Cuando se quieren realizar medidas en equipos de radiocomunicación, sin interrumpir el funcionamiento de los equipos, hay que realizar mediciones en los mismos utilizando dispositivos pasivos sobre los que se pueden efectuar mediciones de potencia y frecuencia fácilmente.

En la mayoría de las ocasiones, estas mediciones son válidas tanto en equipos de radiocomunicación, de telefonía analógica y de telefonía 3G, 4G, 5G, siempre y cuando los fabricantes hayan realizado pruebas previas con las empresas de telefonía para que éstas verifiquen y acepten esas medidas como válidas. A estas medidas se deberán de añadir todas aquellas que las compañías de telefonía consideren oportunas, de acuerdo con el fabricante.

Debido al elevado coste de la mayoría de los equipos de medida (un analizador de espectros para microondas hasta 26 Ghz puede rondar los 20.000 € y la mayoría de los equipos descritos tienen precios igualmente elevados), los equipos que se pueden utilizar en los institutos serán de menores prestaciones por razones obvias. En instalaciones profesionales, en las que tienes que garantizar unas prestaciones y calidad profesionales, como era el caso de los radioenlaces de Movistar en los que estuve trabajando, los equipos deben ser de altas prestaciones y tener unas normas de calibración anuales especiales.

Hay fabricantes que fabrican equipos similares pero a precios mucho más bajos y que pueden realizar las medidas que se describen; la mayoría de los equipos descritos eran los que utilizábamos para las pruebas de instalación y aceptación con las compañías de telefonía pero había otros fabricantes de instrumentación de similar calidad (hoy en día han cambiado el nombre: HP, R&S, Tektronik, W&G, etc., ya solo se pueden encontrar como equipos de segunda mano).

En caso de no disponer de toda la instrumentación necesaria, hay equipos que pueden suplir en cierta medida su falta, realizando una medición indirecta.

Así, por ejemplo, si no disponemos de un vatímetro HP437 y sus sondas, pero sí un analizador de espectros, podemos medir la potencia puntual a una frecuencia (no la suma de las potencias de todo el espectro medido, ojo) y utilizarlo como referencia.

Si no disponemos de un BIRD43 pero sí de un acoplador direccional que soporta media/alta potencia, mientras ésta no esté fuera de los límites soportados por el acoplador, podríamos medir la ROE con él.p

Si dispongo de una emisora de radio y no tengo un analizador de radiocomunicaciones, puedo utilizar un frecuencímetro con un atenuador de 20 o 30 dB de atenuación y alta potencia (que soporte hasta 50W por ejemplo) en la entrada del frecuencímetro y aplicar la señal de antena de la emisora: puedo así comprobar la frecuencia de emisión del equipo (desactivar el audio para eliminar la modulación).

Medidas de Relación de Onda Estacionaria (R.O.E.) 

Puesto que la variedad de equipos de radiocomunicación es variada, describo aquí los dos métodos habituales de medida de ROE de manera manual, aunque los equipos de radio 4G y 5G ya realizan esta medida de manera autónoma.

Antes de explicarlos, conviene resaltar algo básico: la ROE que se mida en un sistema radiante (antena de radio + cable de transmisión) nunca será menor que la ROE que tenga la antena según los datos facilitados por el fabricante de la misma.

Así, si por ejemplo una antena Suhner planar tiene una ROE de 1,5 mínima, el conjunto de la antena más el cable radiante tendrá al menos 1,5 de ROE.

Dependiendo de la potencia de emisión de los equipos de radiofrecuencia, tenemos dos métodos de medida distintos que suponen utilizar diferente instrumentación de medición:

- Si la potencia de emisión es elevada, de >36 dBm (2 W de potencia de radiofrecuencia), podemos utilizar un vatímetro direccional tipo BIRD 43 con la sonda adecuada para medir la ROE o una sonda de medida de RF tipo HP8481 + vatímetro HP 437, con un atenuador adicional de 20 dB/20 W calibrado. Con los valores de potencia directa y reflejada, tenemos gráficas que nos calculan la R.O.E.

- Si la potencia de emisión es baja, < 1W o 30 dBm, es más fiable la medida de ROE utilizando un acoplador direccional, junto a un generador de RF de la banda de frecuencias de la antena y un analizador de espectros (o vatímetro direccional HP437 o similar con una sonda de alta sensibilidad). Conociendo la diferencia en decibelios entre potencia directa y reflejada, conoceremos la R.O.E.

