Vatimetro RF

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MEDIDAS ELECTRÓNICAS II

TRABAJO PRACTICO No 9

M EDI CIONES DE POTENCI POTENCI A DE SAL SAL I DA DE TRANSM TRANSM I SORES  ORES  INTRODUCCION TEORICA:

Debido a las condiciones de alta frecuencia y componentes de varias frecuencias, a la potencia  puesta en juego, a las condiciones de adaptación de impedancia y al efecto de reflexión de potencia desde la antena (carga), el proceso de medición de potencia en transmisores hace necesario crear  instrumentos que usen elementos especiales para no perturbar las condiciones de trabajo del sistema. Hay instrumentos que hacen uso de procesos Bolométricos, Fotométricos, Caloríficos y elementos de acoplamiento Direccionales. Este último, es el proceso más simple y usado para la medición de potencia de salida de transmisores. Los Acopladores direcciones tienen la ventaja que permiten medir potencia en un amplio rango de  potencias y frecuencias. El acoplador direccional es un dispositivo que sirve para tomar independientemente, muestras de la onda incidente y de la reflejada en una línea de transmisión. En una línea de transmisión, la onda incidente es la señal de RF generada por el transmisor que se propaga desde él hacia la carga o antena. La onda reflejada es la onda devuelta por la carga hacia el transmisor como consecuencia de una desadaptación de impedancia, al tener la carga distinta impedancia a la impedancia característica de la línea de transmisión. Estas dos ondas viajando por la línea de transmisión dan origen a una onda estacionaria de corriente y tensión a lo largo de la línea. La relación entre la potencia incidente y reflejada captadas por el acoplador direccional y la relación de onda estacionaria presente en la línea de transmisión están dadas por la ecuación: ROE =

1 + R  1 − R 

R =

Potencia Reflejada Potencia Incidente

ROE: Relación de onda estacionaria R: Relación de potencia reflejada a potencia incidente. El acoplador direccional, en conjunto con un medidor, permite medir las ondas viajando por la línea. Este acoplador es un dispositivo adaptado en impedancia a la línea a medir, y se conecta en serie entre la carga y el transmisor. El puede ser una guía de ondas o un cable coaxial de 50 ohms. Este acoplador introduce una sonda en ese tramo para tomar una muestra de la señal presente en la línea analizada. De acuerdo a la dirección del elemento insertado, se medirá la señal incidente o

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reflejada. Esta sonda está acoplada al conductor interno de la línea en forma capacitiva e inductiva. La sonda está cargada por uno de sus extremos con una resistencia de igual valor a la impedancia característica de la sonda, y esta a su vez es igual a la impedancia característica de la línea principal. Esto hace que no haya desadaptación de impedancia que perturbe al sistema original y la medición sea lo más fiel posible. Variando el acercamiento de la sonda a la línea  principal se controla el acoplamiento eléctrico y magnético, con lo cual se induce mayor o menor  corriente en la sonda y con esto, se selecciona el rango de potencia a medir de acuerdo a la potencia  puesta en juego por el transmisor y la antena. Hay inconvenientes físicos en la implementación de este tipo de acoplamiento, ya que la resistencia de carga de la sonda debe ser físicamente pequeña  pero con capacidad suficiente de disipar la  potencia recibida por ella en caso de haber una alta onda reflejada, durante el proceso de medición de onda incidente. Si hay una adaptación perfecta entre las líneas, cuando se mide onda incidente, no habrá corriente sobre la resistencia. Si hay desadaptación, habrá una corriente apreciable sobre la resistencia y esta tendrá que poder disiparla. Para potencias elevadas, la inserción de una resistencia de potencia elevada dentro de la sonda, presenta problemas eléctricos y mecánicos. Para potencias elevadas, se hace uso de acoplamientos de dos orificios, los cuales permiten que la resistencia esté en el exterior del coaxial de muestra, y por lo tanto, pueda ser cambiada de a acuerdo a la potencia puesta en juego. Otro punto de suma importancia a tener en cuenta durante el proceso de medición de potencia de RF, es el hecho de que si por algún motivo se abre la línea en algún punto durante la transmisión, la desadaptación de impedancia será infinita y la reflejada excesivamente alta, con lo cual se puede quemar el transmisor. En consecuencia, durante la medición, se debe extremar los cuidados y conexiones en el tiempo de transmisión. - Vatímetro de Radio Frecuencia Bidireccional PHILCO FORD M164B

