Descripción de la base de datos resultante de las pruebas realizadas a la unidad lógica del radar LFM-CW A. J. ZOZAYA Quito, junio de 2017 El presente trabajo fue patrocinado por el Proyecto Prometeo de la Secretaría de Educación Superior, Ciencia, Tecnología e Innovación de la República del Ecuador.
Introducción El siguiente documento contiene una descripción de la base de datos generada durante la caracterización de la Unidad Lógica del prototipo de radar de apertura sintética LFM-CW. La Unidad Lógica posee dos grandes circuitos: un Modulador y un Filtro de IF. En la Fig. 1 se muestra la apariencia física de la Unidad Lógica del radar. Figura 1: Apariencia física de la Unidad Lógica del prototipo de radar de apertura sintética LFM-CW. El Modulador genera dos señales: un tren de pulsos triangulares, los cuales alimentan el VCO, sintonizándolo, y produciendo la señal chirp de RF del radar; y un tren de pulsos cuadrados, de sincronismo, los cuales ingresan por el canal izquierdo de audio al PC y sirven para ordenar las muestras de la salida del Filtro de IF y procesar la imagen del radar [1]. El Filtro de IF es un filtro activo pasobanda, de primer orden en la parte baja y de cuarto orden, a partir de dos celdas del tipo SALLEN-KEY, en la alta. La función de este filtro es suprimir, por un lado, las componentes de alta frecuencia que resultan del proceso de dechirping en la cadena de recepción del radar y, por el otro, el eco a frecuencia cero que produce el acoplamiento mutuo de las antenas [1]. 1
1. Filtro de if Ganancia Aumentar Disminuir Figura 2: Filtro de IF. Se aprecia el potenciómetro RV1 que permite ajustar la ganancia. Para probar el funcionamiento del filtro de IF se procedió de la siguiente manera: 1. Se conectó la salida del generador de señales AFG-2025 Arbitrary Function Generator, marca GWINSTEK, al punto de prueba de la Unidad Lógica identificado como y(t). El generador fue configurado inicialmente para generar una señal senoidal de 0.25 mv de amplitud a una frecuencia de 5 Hz. 2. Se conectaron las puntas de prueba de los canales 1 y 2 del osciloscopio TDS 2024B 200 MHz 2 GS/s, marca Tektronic, a los puntos de prueba y(t) y s(t) de la Unidad Lógica, respectivamente. 3. Se varió la frecuencia de generador arbitrario de funciones de manera de barrer el ancho de banda estimado del filtro de IF. Se seleccionaron las siguientes frecuencias: 5, 10, 15, 20, 50 100, 500, 1000, 2000, 4000, 8000, 10000, 12000, 16000, 24000 y 32000 Hz. 4. Se ajustó la ganancia del filtro de IF en 20 db, aproximadamente, usando el potenciómetro RV1 (ver Fig. 2). 5. En correspondencia de cada frecuencia se tomó nota del valor de la amplitud de la señal s(t) de salida del filtro, y se registró en el archivo Gvsf.csv. También se hicieron capturas tanto fotográficas como de los datos de la pantalla del osciloscopio. Las imágenes.bmp y los archivos.csv así obtenidos forman parte de la base de datos recopilada la cual acompaña a este documento. Con los datos contenidos en Gvsf.csv, usando MATLAB, se hizo una gráfica (ver Fig. 3) de la respuesta en frecuencia del filtro. En la Fig. 3 se muestran las frecuencias mínima 2
Figura 3: Respuesta en frecuencia del filtro de IF del radar LFM-CW medida en el laboratorio. f m y máxima f M de -3dB del filtro. La mínima frecuencia vale f m = 17 Hz, mientras que la máxima vale f M = 13.76 KHz. El filtro exhibe un ancho de banda de BW = 13.749 KHz. 2. Modulador El modulador posee dos potenciómetros con los cuales se ajustan la frecuencia del tren de pulsos triangulares (CRadjust1) y la pendiente del pulso triangular (f-span). En la Fig. 4 se muestra el circuito modulador de la Unidad Lógica. En dicha figura se pueden apreciar ambos potenciómetros y los sentidos en que estos deben ser ajustados para obtener un efecto determinado. Freq-span Aumentar Disminuir Chirp rate Disminuir Aumentar Figura 4: Circuito modulador de la Unidad Lógica. Se aprecian los potenciómetros CRadjust1 y f-span, los cuales permiten ajustar la tasa chirp y el ancho de banda de barrido del VCO, respectivamente. El ajuste de los parámetros de la señal de salida del modulador ha de realizarse to- 3
