Medida de Potência em Radiofrequência
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- Thalita Jardim Monteiro
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1 Sistemas de Medida em Radiofrequência MEDIDA DE POTÊNCIA EM RADIOFREQUÊNCIAS Prof. Francisco Alegria Outubro de 2003 Medida de Potência em Radiofrequência Difere da medida de sinais contínuos nuos ou de baixa frequência. Medidas de potência (média, pico, ). Métodos de medida. Tipos de sensores utilizados. Factores que contribuem para erros e incertezas. 26 de julho de 2005 Introdução 2
2 Porquê Medir Potência Condiciona directamente a área de cobertura de um transmissor. Determina a capacidade de um receptor em extrair a informação desejada do sinal recebido. Num sistema de radiocomunicação é necessário que diversos componentes trabalhem em conjunto. Níveis de potência demasiado baixos são afectados pelo ruído. 26 de julho de 2005 Introdução 3 Porquê Medir Potência Níveis demasiado elevados podem provocar a distorção do sinal devido ao funcionamento não- linear dos circuitos. Níveis muito elevados podem mesmo causar danos físicos f ao equipamento e colocar em risco os seus utilizadores. Devido à complexidade e custo elevado dos sistemas é necessário conhecer a potência com exactidão por forma a maximizar e rentabilizar o investimento. 26 de julho de 2005 Introdução 4
3 Unidades Utilizadas Expressa-se se em watt. Fluxo de energia (joule) por unidade de tempo (segundo). Utilizam-se também m unidade logarítmicas pois existem um grande gama de valores de potência: Da ordem dos kw na saída dos transmissores. Da ordem dos pw na antena de recepção. Quando se utiliza uma outra potência como referência: P[dB]=10log(P/ ]=10log(P/Pref). Quando se pretende exprimir em valor absoluto utiliza-se como referência 1mW (dbm( dbm). 26 de julho de 2005 Introdução 5 Objectivos Perceber as características do sinal a medir e como interagem com o processo e equipamento de medida. Compreender as incertezas da medida. Conhecer as características e o desempenho de tecnologias utilizadas na medida e capacidade de medida dos instrumentos disponíveis. Efectuar comparações de desempenho de modo a escolher os produtos adequados. 26 de julho de 2005 Introdução 6
4 Tipos de Sinais Se todos os sinais fossem sinusóides ides moduladas em frequência Evolução da tecnologia em termos de comunicações, radar e navegação levou ao uso de esquemas complexos de modulação. Sistemas de comunicações sem fios são baseados em modulação I-Q I Q (em fase e quadratura) com ritmos elevados. O sinal transmitido inclui várias v portadoras (canais) e o resultado é um processo estatístico stico que leva a picos de potência elevados. As transições de frequência que ocorrem quando se muda de célula c provocam perturbações na potência. 26 de julho de 2005 Introdução 7 Tipos de Sinais Alguns transmissores de radares e contra medidas electrónicas utilizam uma tradicional sequência de impulsos. No entanto novos sistemas utilizam técnicas t de espalhamento espectral e codificação de fase de modo a extrair informação extra do alvo. Sistemas de navegação como o GPS utilizam modulação de fase (PSK) de modo a obter localizações precisas. 26 de julho de 2005 Introdução 8
5 Tipos de Sinais Geradores Sintetisados Existem geradores sintetisados que permitem gerar sinais de trafegos completos. São utiliados para caracterizar sistemas reais de transmissores e receptores (ex: transponder de satélites). Podem simular sinais de interferência que somados vectorialmente podem dar origem a picos de potência. 26 de julho de 2005 Introdução 9 Tipos de Sinais (Radar) Pulso mais estreitos permitem maior resolução Tempos de subida e descida menores. Maior largura de banda. 26 de julho de 2005 Introdução 10
