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1-2016

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Messtechnik Neue,

Messtechnik Neue, leistungsfähigere Radartechnik treibt die Entwicklung der Mikrowellen- Testgeräteausstattung voran Bild 1: Radar ist eine bewährte Methode zum Messen von Bewegungsrichtung und -Geschwindigkeit von Flugobjekten Das Grundprinzip zum Betrieb eines Radars (Kurzwort für “radio detection and ranging”) basiert auf der These der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen. In einem Radarsystem wird eine bekannte Welle in eine bekannte Richtung übertragen. Wenn sie auf ein Ziel auftrifft, wird die Welle zu einem am Ursprung befindlichen Empfänger reflektiert, wo sie erfasst und analysiert wird. Bereits im Zweiten Weltkrieg wurde diese Basistechnologie genutzt, um Informationen einzuholen, wie etwa zu Richtung, Höhe, Entfernung, Flugbahn und Geschwindigkeit beweglicher Objekte, wie beispielsweise von Flugzeugen und Schiffen (siehe Bild 1). Fortschritte in der Technologie und Leistung bestimmter Schaltelemente in einem Radarsystem, Rohan Sood Field Applications Engineer Anritsu (Naher Osten und Afrika) wie beispielsweise schnellere, präzisere Analog-Digital-Konverter (ADCs) sowie Digitalsignal-Prozessoren, mit denen ein höherer Datendurchsatz möglich ist, haben heute neue und ausgeklügeltere Anwendungen in Branchen, wie der Automobilindustrie und der Rüstungselektronik, möglich gemacht. Entwickler und Anwender von Radarkomponenten und -systemen müssen daher Bauteile testen und charakterisieren, die mit neuen, höheren Frequenzen und Geschwindigkeiten arbeiten. Dieses stellt neue Anforderungen an Arten und Spezifikationen der von ihnen verwendeten Messgeräte. Dieser Artikel erläutert, wie das Grundprinzip eines Radars die Parameter für die Tests bestimmt, die die Ingenieure und Techniker durchzuführen haben. Zudem zeigt er, wie sich die Testgeräteausstattung entwickelt, um die neue Radartechnik von morgen, die viel leistungsfähiger ist, bewältigen zu können. Wie Radarberechnungen vorgenommen werden Es können entweder Berechnungen zur Stärke des Empfangssignals oder zur Entfernung (oder Reichweite) zwischen Sender und Ziel vorgenommen werden. Diese Berechnungen erfolgen durch das Lösen bestimmter Parameter der Radargleichung: P P G G t rλ σ r = t π R R oder R max = ( ) t 2 2 Pt ⋅G ⋅λ ⋅ σ 3 P 4π L rmin r ⋅( ) ⋅ ges wobei gilt: P = Empfangsleistung P t = Sendeleistung G t = Gewinn der Sendeantenne G r = Gewinn der Empfangsantenne λ = Wellenlänge der Trägerfrequenz σ = effektive Reflexionsfläche (RCS), R t = Entfernung Sendeantenne – reflektierendes Objekt R r = Entfernung reflektierendes Objekt – Empfangsantenne Ein Radargerät sendet elektromagnetische Wellen gebündelt als sogenanntes Primärsignal aus, empfängt die von Objekten reflektierten „Echos“ als Sekundärsignal und wertet sie nach verschiedenen Kriterien aus. So können Informationen über die Objekte gewonnen werden. Meist handelt es sich um eine Ortung (Bestimmung von Entfernung und Winkel). Es gibt, je nach Einsatzzweck, unterschiedliche Radarprinzipien wie das Wetterradar, das harmonische Radar und das Überhorizontradar. Bei den von Radarsendern genutzten hohen Frequenzen sind die Signale in der Lage Nebel und Wolken zu durchdringen und aus vielen Kilometern Entfernung Reflexionen zu empfangen, vorausgesetzt, das System weist einen ausreichend hohen Wert P t auf. Aus diesem Grund kommt die Radartechnik in so breitem Maße in Anwen- 16 hf-praxis 1/2016

