Tutkat ja tehonmittaus

Historiaa 1904 Christian Huelsmeyer demonstroi yksinkertaista laitetta joka havaitsee lähistöllä olevat laivat niistä heijastuneen radiosäteilyn perusteella huonossakin säässä (suunta mutta ei etäisyyttä; laivastot eivät olleet kiinnostuneita). 1935 Robert Watson-Watt demonstroi lentokoneen havaitsemista siitä heijastuneiden radioaaltojen (BBC:n radiolähetys) avulla -> ensimmäisen tutkan (engl. RADAR; Radio Detection And Ranging) rakentaminen Englantiin.

Lisää historiaa Vuotta myöhemmin Hans Hollmann rakensi Saksan ensimmäisen pulssitutkan laivojen ja lentokoneiden havaitsemiseen (eikä sotilaallinen potentiaali tällä kertaa jäänyt huomaamatta). Toisen maailmansodan aikaan Saksalla oli teknologinen etumatka Englantiin mutta vain englantilaiset hyödynsivät kunnolla tutkan tarjoamia mahdollisuuksia (paljon tutkia ja niitä tukeva organisaatio).

Tutkan tehtävät Aktiivinen mittalaite. Mittausetäisyys riippuu käytettävästä taajuudesta, matalilla taajuuksilla päästään jopa 6000 km asti. Alueellinen erotuskyky yleensä satojen metrien luokkaa (erilainen etäisyys- ja sivuttaissuunnassa). Yleensä käytetään 1 mm 1 m aallonpituuksia. Tutka toimii yhtä hyvin päivällä ja yöllä. Useimmat tutkat näkevät hyvin pilvien läpi ja vähintään jossakin määrin myös sateen läpi.

Mitattavat suureet (1) Maalin olemassaolon ilmaiseminen Heijastukset kohteesta Suunnan määrittäminen Sivukulma Korotuskulma Saadaan antennin suuntatiedosta (kapeakeilainen antenni)

Mitattavat suureet (2) Nopeuden mittaaminen Maalin etäisyyssuuntaisen komponentin mittaaminen Doppler-ilmiö Kiintomaalien poistaminen Etäisyyden mittaaminen Signaalin edestakaiseen matkaan kulunut aika

Tutkan käyttö valvontatutkat (pulssitutkia) seurantatutkat (pulssitutkia) toisiotutkat eli SSR (secondary surveillance radar) mm. lentokoneen transponderilta tunnistetieto korkeusmittaustutkat (FM-CW) kaukokartoitustutkat säätutkat

Siviili Tutkat nopeuden valvontatutkat (CW) törmäyksen estotutkat (CW) puututkat (onko puu sisältä laho?) maatutkat (metalli- yms. esineen etsintää) murtohälytystutkat, jne.

CW-TUTKA (1) Kantoaaltotutka (CW-tutka, continuous wave radar) lähettää kiinteällä taajuudella jatkuvaa mikroaalto-tehoa. CW-tutkalla voidaan mitata vain kohteen nopeus ja sirontakerroin, ei sen etäisyyttä. Nopeuden mittaus perustuu kohteen liikkeeseen verrannollisen doppler-taajuudenmittaamiseen tutkaan palaavasta signaalista. CW-tutkaa voidaan käyttää esimerkiksi sotilaallisissa tarkoituksissa maaston valvontaan ja liikkuvien kohteiden havaitsemiseen.

CW-TUTKA (2) CW-tutkaa voidaan käyttää esimerkiksi sotilaallisissa tarkoituksissa maaston valvontaan ja liikkuvien kohteiden havaitsemiseen.

FM-CW tutka Moduloimalla lähete kolmio-, sini- tai saha-aallolla saadaan mitattua myös kohteen etäisyys Mittaamalla aikaero, jolloin lähetty ja heijastunut signaali ovat samalla taajuudella, saadaan etäisyys lasketuksi Käytetään yleisesti lentokoneiden korkeusmittareina

Pulssitutka Parempi dynamiikka ja erottelukyky Antenni Lähetin Ohjain Päätevahvistin Modulaattori Suurjännitelähde Alhaisempi tehonkulutus/ korkeampi lähtöteho Pulssin pituus tai sen sisäinen modulaatio määrää erottelukyvyn ja lyhimmän mittausetäisyyden LV-kytkin RF-vahv. ja sekoitin Vastaanotin IF-vahv. ja ilmaisin Ajastin Taajuusohjain Signaalinkäsittelin Antennikoneisto Näyttölaite Operaattori

Tutka taajuudet ja niiden valintakriteerit (1) Lyhenne Aallonpituusalue (cm) Taajuusalue (GHz) W 0.1 0.75 300 40 Ka 0.75 1.2 40 27 K 1.2 1.7 27 18 Ku 1.7 2.5 18 12 X 2.5 4 12 8 C 4 8 8 4 S 8 15 4 2 L 15 30 2 1