6 Medidas de Potência Potência instantânea. Potência activa. Potência envolvente. Potência média. m Potência envolvente de pico. Potência de impulso. 26 de julho de 2005 Medidas de Potência 11 Potência Instantânea Em cada instante de tempo a potência calcula-se a partir da tensão e da corrente multiplicando uma pela outra. p t u t i t 26 de julho de 2005 Medidas de Potência 12
7 Potência Activa Caso sinusoidal. Potência também sinusoidal: Dobro da frequência. Valor médio m proporcional aos valores eficazes da tensão e corrente e à desfasagem entre elas. 26 de julho de 2005 Medidas de Potência 13 Potência Activa Utilizado em CW (continuous wave) pois não varia no tempo. P V I rms rms cos 26 de julho de 2005 Medidas de Potência 14
8 Potência Envolvente Em radiocomunicações a informação a transmitir é usada no para modular um sinal sinusoidal (portadora( portadora). A potência deixa de ter um carácter cter estacionário com uma forma sinusoidal e uma componente contínua. nua. Não faz sentido o uso da potência activa como forma de caracterizar o sinal. 26 de julho de 2005 Medidas de Potência 15 Potência Envolvente Representada por P e (t). Média da potência instantânea durante um período da portadora. 26 de julho de 2005 Medidas de Potência 16
9 Potência MédiaM Integral da potência instantânea durante um número n inteiro de períodos da moduladora. A potência média m é igual à média da potência envolvente. T 2 1 P t p t d avg T T 2 26 de julho de 2005 Medidas de Potência 17 Potência Envolvente de Pico Representada por PEP. Valor máximo m da potência envolvente. Diferentes níveis n de potência de símbolos s (QAM). Múltiplas portadoras. Crest Factor 26 de julho de 2005 Medidas de Potência 18
10 Peak/Average Power Ratio 26 de julho de 2005 Medidas de Potência 19 Sistema de Medida de Potência de Pico (Boonton 4400A/4500A) Sensor de potência de pico com dois díodos d detectores: Elevada LB de RF (até 40 GHz). Pequena LB de vídeo v (3 a 35MHz). Amplificador logarítmico de precisão (com largura de banda de vídeo v compatível. Circuito de amostragem rápido, r assíncrono relativamente ao sinal de entrada. Conversor analógico/digital. Processador digital de sinal (DSP) de elevada velocidade. Micro controlador. Visor. 26 de julho de 2005 Medidas de Potência 20
11 Potência de Impulso Em esquemas de multiplexagem temporal (TDMA) ocorrem surtos de potência: GSM. NADC (North( American Digital Cellular). Bluetooth. 26 de julho de 2005 Medidas de Potência 21 Potência de Impulso Nesses casos tem interesse a especificação da potência de impulso (Pp ) que é o valor médio da potência durante um impulso. 26 de julho de 2005 Medidas de Potência 22
12 Potência de Impulso Quando o ciclo de trabalho ( (duty cycle) é bem definido, pode-se calcular a potência de impulso a partir da potência média. m Permite o uso de equipamento menos dispendioso. Contabiliza todas as imperfeições do impulso. P p P t avg p T 26 de julho de 2005 Medidas de Potência 23 Análise Estatística stica CDMA e outros esquemas de modulação spread-spectrum spectrum necessitam de uma analise estatística stica da potência. Função densidade de probabilidade (PDF). Função densidade de probabilidade cumulativa (CDF). Função densidade de probabilidade cumulativa complementar (1-CDF ou CCDF). 26 de julho de 2005 Medidas de Potência 24
13 Função Densidade de Probabilidade Cumulativa Complementar (cdmaone( cdmaone) 26 de julho de 2005 Medidas de Potência 25 Exemplos de Modulações O esquema de modulação afecta a sua distribuição de potência. 26 de julho de 2005 Medidas de Potência 26
14 Compressão 26 de julho de 2005 Medidas de Potência 27 Adjacent Channel Power Ratio (ACPR) Também designado por Adjacent Channel Leakage Power Ratio (ACLR) Importante na caracterização da distorção de subsistemas e na determinação da probabilidade de um sistema provocar interferência em outros sistemas. A distorção é provocada por não linearidades. O componente que introduz mais não-linearidade são, em geral, os amplificadores. 26 de julho de 2005 Medidas de Potência 28