En el siguiente vídeo, podemos ver un vatímetro BIRD43, que permite mediciones de media y alta potencia y un vatímetro HP 437B junto con la sonda de potencia HP848xA: para poder utilizar la sonda para medir señales de radio, le intercalan un atenuador fijo de muchos decibelios y vatios de disipación.

ACOPLADOR DIRECCIONAL

Un acoplador direccional, es un dispositivo que tiene un camino directo de señal (tiene una entrada y una salida) y una o varias tomas desacopladas del camino directo de señal,  que nos van a permitir tomar una muestra de la señal de entrada o de la señal de salida.

En la siguiente nota de aplicación de Redislogar, podéis ver el funcionamiento de un acoplador direccional y otros dispositivos distribuidos por esta empresa, que distribuye equipos de radio de reconocida calidad.

Aquí tenéis una fotografía obtenida de Internet, de un acoplador direccional de Agilent, el modelo 778, que nos permite medir simultáneamente las potencias directa y la potencia reflejada. Este es uno de los equipos profesionales que utilizábamos para verificar las instalaciones de radioenlaces de 8 Ghz en adelante (movistar, vodafone, orange, etc.).

Normalmente, en equipos profesionales, como por ejemplo los radioenlaces fijos PDH de 34/140 Mbit/s de Alcatel, por ejemplo el obsoleto AFH-270-6N, el acoplador direccional se encuentra permanentemente conectado en el transmisor de 8 Ghz del equipo y solo se utilizan las salidas desacopladas cuando es necesario hacer tareas de mantenimiento preventivo o correctivo; en otros casos, se activa mediante un pulsador para monitorizar la potencia directa y la reflejada, como aparece en la fotografía de la emisora de 20W del IES, a continuación de estos párrafos.

La mayoría de los acopladores direccionales utilizados en los sistemas de telefonía móvil, presentan una impedancia de entrada y de salida de 50Ω, impedancia característica en las líneas de transmisión de radio. El acoplador direccional nos va a permitir medir la potencia de radio emitida por el equipo y/o la frecuencia de esa señal de radio, cuando se transmite la portadora sin modular o modulada, según los ajustes que tenga el equipo.

Un vídeo explicativo del uso del acoplador direccional, obtenido de youtube, muestra la instrumentación que se utiliza para la medida de ROE: un acoplador direccional, un generador de señal o de barrido y el dispositivo bajo pruebas (Device Under Test o DUT), que normalmente será una antena.

Si se quiere ver un catálogo más completo y con métodos de medición detallados añadidos, se puede consultar la página web de Narda, uno de los mejores fabricantes de acopladores direccionales.

Una fotografía de un acoplador direccional de un fabricante de renombre en el campo de las radiocomunicaciones, calibrado en la banda de 2 a 8.6 Ghz, es el que aparece en la fotografía, junto con algunos de los conectores tipo que nos podemos encontrar para adaptarnos a los cables coaxiales utilizados:

Como se puede observar en el acoplador, la entrada de señal (input) y la salida (output), están convenientemente marcadas, y el terminal en el que se toma la muestra de señal, está calibrado por el fabricante con un acoplamiento de 16 db. Es decir, la muestra de señal que se toma ahí es 16 dB menor que la que realmente se está transmitiendo.

La banda de frecuencia para la que ha sido calibrada esta muestra está entre 2.0 y 8.6 Ghz y si queremos ver más detalles de este dispositivo, basta con introducir el código del acoplador direccional en la página web del fabricante.

También nos podemos encontrar los acopladores direccionales integrados en los propios equipos de radiocomunicación, como indiqué anteriormente, por ejemplo el caso del amplificador de la emisora de FM del IES; ver el rectángulo naranja del extremo derecho, donde se puede observar el acoplador direccional implementado en la placa de circuito impreso del amplificador:

Medida de potencia (<33 dBm) y ROE con acoplador direccional

Cuando se quiere comprobar la ROE de equipos de radiocomunicación que trabajan en frecuencias superiores a 1-2 Ghz, las potencias de transmisión suelen ser bajas, sobre todo debido a los transistores que se deben de utilizar y que no son de potencia elevada. Típicamente nos vamos a encontrar radioenlaces fijos y transportables que a partir de 6-7 Ghz no transmiten más de +27 dBm, es decir, 0,5 W de potencia y que no pueden medirse correctamente con un vatímetro direccional, al menos para medir la ROE, porque los diodos detectores de menos de 27 dBm son difíciles de fabricar y más a estas frecuencias.

