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1-2016

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Messtechnik Bild 3:

Messtechnik Bild 3: Typischer Messaufbau für Antennenmessungen ker stellt sicher, dass keine unerwarteten Verluste auftreten, die die Systemleistung schwächen könnten. Ein üblicherweise bei der Bauteilcharakterisierung angewendeter Test ist das Messen der S-Parameter (Streuparameter), womit die linearen Effekte der Bau-teile im Signalpfad gut abgebildet werden. Mit Hilfe der S-Parameter kann ein Messtechniker Gewinn/Verlust, Gruppenlaufzeit, die Rauschzahl und die Pha-sen- und Amplitudengenauigkeit von Mikrowellenbauteilen messen. Ein Vektornetzwerkanalysator (VNA) ist das am besten geeignete Messgerät zur Durchführung von S-Parameter-Messungen. Es handelt sich im Grunde genommen um einen gut synchronisierten Sender und Empfänger in einem kompakten Gehäuse. Ein moderner VNA, wie etwa der „VectorStar“ von Anritsu, ist in der Lage, Bauteile unter Verwendung sowohl von unmodulierten als auch gepulsten Eingangssignalen zu charakterisieren. Impulsmessungen sind eine besonders wichtige Anforderung in Radarsystemen, die üblicherweise mittels Übertragung kurzer, leistungsstarker Impulse funktionieren. Der VectorStar VNA kann außerdem mit dem SM6609 Empfänger Noise Figure Messungen im Frequenzbereich von 54 bis 125 GHz durchführen. Dieses Feature ist einzigartig im Markt und prädestiniert ihn damit für Messungen an Millimeterwellen-Radargeräten. 2) Antennenmessungen Antennen sind eine wichtige Baugruppe innerhalb moderner Radarsysteme: Ihre Leistung wirkt sich direkt auf Geschwindigkeit und Genauigkeit der Leistung eines Radarsystems aus. Zwei gängige Konfigurationen für Antennenmessungen sind Nahfeld- und Fernfeldmessungen. Die Parameter für diese Messungen umfassen die Polarisation (Horizontal, Vertikal und Kreuzpolarisation), Haupt- und Nebenkeulen, Frequenz- und Phasengang, Anpassung (Return Loss, VSWR) und Antennengewinn (Gain). Häufig werden Gain- und Phasenmessungen in Bezug auf eine Referenzantenne durchgeführt, wobei während der Messung die Winkellage der zu messenden Antenne verändert wird. Das gleiche Messgerät – der VNA –, das für die Bauteilcharakterisierung eingesetzt wird, eignet sich auch für umfassende Bild 4: Bei Verwendung eines Handheld-VNA können RCS-Messungen im Feld durchgeführt werden Antennentests. Der Frequenzbereich der zu messenden Antenne und die durch Antennenpattern ableitbaren Dynamikanforderungen bestimmen die Spezifikationen, die der VNA erfüllen, oder übertreffen muss. Entweder kann der Stimulusgenerator des VNAs direkt genutzt werden, oder aber bei hohen Kabeldämpfungen durch einen getriggerten externen HF- Signalgenerator ersetzt werden. Ein Beispiel dafür ist der Syntheziser MG3690C von Anritsu. 3) RCS-Messungen Der Radarquerschnitt (RCS) gibt an, wie groß die Reflexion eines Gegenstandes zurück in Richtung der Quelle einer Funkwelle (Radar) ist. Er gibt die Größe einer isotrop reflektierenden Fläche an, die ein gleich hohes Radarecho wie der Gegenstand liefert. Der Radarquerschnitt ist abhängig von der Form des Gegenstandes, der Materialbeschaffenheit sowie von Wellenlänge, Einfalls- und Ausfallswinkel der Strahlung. Mit anderen Worten: er ist ein Maß für das Verhältnis von Rückstreuungsenergie je Steradiant (vom Ziel zum Radarempfän-ger) zur vom Ziel aufgefangenen Leistungsdichte. Für RCS-Messungen sind präzise Zeitbereichsmessungen (Time Domain Option) unabdingbar. Mit der sog. Frequency Gated by Time-Funktion (FGT) 18 hf-praxis 1/2016

