Simposio de Metrología 2014

6 - 10 de Octubre, 2014

PATRÓN PRIMARIO PARA MEDICIÓN DE POTENCIA ELÉCTRICA EN RADIOFRECUENCIAS DE 0.05 GHz A 18 GHz Mariano Botello-Pérez1, Thomas P. Crowley2, Israel García-Ruiz1 Dirección de Radiofrecuencias, Dirección General de Metrología Eléctrica, Centro Nacional de Metrología, Carretera a Los Cués km 4.5, Municipio El Marqúes, Querétaro México. C.P. 76246 2 Electromagnetics Division, National Institute of Standards and Technology, Boulder, CO 80305 USA [email protected], [email protected], [email protected]

1

Resumen: En este trabajo se presenta la realización de un patrón primario para la medición de potencia eléctrica en radiofrecuencias en el alcance de frecuencia de 0.05 GHz a 18 GHz. El patrón consiste de un microcalorímetro en línea de transmisión coaxial de 7 mm, de un detector bolométrico de potencia en conector coaxial tipo N, así como de la instrumentación electrónica para su operación. Se presentan también los resultados de la evaluación del factor de corrección del calorímetro, de la eficiencia efectiva del detector bolométrico y de su incertidumbre de medida. 1. INTRODUCCIÓN El laboratorio de Potencia Eléctrica (PE) en Radiofrecuencias (RF) del CENAM tiene una demanda creciente de servicios de calibración de PE en RF de alta exactitud. La mayoría de estas solicitudes de servicio provienen de organismos involucrados en el proceso de evaluación de la conformidad de equipo electrotécnico, electrónico de telecomunicaciones y automotriz. Para satisfacer la demanda de estos servicios de calibración, el CENAM desarrolló un Patrón Primario de PE (PPPE) en RF, el cual materializa la unidad del watt (W) en RF y que al ser una unidad derivada tiene trazabilidad directa hacia otros patrones nacionales que materializan las unidades del SI en el CENAM.

Detector bolómetrico

A nivel primario, la medición de PE en RF se basa en el método de sustitución de potencias. En este método se establece una relación entre el nivel promedio de la potencia de la señal de RF que se quiere medir y un nivel equivalente de potencia en corriente continua (c.c.). El nivel de potencia en c.c. se determina con alta exactitud a través de mediciones de tensión eléctrica continua en un resistor dependiente de la temperatura, termistor, el cual se opera a un valor de resistencia constante. Esta relación a su vez permite establecer la trazabilidad de las mediciones de PE en RF al patrón nacional de tensión eléctrica continua.

Cubierta del microcalorímetro

Microcalorímetro

Fig. 1. Patrón primario de PE en RF. 2.1 Método de detección de potencia en RF El DPB cuenta con un par de elementos termistores para la detección de la potencia promedio de RF [2] mediante el método primario de sustitución de potencias. Estos termistores son resistores cuyo valor de resistencia varía en función de la temperatura, o sea bolómetros, con un coeficiente de temperatura negativo. El método de sustitución de potencias requiere de dos condiciones de operación diferentes. En la primera de ellas, una fuente de corriente continua, materializada por un puente de sustitución de potencias [3], hace fluir una corriente de polarización a través del bolómetro,

2. DESCRIPCIÓN DEL PATRÓN El PPPE en RF se compone, básicamente, de un microcalorímetro en línea de transmisión coaxial de 7 mm [1], de un detector de potencia bolométrico (DPB) en conector coaxial tipo N [2] (véase la figura 1), así como de la instrumentación electrónica para su operación. El patrón actualmente tiene un alcance en frecuencia de (0.05 a 18) GHz.

1

Simposio de Metrología 2014

6 - 10 de Octubre, 2014

materializado con la combinación en serie del par de termistores para mantener un valor constante de resistencia de 200 Ω. En la segunda de ellas, se aplica PE de RF a través del microcalorímetro, en esta condición, la fuente de c.c. disminuye la corriente de polarización en los termistores para mantener constante el valor de su resistencia en 200 Ω.

detector con respecto a una masa térmica de referencia para las dos condiciones de operación requeridas por el principio de sustitución de potencias. Los cambios de temperatura se evalúan con una termopila. La ηe para cada frecuencia de medición se calcula con la ecuación (2). ηe = g

El cambio en la corriente de polarización de c.c. aplicada en las dos condiciones se determina con alta exactitud a través de mediciones de tensión eléctrica continua, permitiendo determinar el cambio de la potencia de c.c.. La cantidad de potencia de c.c. que tiene que extraerse a fin de mantener constante el valor de resistencia en 200 Ω, se le y es llama potencia sustituida, Pcc , aproximadamente igual a la PE en RF neta absorbida por el DPB, PRF,net . El valor de Pcc se calcula mediante la ecuación (1).

