Znaczenie pomiarów mocy szczytowej w systemach radarowych
Najważniejsze różnice pomiędzy odbiornikiem pomiarowym EMI a analizatorem widma
26 lipca 2022
Wybór wzmacniaczy mocy RF/Mikrofalowych do badań EMC
26 lipca 2022
Autor artykułu: Bob Muro - Grupa Wireless Telecom
Systemy radarowe są elementem infrastruktury wykorzystywanym w lotnictwie wojskowym oraz cywilnym, śledzeniu systemów pogodowych i kontroli ruchu samochodowego, a wymieniono tylko niektóre z zastosowań. Wszystkie te systemy mają kilka cech wspólnych. Obiekty te muszą nadawać i odbierać odbitą energię RF, w celu obliczenia prędkości, odległości, a czasami wysokości odległego obiektu. Systemy te są bardzo ważne dla naszego bezpieczeństwa i wymagają dokładnego pomiaru mocy. Niniejszy artykuł będzie koncentrować się na lotnictwie lub pomiarach zasięgu radaru z wykorzystaniem sygnału typu Burst lub modulowanego sygnału impulsowego, by uzyskać drobne szczegóły dotyczące obiektu, który posiada czułe odbiorniki służące do pomiarów o niskim poziomie szumu.Podstawowy system radarowy posiada potężny wzmacniacz służący do przesyłania sygnałów impulsowych na duże odległości, a także czuły odbiornik do pomiaru sygnału zwrotnego o niskiej mocy. Te dwie części systemu nie zawsze są kompatybilne. Wzmacniacz niskich szumów (LNA) odbiornika może być łatwo uszkodzony przez kilka miliwatów mocy odbitej od pobliskich obiektów w „torze” anteny podczas pracy. W początkowych etapach projektowania mogą pojawić się też problemy z konstrukcją anteny wyjściowej lub inne problemy związane z impedancją obciążenia. Wzmacniacze lampowe dużej mocy powszechnie stosowane w nadajnikach radarowych takich jak magnetron lub TWTA (lampy o fali bieżącej), są trudne do sterowania (w wielu przypadkach stosowane są również półprzewodnikowe wzmacniacze mocy). Aby działały poprawnie są one zaprojektowane do pracy bardzo blisko punktu nasycenia i mogą wykazywać nieliniowe zachowanie. Powoduje to, że transmitowane impulsy typu Burst są zniekształcone i nie mają czysto prostokątnego kształtu (mocy). To tylko kilka powodów, dla których dokładny pomiar mocy systemu radarowego jest tak ważny.
rys.1 Wykres przedstawiający sygnały CW z modulacją impulsową
Co tak naprawdę mierzymy?
Aby zrozumieć, jakie parametry mocy są ważne dla badań radarowych konieczne jest zrozumienie, jakie wartości są mierzone. Rysunek 1 przedstawia sygnał CW z modulacją impulsową w dziedzinie czasu. Sinusoida o kolorze niebieskim to kształt fali napięciowej lub nośnej, a żółty prostokąt to demodulowana obwiednia mocy. Przedstawiona jest też obwiednia mocy na wyświetlaczu nowoczesnego miernika mocy szczytowej na tym samym rysunku.
rys.2 Schemat blokowy układu detektora diodowego
Historycznie, moc nadajników radarowych obliczano przy użyciu układu, w skład którego wchodził kwarcowy dekoder, oscyloskop i odpowiadający mu termistorowy miernik średniej mocy. Rysunek 2 jest schematem blokowym układu diodowego detektora (kwarcowego). Sygnał wejściowy CW jest podłączany do wejścia wzmacniacza (DUT) i poddawany „bramkowaniu” przez podłączony generator sygnału impulsowego. Sygnał jest przekazywany przez sprzęgacz kierunkowy do anteny obciążeniowej lub rzeczywistej.
