Línea ranurada

Las líneas ranuradas se utilizan para mediciones de microondas y consisten en una sonda móvil insertada en una ranura en una línea de transmisión . Se utilizan junto con una fuente de energía de microondas y, por lo general, de acuerdo con su aplicación de bajo costo, un detector de diodo Schottky de bajo costo y un medidor de ROE en lugar de un costoso medidor de potencia de microondas .

Las líneas ranuradas pueden medir ondas estacionarias , longitudes de onda y, con algunos cálculos o gráficos en diagramas de Smith , una serie de otros parámetros, incluidos el coeficiente de reflexión y la impedancia eléctrica . A menudo se incorpora un atenuador variable de precisión en la configuración de prueba para mejorar la precisión. Esto se utiliza para realizar mediciones de nivel, mientras que el detector y el medidor de ROE se conservan solo para marcar un punto de referencia para que se configure el atenuador, eliminando así por completo los errores de medición del detector y el medidor. El parámetro que se mide con más frecuencia con una línea ranurada es la ROE. Esto sirve como medida de la precisión de la coincidencia de impedancia con el elemento bajo prueba. Esto es especialmente importante para las antenas de transmisión y sus líneas de alimentación; una alta relación de onda estacionaria en una antena de radio o TV puede distorsionar la señal, aumentar la pérdida de la línea de transmisión y dañar potencialmente los componentes en la ruta de transmisión, posiblemente incluso el transmisor.

Las líneas ranuradas ya no se utilizan tanto, pero aún se pueden encontrar en aplicaciones económicas. Su principal inconveniente es que requieren mucho trabajo para su uso y cálculos, tablas o gráficos para utilizar los resultados. Deben fabricarse con precisión mecánica y la sonda y su detector deben ajustarse con cuidado, pero pueden dar resultados muy precisos.

La línea ranurada es uno de los instrumentos básicos utilizados en las pruebas y mediciones de radiofrecuencia en frecuencias de microondas . Consiste en una línea de transmisión de precisión , generalmente coaxial , pero también se utilizan implementaciones de guía de ondas , con una sonda aislada móvil insertada en una ranura longitudinal cortada en la línea. En una línea ranurada coaxial, la ranura se corta en el conductor externo de la línea. La sonda se inserta más allá del conductor externo, pero no tan lejos como para que toque el conductor interno. En una guía de ondas rectangular, la ranura generalmente se corta a lo largo del centro de la pared ancha de la guía de ondas. También son posibles las líneas ranuradas de guía de ondas circulares. ^[1]

Las líneas ranuradas son relativamente baratas ^{[nota 1]} y pueden realizar muchas de las mediciones realizadas por equipos más caros, como los analizadores de red . Sin embargo, las técnicas de medición de línea ranurada requieren más trabajo y, a menudo, no generan directamente el parámetro deseado; con frecuencia se requiere algún cálculo o trazado. En particular, solo pueden realizar una medición en una frecuencia puntual a la vez, por lo que producir un gráfico de un parámetro en función de la frecuencia requiere mucho tiempo. Esto se puede comparar con los instrumentos modernos, como los analizadores de red y espectro , que son intrínsecamente de barrido de frecuencia y producen un gráfico instantáneamente. Las líneas ranuradas ahora han sido reemplazadas en gran medida, pero aún se encuentran donde los costos de capital son un problema. Sus usos restantes son principalmente en la banda milimétrica , donde los aparatos de prueba modernos son prohibitivamente caros o no están disponibles en absoluto, y en laboratorios académicos y aficionados. También son útiles como ayuda para la enseñanza, ya que el usuario está expuesto más directamente a fenómenos básicos de línea que con instrumentos más sofisticados. ^[2]