Por dicho motivo, un dispositivo de medida muy práctico para medir potencia de RF y ROE a partir de varios Gigahercios es el acoplador direccional. Es un dispositivo que nos va a permitir medir la potencia directa sobre un vatímetro de RF o sobre un analizador de espectros y comprobar si emitimos/recibimos emisiones espúreas en nuestro equipo y, al atenuar 16/20/30 dB la señal en la salida desacoplada, nos puede permitir medir la potencia y/o frecuencia en esa salida sin temor a destruir el frecuencímetro.

Así, si tenemos por ejemplo +27 dBm a 8 Ghz de potencia de emisión y la salida está desacoplada 16 dB, en la salida desacoplada, tendremos +11 dBm de potencia; este nivel de señal no va a destruir el amplificador de entrada de nuestro analizador de espectros ni de nuestro frecuencímetro.

Otra cuestión es cuando, estamos trabajando en una estación de telefonía móvil donde las potencias de emisión de los transmisores se acercan a los +40 dBm por radiocanal, que tendremos que utilizar un atenuador de potencia para proteger los equipos de medida.

Cuando hay que conectar un acoplador direccional en un sistema de telefonía móvil o de radio, normalmente la manera de conectarlo es conectar la entrada de señal, la salida desacoplada y la salida real. en la salida desacoplada, tendremos siempre una señal que tendrá , por ejemplo, un nivel de 16 dB menor que la señal del camino principal de la señal.

Deberemos de disponer, como instrumentación, (toda ella para 50 Ω de impedancia) de:

- Vatímetro de RF de precisión (vatímetro HP 437B con sonda HP8481A por ejemplo).

- Acoplador direccional (del fabricante Narda, por ejemplo), o en su defecto:

- Analizador de espectros por ejemplo HP 8562A, con atenuador de 20 dB/20W añadido en el conector de entrada de señal o analizador de radiocomunicaciones Marconi 2965.

- Generador de Radiofrecuencia, por ejemplo Promax que cubra la banda de 800-2000 Mhz y disponga de oscilador PLL.

El montaje a realizar, sería similar al de la fotografía, situándose a la derecha del acoplador direccional, la antena y su cable coaxial procedente de la estación base:

Para realizar la prueba de la ROE de las antenas, sustituiríamos el canal radio de la BTS por un generador de RF de la misma banda que nuestra antena. Imaginemos que queremos medir la ROE para el radiocanal de 876 Mhz antes de probar el funcionamiento con los transmisores reales.

Básicamente lo que se haría sería sustituir el canal de radio de la BTS por un generador de RF que simule la frecuencia central de radio que se va a conectar a la antena sin modulación. El esquema de montaje sería el de la imagen de arriba, tanto para medir la potencia directa como la reflejada.

Previamente, conectaríamos un generador de RF como el de la fotografía, a un analizador de espectros para ver el nivel de señal que genera, anotarlo y tomarlo como referencia de niveles.

A continuación, insertaríamos el generador de RF seguido del acoplador direccional y del cableado de la antena; mediríamos el nivel de señal que marca el vatímetro o el analizador de espectros y giraríamos el acoplador direccional, como se ve en el esquema y realizaríamos nuevamente la medición. La diferencia en dB nos marcaría la ROE de la antena a la frecuencia que hemos ajustado el generador de RF.

Después de calibrar el nivel de señal emitido por el generador de RF en el analizador de espectros, intercalaríamos el acoplador direccional similar al que aparece en esta otra fotografía (ojo que es de la banda de 2 a 8.6 Ghz, no de la banda de telefonía móvil y la antena conectada a la salida es para la banda DECT):

Para medir la potencia reflejada por la antena, simplemente invertiríamos las conexiones del acoplador: la antena en la entrada y la salida en el transmisor:

El acoplador de la imagen de la imagen, tiene conectada a la salida una antena DECT de 1880 a 1900 Mhz directamente y otra WiFi al lado; en una instalación real, en lugar de la antena al lado del acoplador direccional, estaría ahí el cable del sistema radiante conectado a la antena.

En el conector N que hay libre se conectaría por ejemplo, la sonda HP 8481A del vatímetro HP435B que nos mostraría las lecturas de potencia directa y reflejada en dBm.

En este pequeño vídeo explicativo muestro el sencillo proceso que hay que realizar para comprobar la R.O.E. con un acoplador direccional. Recordar igualmente que hay que apagar los equipos antes de conectar los cables y el acoplador para medir la potencia directa y la potencia reflejada y cuando se vaya a desconectar el acoplador.

