PRACTICA 2

MEDICIONES DE POTENCIA

Objetivo general

Familiarizarnos con los principios de operación de un medidor de potencia de microonda.

La potencia se define como la cantidad de energía disipada por unidad de tiempo. Esta definición es general y no está relacionada a cualquier tipo específico de potencia o a cualquier fuente de potencia específica. En el SI la unidad de potencia es el watt (w), la cual en términos de unidad base es joule/segundo.

Para mediciones de microondas, los niveles de potencia se dividen en tres clases: Los niveles por debajo de 1mW son considerados de baja potencia. los niveles de potencia media están entre 1mW y 10 W. las potencias sobre 10 W se consideran altos niveles de potencia.

En el campo de las microondas es habitualmente más conveniente expresar los niveles de potencia en dBm en vez de watts. Las escalas de conversión convencionales indican que 10 mW son equivalentes a 10 dBm y que 0dBm son equivalentes a 1 mW.

las potencias mayores que 1mW dan valores dBm positivos mientras que los valores dBm negativas se obtienen para potencia menores a 1 mW.

EQUIPOS REQUERIDOS

Fuente de alimentación del oscilador GUNN Medidor de potencia Oscilador gunn Montaje del termistor

Atenuador variable Cables de conexión y accesorios Soportes de guía de onda Osciloscopio

PROCEDIMIENTO

1- Asegurarnos que todos los medidores de potencia están en la posición OFF

2- Conectar los componentes según la figura 2. Desatornille los tornillos de adaptación en el montaje del termistor para que no penetren en la guía, antes e conectarlo a la instalación. Instale dos soporte de guía monda, uno debajo del oscilador Gunn y otro debajo del montaje del termistor.

Figura 2: Guía de conexión Equipo montado según la figura 2

Figura 1: Medidor de Potencia Fuente de alimentación

3- Realizar los siguientes ajustes en la fuente de alimentación del oscilador gunn.

Voltaje: MIN Modo: DC RANGO DEL MEDIDOR 10 V

4- Realizar los siguientes Ajustes al osciloscopio.

Base de tiempo 50 uS/DIV Canal 1 0.5 v/DIV Acople de entrada y disparo AC Modo vertical y disparo Canal 1 Disparo Canal 1 Acople de Disparo AC Modo de Disparo Auto

5- Ajuste el atenuador variable alrededor de 11 mm

6- Encienda la fuente de alimentación del oscilador gunn, el medidor de potencia y el osciloscopio. Ajuste el voltaje de la fuente a 8v seleccione el rango a 3 mW en el medidor de potencia. espere aproximadamente dos minutos para que el medidor de potencia se estabilice. Utilice la perillas ZERO ADJUST para ajustar la aguja de indicador de potencia a 0 mW. (figura 4)

7- Utilizando la gratícula del osciloscopio mida el voltaje pico a pico de la señal de audio a través del termistor.

Voltaje de la señal de audio: 1.2 V Vp-p

Figura 3: Ajustes de fuente alimentadora

Figura 4: Escala de medición de potencia

Si la resistencia del termistor es 100 ohm ¿cuál es la potencia de audio que recibe el termistor del medidor de potencia?

Vp=0.6 Veficaz

P= Veficaz2 / R P=0.6 v/ (2)1/2 P= (0.42)2/100 ohm P=1.8 mW

8- Ajuste el atenuador variable para obtener una lectura de potencia de alrededor de 1mW en la escala de 3 mW modifique el voltaje de fuente del oscilador gunn para hacer máxima deflección de la aguja.

9- En la parte posterior del montaje del termistor, afloje la tuerca estriada de traba, que mantiene en su lugar al cortocircuito móvil. Ajuste la posición del cortocircuito para obtener una lectura de potencia máxima. Trabe el cortocircuito móvil en esta posición.

10- Ajuste cada tornillo de adaptación localizado en el montaje del termistor para hacer máxima la lectura de potencia.

