Jak se dělá radar — část 2: Vysílač

Jak už možná víte, naše malinká firma na počasí již několik let sestavuje a instaluje meteorologické radary. V minulém článku jsme vám rozkryli, jak se dělá anténa. Ve druhém článku o radarech si povíme, jak elektromagnetické vlny vyrobit a jak je přijmout.

Úvod: motivace

Do úvodu předchozího článku se nevešlo, proč vlastně radary stavíme. Česká republika má státními radary dobré pokrytí, stejně tak většina západní Evropy a USA, někdy by se hodila rychlejší data než veřejná 15/10minutová, ale celkově je to dobré. To ale neplatí ani zdaleka všude, a i velmi blízko se člověk setká s nepokrytými místy. Třeba takové Chorvatsko má radary jenom v té severní části, a ta nudle táhnoucí se na jih při pobřeží je nepokrytá — radary z Itálie tam nedosvítí a okolní země (Bosna, Černá Hora) radary nemají, takže náš radar v Zadaru je aktuálně jediný široko daleko. Jinde ve světě mimo země prvního světa to je podobné, pokrytí děravé.

Pravidelně se lidi ptají, jaký tedy máme business model. Je jich hned několik:

• Síť si budujeme a informace z ní sami potřebujeme, například pro naše hyperlokální varování pro pojišťovny. To funguje tak, že když se někam blíží nebezpečné meteorologické jevy, například bouřka s krupobitím (a proto právě potřebujeme ty radary), tak pošleme zprávu klientům pojišťoven, kteří se tam nacházejí. Ti si pak zajistí majetek (uklidí věci na zahradě, dají auto pod střechu nebo na něj alespoň dají karimatku) a pojišťovna pak má méně škod.
• Data ukazujeme na webu a máme z toho příjmy z reklamy.
• Pokud jste zemědělec, provozujete povrchový důl, ropnou plošinu nebo měkký cíl, pořídíte si náš malý a levný radar a realtime uvidíte, co se na vás řítí (ty nebezpečné věci mají dostatečnou reflektivitu na to, aby to bylo vidět s lowendovým hardware).
• Pokud jste meteorologický ústav v nějaké zemi s nedostatečným pokrytím, pořídíte si náš velký super radar.

Náš zásadní selling point je cena. Velké radary mají TCO 1 M€ hardware + 1 M€ instalace a support, menší radary stojí 300–700 k€. My cílíme na desetinu, u malého early-warning radaru ještě míň. (jak? asi kombinace moderního hardwaru usnadňujícího vývoj a toho, že nejsme zkostnatělý korporát, kdo ví)

Frekvence

Pro srážkové radary se používají tři frekvenční pásma a v nich jsou pro meteorologii vyčleněny konkrétní frekvence — X-band (9.4 GHz), C-band (5.6–5.65 GHz) a S-band (2.7–3.2 GHz). Mají různé výhody a nevýhody.

Mikrovlnná frekvenční pásma (zdroj; kvůli svému OCD jsem jim musel otočit barvy v té duze)

Obecně vyšší frekvence snižuje mechanickou náročnost konstrukce, protože velikost mnoha dílů (z nichž nejpodstatnější je asi anténa, ale i vlnovody a tak) je přímo určena jako nějaký násobek vlnové délky. Například parabola s průměrem 2 metry má teoretický maximální zisk 45.8 dB na frekvenci 9.4 GHz, ale jenom 35.4 dB na 2.8 GHz. Tam by pro stejný zisk byla potřeba parabola o průměru 6.7 metru (v praxi je dosahovaný zisk asi o 3 dB nižší vlivem různých ztrát a okýnka popsaného v předchozí kapitole). Vlnovod WR90 pro X-band je taková hadice (obdélník 23x10mm), WR159 pro C-band už je slušná trubka 40x20 mm a pro S-band se pravděpodobně používá WR284 o velikosti 72x34 mm. Na druhou stranu u vyšších frekvencí je složitější konstrukce mimo vlnovody (plošné spoje) a polovodiče tam mají horší parametry.

X-band (9.4 GHz)

S X-bandovými radary jsme začali, a jsou to také všechny radary, které aktuálně produkčně provozujeme. Tomu pomohla zejména dostupnost velkého množství lodních radarů, se kterými jsme začínali. X-bandové radary používají velikosti antén mezi 1.2 a 2.4 metru, což je ještě velikost, se kterou dokáží manipulovat lidi, lze to mít v kanceláři a dá se na to najít místo na střeše nebo poměrně snadno postavit sloup. Z toho všeho vyplývá nejnižší cena, a to materiálu, instalace, provozu, prostě TCO.