Ejemplo de medida de ROE con acoplador direccional:

Vamos a explicarlo con un ejemplo real de potencia:

Por ejemplo, si a la entrada del acoplador direccional para medir la potencia directa, aplicamos una señal de radiofrecuencia de 1,9 Ghz con una potencia de +20 dBm, tendremos:

-      +20 dBm -  16 db= + 4 dBm en la salida desacoplada aproximadamente

A continuación, para medir la potencia reflejada, apagaríamos el equipo transmisor y cambiaríamos las conexiones del acoplador direccional, como se ve en la imagen. Después encenderíamos el equipo transmisor.

- Mediríamos la potencia reflejada en la salida desacoplada y obtenemos, por ejemplo, un nivel de -11 dBm. Esto significa que el nivel de señal que se está reflejando, al sumarle los 16 dB de acoplamiento, es de 5 dBm.

La diferencia entre la potencia directa + 20 dBm y la reflejada de +5 dBm es de 15 dB, que se corresponden con una ROE, de acuerdo con la tabla que se adjunta más abajo de pérdidas de retorno, de aproximadamente 1,45.

OTRAS APLICACIONES DE LOS ACOPLADORES DIRECCIONALES

Otro uso de los acopladores direccionales fijos en equipos de radio es monitorizar la potencia de los equipos sin desconectar el sistema radiante. Cualquier variación de potencia de salida se leerá en la salida de medida del acoplador direccional.

En la emisora de FM comercial mostrada anteriormente, se puede ver el acoplador direccional que monitoriza permanentemente la potencia directa y la potencia reflejada.

Así, podemos encontrarnos los acopladores direccionales instalados en una estación base de móviles: basta con monitorizar la potencia y/o frecuencia en la salida desacoplada, sin interrumpir el funcionamiento de los equipos, salvo que tengamos claro que hay una avería en los equipos transmisores.

Si quisiéramos monitorizar permanentemente la frecuencia o la potencia de emisión de una emisora de FM comercial, basta con conectar la salida desacoplada de la emisora al frecuencímetro, desconectando cualquier tipo de modulación durante un instante y podríamos así medir permanentemente la frecuencia de la emisora sin ningún problema al no cortar la emisión para medir la frecuencia.

Este tipo de verificaciones, se realizan cortando la emisión, para lo cual se requiere disponer de un equipo de reserva al que se conmuta el tráfico de voz o datos.

Si tuviéramos un acoplador direccional de alta potencia en lugar del que tenemos en la banda de microondas, el montaje sería totalmente válido para potencias > + 20dBm.

En la siguiente fotografía, tenéis como habría que hacer el conexionado del acoplador direccional hacia el analizador de espectros, para medir la potencia directa intercalando un vatímetro Bird 43:

El cable RG213 (más grueso), entra al acoplador direccional y, la salida, a través de un cable RG174 con conector SMA macho, se conecta hacia el vatímetro BIRD 43, que equipa una sonda para medir la banda de FM comercial. Por otro lado, en la salida desacoplada del acoplador direccional (cable negro RG-58, más fino) se conecta el analizador de espectros o el analizador de radiocomunicaciones en función analizador de espectros, para medir el nivel de la potencia emitida).

Para medir la potencia reflejada, deberíamos "girar" el acoplador direccional, cambiando el cable de entrada a la salida y el de la salida a la entrada, de manera que mediríamos así la potencia reflejada sobre el analizador de espectros:

En el analizador de espectros del analizador de radiocomunicaciones Marconi 2965A, anotaríamos el valor de la potencia medida, tanto en la potencia directa como en el caso de la reflejada. Los valores que tuviéramos en el analizador de espectros los restaríamos y así tendríamos la ROE, de acuerdo a tablas estandarizadas que existen. Es recomendable realizar la medida transmitiendo únicamente la frecuencia portadora sin modular, como se aprecia en la fotografía del analizador de espectros.

Medida de potencia (>36 dBm) y R.O.E. con vatímetro direccional

Uno de los instrumentos más utilizados durante muchos años para medir la potencia de emisión en equipos de telefonía (no en las bandas de microondas, donde se utiliza prácticamente siempre un acoplador direccional) y radio móvil ha sido, el vatímetro direccional BIRD43. Existen para este vatímetro direccional diodos detectores que pueden llegar hasta los 1000 Mhz y hasta cientos de vatios de potencia de radiofrecuencia.

Este vatímetro direccional tiene una sonda extraíble (la pieza circular con la flecha que indica 5W y 100-250 Mhz), que nos va a permitir medir la potencia directa que llega al equipo a través del cable situado a la izquierda y en el otro extremo, conectaríamos el cable de antena. A continuación, conectaríamos el equipo de radio para que transmita (ojo: la sonda tiene que ser de mucha mayor potencia que la que transmita nuestro equipo).  