Nota: A menudo simplemente ajustando la posición del cortocircuito móvil, será suficiente para obtener la lectura de máxima potencia. Sin embargo, es una muy buena práctica tratar de ajustar los tornillos de adaptación, simplemente para verificar que sea obtenida la lectura máxima de potencia.

11- Ajuste el atenuador variable para obtener una lectura de potencia de 3 mW.

12- Utilice el osciloscopio para medir el voltaje pico a pico de la señal de audio a través del termistor. Incremente la sensibilidad del canal 1 a 0.2 V/DIV para un mejor solución.

Voltaje de la señal de audio = 2.8 Vp-p

Calcule la potencia de audio promedio absorbida al termistor del puente.

Vp/1.4= Veficaz

P= Veficaz2 / R P=1.4 v/ (2)1/2 P= (0.99)2/100 ohm P=9.8 mW

¿Cuál es la diferencia en la potencia de audio absorbida por el termistor, cuando la potencia de microonda va de 0 a 3 mW?

Diferencia de Potencia = 12.8 – 9.8= 3 Mw

13- Ajuste el atenuador variable a 2.50 mm. Registre la lectura de potencia de las escalas mW y dBm del medidor de potencia. Para obtener la potencia exacta en dBm, usted debe agregar el valor del rango seleccionado a la lectura. Por ejemplo, si usted está utilizando el rango 5 dBm y la lectura en la escala en dBm es -3, la potencia medida será:

Potencia (dBm) = lectura + rango de escala = -3+5 = 2 dBm.

Potencia = 0.6 mW.

Potencia = -7 (lectura) + 5 (rango de escala) = -2 dBm.

14- Utilice la ecuación 2-1 para expresar, en dBm, la potencia leída en los mW obtenidos en el paso precedente.

P = 10 log (0.66mW / 1mW)

Potencia = -1.8 dBm.

15- Coloque la perilla de control de voltaje de la fuente de alimentación del oscilador Gunn a su posición mínima. Coloque todos los interruptores de energía en la posición 0 (off), desarma la instalación y coloque todos los componentes en sus compartimientos de almacenamiento. (figura 5)

CONCLUSION

Figura 5: Equipo de microondas

Se logro efectivamente la familiarización con el medidor de

potencia, se puede aumentar la potencia de microondas absorbida por el

termistor adaptando el montaje del termistor a la guía de onda se

realizaron mediciones de potencia expresándolas en dBm y mW y

convirtiéndolas entre sí gracias a las ecuaciones de conversión.

PREGUNTAS DE REVISION:

1. Exprese una potencia de 2 W en dBm.

10 x log 2w/1mW=33,010 dBM

2. Convierta una potencia de 7 dBW en watts.

PdBW = 10 · log10 PW 1w =100,7dBWx 1w= 5,01 mW P = 0.005 Watts.

3. Brevemente explique ¿cómo se balancea el puente del medidor de potencia cuando no se aplica potencia de microondas al termistor?

Cuando la energía de una microonda es absorbida por un material es   convertida en calor, lo cual ocasiona un incremento de temperatura. Si el material tiene alguna propiedad física que cambie con la temperatura este   cambio puede ser utilizado para medir la potencia. Si se aplica un incremento gradual de corriente a un termistor, éste se   calentará poco a poco, y disminuirá su resistencia. Utilizando una señal de audio de 10 KHz aplicada entre los puntos A y B, la potencia de la señal de audio calienta al termistor haciendo que su resistencia disminuya. Esta señal se ajusta hasta que la resistencia del termistor RT se hace igual a R, cuando se cumple esta condición, no circulara corriente a través del amperímetro conectado entre los puntos C y D, y se dice que el puente de Wheatstone está equilibrado.

4. En el medidor de potencia ¿por qué debe reducirse la potencia de audio en proporción a la potencia de microondas aplicadas al termistor?

Si seguimos aumentando la tensión aplicada al termistor, se llegará a un valor de intensidad en que la potencia consumida provocará aumentos de temperatura suficientemente grandes como para que la resistencia del termistor NTC disminuya apreciablemente, incrementándose la intensidad hasta que se establezca el equilibrio térmico.