(

)

2 2 Pcc = VRF , OFF − VRF , ON R

1 − (VRF ,ON VRF ,OFF )2

eRF ,ON eRF ,OFF − (VRF ,ON VRF ,OFF )2

(2)

donde eRF,OFF es la tensión en la termopila en ausencia de RF, eRF,ON es la tensión en la termopila en presencia de RF y g es el factor de corrección de la combinación calorímetro - DPB. El término g es un factor dependiente de la frecuencia que describe la respuesta relativa de la termopila a la potencia de c.c. y a la potencia en RF [5]. La ηe es independiente de errores por desacoplamiento, los cuales son considerados por separado al momento de realizar la calibración de otros detectores de potencia. La PRF,net se calcula como se indica en la ecuación (3), y su exactitud depende primordialmente de la exactitud con que se mida la ηe del DPB en el microcalorímetro, razón por la cual la estimación de la ηe es una tarea fundamental en los laboratorios nacionales de metrología (LNM).

(1)

donde VRF,OFF es la tensión de polarización de c.c. en ausencia de RF, VRF,ON es la tensión de polarización de c.c. en presencia de RF y R es la resistencia nominal del par de termistores.

PRF , net = Pcc ηe

La Pcc y la PRF,net absorbida por el DPB no son exactamente iguales debido a errores inherentes a la sustitución de potencias y a que no toda la energía de RF que incide en el detector es absorbida por los termistores. La combinación de los efectos de pérdidas están englobados en el factor de corrección llamado eficiencia efectiva del DPB, ηe. La ηe de los detectores de potencia varía en función de la frecuencia y tiene valores entre 0.9 y 1.0. Esto significa que si se desconoce la ηe de un detector, las mediciones de potencia se realizarían con errores de medición de hasta 100 mW/W. No obstante, si se conoce y se toma en cuenta la ηe de un detector, la medición de potencia puede realizarse con exactitudes entre (0.5 y 5.0) mW/W.

(3)

2.2 Detector de potencia bolométrico En la figura 2 se muestra la sección transversal del DPB. Este detector se fabricó de acuerdo con las especificaciones de diseño establecidas en [2], y periódicamente se miden los valores del módulo de su coeficiente de reflexión, |Γ|, y de su ηe, para asegurar que puede operar como patrón de transferencia. Con este DPB se pueden medir niveles de PE en RF en el alcance de 1 mW a 10 mW para frecuencias de (0.05 a 18) GHz. 2.2.1 Materiales de fabricación Las piezas del DPB se fabricaron de materiales con conductividad térmica alta como el cobre (Cu) electroformado (395 W/mK) y la aleación de cobreberilio (372 W/mK). Las piezas de la línea coaxial de entrada se fabricaron en Cu electroformado, con el propósito de disminuir la rugosidad de sus paredes y las perdidas por propagación en la línea coaxial de entrada. El resto de las piezas del cuerpo del detector se fabricaron de la aleación de cobre-berilio (CuBe). Todas las piezas están recubiertas de oro (Au) para evitar que se deterioren las características térmicas y eléctricas de sus superficies.

El microcalorímetro se utiliza para medir con muy alta exactitud la ηe del DPB [1]. Una vez que se conoce la ηe del detector, éste se utiliza como patrón de transferencia para medir la ηe o el factor de calibración de otros detectores de potencia [4], siendo esta la forma usual en que se disemina la alta exactitud que brinda el patrón primario. Con el microcalorímetro se mide el efecto de toda la energía en RF que se disipa en el DPB. Esto se logra midiendo el incremento de temperatura en el