El valor de potencia directa lo veríamos sobre el dial del equipo de medida. A continuación, giraríamos la sonda detectora hasta que la fecha "apuntara" hacia la izquierda y mediríamos la potencia reflejada de la misma forma, como se ve en este video de la mediateca:

En la parte trasera de los BIRD 43 suele haber un ábaco en el que dadas las potencias directa y la reflejada, obtendríamos la ROE. Este vatímetro no es utilizable para medidas de ROE por encima de 1000 Mhz. 

A continuación añado un vídeo con un montaje real de una emisora, un vatímetro BIRD 43 y una antena, en el que se muestra el proceso de medida de la potencia directa y de la potencia reflejada: mirando las tablas que acompañan al vatímetro, determinamos la ROE. Este vídeo traducido lo tenéis en otra de mis páginas.

MEDIDA DE LA RELACIÓN DE ONDA ESTACIONARIA (ROE) > 1000 Mhz

Una aplicación más que tiene el acoplador direccional es la medida de la R.O.E. Cuando las potencias son tan bajas (<27 dBm) o las frecuencias altas (> 1000 Mhz), con un vatímetro direccional tipo Bird 43 no se puede medir la potencia directa ni la reflejada (hablamos de potencias de menos de 30 dBm, 1W), ya que es difícil fabricar sondas de tan alta sensibilidad para "mover" el galvanómetro.

Es en estos casos cuando utilizaremos el acoplador direccional, como el que he montado junto a la emisora de FM, aunque debería de estar aquí, ya que el acoplador en cuestión mide bien entre 2 a 8 Ghz.

Esta situación es típica cuando hablamos de equipos de emisión de < 27 dBm y/o radioenlaces de microondas (a partir de 2 Ghz, hasta 8 o 10 Ghz), en los que las potencias que entregan las etapas de potencia de radiofrecuencia (RF), que igualmente, no suelen exceder de 27-30 dBm. En este caso, un esquema de montaje típico es el que realicé anteriormente, cambiando la antena de telefonía móvil por una antena parabólica.

Los pasos a seguir para medir la ROE con un acoplador direccional son:

1. Apagamos el transmisor; a continuación se conecta la entrada del acoplador direccional a la salida del transmisor de radio. La salida se conecta hacia la antena. La salida desacoplada se conecta al vatímetro de RF (por ejemplo un HP 437B) o al frecuencímetro. A la potencia leída en el vatímetro, la anotamos en una casilla de nuestra tabla de mediciones.
2. Se gira el acoplador direccional de forma que la salida del acoplador direccional se conecta a la salida del transmisor de radio y la entrada se conecta al cable de la antena. A lal potencia reflejada leída, la anotaremos en otra casilla de la tabla de mediciones.
3. La diferencia de potencias leída, expresada en decibelios, nos permite conocer la ROE de nuestra antena.

 Hay tablas disponibles en Internet, que nos van a permitir determinar la ROE a partir de la diferencia entre la potencia directa y reflejada medidas en el acoplador direccional en dB, pero a título orientativo añado algunas de ellas:

Pérdidas de retorno en dB y  ROE

28,30 dB	1,08
27,32 dB	1,09
26,44 dB	1,10
23.69 dB	1.14
20,83 dB	1,2
19,40 dB	1,24
17,69 dB	1,3
16,54 dB	1,35
15,56 dB	1,40
14,72 dB	1,45
13,98 dB	1,5
12,74 dB	1,6
11,73 dB	1,70
10,88 dB	1,80
10,16 dB	1,90
9,54 dB	2,00

Por la experiencia profesional de muchos años, nunca vamos a obtener una ROE mejor que la que tiene el acoplador direccional o la antena bajo medición (DUT Device Under Test), como ya indiqué anteriormente.

Si éste presenta una ROE de 1,5, nuestra medida nunca será mejor que ese valor. Basta con mirar las especificaciones técnicas del acoplador direccional facilitadas por el fabricante para comprobarlo.  Si el acoplador tiene una ROE de 1,3 y la antena, tras realizar la medición nos marca 1,45 de ROE, éste valor sí es fiable como ROE medido.

Medida de frecuencia de emisión en equipos de telefonía móvil

Cuando se trata de realizar mediciones de la frecuencia de emisión de equipos de radio, debemos de utilizar un analizador de radiocomunicación para poder medir todos los parámetros de forma casi simultánea: vamos a ver la potencia, la frecuencia, la modulación, etc. sobre una pantalla de forma simultánea.

