CARATTERISTICHE DELLA SORGENTE OTTICA
5.3 Misure dell’instabilità del guadagno durante transitori di temperatura e caratterizzazione dell’oscillazione
Tutti i trasmettitori ottici sono stati sottoposti a transitori di temperatura in salita, da -20°C a temperatura ambiente, e in discesa, da 50°C a temperatura ambiente.
La camera termo -controllata, grazie alla quale sono state effettuate le prove, dispone di tre interruttori: HEAT (caldo), COLD (freddo), CIRCULATION (ventola per il circolo d’aria); quest’ult imo rappresenta anche l’interruttore per l’accensione della camera climatica.
In ogni prova effettuata, dopo aver raggiunto la temperatura desiderata, veniva spento l’interruttore HEAT o COLD e soltanto dopo qualche minuto anche l’interruttore CIRCULATION, in modo tale da avere una certa omogeneità di temperatura all’interno della camera.
Come specificato nel paragrafo precedente, non è stato possibile riprodurre in laboratorio le stesse condizioni presenti in antenna, ma si è comunque cercato di mantenere in ingresso ai trasmettitori ottici lo stesso livello di potenza che avrebbero avuto in ingresso se posti sulla linea focale, a valle del Front End.
Facendo riferimento alla Fig. 4.1.1 del capitolo 4, in ingresso ai trasmettitori ottici è presente una potenza pari circa a -50 dBm; a conseguenza di questo e con tutti gli accorgimenti del caso per arginare i problemi descritti nel paragrafo precedente, il banco di misura è stato così strutturato:
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Fig. 5.2.1 Struttura a blocchi del banco
Come si può vedere dalla figura, in uscita dal VNA è stata impostata una potenza RF di 0 dBm (parametro CENTER), scelta abbastanza elevata in modo tale da non deteriorare il rapporto
R A ;
siccome la catena dello splitter ÷ 3 e degli isolatori ha un insertion loss di -10 dB, per abbassare il segnale fino a -50 dBm è stato necessario introdurre un’attenuazione di -40 dB.
In ingresso ai ricevitori del VNA pertanto arriva una potenza pari a -80 dBm; questo valore però risulta inferiore a -60 dBm, che rappresenta il valore stimato di sensibilità del ricevitore VNA, al di sotto del quale il vettoriale non è più in grado di discernere quale sia il segnale e quale il rumore (vedi Appendice 1). Per questo motivo per poter ottenere una
VNA
÷ 3 50 OHM 50 OHM ATTENUAT ORE ATTENUAT ORE TX OTTICO TX OTTICO 0 dBm -10 dB ~ - 30 dBm RX VNA CH_A RX VNA CH-B 40 dB R A B69 misura “leggibile” è stato necessario introdurre un’operazione di
media su più punti, così da abbattere la rumorosità eccessiva.
Il parametro del VNA che indica la quantità di medie che si stanno compiendo è l’AVERAGING, che può essere impostato ad un qualsiasi valore intero; nel nostro caso è stato scelto un averaging pari a 64, ossia il vettoriale effettua 64 medie tra i punti campionati durante lo SWEEP TIME, ossia il tempo necessario a campionare il numero di punti desiderato, prima di fornire un dato aggiornato.
L’introduzione di medie ha però rallentato la misura, in quanto il tempo necessario per avere un dato utile non è più lo sweep time, bensì lo sweep time moltiplicato per il numero di averaging.
Per questo motivo è stato impostato a 2 (valore minimo) il numero di punti che il VNA avrebbe dovuto campionare, ottenendo così uno sweep time di 105,8 ms e, moltiplicando questo valore per 64 (numero di averaging), si raggiunge un tempo di attesa per il dato utile di 6,77 sec.
Questo valore ha posto un limite inferiore al tempo di campionamento impostato in LabView, che va a prelevare il dato utile dal vettoriale e dal DataLogger e lo memorizza in un file txt; per non incorrere in problemi di ritardo di Labview rispetto al Data Logger e al VNA, è stato impostato un tempo di campionamento del dato utile pari a 10 sec.
Pertanto, riepilogando tutti i parametri impostati: Ø CENTER : 0 dBm Ø SPAN: 0% Ø ATTENUATION: 40 dB Ø IF BW: 20 Hz Ø AVG: 64 Ø NUMBER OF POINTS: 2 Ø SWEEP TIME: 105,8 ms
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Capitolo 5- Campagna di misure
Nelle pagine seguenti sono mostrati i grafici delle misure svolte imponendo i transitori di temperatura:
71
Fig. 5.2.2 Andamento del guadagno per TEK_P durante un transitorio di
temperatura in discesa
(Asse destro
-temperatura, asse sinistro
72
Fig. 5.2.3 Andamento del guadagno per TEK_P durante un transi
temperatura in salita
(Asse destro
-temperatura, asse sinistro
73
Fig. 5.2.4 Andamento del guadagno per IRA durante un transitorio di
temperatura in salita
(Asse destro
-temperatura, asse sinistro
74
Fig. 5.2.5 Andamento del guadagno per IRA durante un transitorio di temperatura in discesa
Fig. 5.2.5 Andamento del gu
adagno per IRA durante un transitorio di
temperatura in discesa
(Asse destro
-temperatura, asse sinistro
75
Fig. 5.2.6 Andamento del guadagno per TEK_I durante un transitorio di
temperatura in discesa
(Asse destro
-temperatura, asse sinistro
-guad
76
Fig. 5.2.7 Andamento del guadagno per TEK_I durante un transitorio di
temperatura in salita
(Asse destro
-temperatura, asse sinistro
77
Fig. 5.2.7 Andamento del guadagno per TEK_OLD durante un transitorio di
temperatura in salita
(Asse de
stro
-temperatura, asse sinistro
78
Fig. 5.2.9 Andamento del guadagno per TEK_OLD durante un
transitorio di temperatura in discesa
(Asse destro
-temperatura, asse sinistro
79 Nelle curve mostrate le oscillazioni e le altre irregolarità
evidenziate dai cerchi in arancio non derivano da un comportamento anomalo del trasmettitore, bensì da disomogeneità della temperatura all’interno della camera termo -controllata; all’atto dello spegnimento della ventola infatti viene a mancare il circolo d’aria. Pertanto, mentre il sensore per la temperatura rivela un certo dato (con una sensibilità di 0,1 °C), in realtà a ridosso del case dei trasmettitori la temperatura è differente e subisce piccole variazioni a causa del calore dissipato dagli stessi dispositivi. Quindi, fintanto che la temperatura all’interno della camera non è tornata omogenea, per via del lento ritorno a condizione ambie nte, il trasmettitore può subire piccole variazioni nel guadagno.