rys.3 Kalkulacja mocy średniej układu z rysunku 2
Sygnał testowy (wyjściowy z sprzęgacza) jest następnie dzielony między termistorowy miernik mocy średnie i detektor podłączony do oscyloskopu. Miernik mocy CW zapewnia bezwzględny pomiar mocy średniej, podczas gdy zakres pomiarowy zapewnia ograniczony zakres dynamiczny kształtu obwiedni impulsów. Wypełnienie jest obliczane przez podzielenie szerokości obwiedni mocy, przez częstotliwość powtarzania impulsów. Moc impulsu oblicza się następnie poprzez podzielenie wartości średniej mocy przez wypełnienie, jak pokazano na rysunku 3.
rys.4 Szczegóły dotyczące sygnałów impulsowych
Obliczenia te zakładają stałą moc w danym przedziale, idealnie prostokątną obwiednię impulsu i stałe wypełnienie. Najważniejszym jednak faktem jest to, że obliczenia mocy impulsów nie uwydatniają rzeczywistej wartości mocy szczytowej, a duże skoki obwiedni mocy nie są widoczne. Rysunek 4, który został przedstawiony powyżej pochodzi z miernika mocy szczytowej serii Boonton 4540 i ilustruje wartość pomiaru mocy szczytowej w szerokim zakresie dynamiki.
Duża wartość współczynnika VBW (ang. Video Badwidth) i szeroki zakres dynamiki może być użyty do lokalizacji „pulsujących” anomalii zawierających energię, która nie jest mierzona za pomocą termistorowego czujnika mocy średniej.
Ważne parametry fizyczne przy pomiarach mocy RF
Przy obliczaniu mocy impulsu nie są mierzone anomalie kształtu fali impulsowej, takie jak zniekształcenia, wolne narastanie i „efekt dzwonu”. Zniekształcenia te mogą zawierać energię wystarczającą do uszkodzenia wrażliwych odbiorników LNA i nie powinny być ignorowane. Rysunek 5 przedstawia kilka przykładów zniekształconych kształtów impulsów.
rys.5 Przykładowe zniekształcone sygnały impulsowe
Pomiary radarowe
Radary „poszukiwawcze” lub stacjonarne są przeznaczone do precyzyjnego lokalizowania obiektów z dużej odległości. Drobne szczegóły wymagają jednak krótkiego impulsu lub sygnału typu Burst, podczas gdy duża odległość do celu wymaga ciszy w eterze, aby obliczyć czas powrotu impulsu odbitego. Ze względu na te ograniczenia, nadawany sygnał dla większości radarów poszukiwawczych ma bardzo niską wartość wypełnienia sygnału. Odpowiednio niski niniejszy współczynnik gwarantuje duży zakres dynamiczny ze względu na wysoki stosunek mocy szczytowej, do średniej. Rysunek 6 przedstawia sygnał z wypełnieniem 0,1 %, lub P -> 10 log (0,001) -> 30 dBc. Wymagałoby to zastosowania urządzenia pomiarowego, z co najmniej dodatkowym 10 dB zakresem dynamicznym służącym do pomiaru anomalii.
Pojedynczy obwód detektora posiada współczynniki niepewności, które obejmują ograniczony zakres dynamiczny i dość wysoki poziom szumu . Nieskalibrowany detektor diodowy ma zakres dynamiczny mieszczący się w zakresie od 20 do 25 dB, a wyjście do oscyloskopu waha się od proporcjonalnej mocy, do nieliniowej. Takie zachowanie wymaga długiego procesu kalibracji, który nie uwzględnia żadnych zmian temperatury lub zmiany częstotliwości nośnej ograniczającej jego wykorzystanie do pomiaru elementu, lub stosunku wysokiej wartości szczytowej do średniej sygnału radaru.