También se puede medir la potencia de emisión con un frecuencímetro, pero puesto que la mayoría de los frecuencímetros no soportan potencias de la señal de entrada mayores de +20 dBm, deberemos de tener la precaución de insertar un atenuador fijo que, descontando los dB que introduzca el atenuador, apliquen a nuestro equipo una potencia menor de la máxima admisible.

Así, si nuestro transmisor emite +40 dBm (10W) a la frecuencia de 900/1500 Mhz, intercalaríamos delante del frecuencímetro un atenuador de 30 dB/20W que funcione para estas mismas frecuencias. Con esto, a nuestro frecuencímetro le estaríamos aplicando un nivel de +10 dBm y no se estropearía.

Para medir la frecuencia de forma precisa, SE DESCONECTA CUALQUIER TIPO DE MODULACIÓN QUE SE PUDIERA APLICAR AL TRANSMISOR DE FM.  En caso contrario, veríamos como la medida de la frecuencia no es estable: según realice la medida con una subportadora u otra, medirá un valor distinto.

En el caso de querer solo medir la frecuencia utilizando un frecuencímetro convencional (que debemos de conocer la potencia máxima de entrada), podemos utilizar el siguiente montaje:

A la salida de la emisora de radio, conectamos un vatímetro BIRD 43 que nos va a permitir medir la potencia directa de radiofrecuencia, a continuación, añadimos un atenuador de 20 dB/20W que nos va a reducir 20 dB la potencia que aplicamos al frecuencímetro para no destruirlo (no admiten más de +20 dBm). Con este nivel de potencia de RF bajo en el frecuencímetro, podremos leer la frecuencia en un frecuencímetro convencional:

Se puede apreciar que el vatímetro BIRD43 tiene una sonda de radiofrecuencia de 25 W en la banda de FM comercial y está midiendo unos 22 W; a la salida del vatímetro se ha añadido el atenuador fijo de 20 dB/20 W de Narda para poder conectar un frecuencímetro sin destruirlo.

La señal de salida tras el atenuador, será aproximadamente:  +44 dBm - 20 dB= +22 dBm.

Este nivel de señal que llega al frecuencímetro, no es muy alto y mediríamos la frecuencia de la emisora correctamente sin deteriorar el amplificador de entrada del frecuencímetro, como indiqué antes.

Monitorización de señales de radio con el analizador de espectros

Puesto que el analizador de espectros es un equipo de medida muy utilizado en telecomunicaciones, ya sea para realizar medidas de señales de radio interferentes, para ver el espectro de emisión de un equipo y ver intermodulaciones, para mediciones de nivel de señal recibido alrededor de una estación base, recomendaría leer las notas de aplicación de HP, que documentan muy bien el uso del analizador de espectros.

Concretamente, las notas de aplicación AN-150 (application notes de Hewlett Packard), son muy interesantes para comprender el uso, configuración y manejo del analizador de espectros. No sé si otro fabricante dispone en formato electrónico de AN similares, pero estas son muy completas.

Es muy importante destacar que el analizador de espectros, dependiendo del fabricante no admite más de +20 o +30 dBm de potencia, así que si no conocemos la potencia que vamos a medir, NUNCA CONECTARLO DIRECTAMENTE A LA SALIDA DE UN EMISOR DE POTENCIA, para no destruir el amplificador de entrada del analizador. 

En estos casos, es recomendable insertar a la entrada del analizador de espectros un atenuador fijo de 20 dB/20W de Narda y un dispositivo de bloqueo de tensión continua, que también le hace daño al analizador de espectros; sobre todo si se utiliza para prácticas en los institutos.

En dicha AN-150 hay una imagen muy explicativa de qué es lo que vemos en un analizador de espectros cuando observamos una "línea" en la pantalla del analizador. Está en "hpmemoryproject.org", y se muestra qué veríamos en un osciloscopio (una señal sinusoidal compuesta por dos frecuencias) y lo que veríamos en el analizador de espectros: las dos frecuencias que componen la señal. Está obtenida la imagen de la "AN-150 Spectrum Analyzer Basics"

Un analizador de espectros para medidas de campo típico, de calidad contrastada, sería el de la figura:

Si en el esquema anterior del acoplador direccional, en lugar de realizar la medición de potencia con un vatímetro, éste se sustituye por un analizador de espectros (vamos a utilizar el analizador de espectros que incorpora el Marconi 2965), podríamos visualizar la portadora de FM que estamos transmitiendo.