5. ¿Por qué es importante adaptar el termistor a la guía de onda cuando se realiza una medición de potencia?

Un termistor es un resistor térmicamente sensible que trabaja en función de su temperatura interna, adaptando el termistor a la guía de onda, se obtiene una lectura precisa de potencia. De modo que toda la potencia incidente de microondas sea absorbida por el termistor.

PRACTICA 3

EL OSCILADOR GUNN

Objetivo

Familiarizarnos con los principios básicos de operación de un oscilador gunn así como también determinar las características de voltaje-corriente y voltaje-potencia de un oscilador.

Una fuente gunn consiste de un diodo gunn colocado en una cavidad resonante. Dependiendo de la técnica de fabricación, los diodos gunn pueden suministrar desde 1 mW hasta 5 mW de potencia de microonda. La eficiencia de estas fuentes puede variar de 0.2 hasta 20% la mayoría de esta potencia se disipa como calor, por lo tanto, los diodos gunn requieren disipadores de calor para disipar eficientemente el calor evitando así que se quemen. La señal de microonda generada usualmente tiene una frecuencia de en el rango de 1 a 100 GHz dependiendo del diodo utilizado y de la cavidad resonante asociada.

El termino diodo es realmente una mala denominación porque los diodos gunn no son diodos reales. El termino diodo se utiliza porque son dispositivos semiconductores de dos terminales y permite la

utilización del término ánodo para el extremo positivo del dispositivo. El nombre gunn viene de efecto gunn, el principio q esta detrás de la operación del dispositivo.

EQUIPOS REQUERIDOS

Fuente de alimentación del oscilador GUNN Medidor de potencia Oscilador gunn Montaje del termistor Atenuador fijo 6 dB Cables de conexión y accesorios Soportes de guía de onda

PROCEDIMIENTO

16-Asegurarnos que todos los medidores de potencia están en la posición OFF

17- Conectar los componentes según la figura

18- Realizar los ajustes en la fuente de alimentación del oscilador gunn

Figura 6: Guía de conexión Equipo montado según la figura 6

Figura 5: Medidor de Potencia Fuente de alimentación

Voltaje: MIN Modo: DC RANGO DEL MEDIDOR 10 V

19- Encienda la fuente de alimentación del oscilador gunn, el medidor de potencia. seleccione el rango a 3 mW en el medidor de potencia. espere aproximadamente dos minutos para que el medidor de potencia se estabilice. Utilice la perillas ZERO ADJUST para ajustar la aguja de indicador de potencia a 0 mW.

20- Ajuste el voltaje de alimentación del oscilador gunn a 8 V

21- Ajuste el cortocircuito móvil y los tornillos de adaptación del montaje del termistor para hacer máxima lectura de potencia en el medidor.

22- Para cada valor de voltaje dado en la tabla 3-1, realice lo siguiente: (Figuras 10 y 11)

a) Seleccione el RANGO DEL MEDIDOR en 10 V y ajuste la perilla de VOLTAJE para el voltaje requerido.

Figura 7: Ajustes de fuente alimentadora

Figura 8: Ajuste escala medidor de potencia

Figura 9: Ajuste del cortocircuito móvil para máxima lectura de potencia

b) Seleccione el RANGO DEL MEDIDOR 250 mA y mida la corriente tomada por el oscilador Gunn.

c) Seleccione el RANGO DEL MEDIDOR 10 V en la fuente de alimentación del oscilador Gunn y mida la potencia absorbida por el termistor Pread.

d) Multiplique la lectura del medidor de potencia por 4 para obtener la potencia entregada por el oscilador Gunn P0. Esto es necesario para corregir la pérdida de potencia en el atenuador fijo de 6 dB.

e) Utilice la ecuación 3-1 para calcular la eficiencia h de la fuente Gunn. Note que esta ecuación trabajara con las unidades dadas en la tabla: (ver tabla 1)

N (%) = (P0 / V x I) x 100

Nota: para mantener la precisión, desconecte frecuentemente el cable de fuente alimentación, de la salida de la fuente de alimentación del oscilador gunn y reajuste el control cero del medidor de potencia con la perilla de ajuste de zero.

