In che modo la corrispondenza influisce sulla mia misurazione della potenza? (2023)

Categoria principale: 2019 HFE

Di Orwill Hawkins

Quando si progettano i sensori di potenza, si tenta di produrre il più basso VSWR (SWR) in modo che l'utente abbia la migliore corrispondenza quando lo utilizza. Tuttavia, la corrispondenza non è mai perfetta perché nessun dispositivo, incluso qualsiasi sensore di potenza, ha un SWR perfetto. Per questo motivo, due sensori di potenza di uguale qualità e calibrazione leggeranno in modo diverso nel sistema di un utente. In questo brief, daremo un'occhiata alle ragioni di ciò insieme ai modi per ottenere le migliori misurazioni della potenza.

A causa dei limiti di produzione, delle variazioni di parti e componenti, delle lunghezze delle linee e delle proprietà del rivelatore, il VSWR di qualsiasi sensore di potenza non è perfetto e varia notevolmente sulla frequenza. Due sensori di potenza di alta qualità e ad alte prestazioni mostreranno diverse caratteristiche VSWR a frequenze diverse. La Figura 1, un grafico tratto da una scheda tecnica del sensore di potenza LadyBug LB5940A, mostra le specifiche e i dati tipici per un ciclo di produzione di sensori di potenza. Nella scheda tecnica, l'azienda fornisce anche una tabella con limite (linea rossa nella Figura 1) e dati tipici per diverse gamme di frequenza per facilitare i calcoli dell'incertezza per gli utenti. È anche evidente che all'aumentare della frequenza, il VSWR aumenta, rendendo molto importante capire la corrispondenza quando si lavora con frequenze più alte.

Figura 1 • LB5940A VSWR.

Quando si confrontano sensori di potenza di prima qualità, si potrebbe notare che ognuno potrebbe esibire un VSWR migliore dell'altro ad alcune frequenze, anche se in totale sono simili. Ad esempio, a 1 GHz, il sensore LadyBug LB5918A ha una specifica limite di 1,13, mentre il Keysight™ U2000 è 1,15; a 15 GHz, entrambe le specifiche limite sono identiche. Ognuno avrà una frequenza in cui ha una corrispondenza leggermente migliore. Puoi aspettarti una misurazione accurata da uno di questi sensori; tuttavia, puoi essere certo che il VSWR effettivo di ciascun sensore non sarà lo stesso. Il diverso VSWR si traduce in una diversa discrepanza tra sensore e DUT e letture di potenza leggermente diverse. Inoltre, quando si considera la fase, le variazioni di lettura della potenza possono superare da 0,1 a 0,2 dB. Questo a volte porta a confusione. Successivamente, lo esamineremo in modo più dettagliato.

Si consideri una sorgente di microonde impostata su 1,00 dBm, collegata a un sensore di potenza. Se la calibrazione e la corrispondenza della sorgente e del sensore fossero perfette, imposteresti e leggeresti 1,00 dBm. In realtà le sorgenti sono tarate con un carico di 50 ohm, tuttavia ileffettivol'impedenza di uscita non è di 50 ohm. Ciò è dovuto agli ampi requisiti del driver della sorgente, ai limiti della tecnologia del driver e alle variazioni delle parti. Infatti il ​​VSWR è probabilmente molto diverso da 50 ohm, risultando in un alto VSWR. Una revisione delle specifiche VSWR pubblicate per 4 diversi modelli attuali, sorgenti delle migliori marche era 1,5, 1,6, 1,9 e 1,6 a 3 GHz.

Anche se il ROS tipico di un sensore di potenza è molto inferiore a quello di una sorgente, la riflessione significativa della sorgente può causare un errore di cui tenere conto. Questo errore è il risultato di una piccola parte della potenza che viene riflessa dal sensore alla sorgente, una parte della quale viene quindi riflessa nuovamente dalla sorgente e combinata nella misurazione (vedere la figura 2). Oltre all'ampiezza, è importante capire in che modo la fase delle riflessioni può influenzare la misura. Se la porzione riflessa è in fase con la potenza incidente, la misura sarà aumentata; se la porzione riflessa è sfasata di 180 gradi, la misura sarà ridotta; ci saranno frequenze alle quali la fase è giusta e verrà prodotto un risultato perfetto. Il riflesso si ripete, diventando ogni volta più piccolo. Il disallineamento totale determina l'entità della potenza riflessa. In questo caso è bello pensare al coefficiente di riflessione piuttosto che al ROS, anche se funzionalmente equivalenti. La sorgente potrebbe essere qualsiasi dispositivo che genera potenza per la misurazione ed è importante conoscere il suo ROS.

Figura 2 • Incidente e riflessioni.

Per calcolare l'errore potenziale, è necessario conoscere il coefficiente di riflessione(P)del sensore e della sorgente (DUT - device under test). Il sensoreRpuò essere facilmente calcolato dalle sue specifiche. Tutti i calcoli vengono eseguiti con dati lineari. Calcoleremo qui sulla base di un VSWR di 1.10 per semplificare le cose. Per questo esempio, considereremo queste come specifiche limite (numeri del caso peggiore).

R_sens= (ROSS-1)/(ROSS+1)

R_sens= (1,10-1)/(1,10+1) = 0,048 = 4,8%

Questo numero del caso peggiore indica che il 4,8% della potenza potrebbe essere riflesso indietro. Durante la calibrazione, la corrispondenza viene attenuata nel sistema di alimentazione applicato in modo che il sensore possa essere calibrato correttamente. Viene misurata tutta la potenza, compresa quella riflessa.