15 ACPR e Intermodulação (IMD) Em sistemas de RF primitivos a influência de um canal em canais adjacentes era determinada utilizando duas sinusóides ides representando dois canais activos. O produto de 3ª 3 ordem podia corresponder a uma frequência de um outro canal provocando interferência. IMD é a relação entre a potência em um dos produtos de 3ª 3 ordem e a potência de uma das sinusóides ides principais. Não é o ensaio mais adequado quando se tratam de sistemas de modulação mais complexos. 26 de julho de 2005 Medidas de Potência 29 ACPR Em vez de se utilizarem duas sinusóides, ides, utilizam- se dois sinais modulados. ACPR é definido como a relação da potência numa determinada LB longe do sinal principal sobre a LB desse sinal principal. Esta definição é propositadamente vaga pois a medida depende do tipo de sistema. 26 de julho de 2005 Medidas de Potência 30
16 Alternate Channel Power Ratio Também m se utiliza para a relação entre a potência numa LB dois canais distante do sinal principal e a potência na LB do sinal principal. Em termos de IMD corresponde ao produto de intermodulação de 5ª 5 ordem (ou combinação de outras ordens). 26 de julho de 2005 Medidas de Potência 31 Desvantagens da Medida de ACPR Requer o uso de sinais modulados. Requer a medida da potência numa largura de banda bem definida. Uma possibilidade é efectuar a medida indirecta através da medida da IMD utilizando períodos de ordem superior. Embora teoricamente possível, na prática torna-se difícil correlacionar o resultado com a ACPR: Depende da topologia do amplificador. Depende da modulação utilizada. Em muitos casos é preciso mesmo medir o ACPR directamente. 26 de julho de 2005 Medidas de Potência 32
17 Geração dos sinais modulados. É necessário especificar as frequências e larguras de banda. A potência do sinal de entrada ou de saída influencia o comportamento dos sistemas em ensaio. O ACPR varia fortemente com o tipo de modulação. Os sinais utilizados para comparação devem ter a mesma distribuição estatística. stica. 26 de julho de 2005 Medidas de Potência 33 Exemplo 26 de julho de 2005 Medidas de Potência 34
18 Exemplo de Especificação 26 de julho de Medida de ACPR Utilizada especialmente em medidas de transmissores e receptores. Geralmente efectuada com Analisadores de Redes Vectoriais ou Analisadores de Espectros. Será abordada em mais pormenor mais adiante. 26 de julho de
19 Instrumentos de Medida Diferentes instrumentos: Medidores e Sensores de Potência. Analisadores de Espectro. Analisadores de Redes. Analisadores Vectoriais. 26 de julho de 2005 Instrumentos de Medida 37 Medidores e Sensores de Potência O mais preciso é em geral o Sensor de Potência que não é mais do que um transdutor que converte a potência numa tensão. O Medidor de Potência mede a tensão produzida pelo sensor e indica a potência em unidade lineares (W) ou logarítmicas (dbm( dbm). A exactidão destes instrumentos é,, em geral, da ordem das décimas d de dbm enquanto que os outros instrumentos referidos têm uma exactidão da ordem das dezenas de dbm. 26 de julho de 2005 Instrumentos de Medida 38
20 Outros Instrumentos Enquanto que os Medidores e Sensores de Potência não são selectivos na frequência, isto é,, medem a potência ao longo de toda a gama de frequências do sensor, os outros instrumentos permitem medir a potência num determinada banda de frequências. Conseguem medir níveis n de potências muito mais baixas do que os -70dBm típicos t dos Sensores de Potência. 26 de julho de 2005 Instrumentos de Medida 39 Diferentes Sensores de Potência Transformação do sinal de radiofrequência cuja potência se quer medir num sinal contínuo nuo ou de baixa frequência que esteja relacionado com o nível n de potência do sinal original: Termistor (elevada exactidão). Termopar (elevada gama de potências). Díodo detector (elevada sensibilidade). 26 de julho de 2005 Instrumentos de Medida 40