23- A partir de los resultados que usted obtuvo en la tabla 1 dibuje la curva corriente versus Voltaje del oscilador Gunn en la figura 12.

Indique la región de resistencia negativa en la figura 12

TABLA 1: Determinación de las características del oscilador gunn

Figura 10: Escala de medición de potencia Figura 11: Medición de corriente y potencia.

Voltaje suministrado

Corriente suministrada

Lectura del medidor de potencia

Potencia entregada Eficiencia

V I Pread Po=Pread*4 nV mA mW mW %0 0 0 0 0

0.5 35 0 0 01 65 0 0 0

1.5 90 0 0 02 115 0 0 0

2.5 125 0 0 03 135 0 0 0

3.5 135 0 0 04 125 0.1 0.4 0.08

4.5 120 0.001 0.04 0.00745 115 1.2 4.8 0.83

5.5 115 1.4 5.6 0.896 105 1.6 6.4 1.02

6.5 110 1.8 7.2 1.017 110 2 8.0 1.04

7.5 100 2.2 4.8 0.648 80 2.4 9.6 1.48

8.5 105 2.6 10.4 1.179 90 2.7 10.8 1.33

9.5 100 2.8 11.2 1.18

10 95 3 12 1.26

FIGURA 12

Curva corriente versus voltaje del oscilador

24- A partir de los resultados obtenidos en el paso 7, dibuje potencia entregada P0 versus voltaje suministrado al oscilador Gunn.

Note el voltaje al comienza a oscilar el oscilador Gunn. Refiriéndose a la figura 12, ¿Está este voltaje dentro de la región de resistencia negativa?

También en la figura 3-6, dibuje la eficiencia del oscilador Gunn en función del voltaje suministrado a partir de los resultados de la tabla 1

25- Lleve la perilla del control de voltaje de la fuente de alimentación del oscilador Gunn a su posición mínima. Coloque todos los interruptores de potencia en 0 (off), desarme la instalación y coloque todos los componentes en sus compartimientos de almacenaje.

CONCLUSION

Se logro efectivamente la familiarización con los principios de operación de un oscilador a diodo gunn. Se dibujo la curva V-I para el diodo gunn y y noto que exhibe una región de resistencia negativa. También se midio la potencia de salida y se calculo su eficiencia se dibujo en función del voltaje de entrada.

PREGUNTAS DE REVISION:

1. ¿Cuáles son los componentes principales de un oscilador gunn?

Modulo diodo-Gunn, longitud aprox. 27 mm. Pared posterior de la cubierta. Diafragma perforado con abertura de 8 mm de diámetro. Adaptador para guía de ondas, 32 mm.

2. ¿En qué materiales es posible el efecto Gunn?

Gunn descubrió que algunos materiales semiconductores podían utilizarse para producir oscilaciones de microondas por medio del efecto que ahora lleva su nombre. El efecto gunn es solo posible en algunos materiales semiconductores tipo m. los mas comúnmente utilizados son el arcienuro de galio (GaAs) y el fosfuro de indio (InP) aunque el efecto ha sido demostrado en el telurio de cadmio (CdTe) y en el arcienuro de indio (InAs).

3. Describa el fenómeno que crea la resistencia dinámica negativa en un cristal semiconductor?

La resistencia negativa no es posible en la mayoría de los dispositivos semiconductores; el incremento en la corriente continuara mientras el voltaje aumenta hasta que las colisiones de los electrones, con la red de cristal semiconductor generen suficiente calor para destruir el cristal.

4. ¿Qué determina la frecuencia exacta de oscilación del oscilador Gunn?

La frecuencia exacta de operación depende del circuito sintonizado. Si un circuito sintonizado LC o una cavidad es periódicamente excitado por una señal en fase, las oscilaciones se mantendrán.

5. Un oscilador gunn genera una señal de microondas de ondas continua (CW) de 100 mW con una eficiencia de 2% ¿Cuánta potencia debe disipar el disipador de calor?