Esta medida se puede realizar sin interrumpir el tráfico de telefonía móvil, si se conecta el analizador de espectros a la salida desacoplada del acoplador direccional de la fotografía, permitiéndonos así ver la señal emitida, su espectro, interferencias, etc. pero recordando que la señal medida está 16 dB por debajo del valor real, al medir en la salida desacoplada.

Si queremos comprobar solamente la portadora, dejaríamos de emitir la onda moduladora y tendríamos una señal parecida a la que aparece en la fotografía del analizador de radiocomunicación, configurado como analizador de espectros:

Si por el contrario, la señal de la emisora estuviera emitiendo la frecuencia portadora y la señal moduladora (por ejemplo, una conversación/canción), que sería la situación típica cuando se intercala el acoplador direccional en la línea de transmisión y se mide a través de la salida desacoplada, el espectro de la señal que tendríamos se asemejaría al de esta otra fotografía y estaría continuamente cambiando de forma, adaptándose a la señal de audio que se esté modulando en ese momento:

Cuando queremos realizar mediciones de las señales que aparecen en el analizador de espectros, debemos de saber qué estamos midiendo. Si nos fijamos en la línea donde está el cable de antena con el que se está sintonizando las emisoras de FM, se puede leer xxx dBm, que se corresponde con la línea horizontal de la cuadrícula: se ve en la 1ª pantalla que están marcados -30, -60 y -90 dBm. En esta 2ª pantalla vemos que la mayor parte de las "rayas de la emisora de FM" (portadora modulada por el audio), están próximas a -60 dBm y ese será el valor aproximado a tomar como valor de la potencia, de cada portadora que se emite.

Vamos a verlo más claramente si nos fijamos en el dibujo que aparece debajo. Se corresponde con una raya espectral (es decir, una frecuencia portadora), de una amplitud de unos 42 dBm y otras portadoras de menor amplitud, otra portadora de unos 12 dBm de amplitud y una tercera portadora de 3 dBm.

Como se puede observar en el dibujo, cada división vertical representa 10 decibelios (10 dB de ahora en adelante); así, la diferencia entre la primera frecuencia (que aparece como un pico), que si estuviéramos visualizando en el analizador de espectros se correspondería con, por ejemplo, 89,9000 Mhz, tendría una amplitud aproximada de 42 dBm.

El segundo "pico" de señal que se aprecia, se correspondería con otra frecuencia,que podríamos leer en la parte inferior de la pantalla y cuya amplitud está aproximadamente 32 dB por debajo de la primera señal.

Estos 32 dB, vienen a indicarnos que la señal es 10^3,2= 1585 veces más pequeña en potencia que la frecuencia principal.

La tercera frecuencia que se observa está aproximadamente a 40 dB por debajo de la frecuencia principal, o llo que es lo mismo: 10⁴= 10.000 veces más pequeña en potencia.

También tenemos en el eje horizontal una escala de ancho de expansión de frecuencia, por ejemplo, podríamos tener el expansor de frecuencia en 5 Mhz/div, lo que nos permitiría "leer" de una manera aproximada, la frecuencia de la 2ª portadora y de la 3ª.

Es importante no olvidar que las mediciones de potencia de radiofrecuencia se realizan correctamente cuando se transmite la frecuencia portadora sin modular o modulada con una portadora de baja frecuencia, puesto que al observarla en el analizador de espectros solo mide la portadora y la señal de B.F.

MUY IMPORTANTE:

Cuando la señal de RF a medir se corresponde con una señal modulada de 2/8/34 Mbit/s o una trama similar, las medidas de potencia de RF se deben de realizar utilizando el vatímetro HP437 con sonda HP8481 + atenuador o modelo equivalente de otro fabricante. El atenuador será necesario si nuestra potencia de RF es mayor de 20 dBm, para no destruir la sonda de medida.

Un ejemplo real, sacado del amplificador de FM con el múltiplex estereo, nos muestra las diferentes subportadoras:

Se puede "leer" el nivel de cada subportadora: Entre el 40.00 dBm y el 20 dBm: es decir, cerca de 30 dBm (1000 mW) cada subportadora. La suma de todas las subportadoras (9 x 1W= 9 W) no coincide con la potencia "en banda" que se lee en el analizador de espectros: es normal, el analizador de espectros solo sirve para ver niveles relativos entre portadoras, ver armónicos, etc., pero en ningún caso sirve para medir potencia total cuando la señal está modulada, como es este caso. Lo mismo se puede decir del analizador de radiocomunicación: cuando la señal está modulada y tiene un ancho de banda alto (más de 12,5 Khz), la potencia medida no es real.

