заводы изготовителинаши партнерыформа заказа

Agilent. Измерения параметров радиолокационных станций. Заметки по применению

Страница: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

2.0 Блок-схема радиолокатора и уравнение дальности действия радиолокатора

Базовая блок-схема радиолокатора

Рисунок 4 – Базовая блок-схема радиолокатора



На рисунке 4 показана базовая блок-схема радиолокатора. Схема может быть намного более сложной, однако эта схема показывает все необходимые блоки радиолокационной системы. На схеме показан задающий таймер, или генератор ЧПИ, как центральный блок системы. Генератор ЧПИ синхронизирует во времени все компоненты радиолокационной системы, показанные на рисунке 4, через соединения к импульсному модулятору, антенному переключателю (или переключателю передача/прием) и процессору индикатора. Кроме того, соединения с приемником обеспечивают стробирование для защиты тракта высокой частоты или дифференциальной регулировки усиления, такой, как регулировка чувствительности во времени (РЧВ).
Далее в этих заметках по применению мы сосредоточимся на передатчике, приемнике, антенном переключателе и антенных секциях этой схемы. По мере продвижения по блокам, для каждого блока или элемента будут выделены параметры уравнения дальности.

Связь уравнения дальности с элементами конструкции радиолокатора
На рисунке 5 мы расширили блоки передатчика и приемника нашей блок- схемы, для того чтобы назвать некоторые типичные элементы. Эта блоксхема может изменяться довольно сильно в зависимости от типа примененного передатчика. Например, если наш передатчик использует мощный магнетронный генератор, то его выходной каскад в схеме будет значительно проще. Хотя показанное на рисунке является уравнением упрощенного радиолокатора, показывающим важные блоки на нашей схеме, оно имеет большое значение для каждого параметра.

Связь уравнения дальности радиолокатора с базовой конструкцией передатчика и приемника

Рисунок 5 – Связь уравнения дальности радиолокатора с базовой конструкцией передатчика и приемника


3.0 Измерения характеристик радиолокатора

Мощность, спектр и связанные с ними измерения
Как правило, передатчик радиолокатора является самым дорогим элементом системы с наиболее высоким потреблением мощности, очень жесткими требованиями к охлаждению и наиболее сильным влиянием на характеристики системы.
Как показано на рисунке 6, есть много различных терминов, используемых, когда идет речь о мощности. Средняя мощность является мощностью, интегрированной за полное время формы колебаний (время включения и время выключения) радиолокатора. Если длительность импульса и ЧПИ не постоянны, то время интегрирования должно быть достаточно большим, чтобы охватить все возможные изменения параметров импульса. Большинство типичных измерителей мощности ВЧ- и СВЧ-сигналов являются измерителями средней мощности и реагируют на тепловую энергию сигнала. Максимальная мощность является максимальной мгновенной мощностью. Действующее значение мощности импульса является интегральной или средней мощностью за один полный импульс.

Параметры импульса

Рисунок 6 – Параметры импульса


Другие параметры, включающие коэффициент заполнения, длительность импульса, ЧПИ, длительность фронта и спада, показанные на рисунке 6, являются полезными для характеристики мощности сигнала радиолокатора.
С точки зрения уравнения дальности радиолокатора термин “мощность” соответствует мощности передаваемого импульса. Если термин “интегрирование” исключен, то уравнение применяется к одиночному импульсу. Поэтому может быть полезным проверять максимальную мощность и действующее значение мощности на основе индивидуального импульса. Этот метод становится более важным для современных радиолокационных систем, у которых длительность импульса и ЧПИ динамически регулируются и профиль импульса может быть очерчен для улучшения характеристик системы. При использовании современного контрольного оборудования делать это становится легче.
Измерения средней мощности являются распространенным методом, характеризующим мощность радиолокационного сигнала. Он прост для измерения и проводится с помощью недорогих приборов. Если такие характеристики импульса, как коэффициент заполнения радиолокационного сигнала, известны, то действующее значение мощности импульса может быть получено или оценено, основываясь на средней мощности. Заметьте, однако, что данный метод не дает информации о спаде или любых максимальных отклонениях, которые возникают из-за звона или выброса. Результат может быть близким эквивалентом для вершины импульса, а в случае абсолютно прямоугольного импульса он может быть эквивалентом для истинной максимальной мощности или действующего значения мощности импульса
Во время измерения мощности для подтверждения эффективной работы радиолокационной системы критической является форма спектра. Несимметричная или неправильная форма спектра показывает, что радиолокатор работает не оптимально. Например, радиолокатор может терять мощность из-за передачи или расширения спектра на нежелательных частотах, создающих внеполосные помехи. Для некоторых радиолокационных станций формирование импульсов используется для того, чтобы уменьшить уровень спектральных боковых лепестков, улучшить эффективность и время службы узлов радиолокатора и сократить полосу пропускания.
Для измерения мощности радиолокатора, характеристик импульса и спектра можно использовать ваттметры, анализаторы спектра или анализаторы векторных сигналов. Каждый прибор имеет свои преимущества и недостатки. Лучший из приборов определяется объектами измерения и ограничениями у радиолокатора и испытательного оборудования. В данном разделе будет обсуждаться проведение измерений каждым из этих приборов.

