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Tragbarer Netzwerkanalysator

Radarstationen warten

Primärradar mit drehbarer Parabolantenne auf einem Turm. Primärradare arbeiten in der Regel im Spektrum zwischen 2,7 und 2,9 MHz und mit 25 kW Spitzenleistung.
Primärradar mit drehbarer Parabolantenne auf einem Turm. Primärradare arbeiten in der Regel im Spektrum zwischen 2,7 und 2,9 MHz und mit 25 kW Spitzenleistung.
© Rohde & Schwarz

Zu den Wartungsaufgaben an Radarstationen gehören Kabelmessungen, Charakterisierung von aktiven und passiven HF-Komponenten sowie Signalpegelmessungen. Sie lassen sich mit tragbaren Zweitor-Netzwerkanalysatoren erfüllen, die nicht mehr als 3 kg wiegen.

Radarstationen sind bei Wind und Wetter rund um die Uhr in Betrieb. Witterungsbedingte Schäden können hier schnell zu Störungen und auch zu Ausfällen führen. Deshalb werden diese Stationen regelmäßig gewartet. Der Feldingenieur führt dazu mehrere Messungen durch. Erhält er dabei eine Störmeldung, sucht er nach deren Ursache und versucht diese umgehend zu beseitigen. Mit den Messungen prüft er die Leitungswege sowie aktiven und passiven HF-Komponenten. Er überprüft die Leistungspegel von Sendequelle, stabilem lokalem und Kohärenzoszillator sowie die Pulseigenschaften von Sender und Empfänger. Außerdem werden Wellenverhältnis und Wellengröße an den phasengesteuerten Gruppenantennen gemessen. Normalerweise sind für diese Messungen mehrere Messgeräte notwendig, was für das Wartungspersonal vor Ort aufwendig und durchaus beschwerlich ist. Hier sollen robuste, tragbare Netzwerkanalysatoren (Handheld) Abhilfe schaffen.

Tragbarer VNA  bis 26,5 GHz

Der R&S ZNH von Rohde & Schwarz (Bild 1) ist ein vollwertiger Zweitor-Handheld-Vektornetzwerkanalysator (VNA), mit dem Prüf­­ingenieure Kabel- und Antennenanalysen und vollständige S-Parameter-Messungen bis 26,5 GHz im Feld durchführen können (Bild 2).

Bild 1: Tragbarer Netzwerkanalysator R&S ZNH  mit 7“-Display und zwei Messtoren erfasst alle vier S-Parameter.
Bild 1: Tragbarer Netzwerkanalysator R&S ZNH mit 7“-Display und zwei Messtoren erfasst alle vier S-Parameter.
© Rohde & Schwarz

Er lässt sich für die Wartung von Radar-, Richtfunk- und Satellitenanlagen einsetzen und übernimmt den Funktionsumfang von mehreren Messgeräten wie Leistungsmesser, Voltmeter und Pulsmesser. Kabel- und Antennenmessungen sowie Zweitor-S-Parametermessungen gehören zur Grundausstattung und müssen nicht extra erworben werden. Über eine Vier-Empfängerarchitektur werden alle vier S-Parameter gemessen und Kalibrierverfahren wie UOSM (Unknown through, Open, Short, Match) unterstützt.

Bild 2: Einstellung der S-Parameter und Auswahl der Darstellung z.B. als Smith-Diagramm.
Bild 2: Einstellung der S-Parameter und Auswahl der Darstellung z.B. als Smith-Diagramm.
© Rohde & Schwarz

Das erleichtert die Messungen, wenn unterschiedliche Anschlusstypen am Ein- und Ausgang des Messobjekts vorhanden sind. Wie viele Messungen und in welcher Darstellungsform parallel angezeigt werden sollen, kann der Anwender wählen (Bild 2, oben). In Bild 3 wurde eine Quad-Display-Ansicht gewählt, mit der sich alle vier S-Parameter gleichzeitig anzeigen lassen. Alle üblichen Eintor-Messungen an Antennen und Kabeln wie die Fehlersuche in Leitungen sind ebenfalls möglich. Eine integrierte Empfänger-Eichleitung an beiden Toren schützt den VNA vor Übersteuerung. Optionale Funktionen wie Leistungsmesser, Pulsmessung, Wellenverhältnis und Wellengröße unterstützen Feldingenieure bei der Wartung von Radar-, Richtfunk- und Satellitensystemen.