Instrumento bidireccional de medición de Potencia Incidente y Reflejada y ROE en el rango de frecuencias de 2MHz a 1000 MHz y de potencias desde 100 mW a 1KW. Impedancia de entrada/salida de 50 ohms. Este instrumento realiza las mediciones de potencia en forma no simultánea, o sea, que para medir cada una de ellas se tiene que conmutar la dirección de la sonda de muestreo. M. E. II – TP IX - PFPerez

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Este es un instrumento del tipo de sonda intercambiable para distintos rangos de potencia y frecuencia que permite medir la potencia en una escala lineal con una precisión del 5 %. En una escala adicional denominada VSWR (Relación de tensiones) se puede medir la ROE. Base del instrumento

Orificio de inserción de la pesca

Instrumento armado para medición

El instrumento consta de una caja que contiene el medidor y las conexiones para intercalarlo en la línea entre el transmisor y la antena o carga fantasma. El medidor tiene una sensibilidad de 25 µA. Posee distintas cápsulas o módulos (plug in) que contienen la sonda, con distintos rangos de  potencia. Los módulos poseen en su parte superior un selector que permiten elegir entre cuatro rangos de potencias. A su vez, posee una flecha que indica la dirección en que se debe conectar el módulo dentro de la caja para medir una y otra potencia.

Se lee alternativamente la incidente y la reflejada, y luego se determina la potencia verdadera irradiada por diferencia entre la incidente y la reflejada. M. E. II – TP IX - PFPerez

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Potencia Transmitida [W] = Potencia Incidente Pi  [W] – Potencia Reflejada Pr  [W] Cada módulo varía la posición relativa de él sobre la línea principal haciendo que el acoplamiento entre él y la línea varíe de acuerdo a la potencia puesta en juego, permitiendo captar más o menos nivel de señal. En el caso de mayor potencia de transmisión, el acoplamiento debe ser menor, o sea, se toma la menor señal, alejando la pesca o sonda de la línea principal. Si las potencias son menores, se usa un módulo que acerca más la sonda, aumentando la señal tomada de la línea principal. Cada módulo tiene asignado un valor de factor de acoplamiento, por el cual hay que multiplicar el valor leído para tener la verdadera potencia incidente o reflejada. Potencia Incidente Pi   [W] = Valor leído [W] x Factor de acoplamiento Potencia Reflejada Pr  [W] = Valor leído [W] x Factor de acoplamiento La medición de ROE se hace directamente sobre la escala VSWR siguiendo una secuencia determinada: Una vez determinado el módulo a usar, de acuerdo a frecuencia y potencia, se  posiciona el módulo para medir potencia incidente. Luego se gira el potenciómetro CAL sobre la caja, hasta desplazar la aguja del medidor para que indique fondo de escala. Con ese ajuste, se retira el módulo y se lo inserta en la dirección de la reflejada. Luego se hace transmitir al transmisor y se mide la ROE sobre la escala VSWR. Circuito Interno:

El acoplador direccional esta conformado por L101, C101, R 101 y CR 102. C102 y R 102  forman un circuito de compensación que da un factor de acoplamiento constante. C102  es el capacitor de almacenamiento y R 102 es la carga del diodo y determina la sensibilidad del instrumento. El medidor M1 mide la salida de corriente continua. La compensación de temperatura es provista  por el termistor R 103. Dado que al diodo CR 101 se lo hace trabajar en la zona no lineal, o sea en la zona cuadrática de su característica, la potencia leída es proporcional a la intensidad al cuadrado. M. E. II – TP IX - PFPerez

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Como la resistencia de carga del transmisor (antena) es constante, se lee en el medidor el producto 2 I R . Medidores de Potencia de Lectura Directa:

Existen instrumentos que permiten hacer lecturas directa de Pi, Pr y ROE (SWR). Algunos permiten hacer la medición simultánea sobre escalas especiales del medidor, y otros hacen las mediciones en forma alternativa sobre la misma escala haciendo una conmutación de la dirección de la sonda. Estos instrumentos son limitados en cuanto al rango de frecuencias y potencias que pueden usarse, y en cuanto a la precisión de los mismos. 1- M edidor NS-600 DA I WA

