señales que llegan a cada uno de
dichos elementos tengan las mismas características en cuanto a amplitud y fase. Otra aplicación
del divisor de potencia, consiste en alimentar una serie de antenas directivas para cubrir una mayor
área de transmisión, tal como se ilustra en la figura 3.
EIE/UCV
7
LJF/ljf/lc
Antenas
Antena
Sistema de
Recepción 01
Sistema
Generador
de Señal
Divisor de
Potencia
Divisor de
Potencia
Sistema de
Recepción 02
Figura 3. Aplicación Típica de un divisor de potencia
Tipos de divisores de potencia.
Los divisores de potencia más representativos son:

Divisor de potencia unión-T.

Divisor de potencia de Wilkinson.

Divisor de potencia de cavidad resonante (dispositivo utilizado en la práctica).
Cavidad resonante
2
1
Puerto
de
entrada
Puertos
de salida
3
Divisor de potencia
Figura 4. Divisor de potencia
Parámetros de dispersión en una red de microondas
Haciendo uso de la teoría de redes de multipuerto podemos obtener una representación
general de lo que ocurre entre los extremos de un circuito, si relacionamos entre sí, las variables de
EIE/UCV
8
LJF/ljf/lc
entrada y salida en términos de tensiones y corrientes presentes en cada uno de los terminales de
la red en estudio. En el caso de redes de dos puertos (figura 5), las ecuaciones que se obtienen
relacionan las ondas de voltaje y corriente a través de coeficientes con dimensiones de impedancia
(matriz Z), admitancia (matriz Y), híbridos (matriz h), y en caso de conexiones en cascada donde el
bipolo de salida de un cuadripolo se conecta al bipolo de entrada del otro, es frecuente hacer uso
de la matriz conformada por los parámetros ABCD.
En redes que operan bajo frecuencias de microondas resulta difícil, y en algunas casi
imposible, obtener las condiciones ideales de medidas en cortocircuito y circuito abierto; se recurre
entonces a la formulación de la matriz de dispersión s que consiste de un método más general para
representar redes de microondas cuyos parámetros se obtienen conectando una impedancia
normalizada (usualmente 50 ) en el terminal opuesto al puerto donde se desean realizar las
mediciones.
I1
Zo
V1
I2
a1
a2
b1
b2
V2
Zo
Figura 5. Cuadripolo
Una matriz de dispersión relaciona las ondas reflejadas (bi), como una combinación lineal de
las ondas incidentes (ai) en cada uno de los puertos de una red de la siguiente forma:
b1 = S11 a1 + S12 a2
b2 = S21 a1 + S22 a2
Los parámetros de dispersión Sij se pueden obtener haciendo uso de las siguientes
expresiones:

EIE/UCV
Sí Z2 = Zo
Implica que a2 = 0 ( carga acoplada en la salida)
9
LJF/ljf/lc
S11 = b1/a1 = (z - 1) / (z + 1) con z = Z1/Zo impedancia de entrada normalizada vista desde
el puerto 1.

Sí Z1 = Zo Implica que a1 = 0 ( carga acoplada en la entrada )
S22 = b2/a2 = (z’- 1) / (z’+ 1) con z’= Z2/Zo impedancia de salida normalizada vista desde el
puerto 2.