2

Simposio de Metrología 2014

6 - 10 de Octubre, 2014

operación en c.c. del detector, esta situación se ve reflejada como un error en la estimación de la PE en RF [6]. El alambrado se realizó con alambres de Cu con recubrimiento de Au [7], siendo ésta una característica única y distintiva en montajes de este tipo. El puentes de sustitución de potencias que permiten hacer tal conexión se conocen como tipo NIST IV o simplemente Tipo IV [3]. 2.2.4 Blindaje contra fugas por radiación La fuga de energía de RF por radiación es una fuente de error de primer orden en la estimación de la ηe del DPB. La energía que no se disipa en la línea coaxial de entrada de RF, pero que tampoco se detecta por el par de termistores ni por la termopila se fuga por radiación. La energía se puede fugar a través de las uniones mecánicas del cuerpo del detector, de las terminales de polarización y del conector coaxial de entrada. El detector está diseñado para minimizar cualquier espacio entre las uniones mecánicas de las piezas que constituyen el cuerpo. Las fugas que puedan presentarse en las uniones roscadas se reducen colocando pintura conductora entre las roscas. Las paredes del cuerpo del detector son muy delgadas ≈0.7 mm, por lo cual la tapa del detector está diseñada para acoplarse a presión [2].

Fig. 2. Sección transversal del detector bolométrico. 2.2.2 Dimensionamiento de piezas La masa térmica del detector está optimizada para disminuir la constante de tiempo de las mediciones de ηe en el microcalorímetro, haciendo más eficiente la operación del patrón primario. El tiempo de medición promedio por frecuencia de la ηe es de ≈35 minutos. Existen comercialmente algunos tipos de DPB cuya masa de ≈142 g es muy grande en comparación con la del detector desarrollado para este patrón primario, de tan sólo 53 g, por lo que aquellos no son aptos para emplearse como patrones de transferencia en el microcalorímetro.

Al interior del DPB, cada uno de los cuatro contactos de polarización en c.c. cuentan con un filtro pasa bajas en configuración PI (un par de capacitores con un inductor de ferrita) y ferritas para evitar que la energía de RF se fugue a través de las terminales de polarización, figura 3. Adicionalmente, todo el espacio sobrante es ocupado por material capaz de absorber la energía de RF, figura 4. Los contactos de polarización están terminados en un conector miniatura a través del cual se aplica la señal de polarización proveniente del puente de sustitución de potencias.

2.2.3 Montaje de elementos de detección El par de elementos termistores están conectados en serie para su polarización en c.c. y en paralelo para las señales de RF, de manera que para igualar la impedancia característica de la línea coaxial del microcalorímetro, 50 Ω, cada elemento se opera a un valor de resistencia de 100 Ω, así la combinación en serie produce un valor de 200 Ω, en tanto que la combinación en paralelo resulta de 50 Ω. El cuerpo del detector se diseñó para alojar el montaje del par de termistores en una cavidad que sirve como terminación de la línea coaxial de 7 mm del DPB [2].

Alambres conectados directamente al montaje de la pareja de termistores

Contactos para polarización

Ferritas

El alambrado del montaje del par de termistores está hecho de tal manera que es posible hacer una conexión a cuatro hilos con el puente de sustitución de potencias, figura 3. Esto es especialmente importante porque la resistencia del cableado entre el par de termistores y el puente de sustitución de potencias afecta el valor de la resistencia de

Fig. 3. DPB sin tapa y sin absorbentes de RF.

3

Simposio de Metrología 2014

6 - 10 de Octubre, 2014

Material absorbente de RF Ferritas

Fig. 4. DPB sin tapa y con absorbentes de RF. 2.3 Microcalorímetro El microcalorímetro se desarrolló en línea de transmisión coaxial de 7 mm y conector tipo N hembra. Este microcalorímetro se fabricó de acuerdo con la mayoría de las especificaciones establecidas en la referencia [1]. Las diferencias entre ambos diseños radican principalmente en la sección coaxial de entrada de señal de RF, en la geometría de la masa (anillo) de referencia térmica y de la termopila utilizada (elementos tipo Peltier). En la figura 5 se muestra el microcalorímetro.