Ora facciamo lo stesso per una fonte. Qui useremo 1.3 VSWR che è qualcosa che potremmo aspettarci di vedere.

RR_{Io ho}= (ROSS-1)/(ROSS+1)

RR_{Io ho}= (1,3-1)/(1,3+1) = 0,1304 = 1,304%

Se la sorgente e il sensore sopra descritti sono collegati direttamente, ci sarà interazione dovuta alla potenza riflessa. Calcoliamo l'interazione di mancata corrispondenza e il potenziale errore totale dovuto alla mancata corrispondenza utilizzando la formula:

Mm = (1+(rR_sens* RR_{Io ho}))²-1

Mim = (1+(.048*.1304))²-1 = 0,0126 = 1,26%

Il potenziale errore di misurazione dovuto alla mancata corrispondenza è dell'1,26%. Poiché sono stati utilizzati valori limite (specifiche del caso peggiore), l'errore sarebbe qualcosa di inferiore a questo. Se avessimo individuato e utilizzato numeri tipici, avremmo avuto un numero più piccolo probabilmente più preciso invece di questo risultato del caso peggiore.

Se ora consideriamo un sensore di potenza diverso che ha un ROS simile ma non esatto, vedremo risultati leggermente diversi anche se le calibrazioni sono entrambe perfette.

Questo secondo sensore ha un VSWR di 1.11, solo leggermente diverso dal primo.

RR_sens= (ROSS-1)/(ROSS+1)

RR_sens= (1,11-1)/(1,11+1) = 0,052 = 5,2%

Il numero del caso peggiore per il secondo sensore mostra che il 5,2% della potenza potrebbe essere riflessa dal sensore.

Poiché non vi è alcun cambiamento nella sorgente, possiamo usare ρR_{Io ho}di 0,1304 e calcolare il risultato combinato come:

Mm = (1+(rR_sens* RR_{Io ho}))²-1

Mm = (1+(0,052*0,1304))2-1 = 0,0136 = 1,36%

L'errore potenziale in questa misurazione dovuto al mismatch è dell'1,36%, molto vicino al precedente 1,26%. Tuttavia non puoi aspettarti che entrambi i sensori misurino esattamente la stessa cosa anche se entrambe sono buone misure.

Come si può vedere, anche se si dispone del livello di calibrazione più elevato, la corrispondenza può causare una significativa incertezza di misura. Il disallineamento è generalmente considerato la parte più significativa dell'incertezza di misura totale.

Nei casi in cui è presente un elevato disallineamento della sorgente, l'incertezza può essere ridotta aggiungendo un attenuatore al sistema. Se, ad esempio, viene inserito un attenuatore da 3 dB tra la sorgente e il sensore, la potenza restituita dal sensore al DUT viene ridotta, quindi la riflessione risultante dal DUT viene nuovamente ridotta, minimizzando l'errore. Ulteriori riflessioni vengono aggiunte su ciascun lato dell'attenuatore; tuttavia, nei casi in cui il disadattamento della sorgente di grandi dimensioni rappresenta un problema, questi errori di disadattamento dell'attenuatore sono generalmente piccoli rispetto al disadattamento della sorgente più grande. Gli utenti che richiedono il massimo livello di accuratezza dovrebbero tenere conto di tutti i fattori.

Sebbene il disallineamento sia di solito il componente più significativo dell'incertezza di una misurazione, è solo uno dei tanti. Un altro componente è l'incertezza del fattore di calibrazione del sensore. Questa importante incertezza rappresenta l'accuratezza della calibrazione del sensore ed è spesso dichiarata dai produttori come l'accuratezza del sensore perché la mancata corrispondenza del DUT è sconosciuta. Tuttavia, la mancata corrispondenza tra sensore e DUT è molto spesso un'incertezza più significativa.

Un modo semplice per iniziare a calcolare l'incertezza di misura e aumentare l'accuratezza e la comprensione della misura complessiva è elaborare l'incertezza di una misura utilizzando il foglio di lavoro o il foglio di calcolo dell'incertezza del produttore di un sensore di potenza. Ad esempio, le ultime pagine della scheda tecnica del sensore di potenza LB5940A sopra menzionata includono un foglio di lavoro e un esempio completo che copre i fattori più significativi in ​​una tipica misurazione del sensore di potenza. La maggior parte dei produttori di sensori di potenza di alta qualità fornisce fogli di lavoro simili.

Un produttore di sensori di potenza può fornire le specifiche. Tuttavia, non è possibile determinare l'accuratezza di alcuna misurazione senza conoscere i parametri di misurazione. La maggior parte delle specifiche ha un parametro associato come la frequenza o il livello di potenza. Questi determineranno quali specifiche della scheda tecnica dei sensori sono applicabili. Una volta che questi sono tutti noti, possono essere inclusi in un calcolo RSS per determinare l'incertezza di misura totale.

In conclusione, per la massima accuratezza, fai la distinzione tra accuratezza del sensore e accuratezza della misurazione, quindi usa le specifiche del sensore per sviluppare una piena comprensione dell'incertezza della tua misurazione. Questo ti darà fiducia nella misurazione e ti consentirà di migliorare la precisione secondo necessità.

Circa l'autore

Orwill Hawkins è vicepresidente del marketing presso LadyBug Technologies.