La línea ranurada funciona mediante el muestreo del campo eléctrico dentro de la línea de transmisión con la sonda. Para lograr precisión, es importante que la sonda perturbe el campo lo menos posible. Por este motivo, el diámetro de la sonda y el ancho de la ranura se mantienen pequeños (normalmente alrededor de 1 mm ) y la sonda no se inserta más allá de lo necesario. También es necesario en las líneas ranuradas de la guía de ondas colocar la ranura en una posición en la que la corriente en las paredes de la guía de ondas sea paralela a la ranura. La corriente no se verá perturbada por la presencia de la ranura siempre que no sea demasiado ancha. Para el modo dominante, esta se encuentra en la línea central de la cara ancha de la guía de ondas, pero para algunos otros modos puede que tenga que estar descentrada. Esto no es un problema para la línea coaxial porque funciona en el modo TEM (electromagnético transversal) y, por lo tanto, la corriente es en todas partes paralela a la ranura. La ranura puede estar afilada en sus extremos para evitar discontinuidades que provoquen reflexiones. ^[3]

La perturbación del campo dentro de la línea causada por la inserción de la sonda se minimiza tanto como sea posible. Esta perturbación tiene dos partes. La primera parte se debe a la potencia que la sonda ha extraído de la línea y se manifiesta como un circuito equivalente concentrado de una resistencia . Esto se minimiza limitando la distancia a la que se inserta la sonda en la línea de modo que solo se extraiga la potencia suficiente para que el detector funcione de manera efectiva. La segunda parte de la perturbación se debe a la energía almacenada en el campo alrededor de la sonda y se manifiesta como un equivalente concentrado de un condensador . Esta capacitancia se puede cancelar con una inductancia de impedancia igual y opuesta . Los inductores concentrados no son prácticos en frecuencias de microondas; en su lugar, se utiliza un stub ajustable con un circuito equivalente inductivo para "sintonizar" la capacitancia de la sonda. El resultado es un circuito equivalente de una alta impedancia en derivación a través de la línea que tiene poco efecto en la potencia transmitida en la línea. La sonda es más sensible como resultado de este ajuste y, como resultado, la distancia a la que se inserta se puede limitar aún más. ^[4]

En la figura 2 se muestra una configuración de prueba típica con una línea ranurada de guía de ondas. En referencia a esta figura, la energía de una fuente de equipo de prueba (no se muestra) ingresa al aparato a través del cable coaxial de la izquierda y se convierte al formato de guía de ondas por medio de un lanzador (1). A esto le sigue una sección de guía de ondas (2) que proporciona una transición a un tamaño de guía más pequeño. Un componente importante en la configuración es el aislador (3) que evita que la energía se refleje de regreso a la fuente. Dependiendo de las condiciones de prueba, dichas reflexiones pueden ser grandes y una fuente de alta potencia puede resultar dañada por la onda de retorno. La energía que ingresa a la línea ranurada se controla mediante un atenuador variable giratorio (4). A esto le sigue la línea ranurada en sí (5) sobre la cual se encuentra la sonda montada en un carro móvil. El carro también lleva los ajustes de la sonda: (6) es el ajuste de profundidad de la sonda, (7) es una longitud de sección coaxial con ajustes de sintonización y (8) es un detector , que utiliza un rectificador de cristal de contacto puntual o un diodo de barrera Schottky. ^[5] El extremo derecho de la línea ranurada termina en una carga adaptada (9) que absorbe toda la energía que sale del extremo de la guía de ondas. La carga puede ser reemplazada por el componente o sistema que se desea probar. También puede ser reemplazada por un cortocircuito de referencia (10) que se utiliza para calibrar la línea ranurada. El carro se puede mover a lo largo de la línea ranurada por medio de una perilla giratoria (11) que mueve simultáneamente un calibre vernier (12) para una medición precisa de la posición de las sondas a lo largo de la línea. ^[6]

La sonda está conectada a un detector y un medidor de pantalla (no se muestra en la figura 2). Estos pueden ser, respectivamente, un termistor y un medidor de potencia, o un detector de envolvente y un medidor de ROE . El detector puede ser un detector de cristal o un diodo de barrera Schottky . El detector está montado en el conjunto de la sonda, generalmente a una distancia λ/4 ^{[nota 2]} de la punta de la sonda, como se muestra en la figura 3. Esto se debe a que el detector parece casi un cortocircuito en la línea de transmisión, y esta distancia lo convertirá en un circuito abierto a través del efecto del transformador de impedancia de cuarto de onda . Por lo tanto, el detector tiene un efecto mínimo en la carga de la línea. El extremo de sintonización de la sonda se puede ver en la figura 3 ramificándose desde la línea que une la sonda al detector. La figura 2 tiene una disposición ligeramente diferente; la sonda principal en la guía de ondas conduce a una sección de ajuste y sintonización coaxial vertical, pero el detector está en una sección lateral horizontal con una sonda secundaria en la sección coaxial vertical. ^[7]