Bild 3: Die Quad-Display-Ansicht zeigt dem Anwender alle vier S-Parameter auf einen Blick.
Bild 3: Die Quad-Display-Ansicht zeigt dem Anwender alle vier S-Parameter auf einen Blick.
© Rohde & Schwarz

Fehlstellen in Leitungen aufspüren

Um Leitungsstörungen zu erkennen und auch im Leitungsweg zu lokalisieren, bietet sich eine DTF-Messung an (Distance to Fault). Diese Messmethode kann Fehlstellen über die Reflexionen eines eingespeisten Signals orten. Das kann eine Steckverbindung sein, die sich gelöst hat, oder ein fehlerhafter Filter. Dabei werden die Werte einer Referenzmessung mit den aktuellen Messwerten verglichen. In der Messung in Bild 4 ist eine mögliche Störung 13,7 m (Marker 2) vom Testpunkt entfernt erkennbar.

Bild 4: Die DTF-Messung zur Ortung von Fehlstellen ist eine der Kabelmessfunktionen des R&S ZNH.
Bild 4: Die DTF-Messung zur Ortung von Fehlstellen ist eine der Kabelmessfunktionen des R&S ZNH.
© Rohde & Schwarz

Netzwerkanalyse mit allen vier Streuparametern

Mit der Netzwerkanalysefunktion des 2-Tor-VNAs kann der Anwender alle aktiven und passiven HF-Komponenten untersuchen. Auch hier wird geprüft, ob die Kennwerte noch innerhalb der vorgegebenen Toleranzgrenzen liegen. Radarsysteme arbeiten häufig mit einer HF-Rotationskupplung, um eine HF-Verbindung zwischen Steuergerät (Controller) und rotierender Antenne herzustellen. Die Leistungsfähigkeit dieser HF-Kupplung lässt sich über eine Messung der Einfügedämpfung über die gesamte Rotation hinweg prüfen. Das ist der S-Parameter S21 für passive HF-Komponenten. Dazu müssen die Messkabel vorab über eine 2-Tor-Kalibrierung kompensiert werden. Diese werden dann für die Messung mit dem Ein- und Ausgang der Rotationskupplung verbunden. Die S21-Messung erstreckt sich über alle Rotationswinkel der Kupplung.

Pulsmessungen

Schlecht geformte Radarimpulse führen zu ungenauen Positions- und Entfernungsmessungen, was verheerend für jede Radaranwendung ist. Um die Puls-Charakteristik eines Radars zu überprüfen, sollten Spitzenleistung, Pulsbreite, Pulsanstiegs- und -Abfallzeiten sowie die Impulsfolgefrequenz des Sendeimpulses gemessen werden (Bild 5). Auch dabei müssen vorgegebene Grenzwerte eingehalten werden. Für die Messungen wird ein Spitzenleistungsmesskopf direkt an den Monitoring-Ausgang des Senders angeschlossen.

Bild 4: Mit der Pulsmessoption lässt sich die Puls-Charakteristik und Ausgangsleistung von Radarsendern kontrollieren.
Bild 5: Mit der Pulsmessoption lässt sich die Puls-Charakteristik und Ausgangsleistung von Radarsendern kontrollieren.
© Rohde & Schwarz

Erweiterungsoptionen

In ähnlicher Weise lässt sich das Handheld-Gerät auch zur Wartung von Satellitenanlagen oder Richtfunksystemen einsetzen. Wie das Wartungsbeispiel zeigt, werden vor Ort nicht nur die Antennen und Kabel getestet, sondern auch Filter, Weichen und Verstärker. Funktionen, die über die standardmäßige Zweitor-VNA-Ausstattung hinausgehen, sind unabhängig voneinander bestell- und per Keycode freischaltbar. Dazu zählen:

  • Unterstützung von Abschluss-, Durchgangs- und optischen Leistungsmessern. Mit deren Hilfe lassen sich Sendeleistung und Anpassung bzw. die optische Signalzuführung zum CPRI einer Basisstation untersuchen.
  • Eine Pulsmessoption ermöglicht detaillierte Analysen an Radar- und Richtfunkanlagen.
  • Am Mast montierte Verstärker (TMA) werden üblicherweise über das HF-Kabel mit Strom versorgt. Das kann der R&S ZNH übernehmen.
  • Ein Vektorvoltmeter liefert Amplitude und Phase auf einer festen Frequenz – eine Messfunktion, die beispielsweise bei Arbeiten an phasengesteuerten Gruppenantennen zum Einsatz kommt; Signalquelle und Messbrücke dafür sind aktivierbar an Bord.
  • Die vier phasenkohärenten Empfänger des Geräts können dazu genutzt werden, über die S-Parameter hinaus zwei weitere Parametersätze über Wellengrößen und deren Verhältnisse zu ermitteln. Auf ihrer Basis kann der Handheld-VNA etwa als frequenzselektiver Leistungsmesser arbeiten oder zum Justieren zweier Kanäle einer Phasenantenne dienen.

Funktionen für den Feldeinsatz

Messtechnik für das Feld muss tragbar und robust sein. Der R&S ZNH wiegt 3 kg, ist lüfterlos und kompakt, hat eine Akkulaufzeit von (typ.) vier Stunden und lässt sich alternativ zum 7“-Multitouch-Display auch über große Tasten bedienen, die eine bequeme Bedienung mit Handschuhen ermöglichen. Die Bedienung ist intuitiv und erfordert keine vorherige Schulung am Gerät. Ein Messassistent führt Erstnutzer über eine Kombination von standardisierten Testsequenzen zu korrekten Einstellungen. Das Gerät lässt sich mit dem Assistenten auch vorkonfigurieren, sodass die Messungen vor Ort automatisch ablaufen. Die kostenlose Software InstrumentView und MobileView leiten die Messdaten dann direkt vom Feld ins Labor zur begleitenden Analyse.

Ein wichtiger Aspekt beim Feldeinsatz ist die Fernbedienbarkeit. Nicht alle qualifizierten Ingenieure sind auch qualifizierte Kletterer. Möglicherweise muss ein Ingenieur am Boden dem Helfer am Mast oder Turm für jeden Messschritt Anweisungen geben. Solche Workarounds lassen sich durch eine Funkschnittstelle umgehen. Angeschlossen an einen (mobilen) WLAN-Router kann der R&S ZNH per Fernzugriff über Browser von einem Tablet aus genauso bedient werden wie am Gerät selbst. Neben Installations- und Wartungsarbeiten an Antennenanlagen im Feld, die bis in den Mikrowellenbereich reichen, kann der tragbare Netzwerkanalysator als Labor-Allrounder in vielen Fällen auch einen stationären Netzwerkanalysator ersetzen. 

Labor und Fertigung

Das tragbare Gerät eignet sich zum Beispiel für das F&E-Labor oder für Fertigungs­linien und Universitäten mit Platz- und Budgetbeschränkungen. Hier geht es meist um die Messung von HF-Komponenten wie Filter, Verstärker, Kabel, Steckverbinder oder Antennen. Seine HF-Eigenschaften können sich durchaus mit so manchem Laborgerät messen: er bietet ein geringes Messkurvenrauschen (0,0025 dBeff), einen großen Dynamikbereich von 100 dB, 0-dBm-Ausgangsleistung sowie 16.001 Messpunkte pro Messdurchgang. In einer Laborumgebung kann auch das Multitouch-Display voll ausgenutzt werden und der Analysator wie ein Smartphone 
mit Wischgesten bedient werden.


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