Pomiary w technice impulsowej - metody, wady i ograniczenia

Jednym z ważniejszych wymogów stawianych nowoczesnym radarom jest zdolność wykrywania bardzo szybko przemieszczających się obiektów. Z drugiej jednak strony radary muszą nadal wykrywać obiekty przemieszczające się wolno, obiekty o małych rozmiarach, a także poruszające się na małych wysokościach. W tego typu zastosowaniach konieczne jest stosowanie narzędzi charakteryzujących się dużą dokładnością pomiarów bardzo wąskich impulsów.

Istotne przy tym jest badanie również wnętrza impulsu, a więc uwzględnianie takich parametrów, jak czas narastania i czas opadania zboczy. Przy pomiarach parametrów sygnałów impulsowych, takich jak współczynnik wypełnienia, szerokość impulsu, zakres dynamiki itp., metodami stosowanymi do tej pory przyjmowano wiele kompromisów. Zgadzano się więc na pewne uproszczenia i wynikające z nich niedokładności.

Metody pomiarów wąskopasmowych lub pomiarów z ograniczeniem pasma

Rys. 1. Parametry związane z pomiarami wąskopasmowymi lub z ograniczonym pasmem

Pomiary wąskopasmowe lub z ograniczeniem pasma są oparte na analizie widma impulsowych sygnałów w.cz. W pomiarach tych wykorzystywany jest fakt, że podstawowe informacje o sygnale w.cz. są zawarte na wykresach amplitudowym i fazowym. Na rysunku 1 przedstawiono typowy wykres widma przebiegu impulsowego o częstotliwości podstawowej f_c.

Po jej odfiltrowaniu pozostaje sygnał CW (Continuous Wave), który może być mierzony z zastosowaniem standardowych analizatorów VNA. Odstępy między prążkami widocznymi na wykresie z rysunku 1 odpowiadają częstotliwości powtarzania mierzonych impulsów (PRF - Pulse Repetition Frequency), zaś odległości między miejscami zerowymi funkcji sin(x)/x widocznej na wykresie wynikają z szerokości impulsów.

Zaletą takiej techniki jest możliwość pomiarów wąskich impulsów. Pomiar szerokości impulsu ograniczają od dołu parametry stopni pośredniej częstotliwości, zaś rozdzielczość jest uzależniona od parametrów układu bramkującego w odbiorniku. Pewną wadą jest natomiast możliwość występowania aliasingu. Do zalet metody z ograniczeniem pasma należy zaliczyć ponadto uzależnienie wyniku tylko od jednej częstotliwości. Z asynchronicznej natury takiego pomiaru wynika, że nie jest wymagana żadna synchronizacja z mierzonym przebiegiem.

Przykładowa konfiguracja stanowiska pomiarowego

Rys. 2. Przykładowe stanowisko do pomiarów impulsowych z ograniczonym pasmem lub wąskopasmowych

Na rysunku 2 przedstawiono przykładową konfigurację stanowiska dla wąskopasmowych pomiarów impulsowych. Modulatory w.cz. umieszczono po stronie odbiorczej (odbiornik bramkujący), natomiast modulatory p.cz., mogą być stosowane w połączeniu z modulatorami w.cz. lub zamiast nich. Jeśli użyto modulatora p.cz. to rozkład energii jest ograniczony przez pasmo pośredniej częstotliwości.

W układzie z rysunku 2 zewnętrzne modulatory widoczne po stronie odbiorczej mogą być pominięte, jeśli tylko parametry wykorzystywanych modulatorów wewnętrznych będą odpowiednie do pomiaru impulsów wejściowych. Modulator po stronie wejściowej może być także pominięty, ale tylko wtedy, gdy zastosowano bias pulsing.