Quello che è interessante osservare è che i trasmettitori non mostrano il medesimo comportamento quando sono sottoposti a medesime variazioni di temperatura; TEK_P e TEK_I mostrano oscillazioni più marcate, mentre nelle tracce dei guadagni di TEK_OLD e IRA queste sono quasi impercettibili.
Primo passo verso la caratterizzazione di questo ripple è stata la misura della sua ampiezza e del suo periodo.
La variazione del guadagno fisiologica di o gni dispositivo elettronico che compare in seguito a variazioni di temperatura, presenta una relazione pressochè lineare con questa; in realtà, il guadagno non varia sempre allo stesso modo, bensi secondo un coefficiente che va via via aumentando man mano che la temperatura si alza; se però consideriamo intervalli sufficientemente ridotti di temperatura, ad esempio di circa 5-10 gradi, la non linearità diventa praticamente trascurabile. Pertanto la curva che descrive l’andamento della temperatura dovrebbe mostrare un andamento pressoché uguale a quello che dovrebbe avere la curva del guadagno senza il fenomeno oscillatorio.
Fatte queste ipotesi, l’ampiezza delle oscillazioni è stata quindi misurata valutando lo scarto tra la curva che approssima la
80 temperatura, che si è visto essere una polinomiale del secondo o del
terzo ordine a seconda dei casi, e la reale curva del guadagno ( vedi
Fig.5.2.10 Ampiezza dell’oscillazione nel guadagno di TEK_I
Fig.5.2.11 Ampiezza dell’oscillazione nel guadagno di TEK_OLD
~0,01 dB
81
Fig.5.2.12 Ampiezza dell’oscillazione nel guadagno di TEK_P
Fig.5.2.13 Ampiezza dell’oscillazione nel guadagno di IRA
~0,02/0,03 dB
82 TRASMETTITORE AMPIEZZA TEK_P ~0,02/0,03 dB TEK_I ~0,01 dB TEK_OLD ~0,005 dB IRA ~0,005 dB
Tab. 5.3.1 Tabella riassuntiva delle ampiezze delle oscillazioni
Come si può osservare dalle immagini i due trasmettitori che presentano le oscillazioni più critiche sono TEK_P e TEK_ I, mentre TEK_OLD e IRA mostrano oscillazioni veramente ridotte.
L’ampiezza delle oscillazioni rimane più o meno la stessa durante tutto il transitorio; ciò che invece sembra avere una stretta dipendenza dall’andamento della temperatura è il periodo di questa oscillazione.
Per misurare questo periodo è stata valutata la distanza tra due minimi in termini di numero di punti; sapendo che il campionamento era stato eseguito ogni 10 secondi, l’intervallo di tempo che intercorre tra i due minimi, pari al numero di punti moltiplicato per 10s, corrisponde al periodo dell’oscillazione.
Questa operazione è stata fatta per vari intervalli di punti della traccia, così da verificare l’andamento del periodo al variare del gradiente di temperatura.
Dallo studio delle tracce è emerso che il periodo dell’oscillazione è inversamente proporzionale al gradiente della temperatura, ossia all’aumentare della velocità con cui la temperatura cambia, diminuisce il periodo dell’oscillazione; in particolare questo periodo è lungo circa 14 minuti durante la discesa (o la salita) che riporta la temperatura alla condizione ambiente e va via via allungandosi man mano che questa si stabilizza. Purtroppo non è stato possibile misurare il periodo minimo, in quanto nel momento in cui il gradie nte della temperatura
83 era più marcato, la pendenza della curva era troppo elevata e
impediva di identificare con un giusta precisione i punti di minimo dell’oscillazione.
Non si è neppure riusciti ad identificare un periodo massimo, in quanto dalle misure fatte pare che l’oscillazione non si esaurisca al termine del transitorio, ma che permanga sempre, anche a temperatura costante, anche se con un periodo molto lungo (si parla di ordini di grandezza di qualche ora).
Queste considerazioni possono essere ritenute valide per tutti i trasmettitori considerati, in quanto le tracce ottenute mostrano per ognuno di questi il medesimo comportamento.