Tutka taajuudet ja niiden valintakriteerit (2) Alue Käyttötarkoitus W Ku - Ka X C S L Käyttö rajoittuu lyhyen kantaman seurantaan. Lyhyen kantaman seuranta, kun antennin oltava hyvin pieni, eikä vaadita joka sään toimintaa, esim. lentokoneissa Lyhyen kantaman valvonta ja suuren kantaman seuranta Kirkkaalla ilmalla, kantama lyhenee sateessa, esim. merenkulku Kuten X-alue, käytetään lähivalvontaan ja maalinosoitukseen Kuten X-alue, mutta vasta kova vesi- tai lumisade vaikuttaa kantamaan. Käytetään ilmavalvonnassa Suurikantamainen valvonta, keskimääräinen erottelukyky sekä säällä ei juuri vaikusta. Pitkän matkan ilmavalvonta.

Doppler (1) Maalin säteittäisen nopeuden mittaaminen perustuu Dopplerin ilmiöön eli tässä tapauksessa tutkan ja maalin liikkuessa toisiinsa nähden tutkan vastaanottama signaali poikkeaa taajuudeltaan alun perin lähetetystä signaalista. Tätä poikkeamaa kutsutaan Dopplertaajuudeksi, josta voidaan laskea maalin säteittäinen nopeus

Doppler (2) ω D missä ω f v D r D => = nopeus λ = aallonpituus 2π f = D = kulmataajuus = Dopplertaajuus = maalin säteittäinen f = D 2v λ r. 4πv λ r,

Tutkayhtälö missä P P G G R T λ σ R T R = = = = = = = P R = 2 PT GT GRλ σ, 3 4 R ( 4π ) vastaanotettu teho (W) lähetysteho (W) lähetysantennin vahvistus ao. suuntaan, yleensä pääkeilan maksimi vastaanottoantennin vahvistus aallonpituus (m) tutkapoikkipinta ala (m antennien välinen etäisyys(m) 2 )

Lyhin mittausetäisyys ja erottelukyky R = δ min R = c τ 2 cτ 2,

Tutkapoikkipinta Kappale σmax σmin Keilojen lukumäärä Pääkeilan leveys Pallo, a = säde πa 2 πa 2 1 2π Tasainen levy, L = sivunpituus, A = pinta-ala Kulmaheijastin, a = sivun pituus Kolmisivuinen kulmaheijastin, a = sivun pituus 4πaL 2 /λ 2 0 8L/λ λ/l 12πa 4 /λ 2 4 π/4 4πa 4 /3λ 2 4 π/4

MAALINOSOITUSTUTKA 95 Tutkalaitteisto Giraffe 100 Taajuusalue C-alue Antennin pyörimisnopeus 12 kierr/min Valvontakorkeus 5 000 m Valvontaetäisyys 100 000 m Samanaikaisesti seurattavat maalit 50 kpl Antennin korkeus 12 m Tutkaa lukuun ottamatta suomalainen

Maastonvalvontatutka AGSUR Aluevalvonta ja tulenjohto Valvonta- ja tulenjohtokyky kaikissa olosuhteissa 5 15 km Perustuu Doppler-mittaukseen Koulutettu käyttäjä erottaa kaiusta myös kohteen laadun Valmistusmaa Israel

Paikantamistutka CYMBELINE Kranaatinheittimistön ja yläkulmilla ampuvan tykistön tuliasemien paikantaminen Tykistön ja heittimistön tulen johtaminen OMINAISUUDET Suurin mittausetäisyys 20 km Valvontasektori noin 40 Paikantamistarkkuus noin 60 m Paikantamisaika 1-20 s Liikkuvan maalin ilmaisin Korkeus mittauskunnossa noin 3 m Tutkaosan paino noin 400 kg Kokonaispaino kuljetusalustoineen noin 1000 kg Valmistusmaa Iso-Britannia

Tutkan kehitysnäkymiä Signaalinkäsittelyn tehostuminen Mukautumista vallitsevaan välke- ja häirintäympäristöön Maalit voidaan luokitella ja tunnistaa sekä helpommin että nopeammin Aktiivisten antenniryhmien käyttöönotto Samanaikainen valvonta ja seuranta Mukautumista vallitsevaan välke- ja häirintäympäristöön

Tehonmittaus

Mittausmenetelmät Kalorimetri Tehomittarit + mittapäät: Termistori Termopari Diodi Spektrianalysaattori Ilmaisindiodi

Kalorimetri (1) Käytettiin aikoinaan esim. suuritehoisissa tutkissa. Vesi absorboi erittäin hyvin mikroaaltosignaaleja, jonka takia tehonmittaukseen riitti pelkästään mitata tulevan ja lähtevän veden lämpötilaero sekä veden tilavuusvirta ajan funktiona

Kalorimetri (2) Kalorimetrejä valmistettiin kolmen tyyppisiä riippuen kalorimetrin läpi virtaavasta aineesta joita olivat ilma, vesi ja öljy. Kalorimetrejä on käytössä vielä nykyäänkin, koska ne soveltuvat hyvin suurien tehotasojen mittaamiseen, aina yli 1 kw:iin asti.