mando en cuenta los siguientes conceptos: 1. La frecuencia f M de corte máxima del filtro de IF en conjunto con la tasa chirp K determinan el alcance del radar. En efecto si r M es el alcance máximo del radar, se ha de cumplir de donde K 2r M c = f M K = f Mc 2r M 2. Fijado como ha sido el ancho de banda BW de RF del sistema en 24 MHZ [2], el tiempo τ de duración de la rampa de subida del pulso triangular, y por ende de la rampa de bajada también, viene determinado por τ = BW K 3. El ancho de bandabw de RF del sistema se logra haciendo variar el voltaje de sintonía del VCO en un rango V alrededor de un valor medio V 0 determinado. El voltaje V 0 debe estimular el VCO para que este genere una señal de RF a la frecuencia central de resonancia de la antena. El rango dinámico V, a su vez, ha de establecerse inicialmente con base en la hoja de especificaciones del propio VCO, y posteriormente mediante ajustes y mediciones en el laboratorio. 4. Por las razones descritas en el punto anterior la señal triangular debe realizar la excursión V de voltaje alrededor dev 0 en el tiempoτ. 5. La excursión de voltaje V se ajusta mediante el potenciómetro f-span, el cual regula la pendiente de la rampa durante el tiempoτfijado de duración. 6. La frecuencia del tren de pulsos triangulares, que se ajusta mediante el potenciómetrocradjust1, y que viene dada por determina entonces la tasa chirp. f = 1 2τ Ejemplo: escenario 1 Si postulamos como alcance máximo del radar r M = 650 m, que f M = 13.76 KHz, y que RFBW=37.2 MHz, entonces K = 20640000000 Hz/s y τ =3.6047 ms. El tren de pulsos triangulares ha de tener una frecuencia de 277 Hz. 4
Ejemplo: escenario 2 Si postulamos como alcance máximo del radar r M = 100 m, que f M = 13.76 KHz, y que RFBW=37.2 MHz, entonces K = 3175000000 Hz/s y τ =23.4302 ms. El tren de pulsos triangulares ha de tener una frecuencia de 42 Hz. Para comprobar el buen funcionamiento del Modulador se configuraron dos escenarios de prueba similares a los ejemplos anteriores. (a) 273Hz (b) 42Hz Figura 5: Captura de la pantalla del osciloscopio para dos escenarios distintos de prueba del modulador. La señal en azul consiste en un tren de pulsos triangulares y actúa como voltaje de sintonía (modulante) del VCO.La señal en naranjaesunaseñal desincronismo. En un primer escenario se ajustaron los potenciómetros CRadjust1 y f-span para generar un tren de pulsos triangulares a una frecuencia de 273 Hz y una excursión de voltaje desde 1.74 a 2.44 Voltios. En la Fig. 5(a) se muestra una captura de la pantalla del Osciloscopio TDS 2024B 200 MHz 2 GS/s, marca Tektronix, con el cual se midió la señal de salida del modulador en el test point (tp6)ramp out. En un segundo escenario se ajustaron los potenciómetros CRadjust1 y f-span para generar un tren de pulsos triangulares a una frecuencia de 42 Hz y una excursión de voltaje desde 1.62 a 2.46 Voltios. En la Fig. 5(b) se muestra una captura de la pantalla del Osciloscopio TDS 2024B 200 MHz 2 GS/s, marca Tektronix, con el cual se midió la señal de salida del modulador en el test point (tp6)ramp out. En ambos escenarios se registraron los valores medidos por el osciloscopio en archivos del tipo ċsv (42_66Hz.csv y 273Hz.csv) los cuales acompañan a este documento formando parte de la base de datos correspondiente. 5
Referencias [1] A. J. Zozaya. Análisis del radar lfm-cw del mit. Technical report, Instituto Espacial Ecuatoriano y Escuela Polotécnica Nacional, 2016. [2] A. J. Zozaya. Protocolo de prueba de las antenas del radar lfm cw y resultados de las mediciones. Technical report, Instituto Espacial Ecuatoriano y Escuela Politécnica Nacional, 2017. 6