Análisis y diseño de un patrón de ruido térmico de 10 MHz a 26,5 GHz en tecnología coaxial

Abstract

Esta Tesis Doctoral presenta las investigaciones y los trabajos desarrollados
durante los años 2008 a 2012 para el análisis y diseño de un patrón primario de ruido
térmico de banda ancha en tecnología coaxial.
Para ubicar esta Tesis en su campo científico es necesario tomar conciencia de que
la realización de mediciones fiables y trazables forma parte del sostenimiento del
bienestar de una sociedad moderna y juega un papel crítico en apoyo de la
competitividad económica, la fabricación y el comercio, así como de la calidad de vida.
En el mundo moderno actual, una infraestructura de medición bien desarrollada
genera confianza en muchas facetas de nuestra vida diaria, porque nos permite el
desarrollo y fabricación de productos fiables, innovadores y de alta calidad; porque
sustenta la competitividad de las industrias y su producción sostenible; además de
contribuir a la eliminación de barreras técnicas y de dar soporte a un comercio justo,
garantizar la seguridad y eficacia de la asistencia sanitaria, y por supuesto, dar respuesta
a los grandes retos de la sociedad moderna en temas tan complicados como la energía y
el medio ambiente.
Con todo esto en mente se ha desarrollado un patrón primario de ruido térmico
con el fin de aportar al sistema metrológico español un nuevo patrón primario de
referencia capaz de ser usado para desarrollar mediciones fiables y trazables en el
campo de la medida y calibración de dispositivos de ruido electromagnético de
radiofrecuencia y microondas. Este patrón se ha planteado para que cumpla en el rango de 10 MHz a 26,5 GHz
con las siguientes especificaciones:
Salida nominal de temperatura de ruido aproximada de ~ 83 K.
Incertidumbre de temperatura de ruido menor que ± 1 K en todo su
rango de frecuencias.
Coeficiente de reflexión en todo su ancho de banda de 0,01 a 26,5 GHz
lo más bajo posible.
Se ha divido esta Tesis Doctoral en tres partes claramente diferenciadas. La
primera de ellas, que comprende los capítulos 1, 2, 3, 4 y 5, presenta todo el proceso de
simulaciones y ajustes de los parámetros principales del dispositivo con el fin de dejar
definidos los que resultan críticos en su construcción. A continuación viene una segunda
parte compuesta por el capítulo 6 en donde se desarrollan los cálculos necesarios para
obtener la temperatura de ruido a la salida del dispositivo. La tercera y última parte,
capítulo 7, se dedica a la estimación de la incertidumbre de la temperatura de ruido del
nuevo patrón primario de ruido obtenida en el capítulo anterior.
Más concretamente tenemos que en el capítulo 1 se hace una exhaustiva
introducción del entorno científico en donde se desarrolla este trabajo de investigación.
Además se detallan los objetivos que se persiguen y se presenta la metodología utilizada
para conseguirlos.
El capítulo 2 describe la caracterización y selección del material dieléctrico para
el anillo del interior de la línea de transmisión del patrón que ponga en contacto térmico
los dos conductores del coaxial para igualar las temperaturas entre ambos y mantener la
impedancia característica de todo el patrón primario de ruido. Además se estudian las
propiedades dieléctricas del nitrógeno líquido para evaluar su influencia en la
impedancia final de la línea de transmisión.
En el capítulo 3 se analiza el comportamiento de dos cargas y una línea de aire
comerciales trabajando en condiciones criogénicas. Se pretende con este estudio obtener
la variación que se produce en el coeficiente de reflexión al pasar de temperatura
ambiente a criogénica y comprobar si estos dispositivos resultan dañados por trabajar a
temperaturas criogénicas; además se estudia si se modifica su comportamiento tras
sucesivos ciclos de enfriamiento – calentamiento, obteniendo una cota de la variación
para poder así seleccionar la carga que proporcione un menor coeficiente de reflexión y
una menor variabilidad.