Este es un instrumento que posee una doble escala y dos instrumentos de bobina móvil conectados a los sondas orientadas en oposición, a fin de medir la potencia incidente y la reflejada simultáneamente. El valor de ROE se determina de acuerdo al punto de intersección de las dos agujas. El  problema en esta determinación es la necesidad de interpolar entre las escalas de ROE mostradas en el instrumento, lo cual da una lectura de poca precisión. La precisión de este instrumento es de + 10 % a fondo de escala. La sensibilidad de detección de SWR y el rango de frecuencias y potencias depende del modelo. 1- Doble Instrumento de bobina móvil de doble escala 2- Selector de escala de potencia 3- Conector de Entrada RGU para conexión al Transmisor con impedancia de 50 Ohm. 4- Conector de Salida RGU para conexión a la antena ó a la antena fantasma de 50 Ohm. 5- Llave de encendido de la lámpara de iluminación. 6- Conector de alimentación de 13 Vdc para la lámpara. 7- Llave de selección de sonda interna (INT) o sensor externo (EXT). 8- Conector para sensor/sonda externa. Las precauciones de uso establecen usar cables coaxial de 50 Ohm de impedancia característica y antenas fantasmas de 50 Ohm de resistencia pura, y evitar desadaptaciones o interrupción de conexión porque puede dañar el instrumento. M. E. II – TP IX - PFPerez

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La escala indicará la potencia incidente por medio de la aguja de la izquierda y la reflejada por la aguja de la derecha sobre la escala correspondiente. El ROE (SWR) se determinará por la intersección de las dos agujas sobre las líneas de referencia inferiores. 2- M edidor REVEX –W520 

El Medidor REVEX es un instrumento de medición de potencia de Radio Frecuencia (de 1,8 MHz a 200 MHz) que hace las mediciones en forma alternativa usando un acoplador direccional de banda ancha con un núcleo toroidal de bajas pérdidas por inserción y sin distorsionar el sistema transmisor/antena. La potencia de trabajo va del 0 W a 200 W, y la precisión es de + 10% a fondo de escala. La mínima potencia para medición de SWR es de 1 W y permite una medición de SWR  desde 1 a infinito.

La impedancia de entrada es de 50 Ohms y las pérdida de inserción es menor a 0,15dB. El medidor también permite leer la potencia pico de la envolvente PEP. 1234-

Medidor de bobina móvil simple. Llave de selección de rango de potencia de trabajo (2W / 20W / 200W). Llave de selección de lectura de potencia o de ROE (SWR). Vernier para ajustar el instrumento a la posición CAL para medición de SWR.

5- Llave de selección de lectura de potencia Incidente (FWD) o Reflejada (REF). 6- Perilla de selección de Potencia promedio o PEP (Peak Envelope Power). Hacia afuera indica PEP y hacia adentro indica medición de potencia media. 7- Tornillo de ajuste de cero del medidor. 8- Conector de entrada de señal al transmisor con adaptación de 50 Ohms. 9- Conector de salida de señal a la antena fantasma con adaptación de 50 Ohms. Operación: M. E. II – TP IX - PFPerez

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Conectar el transmisor y la antena fantasma a los conectores correspondientes del medidor usando cable coaxial de 50 Ohm. Verificar buena conexión entre los elementos antes de alimentar los mismos, para evitar daño a alguno de ellos. (1) Configurar el medidor al máximo de potencia permisible. Luego de verificar los valores de  potencia leída, bajar el selector al rango conveniente. Llave RANGE. (2) Configurar el Vernier (hacia adentro) para medición de Potencia promedio. CALIBRATION (3) Coloque la llave FUNCTION  en la posición POWER  para medir potencia incidente o reflejada. (4) Colocar la llave POWER  en FWD para medición de potencia incidente. (5) Encender el transmisor y pulsar para transmitir. Hacer la medición del Pi. (6) Colocar la llave POWER  en REF para medición de potencia reflejada. (7) Encender el transmisor y pulsar para transmitir. Hacer la medición del Pr. (8) Colocar la llave FUNCTION  en la posición CAL, la llave  FUNCTION en  FWD,  pulsar el  botón para transmitir en el transmisor ,  y ajustar el Vernier hasta que la aguja alcance la indicación CAL sobre la escala, a la derecha. (9) Colocar la llave de FUNTION en la posición SWR . (10) Encender el transmisor y pulsar para transmitir. Hacer la medición de SWR. Si la potencia leída es menor a 20 W, hacer la lectura de SWR en la escala “L”.  Si es mayor, hacer la medición en la escala “H”. Si bien la potencia a medir puede ser de hasta 200 W, los máxi mos valor es de potencia permi ti dos  según la frecuencia de trabajo son: 1.8 – 3.5 MHz 3,5 – 50 MHz 50 – 100 MHz 100 -200 MHz