Messtechnik Bild 5: Phasenrauschen im Frequenzabweichungsbereich 10 Hz bis 10 MHz. Bild 6: Average In-Burst Power Messung eines Radarpulses kann Clutter, d.h. unerwünschte Mehrmachreflexionen jenseits der Alias Free Range [AFR = ½*(c0 * (N-1)/Sweepbandbreite)] ausgeblendet werden. Das Messen mit FGT bietet die Möglichkeit, selektiv Antworten in einer bestimmten Zeit zu entfernen oder einzubeziehen. Die verbleibenden Zeitbereichsantworten können in den Frequenzbereich zurücktransformiert werden, mit dem Effekt, dass die „herausgefilterten“ Antworten entfernt werden. Dieser Prozess ist unter dem Begriff „FREQUENCY GATED BY TIME” (FGT) bekannt. Mittels FGT können Bestandteile, Impedanz-Diskontinuitäten oder Lei-tungsstörungen im Zeitbereich herausgefiltert werden, die räumlich getrennt sind. Aufgrund der unterschiedlichen Abstände zur Referenzebene des VNA kommen die dazugehörigen Reflexionen am Testport zu unterschiedlichen Zeiten an und können daher getrennt voneinander im Zeitbereich gemessen werden. Bei S21–Transmissionsmessungen können damit Signalanteile auf dem direktem Übertragungspfad von mehrfach reflektierten Übertragungen oder Signalbestandteilen mit unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten ge-trennt werden RCS sind Vergleichsmessungen einer bekannten Geometrie mit dem zu messenden Objekt. Hierbei wird der Betrag der Transmissionsmessung genutzt |S21|. Zur Berechnung des Radarstreuquerschnitts des Ziels kann somit die folgende Beziehung verwendet werden: RCS Messungen sind normalerweise extrem zeitaufwändig und durch die verwendeten Technik sehr teuer. Jedoch können auch mit Handheld-VNAs der VNA Master Serie diese Art von Messungen und Feldbedingungen an Objekten durchgeführt werden (s.a. Bild 4). 4) Leistungs- und Spektralanalyse Moderne Spektrum-/Signalanalysatoren sind in der Lage, Frequenz, Phasenrauschen und Jitter von Bauteilen, wie z. B. Oszillatoren, die für Radarsysteme unverzichtbar sind, zu messen. Während Frequenzzähler lange Zeit die Norm für exakte Frequenzmessungen waren, bieten Spektrumanalysatoren den Vorteil, dass bei Anliegen mehrerer Signale eine bestimmte zu messende Frequenz gewählt werden kann. Auf vielen Spektrumanalysatoren basiert die Genauigkeit beim Messen der Markerfrequenz auf der Linearität des Abtastens, der Einstellung der Auflösebandbreite sowie der Displayauflösung. Spektrumanalysatoren, wie beispielsweise der MS2830A von Anritsu, verwenden die Frequenzzähler-Technologie zum Zählen der tatsächlichen Frequenz. Die Abtastung der Spektrum-Anzeige verharrt bei der Markerfrequenz, und das ausgewählte Signal wird an einen internen Frequenzzähler geroutet. Das Ergebnis ist das Beste aus beiden Welten: die Fähigkeit, eine Einzelfrequenz auszuwählen und eine hochpräzise Frequenzmessung, basierend auf einer sehr stabilen Bezugsfrequenz. Eine der zuverlässigsten Messungen der Reinheit einer Signalquelle in einem Radarsystem ist außerdem die Messung des Phasenrauschens. Diese Messung beinhaltet die Charakterisierung der Rauschleistung in Bezug auf die Trägerleistung auf vielen verschiedenen Offset-Frequenzen. Die Signale am Eingang und Ausgang der Phasenregelkreise in einem Radarsystem sind oftmals Binärsignale zur Verwendung in seriellen Datenströmen. Das Rauschen auf den Binärsignalen wird üblicherweise eher im Hinblick auf Jitter, als im Hinblick auf das Phasenrauschen charakterisiert. Dieser Jitter lässt sich durch Integrieren der Rauschleistung über einen Bereich der Frequenzabweichungen von der Trägerfrequenz veranschlagen. Die Übertragungsleistung eines Radarsystems ist ein weiterer wichtiger Parameter. Wie aus der eingangs des vorliegenden Beitrags angeführten Radargleichung ersichtlich ist, besteht eine Korrelation zwischen Pt und der Reichweite. Also muss der Messtechniker verifizieren, dass die Übertragungsleistung eines Radarsystems oder Subsystems den Systemspezifikationen entspricht. D a s P e a k P o w e r M e t e r ML2490A von Anritsu ist ein Beispiel für ein Messgerät, das sich für hochauflösende Messungen an Radarsystemen eignet. Mit hoher Bandbreite und einer Anstiegszeit von min. 8 ns bei einer Displayauflösung von 1 ns kann dieses Messgerät präzise und genaue Details über die Hüllkurvenleistung des Senders liefern. Der Pulsprofilmodus des ML2490A bietet, in Kombination mit dem Breitband-Leistungsmesskopf MA2411B, eine hervorragende Möglichkeit zum Messen von Radarimpulsen. hf-praxis 1/2016 19

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