rys.6 Sygnał z wypełnieniem 0,1 %
Jednodiodowy i dwudiodowy pomiar mocy RF
Rysunek 7 porównuje jednodiodowy obwód detektora diodowego z dwudiodowym różnicowym obwodem detekcji. Niniejszy obwód z dwiema diodami jest stosowany w nowoczesnych czujnikach mocy szczytowej. Sygnał wejściowy, który jest prostowany pojedynczą diodą końcową nie oddaje dokładnie asymetrycznych przebiegów fal. Metoda ta nie jest doskonała pod względem pomiaru zawartości harmonicznych. Porównanie do oryginalnego źródła RF staje się więc trudne ze względu na równolegle przebiegający efekt impendacyjny obciążenia wyjścia. Obciążenie to jest konieczne do osiągnięcia szybkiej reakcji impulsowej i może być albo terminowane wewnętrznie w oscyloskopie lub z wykorzystaniem zewnętrznego rezystora 50 Ω. Część tej impedancji ma wpływ na wskaźnik VSWR. Efekt jest bardzo mały przy niskich poziomach wejściowych, ale staje się wyraźny przy dużych mocach sygnałów wejściowych RF.
rys.7 Porównanie różnych typów detektorów diodowych
Obwód detekcji różnicowej z dwiema diodami przedstawiony na rys. 7 ma kilka istotnych zalet. Para diod pozwala na pomiary w pełni wyprostowanego kształtu fali/sygnału. Poprawia to liniowość, czas pomiaru i eliminuje większość asymetrii, by dokładnie wykrywać obwiednie sygnału. Konfiguracja ta redukuje szumy występujące w trybie zwykłym, obniżając poziom szumu czujnika przy jednoczesnym zwiększeniu zakresu dynamiki. Niniejsza konfiguracja może być wykorzystywana w dwukanałowym mierniku mocy szczytowej do jednoczesnego pomiaru mocy odbitej i forward, co ilustruje Rysunek 8.
rys.8 Schemat blokowy pomiaru dla dwudiodowych mierników mocy szczytowej
Wyzwalanie pomiarów miernika mocy RF
Do tej pory nie omawialiśmy znaczenia szybkiego i niezawodnego wyzwalania. W celu zapewnienia precyzyjnego pomiaru czasu pomiędzy sygnałami lub dokładnego znalezienia anomalii, miernik mocy szczytowej wykorzystuje sprzętowy wyzwalacz podobny do tego z oscyloskopu. Układ komparatora pozwala na przechwytywanie nanosekundundowych wzrostów sygnałów czasowych.
Rysunek 9 przedstawia wieloimpulsowy kształt sygnału przechwycony za pomocą wyzwalacza narastających zboczy, z funkcja Hold Off. Stabilność obwiedni impulsu wymaga układu szybkiego komparatora wyzwalania, ponieważ interpolacja pomiędzy kolejnymi punktami danych próbki nie zapewnia niezbędnej stabilności dla dokładnego podglądu cech sygnału. Dokładne pomiary przebiegu są rejestrowane przy użyciu układów szybkiego wyzwalania i wyświetlane na ekranie miernika mocy.
rys.9 Problem odpowiedniego wyzwalania w miernikach mocy RF
Dokładne taktowanie i wyzwalanie jest bardzo ważnym parametrem dla systemów radarowych. Wiele odbiorników radarowych posiada szybko reagujący obwód zabezpieczający, który chroni LNA (przed odbiciem prądu). System taki wymaga dokładnego pomiaru sygnałów oraz precyzyjnego wyzwalania podczas projektowania.
Pomiary sygnałów radarowych wymagają urządzenia o dużym zakresie dynamiki do wyświetlania określonych anomalii impulsowych oraz zaawansowanego systemu wyzwalania w celu zlokalizowania określonych zdarzeń w długich seriach impulsów. Odpowiednio skalibrowany czujnik mocy szczytowej oferuje doskonałe możliwości w zakresie dynamiki, w porównaniu do detektora z jedną diodą prostowniczą (podczas pomiarów sygnałów impulsowych). Wykorzystanie miernika mocy szczytowej, który posiada dwa kanały służące do przeglądania zapewnia niezrównane możliwości podczas pomiarów sygnałów radarowych.
