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Cómo calcular la incertidumbre de las medidas de potencia pico

Introducción: 

La finalidad principal de un medidor de potencia de RF consiste en garantizar medidas precisas de la potencia de RF absoluta y aportar trazabilidad a un sistema de prueba. Ya se trate de una configuración de pruebas en una línea de producción o en un banco de pruebas de solución de problemas, o de medidas de radar o comunicaciones móviles sobre el terreno, los medidores de potencia siguen siendo el equipo de referencia para garantizar la trazabilidad según los laboratorios de estándares internacionales. Esto sirve para garantizar que las medidas de potencia puedan replicarse en momentos diferentes y en lugares distintos.

Aunque se considera que los medidores de potencia son los equipos más precisos para realizar medidas de potencia, el uso de estos instrumentos puede producir incertidumbres de medida. Muchos fabricantes de medidores de potencia publican documentos y artículos o lanzan herramientas para ayudar a los usuarios a analizar las incertidumbres de medida, si bien suelen limitarse a las medidas de potencia media. En este artículo se describen las incertidumbres de medida asociadas a las medidas de potencia pico. Para situar al usuario, se realiza una breve introducción a las técnicas de medida con el medidor de potencia pico y a las incertidumbres de las medidas de potencia media.

 

Adquisición con el medidor de potencia pico y procesamiento de las medidas 

 

Figura 1. Diagrama de bloques típico de un medidor de potencia pico y de potencia media

La entrada de un medidor de potencia se compone de un elemento sensor, que suele ser un sensor de diodo. El sensor convertirá una señal medida de potencia a tensión. En el subsistema de adquisición, la señal de tensión analógica se filtrará, muestreará y convertirá del formato analógico al digital. La salida es una representación digital de la señal analógica de entrada.

El subsistema de adquisición presenta dos rutas: una que solo realiza medidas de onda continua (CW) (y promedio) y otra para las medidas de pico de banda ancha.

La ruta del pico de banda ancha se compone de amplificadores de precisión de alto ancho de banda y un digitalizador de alto rango dinámico. El sensor realiza un seguimiento de la envolvente de la señal, y un convertidor de analógico a digital (ADC) controlado continuamente por reloj la muestrea a alta velocidad (normalmente a 80 MHz o más). Esto genera una versión muestreada en tiempo real de la potencia de la envolvente de la señal sometida a prueba. Para detectar con gran precisión las señales de potencia de alto rango dinámico, suelen utilizarse dos ADC paralelos con offset. Se capturan y almacenan muestras antes y después del disparo. El motor de disparo controla la adquisición para determinar el momento de la captura. Tras completar una captura, todas las muestras se transfieren de la memoria de adquisición al procesamiento de señal digital (DSP) para aplicar correcciones y procesar las medidas. El DSP y el firmware procesarán de varias formas las medidas digitalizadas sin corregir procedentes del bloque de adquisición: corrección de puesta a cero/calibración, corrección de rango y ancho de banda, o procesamiento de medidas (pico, media, función de distribución acumulativa complementaria, traza).

Respecto a la ruta analógica de la CW, el medidor funciona del mismo modo que el medidor de potencia media tradicional: se genera una medida nueva tras un periodo de integración de, como mínimo, un ciclo de troceado. Las medidas se filtran para reducir el ruido y generar una velocidad de actualización de medida aceptable de 20/40/400 o más lecturas por segundo.

El sensor también lleva integrado un termistor, que mide la temperatura del detector y es necesario para realizar las correcciones de linealidad basadas en la temperatura.

 

Incertidumbres de las medidas de potencia media 

En las medidas de potencia, igual que sucede con todas las medidas, existen numerosas fuentes de incertidumbre o error. En general, hay tres fuentes de incertidumbre principales, a saber, los errores de desadaptación del sensor y la fuente, los errores del sensor y los errores del medidor.

Los errores de desadaptación del sensor y la fuente suelen ser los más habituales, y se derivan de la suma y la resta de ondas incidentes y reflejadas que crean un patrón de onda estacionaria de tensión en la línea de transmisión. Esto provoca que una parte de la potencia de la fuente no llegue nunca al sensor, por lo que no puede medirse.

Por importancia, la segunda fuente de error son las incertidumbres asociadas al sensor de potencia. No toda la potencia que llega al elemento sensor se mide; parte de ella se disipa en otros componentes. El sensor solo mide la potencia que disipa el elemento sensor en sí. Para corregir la eficiencia imperfecta del elemento sensor se utiliza un factor de calibración.

El tercer lugar lo ocupan los errores relacionados con la electrónica del medidor de potencia, como las incertidumbres de la fuente del calibrador, las incertidumbres de ganancia del amplificador y las no linealidades de los circuitos. Gracias a la introducción de los sensores de potencia USB, se ha eliminado esta fuente de incertidumbre, que ahora se considera parte de la especificación de la incertidumbre de calibración del sensor, la cual es una combinación de linealidad, incertidumbres del factor de calibración, especificaciones de temperatura e incertidumbres asociadas a los procesos de calibración interna.