Ograniczenia metody z ograniczeniem pasma lub metody wąskopasmowej

Największym ograniczeniem techniki wąskopasmowej jest zakres dynamiki będący funkcją współczynnika wypełnienia badanego przebiegu. W metodzie tej zachowywany jest tylko środkowy prążek widma, a pozostała część energii jest odrzucana. Może ona jednak stanowić znaczącą część energii całkowitej, szczególnie wtedy, gdy mamy do czynienia z małymi współczynnikami wypełnienia.

Rys. 3. Zmniejszanie zakresu dynamiki związane ze zmniejszaniem współczynnika wypełnienia

Wraz ze zmniejszaniem współczynnika wypełnienia zmniejsza się energia środkowego prążka widma, maleje zatem zakres dynamiki. Jeśli zostanie przekroczony próg czułości, odbiornik staje się niewrażliwy na dalsze zmniejszanie współczynnika wypełnienia (rys. 3). Zakres dynamiki jest określony zależnością: 20*log₁₀(współczynnik wypełnienia). Przykładowo, zmniejszenie współczynnika wypełnienia do wartości 0,1% skutkuje zmniejszeniem dynamiki o 60 dB.

W opisywanych metodach - z ograniczeniem pasma lub wąskopasmowej, należy liczyć się także z innymi ograniczeniami. Metody te nie będą nadawały się na przykład do pomiarów pojedynczych impulsów, co wynika z konieczności zebrania odpowiedniej ilości danych dla uzyskania prawidłowego wyniku. Pomiar będzie błędny także w przypadku, gdy odstępy czasu pomiędzy impulsami będą ulegały zmianom.

Sporą niedogodnością jest konieczność wykonywania kalibracji po zmianie mierzonego sygnału impulsowego. Na przykład opisywana zmiana współczynnika wypełnienia spowoduje zmianę poziomu sygnału mierzonego, czego następstwem jest konieczność ponownej kalibracji przyrządu. Należy też liczyć się z efektami termicznymi, których wpływ spowoduje wprawdzie zachowanie środkowej częstotliwości widma i utrzymanie odstępów między prążkami widma, ale zmianie ulegnie kształt listków widma wynikający ze zmiany współczynnika wypełnienia. Jeśli w tej sytuacji nie będzie wykonana ponowna kalibracja, można spodziewać się znaczących błędów.

Rys. 4. Wyniki pomiarów wąskopasmowych dla różnych współczynników on-off modulatorów po stronie odbiorczej: a) dla stosunku on-off 80 dB, b) dla stosunku on-off 40 dB

Kolejną kwestią charakterystyczną dla metody z ograniczonym pasmem lub wąskopasmowej jest wpływ współczynników on-off modulatorów po stronie odbiorczej na niepewność pomiaru. Dla wyjaśnienia tego zagadnienia należy rozważyć przypadek, w którym mamy do czynienia z niedoskonałością izolacji modulatora w stanach wyłączenia i włączenia.

Może to prowadzić do sytuacji, w której wyłączone już prawdopodobnie impulsy są nadal mierzone. Taki przypadek jest równoważny podaniu innego impulsu o współczynniku wypełnienia równym 1-a (a to współczynnik wypełnienia impulsu głównego). W rezultacie zostanie zniekształcony centralny prążek widma, a w konsekwencji wzrośnie niepewność pomiaru. Można przypuszczać, że najgorszy przypadek wystąpi dla małych współczynników wypełnienia i małego stosunku on-off.

Na rysunku 4 przedstawiono przykłady odpowiadające dwóm różnym współczynnikom izolacji on-off: 80 dB (a) i 40 dB (b). Rozpatrywany jest przebieg o współczynniku wypełnienia 10%. W tym przypadku błąd odczytu amplitudy prążka środkowego jest bliski 1 dB dla małego stosunku on-off.

Tematyka pomiarów impulsowych z zastosowaniem metod wąskopasmowych i z ograniczeniem pasma będzie kontynuowana w drugiej części artykułu.

Jarosław Doliński, EP
Meratronik
www.meratronik.pl