Las mediciones de potencia de microondas se pueden realizar directamente, generalmente con un detector y medidor basado en termistor. Sin embargo, estos instrumentos son caros y un medidor común utilizado en mediciones con una línea ranurada es en cambio un medidor de ROE de baja frecuencia más económico. La fuente de potencia de microondas se modula en amplitud con, típicamente, una señal de 1 kHz que es recuperada por el detector de envolvente en la sonda y enviada al medidor de ROE. Este esquema es preferible a simplemente detectar la portadora no modulada directamente, lo que daría como resultado una salida de CC , porque se puede utilizar un amplificador sintonizado de banda estrecha estable para amplificar la señal de 1 kHz . Se requiere una gran amplificación en el medidor de ROE porque el límite del rango de ley cuadrática ^{[nota 3]} del diodo detector no es más de 10 μW . ^[8]

Cuando la línea ranurada termina con una carga de adaptación de precisión, no hay variación en la potencia detectada a lo largo de la línea, salvo una disminución muy pequeña debido a las pérdidas en la línea. Sin embargo, cuando se reemplaza por un dispositivo bajo prueba (DUT) que no está perfectamente adaptado a la línea, se producirá una reflexión hacia la fuente . Esto hace que se establezca una onda estacionaria en la línea con máximos y mínimos periódicos (colectivamente, extremos ) debido a la interferencia constructiva y destructiva alternada . Estos extremos se encuentran moviendo la sonda hacia adelante y hacia atrás a lo largo de la línea y luego se puede medir el nivel en ese punto en el medidor. ^[9]

Los extremos no son de gran interés en sí mismos, pero se utilizan para calcular varios parámetros más útiles. Algunos de estos parámetros requieren la medición de la posición exacta del extremo. Tanto los máximos como los mínimos se pueden utilizar por igual, desde un punto de vista matemático, pero se prefieren los mínimos porque siempre son mucho más nítidos que los máximos, especialmente para grandes reflexiones, como se muestra en la figura 4. Además, la sonda causa menos perturbaciones en el campo cerca de un mínimo que cerca de un máximo. ^[10]

La longitud de onda se determina midiendo la distancia entre dos mínimos adyacentes. Esta distancia será λ/2. No es necesario un DUT, se obtienen mejores resultados con la referencia en posición corta. ^[11]

La relación de onda estacionaria (ROE o ROE) es un parámetro básico y el que se mide con más frecuencia en una línea ranurada. Esta cantidad es de particular importancia para las antenas de transmisores . Una ROE alta indica una mala correspondencia entre la línea de alimentación y la antena, lo que aumenta la potencia desperdiciada, puede causar daños a los componentes en la ruta de transmisión, posiblemente incluido el transmisor, y causar distorsión en las señales de TV, FM estéreo y digitales. Con la potencia de entrada configurada de modo que los máximos estén a 0 dBm , una medición de un mínimo en decibeles dará directamente la ROE (después de descartar el signo menos). ^[12]

El coeficiente de reflexión , ρ, es la relación entre la onda reflejada y la onda incidente. En general, es un número complejo . La magnitud del coeficiente de reflexión se puede calcular a partir de la medición de VSWR mediante:

${\displaystyle |\rho |={\frac {\mathrm {VSWR} -1}{\mathrm {VSWR} +1}}}$

donde VSWR es la relación de ondas estacionarias expresada como una relación de voltaje (no en decibeles ). Sin embargo, para caracterizar completamente el coeficiente de reflexión, también se debe encontrar la fase de ρ. Esto se hace en una línea ranurada midiendo la distancia del primer mínimo desde el DUT. Mover la sonda hasta el DUT no es posible, por lo que generalmente se adopta un enfoque diferente. Se anota la posición del primer mínimo cuando el cortocircuito de referencia está en su lugar. La distancia hacia atrás a lo largo de la línea desde este punto de referencia hasta el siguiente mínimo cuando el DUT está en su lugar será la misma que la distancia desde el DUT hasta el primer mínimo. Esto es así porque el cortocircuito de referencia garantiza un mínimo en la posición del DUT. ^[13]

