PATRÓN PRIMARIO DE RUIDO TÉRMICO DE BANDA ANCHA.

Patrón primario de ruido térmico de banda ancha. Sistema coaxial para un patrón primario empleado en la trazabilidad de fuentes de ruido térmico,

que comprende una línea de transmisión coaxial (1) y un anillo (100), estando una parte de la línea de transmisión coaxial (1) sumergida en nitrógeno líquido y otra parte de la línea de transmisión coaxial (1) rodeada por un circuito de agua (3) donde se encuentra el anillo (100), comprendiendo la citada línea de transmisión coaxial (1) un conductor exterior (10) y un conductor interior (20), estando ambos conductores (10, 20) unidos mediante el anillo (100) que está realizado en un material que garantiza la conductividad térmica entre el conductor exterior (10) y el conductor interior (20), comprendiendo el anillo (100) un tramo central (101) en contacto en toda su longitud con la superficie interior del conductor exterior (10), y porque la relación entre el radio del conductor interior (20) y el radio exterior del anillo (100) es tal que en toda la longitud del anillo (100) la impedancia es la misma que la impedancia nominal de la línea coaxial (1).

Patrón primario de ruido térmico de banda ancha.

CAMPO DE LA INVENCION

La presente invención se refiere a un sistema coaxial para un patrón primario empleado en la trazabilidad de fuentes de ruido térmico en un amplio rango de frecuencias.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

El ruido térmico se genera por la agitación térmica de portadores de carga (generalmente electrones dentro de un conductor) en equilibrio, lo que sucede con independencia del voltaje aplicado sobre dicho conductor.

La presente invención se enmarca en el campo de los patrones primarios de ruido térmico que dan trazabilidad en la calibración de fuentes de ruido térmico o patrones secundarios de ruido, en un rango de frecuencias de banda ancha. Un patrón primario es aquel patrón reconocido como poseedor de las más altas cualidades metrológicas y cuyo valor se acepta sin referirse a otros patrones de la misma magnitud, por lo que actúa como patrón de referencia de trazabilidad. Por otro lado, se denominan fuentes de ruido a los patrones secundarios de ruido que han de ser calibrados, siendo los patrones secundarios aquellos cuyo valor se establece por comparación con un patrón primario de la misma magnitud.

Así, la parte principal de un patrón de ruido es una carga capaz de generar una señal de ruido en radiofrecuencia proporcional a la temperatura a la que se encuentre. Para poder obtener la señal de ruido en el plano de medida se necesita una línea de transmisión que comunique la carga con el plano de medida. Esta línea de transmisión comprende generalmente un coaxial, compuesto por dos conductores cilíndricos, concéntricos, con una impedancia característica igual a la impedancia de la carga. Estos dos conductores concéntricos del coaxial están unidos a través de un anillo concéntrico que realiza la función de mantener el conductor interior y el conductor exterior en una posición concreta, concéntricos uno con respecto al otro, además de facilitar la estabilización a la misma temperatura de ambos conductores concéntricos.

La obtención y medida de estándares de ruido térmico ha sido ampliamente tratada en el estado de la técnica existente, en el que se conocen patrones primarios de ruido térmico que comprenden anillos de material cerámico en líneas coaxiales que funcionan en un rango de frecuencias reducido, de tal forma que estos anillos han de ser capaces de garantizar que los conductores interior y exterior que forman las líneas coaxiales se encuentran a la misma temperatura a lo largo de la línea. Un circuito de agua en la parte superior hace posible que el conductor exterior y, por tanto, el conductor interior, se encuentren en dicha parte superior a temperatura ambiente. Esto es conocido en el estado de la técnica, por ejemplo en el documento de W. C.

Daywitt, “A Coaxial Noise Standard for the 1GHz to 12.4 GHz Frequency”, NBS

Technical Note 1074, Boulder CO.

