Misure di potenza RF: confronto tra sensori di potenza e analizzatori di spettro

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La capacità di eseguire misure di potenza ripetibili a radiofrequenza o a microonde è fondamentale per sviluppare sistemi radio e reti di comunicazione senza fili efficienti ed efficaci. Di conseguenza, la scelta tra i diversi apparati e approcci di misura disponibili deve essere effettuata in modo consapevole, affinché vantaggi e svantaggi di ogni soluzione siano noti e non riducano la validità e l’utilità dei risultati di misura ottenuti.

Questo articolo esplora le caratteristiche di due approcci differenti, uno basato su di un sensore di potenza e l’altro su di un analizzatore di spettro, per eseguire misure di potenza media su segnali a onda continua (CW), multitono, modulati ed impulsati.

I segnali di prova provengono da un generatore di segnali vettoriali MXG di Keysight. Il segnale generato ha una frequenza centrale di 6 GHz e una potenza di uscita pari a -20 dBm. Le misure con sensore di potenza sono eseguite con un sensore USB U2000A di Keysight collegato a un analizzatore di spettro FieldFox N9938A con l’Opzione 302 che ne permette il controllo. Invece, per la misura effettuata seguendo l’approccio ad analizzatore di spettro, si impiega lo stesso sistema FieldFox configurato come misuratore di potenza selettivo in frequenza (CPM, Channel Power Meter, Opzione 310) e collegato al generatore di segnali tramite un cavo coassiale.

Fig. 1 – Misura di un segnale a onda continua (CW) tramite (a) analizzatore di spettro e cursore, (b) sensore di potenza e (c) analizzatore di spettro con CPM (Keysight Technologies)

Misura di un segnale CW

I segnali portanti a onda continua non contengono alcuna informazione e pertanto la potenza media e quella di picco coincidono, mentre la larghezza di banda del segnale è nulla. Di conseguenza, l’apparato di misura può impiegare un filtro molto stretto per migliorare la sensibilità (riducendo il rumore di fondo).

La figura 1a mostra la risposta in frequenza misurata da un classico analizzatore di spettro attorno ad un singolo tono con uno span di 500 kHz. La potenza di picco del segnale (che coincide anche con la sua potenza media) risulta pari a ‑20,08 dBm. La figura 1b mostra la potenza media misurata con il sensore USB, pari a -20,00 dBm. Infine, la figura 1c mostra la misura della potenza con l’opzione CPM nello strumento FieldFox, pari a -20,09 dBm.

I risultati delle tre misure si discostano tra loro al massimo di 0,1 dB. Il sensore di potenza offre l’accuratezza migliore, cioè l’incertezza di misura più bassa.

Il sistema di misura CPM integrato nel FieldFox richiede l’impostazione dello span. Questo corrisponde alla larghezza di banda del canale del segnale in esame. Nella misura di figura 1c lo span è impostato a 100 kHz. Dato che il segnale CW è privo di banda, lo span può essere impostato a qualsiasi valore, sebbene un valore molto basso aumenti il tempo misura, mentre uno span molto ampio farebbe crescere il rumore e l’incertezza.

Fig. 2 – Misura di un segnale multitono tramite (a) analizzatore di spettro, (b) sensore di potenza e (c) analizzatore di spettro con CPM (Keysight Technologies)

Misura di un segnale multitono

In questo esempio la potenza del generatore di segnali si distribuisce tra cinque toni, spaziati di 500 kHz.

Se la potenza totale dei toni è pari a -20 dBm (10 μW), allora ogni tono ha una potenza di -26,98 dBm (2 μW). Un sensore di potenza media misura la potenza media di tutti i toni, -20,13 dBm in questo caso. Il CPM fornisce una misura pari a -20,2 dBm, se lo span del CPM è stato impostato per includere tutti i cinque toni (ovvero di almeno 2,5 MHz in questo caso). Se la misura con il CPM viene ripetuta con uno span di soli 200 kHz, solo il tono centrale a 6 GHz è incluso, portando il valore misurato a -27,1 dBm, vicino al valore ideale di -26,98 dBm per un singolo tono.

L’esecuzione della misura di un singolo tono o di uno specifico intervallo di frequenze è possibile solamente con un analizzatore di spettro, dato che i sensori di potenza non sono selettivi in frequenza.

La potenza di picco di questo segnale non coincide con la sua potenza media, a causa della relazione di fase tra i toni. Le misure di potenza di picco normalmente richiedono un sensore con la capacità di rivelare la potenza di picco ed un filtro largo a sufficienza per acquisire tutti i toni contemporaneamente.

Fig. 3 – Misura di un segnale modulato 32 QAM tramite (a) analizzatore di spettro, (b) sensore di potenza e (c) ricevitore sintonizzato con CPM (Keysight Technologies)

Misura di un segnale modulato digitalmente

Il segnale modulato qui mostrato impiega una modulazione 32 QAM con una velocità di simbolo di 5 milioni di simboli al secondo. I simboli sono filtrati, quindi la banda del segnale è approssimativamente pari a 8 MHz (Fig. 3a). Il sensore di potenza indica una potenza media di -20,00 dBm (Fig. 3b), mentre il CPM riporta -20,07 dBm (Fig. 3c).

Un sensore di potenza indica il valore corretto della potenza media di un segnale con banda ignota se ampiezza ed intervallo di frequenza rientrano nelle sue specifiche. D’altro canto, il valore corretto di span deve essere impostato nel CPM del FieldFox per eseguire misure corrette. Per fare questo, è possibile impiegare un analizzatore di spettro normale per scoprire la banda del segnale incognito e, corrispondentemente, impostarlo nel CPM per configurare lo span corretto.