21 Medição de Potência Sensor e medidor separados. 26 de julho de 2005 Instrumentos de Medida 41 Gamas de Potência 26 de julho de 2005 Instrumentos de Medida 42
22 WATTÍMETRO DE ALTA FREQUÊNCIA UTILIZANDO TERMISTORES 26 de julho de 2005 Termistores 43 Wattímetro de Alta Frequência Utilizando Termistores Resistências com um coeficiente de variação com a temperatura negativo (NTC( NTC). Semicondutores intrínsecos nsecos (geralmente óxidos metálicos). O aumento da temperatura faz aumentar o número de electrões na banda de condução. Provoca uma diminuição da resistência eléctrica. Por exemplo, um aumento de 120ºC C pode corresponder à variação da resistência de 1,5k para de julho de 2005 Termistores 44
23 Wattímetro de Alta Frequência Utilizando Termistores Resistência metálicas de platina com coeficiente de temperatura positivo (PTC). Mais reprodutíveis em sensibilidade e impedância. Menores constantes de tempo. Pequeno domínio de variação (dificuldade em fazer a adaptação de impedâncias). 26 de julho de 2005 Termistores 45 Circuito Eléctrico Usados aos pares. Ponte de Wheatstone. Os condensadores comportam-se como curto-circuitos circuitos para âltas frequências e circuitos abertos para baixas frequências. 26 de julho de 2005 Termistores 46
24 Análise para Baixas Frequências Ponte de Wheatstone com equilíbrio automático. tico. À temperatura ambiente R T1 +R T2 é maior do que R 2 R 3 /R 1 (dimensionamento). u d >0, u 0 >0, u 1 >0, dissipação de potência nos termistores, R T1 e R T2 diminuem, u d tende para 0. R R R ud u u u RR 2 3 ud 0 RT1 RT2 R T1 T RT1 RT2 R2 R1 R de julho de 2005 Termistores 47 Análise para Altas Frequências Ao aplicar-se um sinal de alta frequência com uma potência P HF, a potência posta em jogo nos termistores aumenta. O amplificador irá diminuir a tensão de saída de modo a manter a ponte em equilíbrio. 26 de julho de 2005 Termistores 48
25 Determinação do Valor de Potência Em geral R 1 =R 3. No equilíbrio tem-se R 2 =R T1 +R T2 e portanto u 1 =u 0 /2. Medindo U 0 com e sem o sinal de RF aplicado determina-se a potência desse sinal. P d P U U0 R R 4R HF 2 T1 T2 2 U U 4R 4R 2 2 0DC 0HF de julho de 2005 Termistores 49 Inconvenientes Não é muito cómodo c ter de fazer duas medidas, uma com e outra sem o sinal a medir. Qualquer variação na temperatura entre as duas medidas provoca um erro no resultado. 26 de julho de 2005 Termistores 50
26 Solução Utilizar duas pontes em simultâneo. Os termistores são emparelhados. A uma das pontes é aplicado o sinal a medir e à outra não é aplicado sinal nenhum. U U 4R 4 P P 2 2 C HF PHF 2 R2 HF HF U U 4R 2 2 C HF 2 U U U U C HF C HF 4R 2 26 de julho de 2005 Termistores 51 Esquema Eléctrico 26 de julho de 2005 Termistores 52
27 Aplicações Hoje em dia (2003) são utilizados principalmente para transferência de referências de potência entre laboratórios. rios. 26 de julho de 2005 Termistores 53 WATTÍMETRO UTILIZANDO TERMOPARES 26 de julho de 2005 Termopares 54
28 Wattímetro Utilizando Termopares Mais sensíveis, circuitos mais simples. Efeito Seebeck.. Força electromotriz de origem térmica proporcional à diferença a de temperatura entre duas junções de materiais diferentes. u s =C p (T 1 -T 2 ), da ordem das dezenas de mv. 26 de julho de 2005 Termopares 55 Dois Termopares O sinal de alta frequência é aplicado aos termopares fazendo subir a temperatura das junções. São construídos de modo a apresentarem uma impedância adaptada para a linha de transmissão. Os condensadores servem para bloquear a componente contínua. nua. Funciona até 20 GHz. 1 Pd T1 T R TH u 2C R P s p TH d a 26 de julho de 2005 Termopares 56