PRACTICA 4

CALIBRACION DEL ATENUADOR VARIABLE

Objetivo

Familiarizarnos con los conceptos de atenuación y perdidas por inserción. También se calibro un atenuador variable de corredera lateral utilizando el método de relación de potencia.

EQUIPOS REQUERIDOS

Fuente de alimentación del oscilador GUNN Medidor de potencia Oscilador gunn Montaje del termistor Atenuador variable Atenuador Fijo (6 dB)

Cables de conexión y accesorios Soportes de guía de onda

La atenuación se define como la reducción o disminución en la potencia de una señal que se propaga entre dos puntos. No obstante, la atenuación no suele expresarse como diferencia de potencias sino en unidades logarítmicas como el decibelio, de manejo más cómodo a la hora de efectuar cálculos. La atenuación, en el caso del ejemplo anterior vendría, de este modo, expresada en decibelios por la siguiente fórmula: en términos de potencia.

las pérdidas por inserción en telecomunicaciones son las pérdidas de    potencia de  señal   debido a la inserción de un dispositivo en una línea de transmisión o fibra óptica y se expresa normalmente en  decibelios (dB). Las pérdidas por inserción es una medida de atenuación debida a la inserción de un dispositivo en el "camino" de la señal. La atenuación es un concepto más general que puede tener como causas malas adaptaciones entre fuente de señal, línea de transmisión y carga. Si la potencia transmitida a la carga antes de la inserción es PT y la potencia recibida por la carga después de la inserción es PR, entonces las pérdidas de inserción en dB se calculan como. 10 log P1/P2.

PROCEDIMIENTO

26-Asegurarnos que todos los medidores de potencia están en la posición OFF

27-Conectar los componentes según la figura

Figura 14: Guía de conexión

27-Realizar los ajustes en la fuente de alimentación del oscilador gunn

Voltaje: MIN Modo: DC RANGO DEL MEDIDOR 10 V

28- Encienda la fuente de alimentación del oscilador gunn, el medidor de potencia. seleccione el rango a 5 mW en el medidor de potencia. espere aproximadamente dos minutos para que el medidor de potencia se estabilice. Utilice la perillas ZERO ADJUST para ajustar la aguja de indicador de potencia a 0 mW.

29- Ajuste el voltaje de alimentación del oscilador gunn a 8 V. ajuste el voltaje de fuente para hacer máxima la lectura de potencia.

30- Ajuste el cortocircuito móvil y los tornillos de adaptación del montaje del termistor para hacer máxima lectura de potencia en el medidor.

Figura 16: Ajustes de fuente alimentadora

Figura 17: Ajuste escala medidor de potencia

Figura 18: Ajuste del cortocircuito móvil para máxima lectura de potencia

31- Registre la máxima potencia a la carga de acuerdo a lo indicado por el medidor de potencia en el espacio provisto debajo.

10 x log 3.08w/1mW=4,8 dBM

Máxima potencia = 4,8 dBm

Nota: para leer una potencia en dBm, debe de sumar el valor de la GAMA seleccionada al valor negativo de la potencia que se lee en la escala de dBm del vatímetro. Por ejemplo, si se selecciona la GAMA 5Dbm y la aguja indicada 2,la potencia resultante es 5_2= 3 dBm Potencia

- Desconecte el cable que alimenta el oscilador de Gunn del modulo de alimentación para oscilador de Gunn.

32-I nser te e l a tenuador va r iab le con e l a tenuador f i j o de 6 dB y e l sopor te de l termistor.

.

33-Ajuste el atenuador variable en 0,00 mm. Conecte nuevamente el cable quealimenta el oscilador de Gunn en el modulo de alimentación para oscilador deGunn.

34-Para cada posición de la hoja del atenuador variable indicada en la columna correspondiente de la tabla 4_1, mida y anote la potencia entregada al termistor en la columna POTENCIA. Reste la potencia medida de la del valor máximo que se midió en la etapa 7 para obtener la perdida por inserción del atenuador  en dB. Escriba sus resultados en la columna PERDIDA POR INSERCION.