Fig. 4 – Misura di una forma d’onda impulsiva con un duty cycle del 20% tramite (a) analizzatore di spettro, (b) sensore di potenza e (c) analizzatore di spettro con CPM (Keysight Technologies)

Misura di forme d’onda impulsive

Nelle forme d’onda impulsive il rapporto tra la durata dell’impulso (cioè per quanto tempo il segnale rimane alto), rispetto al tempo tra due impulsi successivi (il periodo) è noto come duty cycle (DC), o tasso di attività. Per un treno di impulsi ripetuti, la potenza di picco è pari alla potenza media divisa per il duty cycle.

La figura 4 mostra un esempio di spettro misurato e le misure della potenza media per una forma d’onda impulsiva con una durata dell’impulso pari a 20 μs e un duty cycle del 20%.

Come visibile in figura 4a, lo schermo dell’analizzatore di spettro mostra una funzione di tipo seno cardinale (o sinc). Le bande laterali si estendono nel dominio della frequenza oltre lo span di 1 MHz mostrato. La potenza media misurata dal sensore è pari a -27,01 dBm (Fig. 4b), mentre il CPM indica -26,8 dBm (Fig. 4c).

Per le misure CPM, lo span è stato impostato a 3 MHz per catturare la maggior parte dell’energia del segnale. Aumentando lo span oltre i 3 MHz, la potenza misurata non cambia. La potenza di picco per questa forma d’onda con un duty cycle del 20% può essere ricavata sommando al valore medio 6,99 dB che corrispondono a 10log(1/DC). Quindi, da una potenza media misurata pari a -27 dBm, si ottiene una potenza di picco di -20 dBm, in accordo con quanto impostato dal generatore.

Fig. 5 – Schema a blocchi semplificato di un sensore di potenza (Keysight Technologies)

Rivelazione e filtraggio nelle misure di potenza di picco

Il diagramma a blocchi di un sensore di potenza di picco è simile a quello di un sensore che misura la potenza media (Fig. 5) con la differenza che un sensore di picco ha una banda passante più larga e una frequenza di campionamento elevata al fine di catturare le rapide transizioni che caratterizzano forme d’onda complesse e modulate.

Nella pratica, un sensore di potenza contiene due catene di misura, una ottimizzata per la misura della potenza media, l’altra per la potenza di picco.

Nella catena per la misura della potenza di picco, il sensore ha uno schema a due livelli.

La prima rivelazione avviene nel circuito di ingresso (front-end) dove il diodo raddrizza la forma d’onda in ingresso. Dato che il rivelatore a diodo è tipicamente un componente a larga banda, l’inviluppo di una forma d’onda che varia velocemente viene preservato in questo stadio. Dopo la rivelazione, il segnale viene amplificato e filtrato. La banda passante del filtro è normalmente selezionabile, fino a 30 MHz per i sensori delle serie P e X di Keysight. Naturalmente, tale banda deve essere maggiore di quella del segnale oggetto di indagine.

Il secondo passo di rivelazione avviene dopo il filtraggio, quando il convertitore analogico-digitale campiona il segnale ad una frequenza di campionamento fino a 1 Gsample/s (nei misuratori di potenza di picco come il modello 8990 di Keysight). Tale frequenza di campionamento è necessaria per catturare l’andamento della forma d’onda da cui è possibile estrarre e misurare una serie di parametri, come la potenza di picco, la durata dell’impulso, il periodo, il tempo di salita e di discesa.

I misuratori di potenza di picco possono interfacciarsi con altri misuratori di potenza, analizzatori di spettro e computer portatili per misure sul campo. La prossima sezione mostra come tale strumento collegato a un analizzatore di spettro portatile può essere utilizzato per misurare il profilo di una forma d’onda impulsiva nel dominio del tempo.

Fig. 6 – Misura di una forma d’onda impulsiva tramite un sensore di potenza di picco collegato ad un analizzatore di spettro (Keysight Technologies)

Eseguire misure con un sensore di potenza di picco

La figura 6 mostra un esempio di misura di un inviluppo di potenza di una forma d’onda impulsiva in funzione del tempo.

La forma d’onda in ingresso è un segnale modulato a 40 GHz con una durata dell’impulso pari a 1s e un duty cycle del 10%. Per catturare tale segnale, è stato utilizzato un analizzatore di spettro palmare (modello N9344C di Keysight) collegato a un sensore di potenza di picco e media USB U2020 Serie X. In questa configurazione, solo il rivelatore deve lavorare a 40 GHz, in quanto l’analizzatore di spettro viene impiegato solo per visualizzare i risultati e come interfaccia di controllo.

Grazie a questa combinazione di strumenti, un analizzatore o misuratore della potenza di picco possono visualizzare la potenza media, di picco e le caratteristiche della forma d’onda come il tempo di salita e discesa. I cursori sullo schermo dello strumento possono mostrare dei tempi e livelli di potenza specifici sulla forma d’onda catturata. Grazie alla banda passante dei misuratori di potenza di Keysight pari a 30 MHz, è possibile misurare i tempi di salita e discesa molto piccoli, intorno ai 13 ns.

Gli strumenti moderni, sia i singoli sensori o misuratori di potenza sia gli analizzatori di spettro dotati di CPM, possono eseguire misure sofisticate su segnali complessi. Tuttavia, esistono delle sfumature che differenziano le modalità di funzionamento di ciascuno strumento, che richiedono un’approfondita comprensione in modo da garantire la massima accuratezza in ogni contesto di misura.

Giovanni D’Amore, Marketing brand manager, Keysight Technologies

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