La parte de fase de ρ viene dada por,

${\displaystyle \ángulo \rho ={\frac {4\pi }{\lambda }}x-\pi }$

donde λ es la longitud de onda y x es la distancia al primer mínimo, como se describió anteriormente. La representación de magnitud y fase de ρ puede, si es necesario, expresarse como partes reales e imaginarias en lugar de mediante la manipulación habitual de números complejos. ^[14]

La impedancia, Z , del DUT se puede calcular a partir del coeficiente de reflexión mediante,

${\displaystyle Z=Z_{0}{\frac {1+\rho }{1-\rho }}}$

donde Z ₀ es la impedancia característica de la línea. Un método alternativo es trazar la ROE y la distancia al nodo (en longitudes de onda) en un diagrama de Smith . Estas cantidades se miden directamente mediante la línea ranurada. A partir de este gráfico, la impedancia del dispositivo bajo prueba (normalizada a Z ₀ ) se puede leer directamente en el diagrama de Smith. ^[15]

Las líneas ranuradas de buena calidad son instrumentos fabricados con precisión. Deben serlo porque los defectos mecánicos pueden afectar la precisión. Algunos de los problemas mecánicos que son relevantes para esto incluyen el juego del vernier, la concentricidad del conductor interno y externo, la circularidad del conductor externo, la centralidad y rectitud del conductor interno, las variaciones en la sección transversal y la capacidad del carro para mantener una profundidad de sonda constante. Ya se han analizado los problemas con el ajuste de la sonda y las perturbaciones del campo, pero los espaciadores aislados que mantienen en su lugar el conductor central también pueden perturbar el campo. En consecuencia, estos se fabrican tan discretos como sea compatible con la resistencia mecánica. Sin embargo, la mayor fuente de inexactitud no suele ser la línea ranurada en sí, sino las características del diodo detector. ^[16]

La salida de señal de voltaje detectada de los diodos de barrera Schottky que se usan típicamente en los detectores de microondas tiene una relación de ley cuadrática con la potencia que se mide y los medidores se calibran en consecuencia. Sin embargo, a medida que aumenta la potencia, el diodo se desvía significativamente de una ley cuadrática y permanece preciso hasta un voltaje de salida de solo alrededor de 5-10 mV . Esto se puede mejorar un poco agregando una resistencia de carga a la salida del detector, pero esto también tiene el efecto indeseable de disminuir la sensibilidad. Otra técnica es reducir el rango de potencia que se mide (de modo que se encuentre dentro del rango de ley cuadrática del detector) midiendo en un punto distinto de un máximo. El máximo se calcula luego a partir de la forma matemática conocida del patrón de onda estacionaria. Esto tiene la objeción de que agrega significativamente al trabajo requerido para hacer las mediciones, al igual que la técnica de calibrar con precisión el detector y ajustar las lecturas en el medidor de acuerdo con una tabla de calibración. ^[17]

Es posible eliminar por completo los errores en el detector y el medidor si se utiliza un atenuador variable de precisión en la configuración de prueba. En esta técnica, primero se encuentra un mínimo y se ajusta el atenuador de modo que el medidor indique con precisión una marca conveniente. Luego se encuentra un máximo y se aumenta la atenuación hasta que el medidor indique la misma marca. La cantidad de atenuación que se debe aumentar es la ROE de la onda estacionaria. La precisión aquí depende de la precisión del atenuador y no del detector. ^[18]

• Connor, FR, Transmisión de ondas , Edward Arnold Ltd., 1972 ISBN  0-7131-3278-7 .
• Das, Annapurna; Das, Sisir K, Ingeniería de microondas, Educación Tata McGraw-Hill, 2009 ISBN 0-07-066738-1 . 
• Gupta, KC, Microondas , New Age International, 1979 ISBN 0-85226-346-5 . 
• Lee, Thomas H. , Ingeniería de microondas planar, Cambridge University Press, 2004 ISBN 0-521-83526-7 . 
• Voltmer, David Russell, Fundamentos del electromagnetismo 2: cuasiestáticos y ondas, Morgan & Claypool, 2007 ISBN 1-59829-172-6 .