100 W 150 W 100 W 70 W

Como el ROE está en función de la Potencia Reflejada y la escala de ROE está calibrada para cada valor de Pr, se tiene una tabla de relación entre la SWR y la potencia reflejada en %. SWR  Pr [ %] 

1,0 0

1,1 0,22

1,2 0,8

1,5 4,0

2,0 11,1

2,5 18,4

3,0 25,0

La explicación de esta tabla es la siguiente: Si la reflexión es nula el porcentaje de reflexión es del 0 %. En el caso de que haya reflexión total, o sea la potencia reflejada es igual a la incidente, el porcentaje de reflexión es del 100 %. M. E. II – TP IX - PFPerez

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Al calibrar el medidor a fondo de escala , se supone una reflexión total del 100 % independiente del valor de potencia incidente. En consecuencia, para calibrar el instrumento, se aplica la onda incidente sobre el medidor y se toma una muestra de ese valor para llevar la indicación a fondo de escala (100 % de reflexión). Luego como los valores relativos de reflexión se encontrarán entre 0 % y 100 %, dependerá del  porcentaje de onda reflejada; al colocar el medidor en posición SWR, lo que se está midiendo es el  porcentaje de onda reflejada respecto al de onda incidente. Como la escala está graduada según la tabla anterior, el instrumento da el valor de SWR. PRACTICA DE L ABORATORIO 

  Familiarización con los medidores de potencia de Radio Frecuencia, su uso y Objetivo:   precauciones y con las diferentes técnicas de medición en Potencia de Transmisores. 1- El ementos a util izar : - Radio transmisores: Marca: N° de Serie - Vatímetros de RF: Marca: N° de Serie Sensibilidad: - Antenas y cargas fantasmas.

Potencia de Salida:

Frecuencia de trabajo:

Rango de Salida: Factores de acoplamiento:

Rango de Frecuencias

2- Procedimiento : Aplicar similar procedimiento para los distintos tipos de medidores usados, inclusive para los de medición simultánea de los tres valores. 1- Verificar los datos de los transmisores y vatímetros a fin de evitar daños a los instrumentos y transmisores. Verificar estado de fuentes de alimentación de los transmisores. 2- Seleccionar los Acopladores adecuados para cada potencia y frecuencia. Por seguridad comenzar por acopladores de mayor potencia y en el rango de mayor frecuencia. 3-  No encender los transmisores antes de hacer las conexiones de los elementos. 4- Conectar mediante cables coaxiales el vatímetro entre el transmisor y la antena o carga

fantasma. 5- Configurar el medidor para medición de potencia incidente. M. E. II – TP IX - PFPerez

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6- Encender el medidor y el transmisor. Pulsar el botón de transmisión y verificar que el sistema esta transmitiendo, haciendo uso de un receptor a la frecuencia de trabajo. 7- Realizar la medición pulsando momentáneamente el botón de transmisión; y las correcciones necesarias. 8- Apagar el transmisor y configurar el vatímetro para medición de onda reflejada. 9- Encender el transmisor y realizar la medición pulsando momentáneamente el botón de transmisión; y las correcciones necesarias Frecuencia Transmitida

Coef. de Acoplamiento

Potencia Incidente (w)

Potencia Reflejada (w)

Potencia Transmitida (w)

ROE (Leído)

ROE (Calculado)

10- Calcular el valor de la potencia verdadera de salida: Potencia Transmitida [W] = Potencia Incidente Pi  [W] – Potencia Reflejada Pr  [W] 11- Configurar el vatímetro para medición de ROE. Verificar el valor obtenido por medio de la ecuación: Pi + Pr  ROE = Pi − Pr  Realizar el informe, indicando todos los datos de los instrumentos utilizados, las precauciones, riesgos, recomendaciones de uso, circuitos usados, tabla de valores obtenidos y a las conclusiones arribadas en cada caso. Preguntas: 1 – Entre qué valores puede variar ROE? 2 - Qué ventajas tiene el Vatímetro Sierra/Philco? 3 - Qué desventajas tiene el Vatímetro Sierra/Philco?

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