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Types de capteurs de puissance RF à absorption

Types de capteurs de puissance RF à absorption

La puissance RF n'est pas toujours facile à mesurer. Il existe plusieurs méthodes de mesure de la puissance RF, chacune ayant ses propres avantages et inconvénients. En conséquence, le type de capteur de puissance RF utilisé dépendra du type de signal à mesurer. Certains types de technologies de capteurs de puissance RF seront plus applicables aux faibles puissances, d'autres aux techniques de modulation où l'enveloppe varie, etc.

Typiquement, un wattmètre RF ou hyperfréquence comprendra une unité dans laquelle tous les circuits de commande et de traitement sont contenus, mais la puissance elle-même sera détectée dans ce qui est normalement appelé un capteur ou "tête". Ainsi, il peut être possible pour un wattmètre d'utiliser l'une d'un certain nombre de têtes de puissance selon les exigences exactes, en particulier en ce qui concerne la puissance.

Il est important de noter que les wattmètres agissent comme une charge pour la puissance RF qui est absorbée par la tête. Ces compteurs haute puissance ont de grandes charges qui peuvent dissiper le niveau de puissance requis. En variante, une petite partie de la puissance peut être extraite au moyen d'un coupleur, ou en utilisant un atténuateur de puissance élevée de sorte que la puissance nominale de la tête de compteur de puissance RF ne soit pas dépassée.

Technologies de capteurs de puissance RF

Les capteurs de puissance RF sont l'élément clé de tout wattmètre RF, et le choix du type de capteur dépendra des applications probables envisagées. Les technologies de compteurs de puissance RF appartiennent à l'une des deux catégories de base suivantes:

  • Détecteur de diode basé
  • Basé sur la chaleur

Bien que les deux variétés de compteurs soient disponibles depuis de nombreuses années, les deux technologies se sont considérablement affinées au fil des ans et sont capables d'atteindre des niveaux de performance très élevés. Compte tenu de leurs différents attributs, ils sont également utilisés dans différents types d'applications.

Capteurs de wattmètre RF basés sur un détecteur à diode

La forme la plus simple de capteur de puissance RF utilisée dans les wattmètres RF utilise des redresseurs à diode pour produire une sortie. Les capteurs de puissance RF utilisant des diodes sont conçus de sorte que le capteur dissipe la puissance RF dans une charge. Un détecteur à diode redresse alors le signal de tension apparaissant à travers la charge, et cela peut ensuite être utilisé pour déterminer le niveau de puissance entrant dans la charge.

C'est cette forme de capteur de puissance qui est utilisée dans de nombreux wattmètres analogiques de base, bien que la technologie soit également utilisée dans les wattmètres haute performance.

Les capteurs de puissance RF à diodes présentent deux avantages majeurs:

  • Le premier est qu'ils sont capables de mesurer des signaux jusqu'à des niveaux de puissance très bas. Certains de ces capteurs de puissance RF à diodes peuvent mesurer des niveaux de puissance aussi bas que -70 dBm. C'est beaucoup moins que ce qui est possible lors de l'utilisation de capteurs de puissance RF basés sur la chaleur.
  • L'autre avantage des capteurs de puissance RF à diodes est le fait qu'ils sont capables de répondre plus rapidement que les variétés à base de chaleur. Dans certains wattmètres plus anciens, la sortie du capteur de puissance RF à diode sera traitée de manière simple, mais un traitement beaucoup plus sophistiqué des lectures peut être effectué à l'aide de techniques de traitement numérique du signal. De cette manière, les lectures peuvent être traitées pour donner les résultats dans le format requis, une intégration dans le temps est nécessaire, ou des lectures plus rapides et plus instantanées si nécessaire.

Bien que les principes de base du fonctionnement des diodes en tant que détecteurs soient bien connus, la conception des détecteurs à diodes présente certains défis lors de la conception d'instruments de test précis. Le premier est que les effets de charge stockée des diodes ordinaires limitent la plage de fonctionnement des diodes. En conséquence, les diodes semi-conductrices métalliques - les diodes à barrière Schottky - sont utilisées dans les capteurs de puissance RF car ces diodes ont un niveau de charge stockée beaucoup plus faible et elles ont également un point de commutation à faible conduction directe.

Malgré la faible tension de mise sous tension de la diode Schottky (0,3 volts pour le silicium), cela limite toujours les niveaux de signal les plus bas pouvant être détectés - un signal d'environ -20 dBm est nécessaire pour surmonter cette tension. Une approche consiste à coupler la diode en courant alternatif et à appliquer une polarisation de 0,3 volts, mais cela n'augmente la sensibilité que d'environ 10 dB en raison du bruit de conduction et de la dérive introduits par le courant de polarisation.

Aujourd'hui, les diodes semi-conductrices de gallium-arséniure (GaAs) sont maintenant souvent utilisées car elles offrent des performances supérieures par rapport aux diodes au silicium. Les diodes d'arséniure de gallium utilisées dans les capteurs de puissance RF sont généralement fabriquées en utilisant une technologie de barrière dopée plane, et bien que les diodes soient plus coûteuses, elles offrent des avantages significatifs pour les capteurs de puissance aux fréquences micro-ondes.