Messtechnik Bild 2: VectorStar mit der PulseView-Option ermöglicht Pulsmessungen bis zu einer Zeitauflösung von 2,5 ns. Im o.a. Beispiel ist eine Auflösung von 12,5 ns unzureichend, um die Überschwinger am Pulsanfang und Ende zu visualisieren. dungen, wie z. B. zu Überwachungszwecken im Rüstungsbereich, in der Meteorologie und für die Navigation zu Land, zu Wasser und zu Luft zum Einsatz. Diese Anwendungen sind bereits Jahrzehnte alt. In der Gegenwart hat die Radartechnik neue Anwendungsbereiche in der Automobilbranche beim Einsatz in Kollisionsvermeidungssystemen und in anderen Formen von modernen Fahrerassistenzsystemen, auch als Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) bekannt, erobert. Beispielsweise sind Radarsysteme, die bei ca. 77 GHz betrieben werden, in der Lage, Objekte zu erkennen und nachzuverfolgen, die sich vor einem Fahrzeug, seitlich davon oder hinter einem Fahrzeug befinden, sowie bei einer drohenden Kollision Warnsignale an den Fahrer auszulösen. Im Bereich Rüstungselektronik war die Radartechnik für lange Zeit die Hauptstütze von Frühwarnsystemen zur Erkennung herannahender feindlicher Flugzeuge und Raketen. Ein weiteres Anwendungsgebiet der Radartechnik im Rüstungssektor ist das Bodenradar (GPR, Ground Penetrating Radar). Ein Bodenradar, auch Georadar, engl. Ground Penetrating Radar (GPR) oder Radio Echo Sounding (RES), erlaubt eine zerstörungsfreie Charakterisierung des Untergrundes mit hochfrequenten elektromagnetischen Wellen. In der Geophysik dient es im Wesentlichen zur Untersuchung der oberen Schichten der Erdkruste. Das besondere Merkmal eines GPRs besteht darin, dass seine Signale nicht vollständig vom Boden absorbiert werden: Bodenradare können daher zum Aufspüren von unter der Bodenoberfläche verborgenen Landminen genutzt werden – eine lebensrettende Technologie bei und nach militärischen Auseinandersetzungen. Die GPR- Technologie wird außerdem bei der Suche nach Erdöl und von anderen Rohstoffindustrien oder in der Archäologie eingesetzt. Interessanterweise ist die moderne Radartechnik von heute auch ausschlaggebend für die Genauigkeit und Detailliertheit von Wettervorhersagen. Radare können Größe, Menge, Aggregatzustand (fest als Hagel oder Schnee, flüssig als Regen) und Form von Wasserteilchen in Wolken vermessen. Heute sind Wissenschaftler mit Radartechnik in der Lage Windgeschwindigkeiten in Tornados exakt zu messen. Neue, höhere Frequenzen von Radarsignalen Während die grundlegende Radartechnologie vor vielen Jahrzehnten erstmalig angewendet wurde, nutzen die modernen Systeme von heute sehr viel höhere Betriebsfrequenzen, um mehr Bandbreite zu gewinnen. Diese Schritte waren erforderlich, da die Entwickler die Funktionen von Radarsystemen ständig erweitern, um mit den immer komplexeren Signalformaten und Modulationsverfahren Schritt halten zu können. In diesen Systemen sorgen neue, schnellere Analog-Digital-Umsetzer für die Umwandlung von Analogsignalen in den Digitalbereich und ermöglichen damit die Echtzeitanalyse von eintreffenden Daten. Gleichzeitig sind Gruppenstrahler immer komplexer geworden, und Baugruppen, wie z. B. Filter, sind schärfer als jemals zuvor. Die höheren Betriebsgeschwindigkeiten und -frequenzen heutiger Radarsysteme stellen neue Anforderungen an die von Ingenieuren und Technikern verwendeten Messgeräte zur Charakterisierung von Radarbauteilen und zum Testen von Radarsystemen. Mikrowellen-Messgeräte für Radaranwendungen müssen daher höhere Frequenzen und größere Bandbreiten unterstützen sowie über ein verbessertes Grundrauschen verfügen, damit sie Messergebnisse mit der Genauigkeit und Präzision liefern, wie sie von Anwendern gefordert wird. Arten der Radarmessung Bevor ein Radar im Feld eingesetzt wird, sind auf vielen Ebenen Testarbeiten durchzuführen: Der Subsystem-, der Prototypund der Endfertigungsbereich werden verschiedenartigen Leistungstests unterzogen. Generell gibt es vier Testarten, die ein Messgerät für Radartechniker beherrschen muss: 1) Bauteilcharakterisierung 2) Antennenmessungen 3) Messungen des Radarrückstrahlquerschnitts (RCS, Radar-Cross-Section) 4) Leistungs- und Spektralanalyse 1) Bauteilcharakterisierung Das sorgfältige Prüfen aller HF- Bauelemente in der Radaranlage ist unabdingbar. Die exakte Charakterisierung einzelner Bauteile, wie z. B. Filter, Duplexer, Dämpfungsglieder und Verstär- hf-praxis 1/2016 17

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