29 Amplificação da Tensão O valor máximo m é da ordem dos 10mV. O amplificador tem de ter ganho elevado, muito pequeno offset e deriva com a temperatura. Utiliza-se um segmentador (chopper)) e um amplificador de instrumentação. 26 de julho de 2005 Termopares 57 Circuito Eléctrico 26 de julho de 2005 Termopares 58
30 Desmodulação SíncronaS 26 de julho de 2005 Termopares 59 Características dos Sensores Utilizando Termopares Reagem ao valor médio m do sinal independente das suas características: Forma. Distorção. Conteúdo harmónico. Gama dinâmica baixa (-30dBm( a 20dBm). Não é apropriado para o teste mute de amplificadores ( -55( dbm). 26 de julho de 2005 Termopares 60
31 WATTIMETRO UTILIZANDO DÍODOS DETECTORES 26 de julho de 2005 Díodos Detectores 61 Díodo Detector Em vez de reagir ao conteúdo energético do sinal converte-o o numa tensão constante proporcional à sua potência. A principal vantagem é a sua sensibilidade: -70 dbm (100pW). Actualmente utilizam-se díodos d do tipo Schottky. A Agilent usa díodos d PDB ( (planar doped barrier ) que têm um melhor desempenho (-70dBm( até 18 GHz). Para potências tão baixas a tensão de saída é de 50nv. Requer circuitos amplificadores bastante sofisticados. 26 de julho de 2005 Díodos Detectores 62
32 Região Quadrática 26 de julho de 2005 Díodos Detectores 63 Características de Sensores com Díodos Baseados na rectificação dos sinais. A tensão de saída é proporcional à potência do sinal de entrada ( (square law region). Gama dinâmica de -70dBm a -20dBm. Elevada sensibilidade. Ideal para medir a potência mínima m do sinal de entrada em receptores. Possuem uma velocidade de resposta maior do que os termopares. 26 de julho de 2005 Díodos Detectores 64
33 Sensores de Díodos D com Gama Expandida Os sensores de díodos d podem ser usados para além m da sua região quadrática utilizando calibração: Gerador de CW. EEPROM. Permite a medida de sinais CW de -70dBm a 20dbm. Até 33 GHz. Em TDMA e CDMA não funciona. Uma aplicação é o uso em laboratórios rios de metrologia, onde são usados sinais CW, para detecção e estabilização de níveis n de potência. 26 de julho de 2005 Díodos Detectores 65 Díodo/Atenuador/Díodo Separa a medida de sinais de alta e baixa potência. Substitui o uso de termopares e díodos detectores em conjunto (medida demorada). Mantém m sempre um dos díodos d na zona quadrática. Gama dinâmica de 80dB (-60dBm( a +20dBm). Até 24 GHz. Permite ao sensor suportar níveis n de potência mais altos sem causar danos do que os díodos d de gama expandida. Útil em W-CDMA W em onde existem picos muito elevados. 26 de julho de 2005 Díodos Detectores 66
34 Sensores de Pico e Potência MédiaM Gama de frequência de 50MHz a 6/18MHz. Gama de potências de -67dBm a +20dBm. Banda de vídeo v (modulação) de 300kHz, 1,5MHz ou 5MHz. 300 khz: TDMA, GSM. 1.5 MHz: CDMA, IS MHz: W-CDMA, cdma2000. Utilizados para sistemas de modulação complexos. Ideal para medidas de limitadas no tempo. Tabela de correcção de erros armazenada em EEPROM em cada sensor. Função da frequência. Função do nível n de potência. Função da temperatura. 26 de julho de 2005 Díodos Detectores 67 Aplicações 26 de julho de 2005 Comparação entre Sensores 68
35 Características 26 de julho de 2005 Comparação entre Sensores 69 Características 26 de julho de 2005 Comparação entre Sensores 70
36 Características 26 de julho de 2005 Comparação entre Sensores 71 Características 26 de julho de 2005 Comparação entre Sensores 72
37 Características 26 de julho de 2005 Comparação entre Sensores 73 Comparação Termopares Baseados em dissipação de calor. Sensibilidade -30dBm. Responde ao valor médio m total do sinal independentemente da modulação. Exacto e linear. Díodos detectores: Baseados na rectificação do sinal. Sensibilidade -70dBm. Rápidos, permitindo a medida de valores de pico, perfis de potência, medidas limitadas temporalmente e medida estatística. stica. Versátil. 26 de julho de 2005 Comparação entre Sensores 74
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