Les capteurs de puissance à diodes RF et micro-ondes sont souvent le capteur de choix. La sortie de la diode peut être traitée à l'aide d'un traitement de signalisation numérique avancé. Cela signifie qu'un seul capteur est capable de fournir une grande variété de capacités qui ne seraient pas possibles avec des capteurs thermiques. Avec des diodes détectant l'enveloppe, une variété de formes d'onde peut être mesurée.

Capteurs de compteurs de puissance RF basés sur la chaleur

Comme son nom l'indique, les capteurs thermiques dissipent l'énergie d'une source dans une charge, puis mesurent l'élévation de température qui en résulte.

Les capteurs de puissance RF basés sur la chaleur ont l'avantage de pouvoir mesurer la puissance moyenne réelle car la chaleur dissipée est l'intégrale de la puissance absorbée sur une période de temps. En conséquence, ces capteurs de puissance RF mesurent le niveau de puissance RF indépendamment de la forme d'onde. Ainsi, la mesure est vraie indépendamment du fait que la forme d'onde soit CW, AM, FM, PM, pulsée, a un grand facteur de crête ou consiste en une autre forme d'onde complexe. Ceci est un avantage particulier dans de nombreux cas, d'autant plus que le QAM, et d'autres formes de modulation de phase sont de plus en plus utilisées et celles-ci n'ont pas d'enveloppe constante.

Compte tenu de la constante de temps de ces capteurs de puissance RF, ils ne sont pas adaptés à la mesure de valeurs instantanées. Lorsque ces mesures sont nécessaires, d'autres types de capteurs peuvent être plus appropriés.

Deux technologies principales sont utilisées:

  • Capteurs de puissance RF à thermistance: Les capteurs de puissance RF à thermistance sont largement utilisés depuis de nombreuses années et constituent une méthode très utile pour permettre des mesures de puissance RF de haute qualité. Alors que les technologies de thermocouple et de diode sont devenues plus populaires ces dernières années, les capteurs de puissance RF à thermistance sont souvent le capteur de puissance RF de choix car ils permettent de remplacer l'alimentation CC pour permettre l'étalonnage du système.

    Le capteur de puissance RF à thermistance utilise le fait que l'élévation de température résulte de la dissipation du RF dans une charge RF. Il existe deux types de capteurs qui peuvent être utilisés pour détecter cette élévation de température. L'un est connu sous le nom de barretter - un fil mince qui a un coefficient de température positif. L'autre est une thermistance - un semi-conducteur avec un coefficient de température négatif qui peut typiquement être seulement d'environ 0,5 mm de diamètre. Aujourd'hui, seules les thermistances sont utilisées dans les capteurs de puissance RF.

    Une technique de pont équilibré est normalement utilisée. Ici, la résistance de l'élément de thermistance est maintenue à une résistance constante en utilisant une polarisation CC. Comme la puissance RF est dissipée dans la thermistance, ce qui a tendance à abaisser la résistance, la polarisation est à son tour réduite pour maintenir l'équilibre du pont. La diminution de polarisation est alors une indication de la puissance dissipée.

    Les capteurs à thermistances d'aujourd'hui contiennent un deuxième ensemble de thermistances pour fournir une compensation contre les changements de la température ambiante qui autrement compenseraient les lectures.

  • Capteurs de puissance RF à thermocouple: Les thermocouples sont largement utilisés de nos jours dans les capteurs de puissance RF et micro-ondes.Ils offrent deux avantages principaux:
    • Ils présentent un niveau de sensibilité plus élevé que les capteurs de puissance RF à thermistance et peuvent donc être utilisés pour détecter des niveaux de puissance inférieurs. Ils peuvent facilement être conçus pour fournir des mesures de puissance allant jusqu'à un microwatt.
    • Les capteurs de puissance RF et micro-ondes à thermocouple possèdent une caractéristique de détection quadratique. Il en résulte que la puissance RF d'entrée est proportionnelle à la tension de sortie CC du capteur thermocouple.
    • Ils fournissent un capteur de puissance très robuste à fabriquer - ils sont plus robustes que les thermistances.
    Les thermocouples sont de véritables capteurs thermiques et fournissent donc une véritable moyenne de la puissance. En conséquence, ils peuvent être utilisés pour tous les formats de signaux à condition que le niveau de puissance moyen soit requis.

    Le principe d'un thermocouple est simple: les jonctions de métaux différents donnent lieu à un faible potentiel lorsqu'ils sont placés à des températures différentes.

    Les thermocouples modernes utilisés dans les capteurs de puissance RF et micro-ondes sont généralement conçus dans une seule puce de circuit intégré en silicium. Ils détectent la chaleur dissipée par le signal RF dans la résistance de charge.

De nombreux wattmètres RF permettent d'utiliser une variété de capteurs de puissance radiofréquence en fonction des mesures exactes de la nature à effectuer. Alors que les capteurs de puissance RF basés sur la chaleur sont plus applicables aux applications où une mesure intégrée est requise, ceux à base de diodes sont plus appropriés lorsque des mesures de bas niveau ou instantanées sont nécessaires. En conséquence, il est nécessaire de choisir le capteur en fonction des applications envisagées.


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