 MEDIDAS DE POTENCIA EN RADIOFRECUENCIA CON MODULACIÓN

Como se indicó en las medidas del analizador de espectros, éste equipo de medida no sirve para medir señales moduladas, solo para medir señales portadoras sin modular: podemos ver niveles relativos, productos de intermodulación, señales interferentes, etc. que se sumarían a la señal que realmente queremos medir.

Así, para medir la potencia total de una señal modulada en frecuencia o amplitud, debe de efectuarse con un vatímetro de radiofrecuencia, que tiene en cuenta todas las frecuencias que recibe y comparar el nivel obtenido con el que nos indique el fabricante del equipo. Este era el método que utilizábamos cuando medíamos la potencia recibida (con la sonda HP8484A) en un radioenlace de 140 Mbits: medíamos el nivel recibido enviando una trama digital pseudoaleatoria.

La suma de todas esas portadoras que tiene cada una un determinado nivel de dBm, en conjunto nos dará un nivel medio determinado que se medirán con una sonda de medida de RF, como por ejemplo la antigua sonda HP8484 de Agilent, que era un estándar a la hora de medir niveles de RF bajos o la HP8481A para medir potencias elevadas (20 dBm aproximadamente).

Esta sonda HP8484 era la sonda recomendada para la medición del nivel de señal recibido (hasta -20 dBm máximo aproximadamente). Hay que conectarla un cable de tierra antes de efectuar la medición y por encima de ese nivel de señal de -20 dBm, se destruye, salvo que la conectemos con un atenuador de 20/30 dB.

La sonda HP8481 es una sonda para medir la potencia emitida con la señal modulando la portadora (o sin ella, según se haya calibrado el equipo). Admite hasta +20 dBm de potencia de señal, pero si añadimos, como se hacía en instalaciones, un atenuador de 30 dB/50W de la banda de frecuencias de la señal de RF delante de la sonda, podíamos medir hasta 50 dBm. Para hacernos una idea, las RRU de telefonía 5G transmiten una potencia de 46 dBm aproximadamente (40 W por radiocanal).

La fotografía del vatímetro HP 437B al que se conectan estas sondas por medio del cable que se ve en la fotografía, sería:

 El método de medición con el vatímetro de RF es sencillo:

• Con la sonda de medida conectada al vatímetro, procedemos a encenderlo.
• Conectamos la sonda de medida en POWER REF, para calibrar la sonda de medida (dispone el vatímetro de una salida trasera de calibración). Si el valor medido se corresponde con el valor calibrado (creo recordar que era -20 dBm), procederemos a realizar la medición de la potencia normalmente. SI no se corresponde con el valor calibrado en > 3 dB, indicará que la sonda está averiada y se sustituirá.
• Tras calibrar la sonda, conectaremos la sonda en el punto de medida que tenga previsto el equipo de radiocomunicación, siempre que la potencia que emita este equipo no sea superior a 20 dBm, que es la potencia máxima de la mayoría de las sondas de potencia. Si es mayor deberemos de colocar un atenuador de radiofrecuencia calibrado (por ejemplo un atenuador Narda de 30 dB/20W) que funcione correctamente en la banda de frecuencias en la que estamos trabajando.  Siguiendo con el ejemplo, si por ejemplo, el vatímetro lee -37,4 dBm y tenemos en serie con la sonda el atenuador de 30 dB, la medida real de potencia sería: -37,4 dBm + 30 dB = -7,4 dBm.

Una vez finalizada la medida de la potencia, apagamos el equipo de radiocomunicación, desconectamos la sonda de RF y dejamos los cables de RF en su posición normal.

A continuación repito unos vídeos de configuración y uso del vatímetro HP437B con las sondas, que está en otra página ya incluido:

Con este vídeo, vemos el proceso inicial de ajuste de la sonda sobre el bolómetro (seleccionaremos el tipo de sonda que hemos conectado primero) y a continuación, calibramos su precisión (a veces se estropean y al calibrarlas es cuando se detecta). A continuación, ya podríamos realizar la medida de potencia en lugar de sobre el generador que aparece en el vídeo, con el equipo de microondas con el que estemos trabajando.

Ficheros adicionales

• Medida de la ROE con acoplador direccional
• Subportadoras vistas en el analizador de espectros
• Acoplador direccional en funcionamiento
• Medidas de potencia y frecuencia en equipos de radio
• Características de acoplador direccional
• Medidas en telefonía y radio móvil
• Visión de una señal en osciloscopio y en analizador de espectros
• Medidas con el analizador de espectros
• Redislogar: acoplador direccional, splitter y combinadores