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Tipos de sensor de potência de RF de absorção

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A potência de RF nem sempre é fácil de medir. Existem vários métodos de medição de potência de RF, cada um com suas próprias vantagens e desvantagens. Consequentemente, o tipo de sensor de potência de RF usado dependerá do tipo de sinal a ser medido. Alguns tipos de tecnologia de sensor de potência RF serão mais aplicáveis ​​a potências baixas, outros a técnicas de modulação onde o envelope varia e assim por diante.

Normalmente, um medidor de potência de RF ou de micro-ondas compreenderá uma unidade onde todos os circuitos de controle e processamento estão contidos, mas a própria potência será detectada no que normalmente é denominado um sensor ou "cabeça". Assim, pode ser possível para um medidor de energia utilizar uma das várias cabeças de energia de acordo com os requisitos exatos, particularmente com respeito à energia.

É importante notar que os medidores de potência atuam como uma carga para a potência de RF que é absorvida pela cabeça. Esses medidores de alta potência têm grandes cargas que podem dissipar o nível de potência necessário. Alternativamente, uma pequena porção da potência pode ser extraída por meio de um acoplador ou usando um atenuador de alta potência de modo que a potência nominal da cabeça do medidor de potência de RF não seja excedida.

Tecnologias de sensor de potência RF

Os sensores de potência de RF são o elemento-chave de qualquer medidor de potência de RF, e a escolha do tipo de sensor dependerá das aplicações prováveis ​​previstas. As tecnologias de medidores de energia RF se enquadram em uma de duas categorias básicas:

  • Com base em detector de diodo
  • À base de calor

Embora ambas as variedades de medidores estejam disponíveis há muitos anos, ambas as tecnologias foram bastante refinadas ao longo dos anos e são capazes de atender a níveis muito elevados de desempenho. Devido aos seus diferentes atributos, também são utilizados em diversos tipos de aplicação.

Sensores de medidor de potência RF baseados em detector de diodo

A forma mais direta de sensor de potência de RF usado em medidores de potência de RF, emprega retificadores de diodo para produzir uma saída. Os sensores de potência de RF que usam diodos são projetados de forma que o sensor dissipe a potência de RF em uma carga. Um detector de diodo então retifica o sinal de tensão que aparece na carga, e isso pode então ser usado para determinar o nível de energia que entra na carga.

É esta forma de sensor de potência que é usada em muitos medidores de potência analógicos básicos, embora a tecnologia também seja usada em medidores de potência de alto desempenho.

Sensores de potência de RF baseados em diodo têm duas vantagens principais:

  • A primeira é que eles são capazes de medir sinais até níveis de potência muito baixos. Alguns desses sensores de potência RF baseados em diodo são capazes de medir níveis de potência tão baixos quanto -70 dBm. Isso é muito menor do que o possível ao usar sensores de potência RF baseados em calor.
  • A outra vantagem dos sensores de medidor de potência RF baseados em diodo é o fato de que eles são capazes de responder mais rapidamente do que as variedades baseadas em calor. Em alguns medidores de potência mais antigos, a saída do sensor de potência de RF do diodo será processada de maneira simples, mas um processamento muito mais sofisticado das leituras pode ser feito usando técnicas de processamento de sinal digital. Desta forma, as leituras podem ser processadas para dar os resultados no formato desejado, sendo necessária a integração ao longo do tempo, ou tendo leituras mais rápidas e instantâneas, se necessário.

Embora os princípios básicos de operação de diodos como detectores sejam bem conhecidos, o projeto de detectores de diodo apresenta alguns desafios ao projetar instrumentos de teste precisos. A primeira é que os efeitos de carga armazenados dos diodos comuns limitam a faixa de operação dos diodos. Como resultado, diodos semicondutores de metal - diodos de barreira Schottky - são usados ​​em sensores de potência de RF, pois esses diodos têm um nível muito menor de carga armazenada e também têm um baixo ponto de ativação de condução direta.

Apesar da baixa tensão de ativação do diodo Schottky (0,3 volts para silício), isso ainda limita os níveis de sinal mais baixos que podem ser detectados - um sinal de cerca de -20dBm é necessário para superar essa tensão. Uma abordagem é acoplar o diodo CA e aplicar uma polarização de 0,3 volt, mas isso só aumenta a sensibilidade em cerca de 10 dB como resultado do ruído de condução e desvio introduzido pela corrente de polarização.

Hoje, diodos semicondutores de arsenieto de gálio (GaAs) são usados ​​com frequência porque fornecem desempenho superior quando comparados aos diodos de silício. Os diodos de arsenieto de gálio usados ​​em sensores de potência de RF são normalmente fabricados usando a tecnologia de barreira dopada planar e, embora os diodos sejam mais caros, eles fornecem vantagens significativas para sensores de potência em frequências de microondas.