S11 y S22 representan expresiones equivalentes al coeficiente de reflexión en el puerto 1
y en el puerto 2 respectivamente:
S21 = b2/a1 y S12 = b1/a2. Además, S21 representa la ganancia de la red.
Las ondas de voltaje y corriente en cada uno de los puertos vienen dados por:
V1  Zo a1  b1 
I1 
1
 a1  b1 
Zo
Las potencias incidentes y reflejadas para cada uno de los puertos vienen dados por:
Pi1 = | a1 |²
Pi2 = | a2 |²
Pr1 = | b1 |²
Pr2 = | b2 |²
Ejemplo para determinar el módulo del parámetro │S12│2:
│S12│2 = Pr1/Pi2, para Pi1=0
EIE/UCV
10
LJF/ljf/lc
TRABAJO PRÁCTICO DE LABORATORIO
1. Realice el siguiente montaje:
Transición
Sintonizador
deslizable
Frecuencímetro
Atenuador
Acopladores direccionales
Carga
acoplada
Generador de
microondas
Medidor de potencia digital HP
Medidor de potencia digital HP
Figura 7. Montaje experimental
2. Pulse el botón de onda continua (CW). Asegúrese que la modulación por onda
cuadrada de 1KHz esté desactivada (parte posterior del generador). Ajuste la
frecuencia de salida a 8,5GHz y mídala con el frecuencímetro de cavidad. Ajuste el
potenciómetro de nivel de potencia (power level) al máximo. Coloque el selector de
salida RF en ON.
3.
Realice la calibración de los medidores de potencia.
4.
Coloque el tornillo micrométrico del sintonizador deslizante en la posición 7,95 cm.
(escala graduada).
5.
Coloque la lectura del tambor giratorio del tornillo micrométrico en 2. Con estas
indicaciones el sistema presenta una carga desacoplada. Para las frecuencias de 8,5;
9 y 9,5 GHz mida la potencia incidente y reflejada. Deduzca las pérdidas de reflexión y
de retorno.
EIE/UCV
11
LJF/ljf/lc
6. Realice el siguiente montaje. Utilice la salida calibrada del generador de microondas.
Frecuencímetro
Atenuador
Acoplador direccional
Carga Acoplada
Generador de
Microondas
Medidor de potencia digital HP
Figura 8. Montaje experimental
7. Como medida de protección coloque la atenuación al máximo, y la máxima escala en el
medidor de potencia; coloque la polarización DC al mínimo. Encienda todos los equipos y
deje que se calienten. El selector de salida de RF debe colocarse en "OFF".
8. Calibre el medidor de potencia para la frecuencia de 8,5GHz.
9. Disminuya el ajuste del atenuador hacia 0dB, y observe la indicación en el medidor de
potencia.
10. Complete la tabla 1, midiendo las potencias para cada posición del atenuador indicada
en la misma. Calcule la atenuación con las potencias medidas.
TABLA 1
Atenuación (dB)
Potencia
Potencia
At. Calculada
(mW)
(dB)
(dB)
0
3
5
7
10
15
20
EIE/UCV
12
LJF/ljf/lc
11. Parámetros S
12. Realice el siguiente montaje :
Acoplador direccional
Generador 2.4GHz
10mW
carga
Carga
1
2
Puerto
de
entrada
50
Carga
3
50
Divisor de potencia
Medidor de
potencia
Figura 9. Montaje Experimental
12.1. Ajuste el generador de microondas para una frecuencia de trabajo de 2.4Ghz y una
potencia de salida de 10dBm, y habilite la salida con botón RF ON/OFF.
12.2. Mida la potencia saliente del puerto 1, luego deshabilite la salida de RF y cambie la
posición del acoplador direccional para hacer la medición de la potencia entrante al
mismo. Determine e identifique el modulo del parámetro que se esta midiendo.
12.3. Coloque el acoplador direccional
en el puerto 2 del divisor de potencia y mida la
potencia entrante. Con la medición efectuada y la medición de punto 12.2, determine el
modulo del parámetro correspondiente a esa salida.
12.4. Coloque el acoplador direccional en el puerto 3 del divisor de potencia. Mida la potencia
entrante y con las mediciones anteriores, determine el modulo del parámetro
correspondiente.
Conclusiones y comentarios finales.
Bibliografía:
1. Apuntes de ondas guiadas.
2. L. Fernández, Ondas guiadas (guía docente).
3. R. Collin , Field Theory of guided waves Mc Graw – Hill.
EIE/UCV
13
LJF/ljf/lc
EIE/UCV
14
LJF/ljf/lc