FocusonPCB - Vicenza, 15-16 maggio 2024
Torna a Vicenza il 15 e 16 maggio 2024 Focus on PCB, la terza edizione della fiera dedicata all'intera filiera dei circuiti stampati. Nata dalla volontà del Gruppo PCB Assodel…
Alcune considerazioni su come migliorare la precisione delle misure di potenza sui segnali a radiofrequenza utilizzando i moderni sensori multicammino (multi-path) collegabili a PC o a strumenti di misura tramite l’interfaccia USB.
Tradizionalmente, i misuratori di potenza di segnali a radiofrequenza sono stati realizzati usando una combinazione composta da un’unità base e un sensore di potenza esterno collegati da un cavo.
In questa tipologia di misuratori di potenza, il segnale RF viene convertito in un segnale di tensione da un sensore di potenza, amplificato e quindi convertito in un segnale digitale e visualizzato nell’unità base.
Il collegamento tra unità base e sensore utilizza una tecnica di trasmissione puramente analogica tra il sensore di potenza e l’unità di base. Questo approccio ha il vantaggio che si può scegliere il sensore di potenza più adatto alla propria applicazione senza doversi preoccupare troppo delle caratteristiche dell’unità base, che rimane la stessa. Tuttavia, lo svantaggio naturale di questa configurazione è che un sensore di potenza non può essere utilizzato in modo autonomo, cioè senza un’unità base.
Più di recente, l’evoluzione tecnologica ha favorito la crescente miniaturizzazione dei componenti, così come l’incremento delle prestazioni, tant’è che oggi sono disponibili a buon mercato numerosi processori piccoli ed efficienti.
Pertanto, oggi un misuratore di potenza può essere facilmente realizzato come una piccola unità integrata connessa direttamente ad un PC o a un’unità base attraverso una comune porta USB standard.
In questo caso, l’unità base non esegue alcuna elaborazione del segnale analogico. Il suo compito è essenzialmente quello di alimentare il misuratore di potenza e visualizzare i valori misurati.
Si tratta di una soluzione che offre un evidente vantaggio: il misuratore di potenza integrato non è più costituito da molti componenti e può essere completamente caratterizzato durante il processo fabbricazione. Ciò elimina la necessità di calibrare il sistema di misura, costituito dalla combinazione del sensore e dell’unità di base, con un segnale di riferimento prima del suo utilizzo.
Un ulteriore vantaggio offerto da un sensore di potenza USB è che l’elaborazione del segnale risulta essere meno sensibile ai disturbi indesiderati, in quanto viene eseguita all’interno di un dispositivo integrato e l’azzeramento diventa necessario solamente per il rilevamento di segnali di ampiezza molto piccola.
I misuratori di potenza disponibili sono basati su differenti tecnologie in grado di coprire una gamma di frequenze che si estende oltre i 100 GHz e una gamma di potenze misurabili da 100 pW a diverse decine di Watt.
Le tecnologie più frequentemente utilizzate attualmente per realizzare i sensori di potenza sono:
I sensori termici convertono la potenza RF applicata in calore utilizzando un resistore. La potenza RF può quindi essere calcolata in base alla differenza di temperatura tra questo resistore e le sue immediate vicinanze. Lo svantaggio principale di questo tipo di sensori termici è la loro bassa velocità di misura e, quindi, la conseguente impossibilità di visualizzare l’inviluppo della potenza.
Inoltre, il sensore termico può essere utilizzato per misurare potenze a partire dai 300 nW e la sua gamma dinamica risulta pertanto limitata.
Per superare i limiti dei sensori termoelettrici si ricorre a sensori di potenza basati sui diodi, che possono garantire una gamma dinamica fino a 90 dB. A seconda della loro realizzazione, i sensori a diodo possono anche misurare l’inviluppo della potenza fino ad una larghezza di banda di diverse decine di MHz.
Un sensore di potenza basato sui diodi converte un segnale RF in un segnale di tensione usando un rivelatore RMS (a valore efficace).
Per livelli di potenza inferiori a -20 dBm, il rivelatore mantiene una relazione lineare tra il segnale RF e la tensione in uscita. Questa zona è conosciuta come regione a legge-quadratica.
Nella regione a risposta quadratica, il diodo rivelatore si comporta più o meno come un rivelatore termico ed è in gran parte immune alle armoniche e alla modulazione di ampiezza.
Per segnali di livello superiore, non esiste più una relazione lineare tra il segnale RF e la tensione di uscita del rivelatore, pertanto, misure precise di potenza sono possibili in questa regione solo se la larghezza di banda del segnale è inferiore alla larghezza di banda del rivelatore. Inoltre, ogni valore misurato deve essere linearizzato numericamente prima di poter essere utilizzato per ulteriori calcoli.