Další výhodou X-bandu je, že pásmo 9.4 GHz je úplně volné, a žádost o licenci probíhá tak, že si řekneme o 50 MHz a telekomunikační úřad to prostě schválí. (mimochodem zajímavá je kolonka „poloměr obsluhované oblasti”, což je vzdálenost, po které se elektromagnetické vlny ve vzduchu poslušně zastaví :-)

Zásadní nevýhoda X-bandu je, že tahle vysoká frekvence má v atmosféře útlum, a to zejména ve vlhkém vzduchu a v dešti. Z přicházejícího deště tak nejlíp vidíte jeho začátek směrem k vám a dál už je to horší. Výsledek je, že když hodně prší okolo radaru, tak vidíme kolečko, ve kterém se většina energie rozptýlí. To se dá řešit většími anténami (1.8 a 2.4m), se kterými se to částečně prostřelí, ale nějaké stíny tam jsou pořád. Na druhou stranu pro radar včasného varování (na počasí, ne na letadla) vám tohle nemusí zas tak moc vadit, protože vás zajímá to, co se k vám blíží.

C-band (5.6 GHz)

C-bandové radary používají antény o velikosti 2.4 až 4.5 metru. C-band nabízí rozumný kompromis, kdy útlum v dešti už je dostatečně nízký na to, aby to v běžných podmínkách (při běžné intenzitě deště v našem podnebí) neosleplo, a současně byla velikost antény ještě zvládnutelná. Většina státních radarů v Evropě jsou C-bandy, a C-band je taky to, čeho jsme momentálně vyrobili prototyp, který zlepšujeme a na jaře chceme nasazovat.

Trochu problém byl, že jsem vyplnil úplně stejnou žádost, taky jsem si řekl o 50 MHz, a z ČTÚ přišlo něco ve smyslu „tak to jste se asi zbláznili”. Tohle pásmo je naopak hodně plné, kromě státních radarů jsou tu především wifi pojítka. Nakonec jsme dostali 2 MHz a jsme rádi. Ukázalo se, že ČTÚ se především bojí toho, že náš radar bude těmito wifi pojítky rušen (pro radar ČHMÚ je to velký problém, a to jsou v Brdech uprostřed ničeho, zatímco my jsme u Prahy, kde má wifi každý), a my budeme ČTÚ zaplavovat neustálými požadavky k vypátrání rušení. Jak si řekneme za chvíli, ze zkoušek nám zatím přijde, že to není tak strašné.

S-band (2.7–3.2 GHz)

S-bandové radary se dávají do míst, kde očekáváme tak extrémní srážky, že by to i C-bandový radar oslepilo. Typicky do tropů a tam kde jsou monzuny. Státní radary v USA ( NEXRAD) jsou taky S-bandové, protože prý hurikány a tornáda a tak. Mají gigantické antény s průměrem 9.1 m.

L-band (1.2–1.7 GHz)

Některé radary na letadla používají ještě nižší frekvence. Vlnová délka v L-bandu už je ale tak velká (20 cm), že s ní kapky deště nelze příliš detekovat, a proto se pro meteorologii nepoužívají. Pro letadlové radary je to ovšem i celkem žádaná vlastnost, protože mnohem lépe vidí letadla (která jsou mnohem větší než 20 cm, takže tohle v pořádku funguje) v dešti.

Vysílač

Budeme muset rádiové vlny na zvolené frekvenci nějak vytvořit. Máme na výběr dvě možnosti:

• Výkonový oscilátor — přímo osciluje na této frekvenci a má dostatečný výkon na to, aby to bylo možné přímo vysílat.
• Výkonový zesilovač — signál vyrobíme s malým výkonem nějakým konvenčním způsobem a pak ho zesílíme.

Dále máme na výběr dvě technologie provedení:

• Vakuová technika (elektronky) — ačkoli ve většině aplikací (počítače, televize, audio…) jsou už dávno překonané, ve výkonové vysokofrekvenční technice se stále drží.
• Polovodiče (solid-state), v tomto případě dnes většinou na bázi galium-nitridových (GaN) tranzistorů, ve starších konstrukcích se používaly i bipolární tranzistory.

Magnetron

Magnetron je elektronka, výkonový oscilátor. Skládá se z komory, uprostřed které je žhavení, a okolo jsou komůrky. To celé je umístěno v magnetickém poli. Když se na to připojí napětí, začnou elektrony lítat od katody k anodě, ale v magnetickém poli se stáčí, a pomocí těch dutin to celé začne nějak rezonovat. A rezonuje to přímo na té mikrovlnné frekvenci.

