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Cartel:PATRÓN PRIMARIO PARA MEDICIÓN DE POTENCIA ELÉCTRICA EN
RADIOFRECUENCIAS DE 0.05 GHz A 18 GHz
Data · October 2014
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Correction Factor (g) characterization of a 2.4-mm coaxial microcalorimeter. The microcalorimeter has a twin channel architecture and thermoelectric sensors as
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Mariano Botello
Centro Nacional de Metrologia
17 PUBLICATIONS 54 CITATIONS
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Mariano Botello-Pérez [1], Thomas P. Crowley [2], Israel García-Ruiz [1]
[1] Dirección de Radiofrecuencias, Dirección General de Metrología Eléctrica, Centro Nacional de Metrología (CENAM)
[2] Electromagnetics Division, National Institute of Standards and Technology (NIST)
Figura 1. Trazabilidad de las mediciones de PE en RF que se realizan con el patrón primario
INTRODUCCIÓN El laboratorio de Potencia Eléctrica (PE) en Radiofrecuencias (RF) del CENAM
desarrolló un Patrón Primario de PE (PPPE) en RF para satisfacer la demanda creciente
de servicios de calibración de PE en RF de alta exactitud.
El patrón permite materializar un submúltiplo del watt (W) como unidad de PE en RF,
que al ser una unidad derivada tiene trazabilidad directa hacia otros patrones
nacionales que materializan las unidades del SI en el CENAM.
La medición de PE en RF se realiza mediante 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, PRF,net , que se quiere medir y un nivel equivalente de potencia en corriente
continua, Pcc , la cual se determina con alta exactitud a través de mediciones de tensión
eléctrica continua en el detector bolométrico. Las diferencias en esta equivalencia son
debidas a errores inherentes a la sustitución de potencias y a pérdidas de potencia de
RF en el calorímetro y en el bolómetro, e.
DESCRIPCIÓN DEL PATRÓN El PPPE en RF se compone de un microcalorímetro en línea de transmisión coaxial de 7
mm, de un detector de potencia bolométrico (DPB) en conector coaxial tipo N, así como
de la instrumentación electrónica para su operación.
Figura 3. Sistema de medición para la operación del patrón primario
OPERACIÓN DEL MICROCALORÍMETRO El microcalorímetro se utiliza para medir con muy alta
exactitud la e del DPB. Una vez que se conoce la e del
DBP, éste se utiliza como patrón de transferencia para
medir la e o el factor de calibración de otros detectores de
potencia, siendo esta la forma usual en que se disemina la
alta exactitud que brinda el patrón primario.
Figura 4. Evaluación del factor de corrección de la combinación microcalorímetro + DBP
FACTOR DE CORRECCIÓN DE
MICROCALORÍMETRO + DBP El factor de corrección de la combinación
microcalorímetro + DPB, g, se determinó al comparar
mediciones de la e del DPB realizadas en uno de los
microcalorímetros del NIST, con mediciones realizadas en
el microcalorímetro del CENAM.
Figura 5. Comparación de los resultados de caracterización del DBP con los obtenidos en el NIST
EFICIENCIA EFECTIVA Y COEFICIENTE
DE REFLEXIÓN DEL DBP
Figura 2. Componentes del Patrón Primario de Potencia Eléctrica en Radiofrecuencias
PATRÓN PRIMARIO PARA MEDICIÓN DE
POTENCIA ELÉCTRICA EN RADIOFRECUENCIAS
DE 0.05 GHz A 18 GHz
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 (termistor de transferencia) 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.