Según la técnica conocida, se realizan líneas coaxiales en las que el anillo térmico es de óxido de berilio (BeO) . Este material presenta sin embargo un problema de elevada toxicidad. Además, el patrón realizado con los anillos térmicos así construidos es específico para tecnología coaxial de 7 mm, empleada en líneas de un menor ancho de banda, con márgenes de trabajo en frecuencias por debajo de los 12, 4GHz. Este tipo de tecnología no puede ser empleado en líneas coaxiales de menor diámetro (alrededor de 3, 5 mm) , siendo estos valores los necesarios para trabajar en amplios anchos de banda, del orden de 26, 5GHz.

Otros dispositivos conocidos con la misma funcionalidad presentes en patrones de ruido térmico presentan un ancho de banda de frecuencia mucho menor del necesario, de tal forma que no pueden caracterizar patrones secundarios y fuentes de ruido de gran ancho de banda, siendo en estas ocasiones necesario el uso de un conjunto de patrones que cubran toda esta banda de frecuencias, lo cual complica enormemente la caracterización de estas fuentes de ruido. Así, el patrón conocido anteriormente referenciado de W.

C. Daywitt, “A Coaxial Noise Standard for the 1GHz to 12.4 GHz Frequency”,

NBS Technical Note 1074, Boulder CO., funciona en el rango de 1GHz-12, 4GHz. El problema es que ni este diseño ni la metodología de diseño empleada para el mismo sirve para anchos de banda mayores, en rangos de hasta 26, 5GHz, no funcionando en rangos de frecuencia que estén por encima de los 12.4 GHz.

Así, se encuentran en diversos documentos del estado de la técnica patrones de ruido con una baja reflectividad de la señal (baja perturbación de la señal) , tales como: US 3996534, donde se muestra una terminación adaptada resistiva para líneas coaxiales que contiene un soporte dieléctrico para sostener la estructura; US 4596435, con un conector coaxial en el que se introduce un anillo dieléctrico para aumentar la robustez mecánica del coaxial, diseñado además para obtener una baja relación de onda estacionaria; US 4700159, donde se describe el empleo de esferas dieléctricas modificadas a situar entre el conductor interior y exterior de una línea coaxial para reducir el valor de relación de onda estacionaria en la línea; US 4746305, con un conector coaxial de alta frecuencia modificado con un mecanismo de bayoneta; US 4763090, con una línea coaxial con un dieléctrico interior que permite la expansión térmica del conductor interior; US 7011529 ó US 4867703, donde se muestran conectores coaxiales de microondas. Por otro lado, en el documento US 3437960 se proporcionan directrices para estructuras de soporte dieléctrico a emplear en conectores de líneas coaxiales de alta frecuencia en aplicaciones de sellado.

Sin embargo, en ninguna de las soluciones anteriores se tienen en cuenta las propiedades térmicas exigidas al material: el material del anillo ha de tener una alta conductividad térmica que permita una transmisión de temperatura adecuada entre el conductor interior y el conductor exterior de la línea coaxial. Además, es preciso conseguir, para un correcto funcionamiento del patrón de ruido primario, que la impedancia nominal de la línea se mantenga en todos sus tramos, tal que el coeficiente de reflexión de la estructura sea lo más bajo posible en el ancho de banda de trabajo. Así, la solución del documento US 3437960 presenta un material no válido para un anillo térmico, dado que no se tienen en cuenta las características térmicas de dicho material. Por otro lado, la formulación de cálculo de impedancia característica en dicho documento es aproximada y comporta cierto margen de error, lo cual lo inhabilita para su uso como patrón primario de ruido térmico.

La presente invención está orientada a la resolución de los problemas anteriormente mencionados.

SUMARIO DE LA INVENCION

La presente invención se refiere a un sistema coaxial para un patrón primario empleado en la trazabilidad de fuentes de ruido térmico o patrones secundarios en un rango de frecuencias que va desde aproximadamente 10MHz a aproximadamente 26, 5GHz.

