Es ermöglicht zudem den Einsatz kleinerer Antennen. Die erhöhte Bandbreite in Kombination mit höheren Betriebsfrequenzen stellt HF-Ingenieure beim Testen von Satellitensystemen, -modulen und -komponenten vor erhebliche Herausforderungen.
Dieser Artikel beschreibt erstens die Satellitenanwendungen, in denen typischerweise Leistungsmessungen erforderlich sind, und zweitens die wichtigsten Faktoren bei der Auswahl von Leistungsmessgeräten und Sensorlösungen. Er erläutert außerdem, wie diese Lösungen Ihre Arbeit vereinfachen und die Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Abdeckung Ihrer Tests verbessern.
2.0 Satellitenanwendungen:
Leistungsmessungen sind bei satellitenbezogenen Tests unerlässlich. Die folgenden Abschnitte beschreiben beispielhaft drei Hauptanwendungen, in denen Leistungsmessungen notwendig sind:
• Kontinuierliche Überwachung der Empfangsleistung an einem Satellitenantennenturm. Aufgrund der großen Entfernung zwischen Satelliten und Bodenstationen ist das an Bodenstationen empfangene Signal in der Regel sehr schwach (weniger als -100 dBm). Dies kann sich unter bestimmten Wetterbedingungen, wie z. B. Bewölkung, hoher Luftfeuchtigkeit oder extremen Temperaturschwankungen, die zu einer hohen atmosphärischen Dämpfung führen, noch verschlimmern. Auch eine Fehlausrichtung der Antenne kann zu Leistungseinbußen führen. Die kontinuierliche Überwachung der entfernten Signale ist wichtig, um sicherzustellen, dass das empfangene Signal-Rausch-Verhältnis hoch genug ist, damit die Kommunikationsverbindung ordnungsgemäß funktioniert. Um präzise Messungen zu gewährleisten, kann ein Spektrumanalysator in Kombination mit einem Leistungssensor eingesetzt werden.
• Satellitenfertigungstests: Vor dem Start ins All muss ein Satellit sorgfältigen Tests in einer thermischen Vakuumkammer unterzogen werden, um die verschiedenen extremen Umweltbedingungen im Weltraum zu simulieren. Die mehrmonatigen Tests laufen rund um die Uhr. Dabei wechseln sich in der Kammer zyklisch hohe und niedrige Temperaturen sowie andere Umweltbedingungen ab. Über Anschlüsse an der Seite der Kammer können verschiedene Testgeräte auf mehreren Racks mit dem Satelliten in der Kammer verbunden werden. Die Leistungsmessung ist während der Testphase entscheidend, da sie die Ausgangsleistung der Sender überwacht und Instabilitäten, Leistungsspitzen und Störungen erkennt. Bis zu 20 Leistungsmesser und Sensoren können gleichzeitig an den Satelliten angeschlossen werden, um umfassende Tests im Ku- und Ka-Band durchzuführen. Die Leistungsmessungen werden etwa einmal pro Sekunde abgefragt, um Stabilität zu gewährleisten. Ein kontinuierlicher Linienschreiber ist an den Schreiberausgang des Leistungsmessers angeschlossen, um die Daten zu protokollieren. Wenn die Sendeleistung zu schwanken beginnt, schaltet die Testsoftware den Satelliten ab, um Schäden zu vermeiden. Da die Testkosten bei rund 1 Million US-Dollar pro Tag liegen, ist die Gewährleistung genauer und zuverlässiger Messungen unerlässlich.
