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Tipos de sensores de potencia RF de absorción

Tipos de sensores de potencia RF de absorción

La potencia de RF no siempre es fácil de medir. Existen varios métodos para medir la potencia de RF, cada uno con sus propias ventajas y desventajas. Por consiguiente, el tipo de sensor de potencia de RF utilizado dependerá del tipo de señal a medir. Algunos tipos de tecnología de sensores de potencia de RF serán más aplicables a potencias bajas, otros a técnicas de modulación donde la envolvente varía, etc.

Normalmente, un medidor de potencia de microondas o RF comprenderá una unidad en la que están contenidos todos los circuitos de control y procesamiento, pero la potencia misma se detectará en lo que normalmente se denomina sensor o "cabezal". Por lo tanto, puede ser posible que un medidor de potencia utilice uno de varios cabezales de potencia de acuerdo con los requisitos exactos, particularmente con respecto a la potencia.

Es importante tener en cuenta que los medidores de potencia actúan como una carga para la potencia de RF que es absorbida por la cabeza. Estos medidores de alta potencia tienen grandes cargas que pueden disipar el nivel de potencia requerido. Alternativamente, se puede extraer una pequeña parte de la energía por medio de un acoplador, o usando un atenuador de alta potencia para que no se exceda la clasificación de potencia del cabezal del medidor de potencia de RF.

Tecnologías de sensores de potencia de RF

Los sensores de potencia de RF son el elemento clave de cualquier medidor de potencia de RF y la elección del tipo de sensor dependerá de las posibles aplicaciones que se prevean. Las tecnologías de medidores de potencia de RF se dividen en una de dos categorías básicas:

  • Basado en detector de diodos
  • Basado en calor

Aunque ambas variedades de medidores han estado disponibles durante muchos años, ambas tecnologías se han perfeccionado en gran medida a lo largo de los años y pueden alcanzar niveles muy altos de rendimiento. En vista de sus diferentes atributos, también se utilizan en diferentes tipos de aplicación.

Sensores de medidor de potencia de RF basados ​​en detectores de diodos

La forma más sencilla de sensor de potencia de RF que se utiliza en los medidores de potencia de RF emplea rectificadores de diodos para producir una salida. Los sensores de potencia de RF que utilizan diodos están diseñados para que el sensor disipe la potencia de RF en una carga. Luego, un detector de diodos rectifica la señal de voltaje que aparece a través de la carga, y esto se puede usar para determinar el nivel de potencia que ingresa a la carga.

Es esta forma de sensor de potencia la que se utiliza en muchos medidores de potencia analógicos básicos, aunque la tecnología también se utiliza en medidores de potencia de alto rendimiento.

Los sensores de potencia de RF basados ​​en diodos tienen dos ventajas principales:

  • La primera es que pueden medir señales hasta niveles de potencia muy bajos. Algunos de estos sensores de potencia de RF basados ​​en diodos pueden medir niveles de potencia tan bajos como -70 dBm. Esto es mucho más bajo de lo que es posible cuando se utilizan sensores de potencia de RF basados ​​en calor.
  • La otra ventaja de los sensores de medición de potencia de RF basados ​​en diodos es el hecho de que pueden responder más rápidamente que las variedades basadas en calor. En algunos medidores de potencia más antiguos, la salida del sensor de potencia RF de diodo se procesará de una manera simple, pero se puede realizar un procesamiento mucho más sofisticado de las lecturas utilizando técnicas de procesamiento de señales digitales. De esta manera las lecturas pueden ser procesadas para dar los resultados en el formato requerido, es necesario integrarlas en el tiempo, o tener lecturas más rápidas e instantáneas si es necesario.

Aunque los principios básicos de funcionamiento de los diodos como detectores son bien conocidos, el diseño de detectores de diodos presenta algunos desafíos al diseñar instrumentos de prueba precisos. La primera es que los efectos de la carga almacenada de los diodos ordinarios limitan el rango de funcionamiento de los diodos. Como resultado, los diodos semiconductores metálicos (diodos de barrera Schottky) se utilizan en sensores de potencia de RF ya que estos diodos tienen un nivel mucho menor de carga almacenada y también tienen un punto de activación de conducción directa baja.

A pesar del bajo voltaje de encendido del diodo Schottky (0,3 voltios para el silicio), esto aún limita los niveles de señal más bajos que se pueden detectar; se requiere una señal de alrededor de -20dBm para superar este voltaje. Un enfoque consiste en acoplar el diodo en CA y aplicar una polarización de 0,3 voltios, pero esto solo aumenta la sensibilidad en alrededor de 10 dB como resultado del ruido de conducción y la deriva introducida por la corriente de polarización.

Hoy en día, los diodos semiconductores de arseniuro de galio (GaAs) se utilizan con frecuencia porque proporcionan un rendimiento superior en comparación con los diodos de silicio. Los diodos de arseniuro de galio utilizados en los sensores de potencia de RF se fabrican típicamente utilizando tecnología de barrera dopada plana y, aunque los diodos son más costosos, proporcionan ventajas significativas para los sensores de potencia a frecuencias de microondas.