RVVP ONRFOFFRFcc2
,2
,
2,,,,
2,,1
OFFRFONRFOFFRFONRF
OFFRFONRFe
VVee
VVg
eccnetRF PP ,
sCgg22
111
Patrón Nacional de Coeficiente de Reflexión
y Parámetros de Dispersión
CNM-PNE-14
Multímetro digital de
8 ½ dígitos
Puente de sustitución
de potencias tipo IV
Microcalorímetro y detector
bolométrico
(Medición de la eficiencia
efectiva del detector
bolométrico)
TRAZABILIDAD EXTERNA
TRAZABILIDAD INTERNA
Patrón Nacional de
Resistencia Eléctrica
CNM-PNE-3
Patrón Nacional de Tensión
Eléctrica Continua
CNM-PNE-5
Nanovóltmetro
CNME-PNE-9
Potencia eléctrica en radiofrecuencias
1.12
1.124
1.128
1.132
1.136
1.14
0 1 2 3 4
Te
nsió
n d
e c
.c. (m
V)
Tiempo (horas)
tensión de
salida sin RF
5 6
7 8
9
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
|| (l
ineal)
Frecuencia (GHz)
2011-NIST
2012-CENAM
2014-CENAM
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.01 0.1 1 10
U(
e)
Frecuencia (GHz)
CENAM-2014
NIST
0.95
0.96
0.97
0.98
0.99
1
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
e (
W/W
)
Frecuencia (GHz)
16-2011-NIST
21-20120302-CENAM
22-20120314-CENAM
24-20140219-CENAM
25-20140328-CENAM
Nanovóltmetro
Calibrador de c.c.
Generador
de RF
Multímetro de
81/2 dígitos
Puente de
sustitución de
potencias tipo IV
Cable coaxial de
RF
Baño de
agua
AM in
RF out Generador de RF GPIB
Detector
bolométrico
Calorímetro
Baño de agua
Computadora con
programa de control
Bus de control GPIB
B A
+ -
+ -
+ -
GPIB GPIB
Señal de
la termopila
GP
IB
V+
V-
+ - + -
sense
+ -
Señal de
Polarización - + + -
V+ V-
sense
Calibrador
de c.c. Nanovóltmetro Puente de
sustitución tipo IV
Multímetro de
8.5 dígitos
Vista lateral del microcalorímetro
Sección transversal del
detector bolométrico
Sección transversal del ensamble
de la termopila
Sección transversal de la línea coaxial
de aislamiento térmico
- Potencia de la señal de RF que incide
en el detector bolométrico
- Potencia de corriente continua
sustituida en el detector bolométrico
- Eficiencia efectiva del detector
bolométrico
netRFP ,
ccP
e
- Tensión de polarización de c.c. en
ausencia de RF
- Tensión de polarización de c.c. en
presencia de RF
- Resistencia nominal del par de termistores
del detector bolométrico (200 )
OFFRFV ,
ONRFV ,
R
- Tensión desarrollada por la termopila en
ausencia de RF
- Tensión desarrollada por la termopila en
presencia de RF
- Factor de corrección de la combinación
calorímetro-detector bolométrico g
ONRFe ,
OFFRFe ,
Tensión de la termopila en 5 frecuencias
ONRFe ,
)( ,OFFRFe
ONRFe ,
Diagrama a bloques del sistema de medición
Instrumentos del sistema de medición
43725544.03 104103.81005.1102.51054.3 xfxfxfxfxgsC
2653 1017.51086.21007.2 fxfxxU e
- Módulo del coeficiente de reflexión del DPB
- Frecuencia de medición en GHz
f
0
0.0005
0.001
0.0015
0.002
0.0025
0.01 0.1 1 10
uc(g
sC)
Frecuencia (GHz)
Incertidumbre combinada del factor de corrección sCc gu
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
0.014
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
gsC
Frecuencia (GHz)
Valores Experimetales
Curva de ajuste -4E-04
-3E-04
-2E-04
-1E-04
0E+00
1E-04
2E-04
3E-04
4E-04
5E-04
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
gs,
m -
gs,
a
Frecuencia (GHz)
msg ,
asg ,
Diferencias entre valores de gs
experimentales y de la curva de ajuste Valores de gsC
Módulo del coeficiente de reflexión
Incertidumbre expandida de la eficiencia efectiva
Eficiencia efectiva
Microcalorímetro
Cubierta del
microcalorímetro
Detector
Bolométrico
(DBP)
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