Sensores de potência de diodo de RF e micro-ondas são frequentemente os sensores de escolha. A saída do diodo pode ser processada usando processamento de sinalização digital avançado. Isso significa que um único sensor é capaz de fornecer uma grande variedade de recursos que não seriam possíveis com sensores baseados em calor. Com diodos detectando o envelope, uma variedade de formas de onda pode ser medida.

Sensores de medidor de potência RF baseados em calor

Como o nome sugere, os sensores baseados em calor dissipam a energia de uma fonte em uma carga e medem o aumento de temperatura resultante.

Os sensores de potência RF baseados em calor têm a vantagem de serem capazes de medir a potência média real, já que o calor dissipado é a integral da entrada de potência durante um período de tempo. Como resultado, esses sensores de potência de RF medem o nível de potência de RF independentemente da forma de onda. Assim, a medição é verdadeira independentemente de a forma de onda ser CW, AM, FM, PM, pulsada, ter um grande fator de crista ou consistir em alguma outra forma de onda complexa. Esta é uma vantagem particular em muitos casos, especialmente porque QAM e outras formas de modulação de fase estão sendo cada vez mais usadas e não têm um envelope constante.

Em vista da constante de tempo com esses sensores de potência de RF, eles não são adequados para medir valores instantâneos. Onde essas medições são necessárias, outros tipos de sensor podem ser mais adequados.

Existem duas tecnologias principais que são usadas:

  • Sensores de potência de RF com termistor: Os sensores de potência de RF com termistor têm sido amplamente usados ​​por muitos anos e fornecem um método muito útil para permitir medições de potência de RF de alta qualidade. Embora as tecnologias de termopar e diodo tenham se tornado mais populares nos últimos anos, os sensores de potência de RF do termistor costumam ser os sensores de potência de RF preferidos, pois permitem que a alimentação DC seja substituída para permitir a calibração do sistema.

    O sensor de potência de RF do termistor usa o fato de que o aumento de temperatura resulta da dissipação de RF em uma carga de RF. Existem dois tipos de sensor que podem ser usados ​​para detectar esse aumento de temperatura. Um é conhecido como barreira - um fio fino com coeficiente de temperatura positivo. O outro é um termistor - um semicondutor com coeficiente de temperatura negativo que pode ter cerca de 0,5 mm de diâmetro. Hoje, apenas termistores são usados ​​em sensores de potência de RF.

    Uma técnica de ponte balanceada é normalmente usada. Aqui, a resistência do elemento termistor é mantida em uma resistência constante usando uma polarização DC. Como a potência de RF é dissipada no termistor tendendo a diminuir a resistência, por sua vez a polarização é reduzida para manter o equilíbrio da ponte. A diminuição da polarização é, então, uma indicação de que a potência está sendo dissipada.

    Os sensores de termistores de hoje contêm um segundo conjunto de termistores para fornecer compensação contra mudanças na temperatura ambiente que, de outra forma, compensariam as leituras.

  • Sensores de potência de RF termopar: Os termopares são amplamente usados ​​atualmente em sensores de potência de RF e microondas. Eles fornecem duas vantagens principais:
    • Eles exibem um nível de sensibilidade mais alto do que os sensores de potência de RF do termistor e, portanto, podem ser usados ​​para detectar níveis de potência mais baixos. Eles podem ser feitos facilmente para fornecer medições de energia até um microwatt.
    • Termopar RF e sensores de potência de microondas possuem uma característica de detecção de lei quadrada. Isso resulta na potência de entrada de RF proporcional à tensão de saída CC do sensor termopar.
    • Eles fornecem um sensor de potência muito robusto - eles são mais robustos do que os termistores.
    Os termopares são verdadeiros sensores baseados em calor e, portanto, fornecem uma média real da potência. Conseqüentemente, eles podem ser usados ​​para todos os formatos de sinal, desde que o nível médio de potência seja necessário.

    O princípio de um termopar é simples - as junções de metais diferentes dão origem a um pequeno potencial quando colocados em diferentes temperaturas.

    Termopares modernos, usados ​​em sensores de potência de RF e microondas, são normalmente projetados em um único chip de circuito integrado de silício. Eles detectam o calor dissipado como resultado do sinal de RF no resistor de carga.

Muitos medidores de potência de RF fornecem a facilidade para uma variedade de sensores de potência de radiofrequência a serem usados ​​dependendo das medições exatas da natureza a serem feitas. Enquanto os sensores de potência de RF baseados em calor são mais aplicáveis ​​a aplicações onde uma medição integrada é necessária, os baseados em diodo são mais adequados onde medições de baixo nível ou instantâneas são necessárias. Conseqüentemente, é necessário escolher o sensor dependendo das aplicações previstas.


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