• Komponententest für Satelliten: Wanderfeldröhrenverstärker (TWTAs) und Repeater sind essenzielle Komponenten von Satellitenkommunikationssystemen und erfordern präzise Leistungsmessungen. Transponderwellenverstärker (TWTAs) werden in Satellitentranspondern als Verstärker eingesetzt, wenn das Eingangssignal sehr schwach ist und ein höheres Ausgangssignal benötigt wird. TWTAs werden aufgrund ihres breiten Frequenzbereichs und ihrer hohen Leistungsfähigkeit häufig in Satelliten verwendet. Um sicherzustellen, dass die TWTAs ausreichend Ausgangsleistung für den korrekten Betrieb des Satellitentransponders erzeugen, muss ihre Ausgangsleistung getestet werden. Repeater hingegen dienen der Verstärkung und Weiterleitung des Signals auf einer anderen Frequenz. Sie fungieren als Empfänger, Frequenzumsetzer und Sender. Repeater, die auch als „Transponder“ bezeichnet werden, bestehen typischerweise aus einem rauscharmen Verstärker, einem Mischer oder Lokaloszillator und einem Hochleistungsverstärker, wie beispielsweise einem TWTA. Da Empfänger und Sender in Repeatern gleichzeitig und in unmittelbarer Nähe arbeiten, sind gründliche Tests erforderlich, um sicherzustellen, dass der Sender den Empfänger nicht stört.
3.0 Wichtige Faktoren bei der Auswahl von Leistungsmessern und Sensoren
Aufgrund der oben genannten vielfältigen Anforderungen ist es notwendig, alle relevanten Faktoren sorgfältig zu prüfen, um den geeigneten Leistungsmesser und Sensor auszuwählen. Einige der wichtigsten Faktoren werden im Folgenden beschrieben:
• Frequenzbereich. Viele Satellitenkommunikationssysteme arbeiten im Mikrowellenbereich, z. B. im X-Band (8 bis 12 GHz), Ku-Band (11 bis 15 GHz) und Ka-Band (18 bis 40 GHz). Es ist wichtig, einen Leistungssensor zu wählen, der diese hohen Frequenzen abdeckt.
• Langfristige Fernüberwachung. Bei Satellitenanwendungen, die die Fernüberwachung eines Satellitenantennenturms oder die Prüfung eines Satelliten in einer Vakuumkammer erfordern, kann die Entfernung zwischen Kontrollraum und Messpunkt mehrere Dutzend Meter betragen. Herkömmliche Leistungsmesser und Sensorlösungen sind durch eine maximale Kabellänge von ca. 60 Metern begrenzt. Bei USB-Leistungssensoren beträgt die maximale Kabellänge fünf Meter. Ein handelsüblicher Netzwerk-USB-Hub oder -Extender kann die maximale Kabellänge auf 90 Meter verlängern (abhängig von den Spezifikationen des Hubs oder Extenders). Der gewählte Sensor sollte zudem eine Langzeit-Datenaufzeichnung von bis zu einem Jahr ermöglichen und den Benutzer bei Überschreitung der Leistungsgrenzen warnen. Satelliten-HF-Verstärker erzeugen mehrere Zehntel Kilowatt HF-Leistung. Um Fehlfunktionen oder irreparable Schäden zu vermeiden, ist es daher wichtig, die Verstärker abzuschalten, sobald die Leistungsgrenzen überschritten werden.
Abbildung 2: Die maximale Kabellänge eines USB-Leistungssensors kann mithilfe eines Netzwerk-USB-Hubs oder -Extenders auf 90 Meter verlängert werden.
• Nullstellung und Kalibrierung: Bei der Fernüberwachung eines Satellitenantennenturms oder bei Tests in einer Vakuumkammer ist der Sensor nicht immer zugänglich. Daher muss er in der Lage sein, präzise Langzeittests ohne menschliches Eingreifen durchzuführen. Bei der Auswahl des geeigneten Leistungssensors sollten Merkmale wie interne Nullstellung und Kalibrierung sowie eine ausgezeichnete Langzeit-Desynchronisationsleistung berücksichtigt werden. Sensoren mit interner Nullpunktkorrektur und Kalibrierung integrieren eine Gleichstrom-Referenzquelle und eine Schaltschaltung. Dadurch können Anwender Nullpunktkorrektur und Kalibrierung durchführen, während der Sensor an das Prüfobjekt (DUT) angeschlossen ist. Das Anschließen und Trennen des Sensors an eine externe Kalibrierquelle entfällt, was Testzeit, Messunsicherheit und Steckerverschleiß reduziert. Der Sensor kann monatelang ohne Eingriff an den Satellitenterminals angeschlossen bleiben.