Fig. 5. Vista lateral del Microcalorímetro. 2.3.2 Ensamble de la termopila Este ensamble incluye la sección coaxial de aislamiento térmico, figura 6, el par elementos Peltier que operan como una termopila, así como la masa térmica de referencia con forma de anillo, figura 7. La sección coaxial de 7 mm de aislamiento térmico se localiza entre el bolómetro y el plato base del microcalorímetro que está en contacto con el baño de agua. Esto permite que la temperatura del DPB aumente con respecto a la del plato base. La sección de aislamiento es un tramo corto de línea de transmisión coaxial de 7 mm. El cuerpo del conductor exterior incluye una sección con paredes delgadas, ≈254 µm, y está hecho de CuBe con recubrimiento de Au. El conductor interior incluye una sección de tubo de acero inoxidable con espesor de 680 µm recubierto de Au, sus demás componentes también son de Cu recubiertas de Au.

El microcalorímetro primordialmente sirve para medir el incremento de temperatura en el DPB. Con esa información se evalúa con muy alta exactitud la ηe del detector, ecuación 2, a diferentes niveles de potencia en el intervalo de 1 mW a 10 mW, para el alcance en frecuencia de (0.05 a 18) GHz. La ηe del detector típicamente se mide en 210 frecuencias dentro del alcance indicado. El tiempo que se requiere para realizar tal medición, con el sistema automatizado que se describe en la referencia [7], es de aproximadamente 110 horas. 2.3.1 Consideraciones de diseño La función primordial del microcalorímetro es medir el efecto de toda la energía en RF que se disipa en forma de calor en el DPB. Esto se logra midiendo el incremento de temperatura en el DPB con respecto a una masa térmica de referencia, con forma de anillo, para las dos condiciones de operación requeridas por el principio de sustitución de potencias. Los cambios de temperatura se evalúan midiendo la tensión de salida de un par de elementos tipo Peltier localizados entre el calorímetro y la masa térmica de referencia. Los cambios de temperatura que se registran son muy pequeños, del orden de 0.05 °C (50 mK), por lo que el microcalorímetro está diseñado para operar dentro de un baño de agua a temperatura controlada a fin de minimizar el efecto producido por los cambios de la temperatura ambiental. El baño de agua que se utiliza mantiene las variaciones de temperatura en el orden de ± 0.8 mK.

La termopila se compone de dos módulos Peltier [7] eléctricamente conectados en serie y montados radialmente entre el cuerpo del conductor exterior y la masa térmica de referencia con forma de anillo, figura 7. En la figura 8 se muestra un ejemplo del nivel de tensión de salida de la termopila. Los módulos Peltier están en contacto térmico con el conductor exterior de la sección de aislamiento térmico, por debajo del conector coaxial hembra, y también están en contacto térmico con el anillo de referencia térmica, a través de un pequeño bloque que los aprisiona. El anillo de referencia térmica está diseñado para igualar la capacidad térmica del DPB, y de esa manera simular el efecto de un segundo bolómetro, que hace la función de

4

Simposio de Metrología 2014

6 - 10 de Octubre, 2014

referencia térmica (dummy reference standard) como sucede en los calorímetros de doble canal [8].

Fig. 8. Tensión de salida de la termopila para 5 frecuencias (en GHz) calorímetro-DPB, g; al módulo del coeficiente de reflexión, |Γ|; a la ηe del DPB y a su incertidumbre relativa, U(ηe ). La evaluación detallada de estas figuras de merito se describe en la referencia [7]. El factor g se determinó al comparar mediciones de ηe del DPB realizadas en el antiguo calorímetro del NIST, con mediciones realizadas en el nuevo calorímetro del CENAM [9], véase la ecuación (4).

Fig. 6. Sección transversal de la línea coaxial de aislamiento térmico.

(

g = 1+ 1+ Γ

2.3.3 Otras consideraciones de diseño El cable coaxial rígido que conduce la señal de RF del generador al calorímetro, así como la tubería por donde pasan los cables para polarización del DPB y de la señal de salida de la termopila se diseñaron para entrar por la parte inferior del calorímetro, figura 9. Esta disposición proporciona un arreglo más conveniente para remover la cubierta superior. A manera de protección contra la corrosión todas las piezas del calorímetro, incluyendo la cubierta superior, tienen recubrimiento de Au.

2

) (1 + Γ )g 2

sC

(4)

donde gsC =3.54x10-3 f 0.44 - 5.2x10-5 f − 1.05x10-5 f 2 + 8.3x10-7 f 3 + 4x10-4 , y f es la frecuencia en GHz.