Максимальный уровень входного сигнала прибора
Первым параметром, который мы рассмотрим, является величина ВЧ-мощности. Такие параметры, как частота, согласование антенны (КСВ), длительность импульса (ДИ), время повторения импульсов (ВПИ), коэффициент заполнения будут влиять на измерения мощности и выбор технических средств измерений.
ВЧ- и СВЧ-приборы имеют ограничения как по величине средней, так и максимальной мощности, которые могут быть на входе без повреждения прибора. Для типовых радиолокационных систем с действующими значениями мощности импульса примерно 1 МВт требуется направленный ответвитель, чтобы отобрать часть передаваемой мощности и обеспечить на испытательном приборе безопасный уровень энергии.

Измерение действующего значения мощности импульса ваттметром
Наиболее общим и самым дешевым методом измерения действущего значения мощности импульса является использование ваттметра. Подходящий ваттметр может обеспечить множество измерений, включая среднюю мощность, максимальную мощность, коэффициент заполнения и даже статистические данные мощности. При рассмотрении измерений ваттметром, в первую очередь следует обратить внимание на преобразователь мощности.

Р-серия ваттметров
Р-серия ваттметров
Быстро и точно характеризует максимальную мощность, среднюю мощность, коэффициент заполнения и статистические данные радиолокационных сигналов Непрерывная дискретизация 100 миллионов выборок/с
Автоматизированное стробирование и запуск
Время установления 13 нс, точное измерение максимальной мощности у импульсов длительностью 50 нс
Одноканальная и двухканальная модели