Auch der Mehrkanalbetrieb ist entscheidend. Aufgrund ihrer kompakten Bauform ohne Frontplatte verfügen USB-Leistungssensoren häufig über proprietäre Software. Es ist wichtig, einen USB-Leistungssensor zu wählen, der Messwerte von bis zu 20 Sensoren gleichzeitig überwachen und anzeigen kann. Dies ermöglicht die kontinuierliche Überwachung zahlreicher Satellitensender gleichzeitig und die Durchführung kanalübergreifender mathematischer Operationen, wie z. B. Verhältnis- und Delta-Berechnungen. Mit dieser Lösung entfällt die Notwendigkeit, Zeit und Aufwand in die Entwicklung kundenspezifischer Software zur Überwachung mehrerer Senderausgänge zu investieren.
• Leistung bei unterschiedlichen Temperaturen: Während der anspruchsvollen Tests in der Vakuumkammer ist der Satellit extremen Temperaturen ausgesetzt. Daher ist es entscheidend, dass der Leistungssensor temperaturkompensierte Kalibrierfaktoren enthält, um die Messgenauigkeit über einen weiten Temperaturbereich zu gewährleisten. Die Korrekturfaktoren werden im Speicher des Sensors hinterlegt, um Schwankungen aufgrund von Frequenzen, Leistungspegeln und Temperatur auszugleichen. Der integrierte Thermistor des Sensors erkennt Änderungen der Umgebungstemperatur, sodass der entsprechende Korrekturfaktor angewendet wird, um temperaturbedingte Desynchronisationen zu kompensieren. Dies gewährleistet eine hohe Genauigkeit des USB-Leistungssensors über einen weiten Temperaturbereich.
• Messarten: Für die routinemäßige Überwachung der Satellitenleistung sind einfache Durchschnittsleistungsmessungen, die mit den meisten Leistungsmessern oder Sensoren möglich sind, ausreichend. Ein integrierter Datenlogger-Ausgang kann jedoch sehr nützlich sein, um Messergebnisse zu archivieren. Der Recorder-Ausgang kann aktiviert werden, um eine Spannung proportional zur gemessenen Durchschnittsleistung im Bereich von 0 bis 1 V auszugeben. Dadurch kann der Benutzer einen Plotter oder einen kontinuierlichen Bandschreiber anschließen, um den Messverlauf auszudrucken. Diese Funktion ist bei der Fehlersuche sehr hilfreich.
Abbildung 3. Das Mehrfachlisten-Anzeigeformat der Agilent Power Analysis Manager N1918A Software unterstützt mehr als 20 gleichzeitige USB-Leistungssensoren.
4.0 Fazit
Satellitentests, ob von Komponenten, Modulen oder dem gesamten System, werden immer komplexer und erfordern höchste Präzision und Zuverlässigkeit. Fehler und die Nichteinhaltung von Spezifikationen können schwerwiegende Folgen haben und in manchen Fällen sogar Menschenleben gefährden. Daher müssen Hersteller qualitativ hochwertige Produkte mit maximaler Zuverlässigkeit anbieten. Effektive Satellitentests erfordern die Kombination von leistungsstarker Testausrüstung mit umfassenden Prüfverfahren, um die hohen Kundenerwartungen zu erfüllen. Mit 50 Jahren Erfahrung in der Herstellung hochwertiger Leistungsmessgeräte bietet Agilent ein breites Spektrum an Leistungsmessgeräten für präzise und zuverlässige Satellitentests. Weitere Informationen zu den von Agilent empfohlenen Leistungsmesslösungen für Satellitentests finden Sie in der Anwendungsbeschreibung auf der Seite „Tipps und Tricks zur Leistungsmessung“ (www.agilent.com/find/rfpowertips).
Sook Hua Wong (
Produktplaner, Agilent Technologies, Inc.