Si la aguja del vatímetro se encuentra debajo de la marca _5 en la escala de dBm, seleccione una GAMA más baja para obtener una lectura de potencia precisa y siga los siguientes pasos:

a . D e s c o n e c t e e l c a b l e q u e a l i m e n t a e l o s c i l a d o r d e G u n n d e l m o d u l o d e alimentación para oscilador de Gunn. 

b. Seleccione una GAMA más baja en el vatímetro.

c. Ponga a cero el vatímetro con las perillas de AJUSTES DEL CERO.

d. Espere aproximadamente un minuto para que la temperatura del termistor se estabilice. Si es necesario, ajuste otra vez el cero.

e. C o n e c t e n u e v a m e n t e e l c a b l e q u e a l i m e n t a e l o s c i l a d o r d e G u n n e n e l modulo de alimentación para oscilador de Gunn

f . R e a l i c e l a s m e d i c i o n e s d e p o t e n c i a .  

Nota: para obtener mediciones más precisas en las GAMAS -5 dBm y -10dBm, es preferible repetir los pasos a, c, e y f en cada lectura. Para medir las pérdidas por inserción que superen 15 dB, los pasos a seguir los siguientes:

a) D e s c o n e c t a r e l c a b l e q u e a l i m e n t a e l o s c i l a d o r d e G u n n d e l modelo alimentación para oscilador de Gunn.

b) Retire el atenuador fijo de 6 dB. La instalación resultante seilustra en la figura 4-5

 

c) Conec te nuevamente e l cab le que a l imenta e l Osc i lador de Gunn en el Modulo Alimentación para oscilador de Gunn.

d) Mida y escriba la potencia máxima obtenida en la etapa 7 réstele el v a l o r m e d i d o e n e s t a e t a p a y s ú m e l e 6 d B A n o t e e l v a l o r   resultante en la columna PERDIDAD POR INSERCION de la tabla 4.1

Para calcular estos valores lo hacemos por medio de las siguientes ecuaciones:

Perdida de inserción: Pref-Pmedida

Potencia referente: escala + potencia medida

POSICION DE LA HOJA

POTENCIAPERDIDA DE

INSERCION

mm dBm dB

0.00 4 0.2

0.50 3.2 1

1.00 2 2.2

1.50 0 4.2

2.00 -4 8.2

2.50 -8 12.2

3.00 -12 17

3.50 -19.8 24

4.00 0 0

4.50 0 0

A p a r t i r d e l o s r e s u l t a d o s o b t e n i d o s e n l a t a b l a , t r a c e e n l a f i g u r a d e l a c u r v a de pérdida por inserción o de atenuación en función de la posición de la hoja..

CONCLUSION

En este ejercicio, se demostró la pérdida por inserción colocando un atenuador variable en el circuito de microondas se aprendió como realizar las mediciones de la atenuación u t i l i z a n d o e l m é t o d o d e l a r e l a c i ó n d e p o t e n c i a s . A d e m á s , s e t r a z ó l a c u r v a d e calibración del atenuador variable de 35dB.

Preguntas de Revisión.

1. De una definición de atenuación?

Es la perdida de potencia sufrida por una señal al transitar por cualquier medio de transmisión.

2. ¿Qué fenómenos contribuyen a la perdida por inserción de un componente?

Los fenómenos que contribuyen son la Atenuación, distorsión y el calentamiento.

3. ¿Cuál es la principal limitación del método de relacion de medir atenuación?

Si se detecta en un termistor el rango esta limitado alrededor de 30 dB y no debe ser utilizado para bajos niveles de potencia.

4. La potencia de la señal a la entrada de un componente es de 8 mW. La potencia de la señal a la salida del mismo componente es

de 0,20 mW. Calcula la perdida de inserción en db de este componente.

Perdida por inserción dB:10 log P1/P2

dB: 10 log 8 mW / 0.20 mW= 16.02 dB

5. ¿Qué representa la curva de calibración de un atenuador variable?

El comportamiento que incide proporcionalmente sobre la onda trasmitida.