Termistori mittapää (1) Bolometri on tehoanturi, johon syötetty RF- tai mikroaaltotehon muuttuu lämmöksi muuttaen samalla resistanssia. Termistorit ovat metallioksidi-seoksesta valmistettuja vastuksia, joilla on negatiivin lämpötilakerroin. Termistorin resistanssiin vaikuttavat ympäristön lämpötila sekä suurtaajuus ja tasajänniteteho, joten kaikki lämpötilassa tapahtuvat muutokset vaikuttavat teholukemaan. Soveltuu vain CW-tehon mittaamiseen

Termistori mittapää (2) Nykyiset termistorianturit sisältävät toisen parin termistoreja lämpötilassa tapahtuvien muutosten pienentämiseksi Termistorielementit on asennettava siten, että sen sovitus on mahdollisimman lähellä syöttävän linjan sovitusta

Termoparianturi Käytetty suurtaajuus- ja mikroaaltotehon mittaamiseen vuodesta 1974 lähtien Valmistetaan ohutfilmi-tekniikalla => tarkka, kestävä ja valmistuksellisesti toistettava tehoanturi, jonka ominaisuuksia ovat: parempi herkkyys kuin termistorianturilla automaattisesti neliöllinen ilmaisu eli anturilta saatava tasajännite on suoraan verrannollinen suurtaajuustehoon laaja dynamiikka- ja taajuusalue matala huojunta

Diodianturit Diodeja on käytetty kauan ilmaisimina ja mikroaaltotaajuuksilla suhteellisen tehon mittauksissa sekä verhokäyräilmaisimina Absoluuttisen tehon mittauksissa diodia voidaan käyttää vain suurtaajuus- ja mikroaaltotaajuuksilla ja niissäkin tietyillä rajoituksilla. Low-barrier Schottky (LBS) -diodija alettiin käyttää tehonmittauksissa vuonna 1974, jolloin pystyttiin ilmaisemaan ja mittaamaan niinkin alhaista tehoa kuin -70 dbm aina 18 GHz:n taajuuksille asti.

Diodianturit

Kolmen diodin tehomittapää Diodiantureiden kehitys on johtanut kolmen diodin mittapäähän, jolloin mittausaluetta on saatu laajennettua ja tarkkuutta parannettua

Termistorianturia käyttävä tehomittari

Termoparia käyttävä tehomittari

Diodianturia käyttävä tehomittari

Tehomittarin nollaus

Pulssiteho

Pulssin leveys = 6 db

Esimerkki pulssitehon laskemisesta

Spektrianalysaattori Vastaanotin, jolla mitataan signaalin amplitudi taajuuden funktiona

Signaalin ilmaisu Nykyisin analysaattorit verhokäyräilmaisevat signaalin ja muuntavat sen digitaaliseen muotoon. Jokaista näytön pixeliä varten otetaan 8 näytettä, joista muodostetaan pos./neg. huippuarvo, rms-arvo ja näyte

Spektrianalysaattori tutkamittauksissa Tärkeä ja monipuolinen mittalaite, jolla pystytään mittaamaan tutkasignaalista mm: Kantoaallon taajuus Pulssin toistotaajuus Pulssin nousu-/laskuajat Vaihekohina Huipputeho

Pulssitehon mittaus Amplitudi vs aika -> amplitudi vs taajuus Resoluutiokaistanleveys (RBW) vaikuttaa mitattavan pulssin pituuteen eli mitä lyhyempi pulssi sen suurempi on RBW:n oltava

Esimerkki pulssin pituuden vaikutuksesta RBW = 10 MHz -> min 500 ns pulssi pystytään mittaamaan luotettavasti

Pulssitehon mittaus Esimerkki pulssitehon laskemisesta keskimääräisestä tehosta:

Aikatason mittaus spektrianalysaattorilla Spektrianalysaattorilla voidaan mitata RF-pulsseja vastaavasti kuin oskilloskoopilla asettamalla spektri ns. nolla-span moodiin Nolla-span mittauksen etuna on, että pulssi saadaan näkyviin oikean muotoisena ja liipaisutasoa ja viivettä säätämällä pystytään mittaamaan pulssin nousu- ja laskuajat Samoin pulssin huipputeho on suoraan mitattavissa nolla-span asetuksella Tutkittavan laitteen keskitaajuuden on oltava stabiili. Vaihtelu vaikuttaa taso/teholukemiin

Kiitos mielenkiinnosta!