Así, el sistema coaxial del patrón de ruido de la invención comprende una línea de transmisión coaxial y un anillo térmico. La línea de transmisión coaxial está acabada en una carga adaptada de banda ancha. Dicha carga y parte de la línea de transmisión coaxial se encuentran sumergidas en nitrógeno líquido. La línea de transmisión coaxial comprende un conductor exterior y un conductor interior, ambos unidos mediante un anillo concéntrico de material dieléctrico. El citado anillo concéntrico comprende un tramo central que ocupa completamente el espacio entre los conductores exterior e interior de la línea coaxial (es decir, el tramo central del anillo hace contacto físico en toda su longitud con el diámetro interior del conductor exterior de la línea coaxial, de tal modo que existe contacto térmico entre los conductores interior y exterior a lo largo de la longitud de dicho tramo central) , y dos tramos adyacentes al tramo central cuyos diámetros varían de tal forma que constituyen una transición suave tal que se mantiene constante la impedancia nominal de la línea coaxial. A su vez, el conductor interior de la línea coaxial puede variar su diámetro exterior o bien mantener un diámetro exterior constante.

El objetivo principal del sistema coaxial del patrón de ruido de la invención es que el conductor interior y el conductor exterior de la línea coaxial se encuentren a una misma temperatura manteniendo, al mismo tiempo, la impedancia nominal de la línea coaxial en todos sus tramos, para que el coeficiente de reflexión de la estructura sea lo más bajo posible en un amplio ancho de banda. De esta manera se minimiza el efecto del tramo de anillo...

1. Sistema coaxial para un patrón primario empleado en la trazabilidad de fuentes de ruido térmico, que comprende una línea de transmisión coaxial

(1) Y un anillo (100) de radio exterior e, estando una parte de la línea de transmisión coaxial (1) sumergida en nitrógeno líquido y otra parte de la línea de transmisión coaxial (1) rodeada por un circuito de agua (3) en la zona donde se encuentra el anillo (100) , comprendiendo la citada línea de transmisión coaxial (1) un conductor exterior (10) de radio a y un conductor interior (20) de radio b, estando ambos conductores (10, 20) unidos mediante el anillo (100) caracterizado porque el anillo (100) está

realizado en un material que garantiza la conductividad térmica entre el

conductor exterior (10) Y el conductor interior (20) , comprendiendo el anillo (100) un tramo central (101 ) en contacto en toda su longitud con la superficie interior del conductor exterior (10) , y porque la relación entre el radio b del conductor interior (20) yel radio exterior e del anillo (100) se obtiene a partir de la siguiente fórmula:

e.: ( 36In:;-25)

36In~ (c, , -I)

e = b -e ¡,

donde e"~ es la permitividad relativa del material del anillo (100) .

2. Sistema coaxial según la reivindicación 1 , en el que la impedancia nominal de la línea coaxial (1) es de 500.

3. Sistema coaxial según reivindicaciones 1 o 2 en el que el anillo (100) es de Nitruro de Boro.

4. Sistema coaxial según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el diámetro interior del conductor exterior (10) es de aproximadamente 3, 5 mm.

5. Sistema coaxial según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el

que el conductor exterior (10) tiene un radio interior constante, tal que el anillo (100) comprende un tramo central (101) de radio exterior constante y dos tramos adyacentes (102, 103) , tal que el radio exterior de cada uno de los tramos adyacentes (102, 103) varía según la siguiente curva:

)

2C

ε' 2 361n −25

b

C

361n (ε −1)

b

( (

c = b ⋅ e' 2

y tal que el conductor interior (20) comprende un tramo central de radio constante y dos tramos adyacentes (21) cuyo radio varía de forma lineal.

6. Sistema coaxial según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en el que el 1-4,

conductor exterior (10) tiene un radio interior constante, tal que el anillo (100) comprende un tramo central (101) de radio exterior constante y dos tramos adyacentes (102, 103) , cada uno de ellos comprendiendo una pluralidad de tramos adyacentes (104) , variando el radio exterior de cada uno de los tramos (104) según la siguiente curva:

)

2C

ε 361n −25

' 2

b

C

361n (ε −1)

b

c = b ⋅ e' 2

y tal que el conductor interior (20) comprende un tramo central de radio constante y dos tramos adyacentes (21) , cada uno de los cuales comprende una pluralidad de tramos, variando el radio de cada una de la pluralidad de tramos de forma lineal.