En el capítulo 4 se parte del análisis de la estructura del anillo de material
dieléctrico utilizada en la nota técnica NBS 1074 del NIST con el fin de obtener sus
parámetros de dispersión que nos servirán para calcular el efecto que produce sobre el
coeficiente de reflexión de la estructura coaxial completa. Además se realiza un estudio
posterior con el fin de mejorar el diseño de la nota técnica NBS 1074 del NIST, donde
se analiza el anillo de material dieléctrico, para posteriormente realizar modificaciones
en la geometría de la zona donde se encuentra éste con el fin de reducir la reflexión que
produce. Concretamente se estudia el ajuste del radio del conductor interior en la zona
del anillo para que presente la misma impedancia característica que la línea. Y para
finalizar se obtiene analíticamente la relación entre el radio del conductor interior y el
radio de la transición de anillo térmico para garantizar en todo punto de esa transición la
misma impedancia característica, manteniendo además criterios de robustez del
dispositivo y de fabricación realistas. En el capítulo 5 se analiza el comportamiento térmico del patrón de ruido y su
influencia en la conductividad de los materiales metálicos. Se plantean las posibilidades
de que el nitrógeno líquido sea exterior a la línea o que éste penetre en su interior. En
ambos casos, dada la simetría rotacional del problema, se ha simulado térmicamente una
sección de la línea coaxial, es decir, se ha resuelto un problema bidimensional, aunque
los resultados son aplicables a la estructura real tridimensional. Para la simulación
térmica se ha empleado la herramienta PDE Toolbox de Matlab®.
En el capítulo 6 se calcula la temperatura de ruido a la salida del dispositivo. Se
parte del estudio de la aportación a la temperatura de ruido final de cada sección que
compone el patrón. Además se estudia la influencia de las variaciones de determinados
parámetros de los elementos que conforman el patrón de ruido sobre las características
fundamentales de éste, esto es, el coeficiente de reflexión a lo largo de todo el
dispositivo.
Una vez descrito el patrón de ruido electromagnético se procede, en el
capítulo 7, a describir los pasos seguidos para estimar la incertidumbre de la
temperatura de ruido electromagnético a su salida. Para ello se utilizan dos métodos, el
clásico de la guía para la estimación de la incertidumbre [GUM95] y el método de
simulación de Monte Carlo.
En el capítulo 8 se describen las conclusiones y lo logros conseguidos.
Durante el desarrollo de esta Tesis Doctoral se ha obtenido un dispositivo
novedoso susceptible de ser patentado, que ha sido registrado en la Oficina Española de
Patentes y Marcas (O.E.P.M.) en Madrid, de conformidad con lo establecido en el
artículo 20 de la Ley 11/1986, de 20 de Marzo, de Patentes, con el título Patrón
Primario de Ruido Térmico de Banda Ancha (Referencia P-101061) con fecha 7 de
febrero de 2011.
ABSTRACT
This Ph. D. work describes a number of investigations that were performed
along the years 2008 to 2011, as a preparation for the study and design of a coaxial
cryogenic reference noise standard.
Reliable and traceable measurement underpins the welfare of a modern society
and plays a critical role in supporting economic competitiveness, manufacturing and
trade as well as quality of life. In our modern world, a well developed measurement
infrastructure gives confidence in many aspects of our daily life, for example by
enabling the development and manufacturing of reliable, high quality and innovative
products; by supporting industry to be competitive and sustainable in its production; by
removing technical barriers to trade and supporting fair trade; by ensuring safety and
effectiveness of healthcare; by giving response to the major challenges in key sectors
such energy and environment, etc.
With all this in mind we have developed a primary standard thermal noise with
the aim of providing the Spanish metrology system with a new primary standard for
noise reference. This standard will allow development of reliable and traceable
measurements in the field of calibration and measurement of electromagnetic noise RF
and microwave devices.
This standard has been designed to work in the frequency range from 10 MHz to
26.5 GHz, meeting the following specifications:
1. Noise temperature output is to be nominally ~ 83 K. 2. Noise temperature uncertainty less than ± 1 K in the frequency range from 0.01
to 26.5 GHz.