Con medidas de nivel de señal bajo, aparecerán más fuentes de incertidumbre, como la puesta a cero, la desincronización de la puesta a cero y el ruido de medida. Estos errores pueden analizarse y combinarse utilizando el método de la Guía para la expresión de la incertidumbre de las medidas (GUM) para indicar la incertidumbre global de las medidas de potencia (véase la tabla 1). Las principales entidades de medida nacionales y los laboratorios de estándares de primera fila han adoptado el método de la GUM.

Fuente de incertidumbre

 

Valor (±%)

Distribución de probabilidad

Divisor

Incertidumbre estándar (k = 1)

Desadaptación fuente/sensor

(SWR del sensor = 1,2; SWR de la fuente = 1,25)

1,01%

Forma U

 

0,71%

Ruido de medida ininterrumpida (100 nW)

0,10%

Gaussiana

2

0,05%

Desincronización de la puesta a cero (100 nW)

0,10%

Gaussiana

2

0,05%

Puesta a cero (200 nW)

0,20%

Gaussiana

2

0,10%

Incertidumbre de calibración del sensor

4,00%

Gaussiana

2

2,00%

Incertidumbre estándar combinada con k = 1

2,13%

Incertidumbre ampliada con k = 2

4,25%

Tabla 1. Cálculos de incertidumbre de medida del sensor de potencia pico y media USB U2021XA de Agilent a -10 dBm y a 1 GHz al realizar una medida de potencia media ininterrumpida

Incertidumbres de las medidas de potencia pico 

La potencia pico es, básicamente, la potencia media durante un breve periodo de tiempo. El cálculo de las incertidumbres de medida de muestra indicado anteriormente es válido tanto para la potencia pico como para la potencia media. La principal diferencia es el ruido. Puesto que en las medidas de potencia pico normalmente solo se analiza una muestra, se recomienda utilizar el valor de la especificación “ruido por muestra”. Si desea medir la potencia media durante un periodo de tiempo determinado (ventana temporal), puede calcular el ruido a lo largo de ese periodo. Por efecto del promediado, el ruido irá reduciéndose gradualmente al ampliar el tiempo de medida.

 

 

En el caso de un medidor de potencia con un intervalo de muestreo de 12,5 ns y una especificación de ruido por muestra de 2,5 µW, el ruido durante un periodo de 5 µs es de 125 nW.

Para obtener la potencia pico durante el mismo periodo, puede utilizar el ruido por muestra, que en este caso es de 2,5 µW.

Cálculo de las incertidumbres de las medidas de potencia pico

 

Cálculo de las incertidumbres de las medidas medias en ventanas temporales durante un intervalo de 5 µs

Fuente de incertidumbre

 

Valor (±%)

Distribución de probabilidad

Divisor

Incertidumbre estándar (k = 1)

 

Fuente de incertidumbre

 

Valor (±%)

Distribución de probabilidad

Divisor

Incertidumbre estándar (k = 1)

Desadaptación fuente/sensor

(SWR del sensor = 1,2; SWR de la fuente = 1,25)

1,01%

Forma U

 

0,71%

 

Desadaptación fuente/sensor

(SWR del sensor = 1,2; SWR de la fuente = 1,25)

1,01%

Forma U

 

0,71%

Ruido por muestra durante un intervalo de 12,5 ns (2,5 µW)

2,5%

Gaussiana

2

1,25%

 

Ruido por muestra durante un intervalo de 5 µs (125 nW)

0,125%

Gaussiana

2

0,0625%

Desincronización de la puesta a cero (100 nW)

0,10%

Gaussiana

2

0,05%

 

Desincronización de la puesta a cero (100 nW)

0,10%

Gaussiana

2

0,05%

Puesta a cero (200 nW)

0,20%

Gaussiana

2

0,10%

 

Puesta a cero (200 nW)

0,20%

Gaussiana

2

0,10%

Incertidumbre de calibración del sensor

4,00%

Gaussiana

2

2,00%

 

Incertidumbre de calibración del sensor

4,00%

Gaussiana

2

2,00%

Incertidumbre estándar combinada con k = 1

2,47%

 

Incertidumbre estándar combinada con k = 1

2,13%

Incertidumbre ampliada con k = 2

4,93%

 

Incertidumbre ampliada con k = 2

4,25%

Tabla 2. Cálculos de incertidumbre de medida del sensor de potencia pico y media USB U2021XA de Agilent a -10 dBm y a 1 GHz al realizar una medida de potencia media en ventanas temporales y de potencia pico

 

Conclusión 

Los medidores y los sensores de potencia de RF son equipos importantes empleados para aportar trazabilidad a los sistemas de prueba para realizar medidas precisas de la potencia de RF absoluta. Los métodos utilizados para calcular las incertidumbres de los medidores y los sensores de potencia están bien establecidos y, por lo general, se basan en el método de la GUM. Este método puede aplicarse a las medidas de potencia pico y a las de potencia media. La diferencia clave radica en el tipo de ruido utilizado. En las medidas de la potencia media se utiliza el ruido de medida ininterrumpida, mientras que para la potencia pico o la potencia media en ventanas temporales se recurre a la especificación del ruido por muestra. Agilent ofrece una amplia selección de medidores y sensores de potencia pico y media. Existen calculadores de incertidumbres para todos los medidores y sensores de potencia de Agilent, que pueden descargarse en www.agilent.com/find/uncertainty_calculators.


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