3. RESULTADOS DE EVALUACIÓN En el PPPE en RF se consideran como figuras de merito: al factor de corrección de la combinación

Fig. 7. Sección transversal del ensamble de la termopila y la línea coaxial de aislamiento térmico.

Fig. 9. Sección de entrada de la señal en RF y del alambrado para c.c.

5

Simposio de Metrología 2014

6 - 10 de Octubre, 2014

En la figura 10 se muestra mediciones del |Γ|. Las mediciones se realizaron en el NIST en 2011 y en el CENAM en 2012 y 2014 con un analizador de redes en el intervalo de (0.05 a 18) GHz. Para las mediciones de ηe en el microcalorímetro no es necesario que el |Γ| sea bajo, pero es importante para reducir el nivel de potencia que se le exige al generador de RF y el nivel de incertidumbre alcanzable durante una calibración. En este tipo de detectores es deseable que |Γ| < 0.1 V/V. En la figura 11 se muestran algunas mediciones de ηe del DPB realizadas en el NIST en 2011 y en el CENAM de 2012 a 2014. La ηe presenta valores entre (0.950 y 0.995) W/W, los cuales se consideran aceptables para un PPPE en RF. La incertidumbre expandida asociada a la medición de la ηe se ajustó con el polinomio de la ecuación (5), los niveles resultantes se comparan con los de un patrón equivalente del NIST en la figura 12. Los valores de U(ηe ), (2.1 a 4.8) mW/W, se consideran suficientemente bajos para un PPPE en RF.

U (ηe ) = 2.07 x10 −3 + 2.86 x10 −5 f + 5.17 x10 −6 f

2

Fig. 10. Mediciones del |Γ| del DPB.

(5)

6. CONCLUSIONES El patrón primario descrito en el presente artículo, permite determinar la ηe del DPB con la exactitud más alta en el país y con trazabilidad hacia los patrones nacionales que materializan las unidades del SI. Esto es de gran importancia ya que permite que las mediciones de potencia en RF realizadas en el país sean trazables a los patrones nacionales establecidos en el CENAM. Cabe resaltar que los niveles de incertidumbre asociados a las mediciones de ηe que se obtienen con este patrón primario son comparables a los de otros LNM de primer nivel.

Fig. 11. Eficiencia efectiva del DPB.

7. AGRADECIMIENTOS Este PPPE en RF se desarrolló dentro de un proyecto de colaboración científica y tecnológica con el grupo de electrónica en radiofrecuencias del National Institute of Standards and Technology (NIST), bajo la supervisión del Dr. T. P. Crowley.

Fig. 12. Incertidumbre expandida de la ηe.

[5] Fred R. Clague, “A calibration service for coaxial reference standards for microwave power”, NIST Technical Note 1374, May 1995. [6] T. P. Crowley and B. F. Riddle, “Error in Calorimetric Effective Efficiency Measurements due to DC Losses”, in Proc. CPEM Dig., Daejeon, Korea, pp. 694–695, June 2010. [7] Mariano Botello-Pérez, Israel García-Ruiz, “Patrón Nacional de Potencia Eléctrica en RF”, Informe Técnico, Dirección de Radiofrecuencias, CENAM, Marzo 2014. [8] Alan C. Macpherson and David M. Kerns, "A microwave microcalorimeter". Rev. Sci. Instrum. 26(1): 27-33; January 1955. [9] T. Crowley, “Type N Calorimeters–Correction Factor and Uncertainty”, NIST internal memorandum, February, 2012.

REFERENCIAS [1] Fred R. Clague, “Microcalorimeter for 7 mm coaxial transmission line”, NIST Technical Note 1358, August 1993. [2] F. R. Clague and P. G. Voris, “Coaxial reference standard for microwave power”, NIST Technical Note 1357, April 1993. [3] N. T. Larsen. “A new self-balancing dc-substitution rf power meter”. IEEE Trans. Instrum. Meas. IM-25: 343-347; December 1976. [4] M. Botello-Pérez, I. García-Ruiz, D. Covarrubias-Mtz, “Sistema de Referencia para la Calibración de Detectores de Potencia por Comparación Directa”, Simposio de Metrología 2012, Santiago de Querétaro, México, Octubre 2012.

6