Преобразователь мощности
Основная идея преобразователя мощности заключается в преобразовании мощности высокой частоты в постоянный ток или сигнал низкой частоты, которые ваттметр может затем измерить и отнести к определенному ВЧ- или СВЧ-уровню мощности. Тремя основными типами преобразователей являются терморезисторы, термопары и диодные детекторы. Имеются преимущества и ограничения, связанные с каждым типом преобразователей. Мы кратко опишем теорию каждого типа, преимущества и ограничения, связанные с каждым преобразователем.
Преобразователи на терморезисторах
Преобразователи на терморезисторах принадлежат к сбалансированному мосту Уитстона. Когда ВЧ-мощность приложена к терморезистору моста, он нагревается и его сопротивление уменьшается. Это изменение сопротивления рассогласовывает мост и создает дифференциальный входной сигнал для усилителя. Находясь в кольце обратной связи, усилитель уменьшает постоянное смещение на мосте в достаточной мере, чтобы привести мост обратно к балансу. Различие в мощности постоянного тока может быть затем измерено ваттметром и отнесено к ВЧ-мощности на терморезисторе
Обратной стороной этих типов преобразователей является их чувстви- тельность к изменениям температуры. Для решения этой проблемы может быть добавлен второй терморезистор, чтобы корректировать результаты измерения в зависимости от окружающей температуры.
Преобразователи на термопарах
Действие преобразователей на термопарах основано на свойстве металла создавать напряжение, обусловленное разницей температур между горячим и холодным контактами, при этом различные металлы будут создавать различные напряжения. Преобразователи на термопарах обнаруживают и сопоставляют эти изменения, которые являются результатом температурных изменений, вызванных наличием ВЧ-мощности на элементе термопары. Так как изменение напряжения невелико, много контактов соединяются последовательно, что называется термобатареей.
Терморезисторы и преобразователи на термопарах могут использоваться для измерения средней мощности, но не могут непосредственно измерять максимальную мощность.
Преобразователи на диодах
В отличие от терморезисторов и термопар, диод не измеряет содержание тепла в сигнале, а выпрямляет сигнал. Нагрузкой для ВЧ-сигнала является согласующий резистор (приблизительно 50 Ом). В диоде ВЧ-напряжение выпрямляется и преобразуется в напряжение постоянного тока. Шунтирующий конденсатор используется как фильтр низких частот, чтобы удалить любой ВЧ-сигнал, проходящий через диод. Основным свойством диодного преобразователя является чувствительность, позволяющая измерять такую низкую мощность, как –70 дБм (100 пВт).
Однако данные утверждения справедливы, только если эти измерения независимы от содержания сигнала. Если мы разложим уравнение диода в степенной ряд, то получим, что выпрямленное выходное напряжение является функцией квадрата напряжения входного сигнала до уровня мощности приблизительно –20 дБм. Такая характеристика дает выпрямленный выходной сигнал, который пропорционален мощности ВЧ-сигнала независимо от содержания сигнала.
Когда уровень мощности возрастает выше –20 дБм, процесс выпрямления становится все более линейным, а выходное напряжение переходит к функции входного напряжения (а не квадрату входного напряжения). Для сложных сигналов выходное напряжение зависит также от фазовых соотношений между различными компонентами входного сигнала. Другими словами, выход больше связан с максимальной мощностью сигнала, а не с мощностью нагрева сигнала, находящегося в полосе пропускания видеосигнала (ППВ) преобразователя. Для импульсных сигналов это очень важно.
Многие из сегодняшних измерений средней мощности требуют динамического диапазона больше чем 50 дБ. Подход Agilent к созданию широкого динамического диапазона состоит в том, что преобразователь средней мощности, удовлетворяющий эту потребность, должен включать диодный выпрямительный столб вместо одиночного диода, чтобы расширить действие квадратичного закона на более высокие уровни мощности за счет чувствительности. Последовательное соединение диодов дает в результате ухудшение чувствительности на 10*log (m) дБ и расширение вверх по мощности области квадратичного закона максимальной мощности на 20*log (m) дБ, приводя к конечному улучшению динамического диапазона квадратичного закона на 10*log (m) дБ по сравнению с одиночным диодным детектором. E-серия преобразователей мощности E9300 выполнена с соединенными в пару двухдиодными выпрямительными столбами для предела низкой мощности (от –60 до –10 дБм) или с аттенюатором на резисторном делителе и соединенными в пару пятидиодными выпрямительными столбами для предела высокой мощности (от –10 до +20дБм).

Измерение мощности ваттметром средней мощности
Ваттметр средней мощности может использоваться для получения данных о средней мощности и среднем значении мощности импульса, если коэффициент заполнения сигнала известен. У данного метода есть свои преимущества, но необходимо учитывать некоторые моменты. Когда ваттметр средней мощности сообщает о среднем значении в импульсе или максимальной мощности, это делается путем получения результата из средней мощности и известного коэффициента заполнения. Результат точен для идеального или близкого к идеальному импульсного сигнала, но он не отражает искажения из-за неквадратичной формы импульса и не обнаруживает максимальный размах, который может возникнуть из-за звона или выброса. Главное преимущество ваттметров средней мощности состоит в том, что они являются самым недорогим решением. Стоимость соответствующих ваттметров максимальной мощности и преобразователей более высока. Ваттметры средней мощности также способны выполнять измерения в более широком динамическом диапазоне, частотном диапазоне и полосе пропускания, они могут измерить сигнал независимо от того, насколько мало время нарастания или длительность импульса.
Рисунок 7 показывает пример измерений среднего значения мощности импульса и средней мощности, используя ваттметр средней мощности и известный коэффициент заполнения. В примере использован простой импульс длительностью 10 мкс с периодом повторения 40 мкс. Импульсный сигнал установлен с уровнем мощности приблизительно 0 дБм. Средняя мощность в результате составляет –6,79 дБм. Так как коэффициент заполнения известен (10 мкс поделенные на 40 мкс, или 25 %), он может быть введен в ваттметр, чтобы получить в результате действующее значение мощности импульса, которое измеряется величиной –0,77 дБм.

Использование ваттметра средней мощности для получения действующего значения

Рисунок 7 – Использование ваттметра средней мощности для получения действующего значения мощности импульса


В реальности, как упоминалось ранее, импульс может быть не чисто прямоугольным, так как имеются связанные с ним длительности фронта и спада, так же как возможен выброс на сигнале. Комбинация этих эффектов создает погрешность в вычисленном результате.

Страница: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10