Los sensores de potencia de diodo de microondas y RF suelen ser el sensor de elección. La salida del diodo se puede procesar mediante un procesamiento de señalización digital avanzado. Esto significa que un solo sensor puede proporcionar una gran variedad de capacidades que no serían posibles con los sensores basados ​​en calor. Con diodos que detectan la envolvente, se pueden medir una variedad de formas de onda.

Sensores de medidor de potencia de RF basados ​​en calor

Como sugiere el nombre, los sensores basados ​​en calor disipan la energía de una fuente en una carga y luego miden el aumento de temperatura resultante.

Los sensores de potencia de RF basados ​​en calor tienen la ventaja de que pueden medir la potencia media real, ya que el calor disipado es la integral de la entrada de potencia durante un período de tiempo. Como resultado, estos sensores de potencia de RF miden el nivel de potencia de RF independientemente de la forma de onda. Por lo tanto, la medición es verdadera independientemente de si la forma de onda es CW, AM, FM, PM, pulsada, tiene un factor de cresta grande o consiste en alguna otra forma de onda compleja. Esta es una ventaja particular en muchos casos, especialmente como QAM, y se están utilizando cada vez más otras formas de modulación de fase y estas no tienen una envolvente constante.

En vista de la constante de tiempo con estos sensores de potencia de RF, no son adecuados para medir valores instantáneos. Cuando se requieran estas medidas, otros tipos de sensores pueden ser más adecuados.

Hay dos tecnologías principales que se utilizan:

  • Sensores de potencia RF de termistor: Los sensores de potencia de RF por termistor se han utilizado ampliamente durante muchos años y proporcionan un método muy útil para permitir la realización de mediciones de potencia de RF de alta calidad. Si bien las tecnologías de termopares y diodos se han vuelto más populares en los últimos años, los sensores de potencia de RF de termistor son a menudo el sensor de potencia de RF de elección, ya que permiten sustituir la potencia de CC para permitir la calibración del sistema.

    El sensor de potencia de RF del termistor utiliza el hecho de que el aumento de temperatura es el resultado de disipar la RF en una carga de RF. Hay dos tipos de sensores que se pueden utilizar para detectar este aumento de temperatura. Uno se conoce como barretter: un cable delgado que tiene un coeficiente de temperatura positivo. El otro es un termistor, un semiconductor con un coeficiente de temperatura negativo que normalmente solo puede tener alrededor de 0,5 mm de diámetro. Hoy en día, solo se utilizan termistores en sensores de potencia de RF.

    Normalmente se utiliza una técnica de puente equilibrado. Aquí la resistencia del elemento termistor se mantiene a una resistencia constante mediante el uso de una polarización de CC. A medida que la potencia de RF se disipa en el termistor y tiende a disminuir la resistencia, a su vez, la polarización se reduce para mantener el equilibrio del puente. La disminución de la polarización es una indicación de que la potencia se está disipando.

    Los sensores de termistores actuales contienen un segundo conjunto de termistores para compensar los cambios en la temperatura ambiente que, de otro modo, compensarían las lecturas.

  • Sensores de potencia RF de termopar: Los termopares se utilizan ampliamente en estos días en sensores de potencia de RF y microondas.Proporcionan dos ventajas principales:
    • Presentan un mayor nivel de sensibilidad que los sensores de potencia de RF de termistor y, por lo tanto, se pueden utilizar para detectar niveles de potencia más bajos. Se pueden hacer fácilmente para proporcionar mediciones de potencia de hasta un microvatio.
    • Los sensores de potencia de microondas y RF de termopar poseen una característica de detección de ley cuadrada. Esto da como resultado que la potencia de RF de entrada sea proporcional al voltaje de salida de CC del sensor de termopar.
    • Proporcionan un sensor de potencia muy resistente para fabricar; son más resistentes que los termistores.
    Los termopares son verdaderos sensores basados ​​en el calor y, por lo tanto, proporcionan un promedio real de la potencia. Por consiguiente, se pueden utilizar para todos los formatos de señal siempre que se requiera el nivel medio de potencia.

    El principio de un termopar es simple: las uniones de metales diferentes dan lugar a un pequeño potencial cuando se colocan a diferentes temperaturas.

    Los termopares modernos que se utilizan en los sensores de potencia de microondas y RF se diseñan normalmente dentro de un solo chip de circuito integrado de silicio. Detectan el calor disipado como resultado de la señal de RF en la resistencia de carga.

Muchos medidores de potencia de RF ofrecen la posibilidad de utilizar una variedad de sensores de potencia de radiofrecuencia dependiendo de las medidas de naturaleza exacta que se vayan a realizar. Si bien los sensores de potencia de RF basados ​​en calor son más aplicables a aplicaciones donde se requiere una medición integrada, los basados ​​en diodos son más adecuados donde se necesitan mediciones instantáneas o de bajo nivel. En consecuencia, es necesario elegir el sensor en función de las aplicaciones previstas.

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