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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

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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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