7. Sistema coaxial según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en el que el

1-4,

conductor exterior (10) tiene un radio interior constante, tal que el anillo (100) comprende un tramo central (101) de radio exterior constante y dos tramos adyacentes (102, 103) , variando el radio exterior de cada uno de estos tramos adyacentes (102, 103) de forma lineal, y tal que el conductor interior (20) comprende un tramo central de radio constante y dos tramos adyacentes (21) , variando el radio exterior de cada uno de los tramos adyacentes (21) según la siguiente curva:

( 2 C )

ε ' 2 (361n −25

b

361nC (ε −1)

c = b ⋅ e b' 2

º. Sistema coaxial según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en el que el 1-4,

conductor exterior (10) tiene un radio interior constante, tal que el anillo (100) comprende un tramo central (101) de radio exterior constante y dos tramos adyacentes (102, 103) , cada uno de ellos comprendiendo una pluralidad de tramos adyacentes (104) , variando el radio exterior de cada uno de los tramos (104) de forma lineal, y tal que el conductor interior (20) comprende un tramo central de radio constante y dos tramos adyacentes (21) , cada uno de los cuales comprende una pluralidad de tramos, variando el radio de cada una de la pluralidad de tramos según la siguiente curva:

( 2 C )

ε ' 2 (361n −25

b

361nC (ε −1)

c = b ⋅ e b' 2

º. Sistema coaxial según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en el que el 1-4, conductor interior (20) tiene un radio constante, tal que el anillo (100) comprende un tramo central (101) de radio exterior constante y dos tramos adyacentes (102, 103) , variando el radio exterior de cada uno de estos tramos adyacentes (102, 103) según la siguiente curva:

( 2 C )

ε ' 2 (361n −25

b

361nC (ε −1)

c = b ⋅ e b' 2

y tal que el conductor exterior (10) comprende un tramo central de radio interior constante y dos tramos adyacentes a dicho tramo central cuyo radio interior varía de forma lineal.

10. Sistema coaxial según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en el que el conductor interior (20) tiene un radio constante, tal que el anillo (100) comprende un tramo central (101) de radio exterior constante y dos tramos adyacentes (102, 103) , cada uno de ellos comprendiendo una pluralidad de tramos adyacentes (104) , variando el radio exterior de cada uno de los tramos (104) según la siguiente curva:

1-4,

( 2 C )

ε ' 2 (361n −25

b

361nC (ε −1)

b

c = b ⋅ e' 2

y tal que el conductor exterior (10) comprende un tramo central de radio interior constante y dos tramos adyacentes, cada uno de ellos comprendiendo una pluralidad de tramos a su vez, de tal modo que el radio interior de cada una de la pluralidad de tramos de forma lineal.

11. Sistema coaxial según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en el que el conductor interior (20) tiene un radio constante, tal que el anillo (100) comprende un tramo central (101) de radio exterior constante y dos tramos adyacentes (102, 103) cuyo radio exterior varía de forma lineal, y tal que el conductor exterior (10) comprende un tramo central de radio interior constante y dos tramos adyacentes cuyo radio interior varía según la siguiente curva:

1-4,

( 2 C )

ε ' 2 (361n −25

b

361nC (ε −1)

c = b ⋅ e b' 2

12. Sistema coaxial según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en el que el conductor interior (20) tiene un radio constante, tal que el anillo (100) comprende un tramo central (101) de radio exterior constante y dos tramos adyacentes (102, 103) , cada uno de ellos comprendiendo una pluralidad de tramos adyacentes (104) , variando el radio exterior de cada uno de los tramos (104) de forma lineal, y tal que el conductor exterior

1-4,

(10) comprende un tramo central de radio interior constante y dos tramos adyacentes, cada uno de ellos comprendiendo una pluralidad de tramos a su vez, de tal modo que el radio interior de cada una de la pluralidad de tramos varía según la siguiente curva:

( 2 C )

ε ' 2 (361n −25

b 361nC (ε −1)

c = b ⋅ e b' 2