E’ necessario utilizzare più tecniche per sfruttare appieno le caratteristiche positive del diodo rivelatore nella costruzione di un misuratore di potenza universale che possa offrire un’ampia gamma dinamica di misura.
In primo luogo, più diodi vengono collegati in serie per formare il cosiddetto “stack”, o pila. Questa configurazione si traduce in un miglioramento della gamma dinamica di 10dB•log(N), dove N è uguale al numero di diodi. Inoltre, nel rilevatore vengono integrati due o tre cammini di misura (path) indipendenti con diversi livelli di attenuazione. A seconda del livello di potenza del segnale RF in ingresso, si sceglie il percorso che offre le migliori prestazioni.
La commutazione repentina tra i vari cammini interni del rilevatore è una possibilità, ma ad essa è associato il fenomeno dell’isteresi. Si possono però adottare transizioni più graduali, come avviene all’interno dei sensori NRP-Z di Rohde & Schwarz.
Quest’ultimo approccio offre molti vantaggi, inclusa la prevenzione di gradini di segnale, migliore riproducibilità grazie all’eliminazione dell’isteresi e la capacità di misurare l’inviluppo della potenza senza interruzioni. Vi è inoltre un miglioramento del rapporto S/N di fino a 6 dB nella regione di transizione.
La figura 1 mostra l’incertezza della misura legata all’incertezza nella regione di transizione di due cammini per i diversi casi di commutazione repentina e transizione graduale.
La curva blu rappresenta il cammino di misura più sensibile che funziona nel punto di commutazione al suo limite di misurazione superiore. In questo punto di lavoro, l’incertezza della misura aumenta rapidamente a causa delle armoniche o della modulazione.
La curva in rosso rappresenta il comportamento del cammino meno sensibile. Questo percorso funziona al limite inferiore del punto di commutazione. L’incertezza della misura aumenta a causa del rumore e dalla deriva dello zero quando il livello del segnale decresce.
Grazie alla transizione graduale tra i due cammini di segnale nella regione di commutazione, si ottengono prestazioni migliori e una maggiore velocità di misura nella regione di transizione.
Il notevole impegno profuso nello sviluppo dei sensori di potenza con diodi multicammino ha raggiunto un certo grado di successo. Questi sensori hanno ormai raggiunto l’accuratezza dei sensori termici fornendo, al tempo stesso, una migliore gamma dinamica ed una più alta velocità di misura.
L’integrazione di multipli cammini di misura che funzionano simultaneamente è stato reso possibile dalla realizzazione dei misuratori di potenza integrati.
La qualità di un sensore si riflette nella precisione della misura. Per i sensori di potenza, la precisione di misura ottenibile è solitamente specificata nelle condizioni di riferimento.
Di conseguenza, è molto importante familiarizzare con le specifiche del costruttore, al fine di determinare quali sorgenti addizionali di errori esistono e in che modo possono influenzare un determinato tipo di misura.
L’utilizzatore dovrebbe anche prestare attenzione a quanto segue:
Se è l’utilizzatore che si occupa della configurazione del sistema di misura, è indispensabile assicurarsi che tutti i parametri siano impostati correttamente. Uno dei parametri più importanti è la lunghezza del filtro a media mobile (averaging).
Aumentando la lunghezza del filtro si riduce il livello del rumore, ma si aumenta il tempo di misura. Le specifiche fornite dal produttore nel Data Sheet aiutano a determinarne il valore ottimale.
Basandoci sull’esempio del sensore NRP-Z21 di Rohde & Schwarz, questa relazione può essere illustrata nella tabella seguente. In questo caso, un segnale CW deve essere misurato a 5 GHz e -40dBm (100nW).
Qui il sensore utilizza il percorso rivelatore più sensibile. Il Data Sheet del produttore può essere consultato per il segnale dato, leggendo l'incertezza assoluta. Questo valore include l’inesattezza di taratura, la non-linearità e le influenze di temperatura.
| Incertezza assoluta | 2,2 % | ||
| Deriva dallo zero (zero offset) | 100 pW (tipico, senza azzeramento) | 0,1 % | |
| Specifiche sul rumore | 40 pW per tempo di misura di 10,24 s | ||
| Rumore per determinati tempi di misura | 1 s | 128 pW | 0, 13 % |
| 0,5 s | 181 pW | 0,18 % | |
| 0,1 s | 405 pW | 0,41 % | |
| 0,01 s | 1,28 nW | 1,28 % |
La deriva dello zero nel percorso più sensibile è specificata con un valore di 100 pW e deve essere impostata in relazione al livello del segnale. Questo fattore di errore può essere ignorato in questo esempio. Di conseguenza, nessun azzeramento manuale è richiesto.