3. Broadband performance requires as low a reflection coefficient as possible from
0.01 to 26.5 GHz.
The present Ph. D. work is divided into three clearly differentiated parts. The
first one, which comprises Chapters 1 to 5, presents the whole process of simulation and
adjustment of the main parameters of the device in order to define those of them which
are critical for the manufacturing of the device. Next, the second part consists of
Chapter 6 where the necessary computations to obtain the output noise temperature of
the device are carried out. The third and last part, Chapter 7, is devoted to the estimation
of the uncertainty related to the noise temperature of the noise primary standard as
obtained in the preceding chapter.
More specifically, Chapter 1 provides a thorough introduction to the scientific
and technological environment where this research takes place. It also details the
objectives to be achieved and presents the methodology used to achieve them.
Chapter 2 describes the characterization and selection of the bead dielectric
material inside the transmission line, intended to connect the two coaxial conductors
equalizing the temperature between the two of them and thus keeping the characteristic
impedance constant for the whole standard. In addition the dielectric properties of liquid
nitrogen are analyzed in order to assess their influence on the impedance of the
transmission line.
Chapter 3 analyzes the behavior of two different loads and of a commercial
airline when subjected to cryogenic working conditions. This study is intended to obtain
the variation in the reflection coefficient when the temperature changes from room to
cryogenic temperature, and to check whether these devices can be damaged as a result
of working at cryogenic temperatures. Also we try to see whether the load changes its
behavior after successive cycles of cooling / heating, in order to obtain a bound for the
allowed variation of the reflection coefficient of the load.
Chapter 4 analyzes the ring structure of the dielectric material used in the NBS
technical note 1074 of NIST, in order to obtain its scattering parameters that will be
used for computation of its effect upon the reflection coefficient of the whole coaxial
structure. Subsequently, we perform a further investigation with the aim of improving
the design of NBS technical note 1074 of NIST, and modifications are introduced in the
geometry of the transition area in order to reduce the reflection it produces. We first
analyze the ring, specifically the influence of the radius of inner conductor of the bead,
and then make changes in its geometry so that it presents the same characteristic
impedance as that of the line. Finally we analytically obtain the relationship between the
inner conductor radius and the radius of the transition from ring, in order to ensure the
heat flow through the transition thus keeping the same reflection coefficient, and at the
same time meeting the robustness requirements and the feasibility of manufacturing.
Chapter 5 analyzes the thermal behavior of the noise standard and its influence
on the conductivity of metallic materials. Both possibilities are raised that the liquid
nitrogen is kept outside the line or that it penetrates inside. In both cases, given the
rotational symmetry of the structure, we have simulated a section of coaxial line, i.e. the equivalent two-dimensional problem has been resolved, although the results are
applicable to the actual three-dimensional structure. For thermal simulation Matlab™
PDE Toolbox has been used.
In Chapter 6 we compute the output noise temperature of the device. The
starting point is the analysis of the contribution to the overall noise temperature of each
section making up the standard. Moreover the influence of the variations in the
parameters of all elements of the standard is analyzed, specifically the variation of the
reflection coefficient along the entire device.
Once the electromagnetic noise standard has been described and analyzed, in
Chapter 7 we describe the steps followed to estimate the uncertainty of the output
electromagnetic noise temperature. This is done using two methods, the classic
analytical approach following the Guide to the Estimation of Uncertainty [GUM95] and
numerical simulations made with the Monte Carlo method.
Chapter 8 discusses the conclusions and achievements.
During the development of this thesis, a novel device was obtained which was
potentially patentable, and which was finally registered through the Spanish Patent and
Trademark Office (SPTO) in Madrid, in accordance with the provisions of Article 20 of
Law 11/1986 about Patents, dated March 20th, 1986. It was registered under the
denomination Broadband Thermal Noise Primary Standard (Reference P-101061) dated
February 7th, 2011.