Il livello del rumore è specificato nel Data Sheet per un tempo di integrazione definito e deve essere convertito come richiesto dall’utilizzatore. In questo esempio il moltiplicatore è sqrt (10,24 / Tmeas).
Nel caso di un segnale modulato in ampiezza, il tempo di integrazione deve essere un multiplo intero del periodo del segnale stesso. Se il periodo è sconosciuto o variabile, un considerevole miglioramento nella precisione può essere ottenuto moltiplicando la finestra di integrazione con un una curva a campana. Questa tecnica è conosciuta come “smoothing” (spianatura) con sensori di potenza tipo R&S NRP-Z.
Nel caso di un segnale ripetitivo, è sempre necessario misurare su almeno due finestre di integrazione.
Ciò permette al sensore di commutare la polarità dei segnali analogici tra due misurazioni adiacenti.
Questa tecnica è conosciuta col nome di “chopping”. Essa elimina efficacemente le tensioni di offset durante l’elaborazione del segnale analogico insieme all’influenza del rumore 1/f.
Infine, va affrontato un tema che troppo spesso nella pratica quotidiana viene ignorato: il disadattamento di impedenza.
Il disadattamento tra il sensore di potenza e il dispositivo in prova è il fattore che generalmente influenza maggiormente l’accuratezza raggiungibile.
Un sensore di potenza viene tarato in fabbrica affinché visualizzi sempre l’ampiezza della potenza incidente. La taratura tiene conto delle perdite interne così come della potenza riflessa.
Se la sorgente collegata fosse ideale, la potenza riflessa dal sensore di potenza verrebbe assorbita completamente. In tal caso, il risultato visualizzato risulterebbe corretto.
L’errore di misura dovuto al disadattamente può essere determinato approssimativamente mediante la seguente formula:
±200 % • |ΓG| • |ΓL| o ±8,7 dB • |ΓG| • |ΓL|
Il modulo del coefficiente di riflessione complesso della sorgente (ΓG) o del carico (ΓL) può essere calcolato dal loro ROS (VSWR):
Se una sensore di potenza che ha un ROS (VSWR) pari a 1,15 viene utilizzato con un dispositivo in prova che ha un ROS di 1,6, allora si otterrà una misura affetta da un errore di ±0,14 dB o ±3,1 % solamente per gli effetti del disadattamento.
Si tratta di un errore che da solo è già superiore a quello dell’incertezza assoluta specificata nei dati tecnici del sensore dell’esempio precedente
Si possono seguire diversi approcci per cercare di evitare questo tipo di errore:
Nel caso più semplice, l’adattamento del dispositivo in prova può essere migliorato inserendo un attenuatore con un fattore di attenuazione compreso tra 3 dB e 10 dB. Questo accorgimento da solo riduce l’errore dovuto al disadattamento di un fattore da 2 a 10.
Se il coefficiente di riflessione complesso del dispositivo in prova è noto, allora è anche possibile correggere numericamente il valore misurato.
I sensori di potenza R&S NRP-Z eseguono questa conversione automaticamente poiché il coefficiente di riflessione del sensore viene rilavato direttamente in fabbrica durante il processo di caratterizzazione e quindi è immediatamente disponibile. Ciò che rimane da fare all’utilizzatore è determinare il coefficiente di riflessione del dispositivo in prova e comunicarlo al sensore di potenza.
La precisione delle misure di potenza a radiofrequenza è innanzitutto determinata da una scelta corretta della strumentazione di misura. Ciò è particolarmente vero quando è necessario eseguire misure veloci oltre che precise, come avviene di solito negli ambienti di produzione.
Il progresso tecnico di questi ultimi anni ha reso disponibili una vasta gamma di sensori di potenza integrati di piccole dimensioni, robusti e precisi.
I sensori di potenza a diodo multicammino sono attualmente molto diffusi in numerose aree applicative. Offrono un’accuratezza paragonabile a quella dei sensori termici e sono praticamente indipendenti dal tipo di modulazione applicata al segnale. Inoltre, offrono anche la più vasta gamma dinamica tra tutti i misuratori di potenza commercialmente disponibili.
*Thomas Röder lavora in Rohde & Schwarz dal 2006 come tecnico applicativo specializzato nei generatori di segnali e misuratori di potenza. E' l’autore dell’applicazione R&S Power Viewer+