Do té komory je strčená sonda, což je tenký drátek, kterým se mikrovlny odebírají, a druhý konec drátku dělá sondu do vlnovodu [coaxial to waveguide adapter], což je standardní způsob, jak ve vlnovodu vybudit elektromagnetickou vlnu (je to cancourek o správné délce a ve správné vzdálenosti od zadní stěny).

Teď si někdo určitě vzpomene, že magnetron je přece v každé mikrovlnce, tak proč nevzít mikrovlnku a nemít z toho radar. Kromě toho, že mikrovlnka je na 2.4 GHz, a tedy by potřebovala výše zmíněnou nesmyslně velkou anténu, je tu ještě dost zásadní rozdíl v preciznosti výroby těch dutin. Na následujících dvou obrázcích je spektrum mikrovlnky a spektrum státního radaru v Brdech (5630 MHz). To vzniklo tak, že jsem vylezl na střechu, ze které jsou vidět Brdy, připojil jsem k bladeRF výše vyobrazený adaptér z koaxu na vlnovod, a namířil jsem to dírou na Brdy. Mikrovlnka nemá úplně fér pozici, protože se v ní točil hrnek s vodou, a to může magnetron rozlaďovat (mění se parametry rezonanční dutiny), ale ¯\_(ツ)_/¯.

Jak vidíte, radar dělá krásný kopeček na přidělené frekvenci, zatímco mikrovlnka courá úplně od Šumavy k Tatrám (pozn. ten peak přesně uprostřed je DC, magnetron je to 2476 + zrcadlo na 2483.5) a bylo dost složité vůbec tento záznam pořídit, protože z toho 20MHz okna co tam je vidět po chvíli vyjede kdovíkam. Kromě toho, že tímto způsobem nejste schopni dodržet jakýkoli frekvenční příděl a budete rušit všechny okolo, to má problém v tom, že by to stejně moc nefungovalo: protože je to kvůli nestabilitě extrémně širokopásmové, tak musíte mít na vstupu přijímače velmi široký filtr, ale tím současně budete brát spoustu rušení a budete mít špatné SNR. Zatímco u precizního magnetronu do radaru můžete mít filtr široký ani ne 1 MHz a tím berete rušení mnohem méně.

Mimochodem ptal jsem se, jak se magnetron ladí. Na tom našem magnetronu je z výroby v nějakém místě přilepený takový slabě magnetický plíšek, tipuji, že to je přesně na doladění (vyrobí to, a pak to testují a mění polohu plíšku až to dobře funguje). Pak mi ještě jeden radarový inženýr říkal, že se to dělá tak, že se část té komory udělá pružná a normálně se to mechanicky deformuje a tím se to ladí.

Časový plán vysílání a přijímač magnetronového radaru

Vyvstává otázka, jak se vlastně radar s magnetronem používá. Magnetron nelze nijak modulovat, buď to samo kmitá, nebo ne. Můžete to jen zapínat a vypínat. Takže se to dělá tak, že se vysílají krátké pulzy, tj. nemodulovaná nosná s obdélníkovou obálkou. A přijímač je detektor obálky.

Jak dlouhé/krátké ty vysílané pulzy mají být? Odraz pulzu od nějakého cíle vám po přijetí amplitudovou detekcí nakreslí obdélníček. Délka obdélníčku odpovídá „délce” pulzu když letí prostorem, takže např. pulz trvající 1 μs je dlouhý 300 m. A když máte dva cíle kousek za sebou, tak se vám obdélníčky začnou překrývat a už je nedokážete rozlišit. Takže délka pulzu určuje rozlišení ve vzdálenosti. Pulz dlouhý 1 μs má rozlišení 150 m (je to polovina, protože to letí tam a zpátky) a to je tak rozumné rozlišení co od radaru chceme (snesly by se o něco delší pulzy, třeba 2μs/300m je ještě dobré).

Jak často můžeme pulzy vysílat? Vyšleme pulz, a pak musíme poslouchat, co se vrátí, a během té doby nemůžeme vysílat. Odraz od cíle vzdáleného 150 km přijde za 1 ms. A my bychom radarem chtěli vidět alespoň těch 150 km, radši ještě dál. Opakovací frekvence [pulse repetition frequency] tak bude 500–1000 Hz.

Z výše uvedeného vyplývá, že činitel plnění [duty cycle] je 1:1000 (1 μs vysíláme a 1 ms posloucháme). Současně si asi dokážete představit (pokud ne, tak vám to říkám :), že k tomu, abyste se spolehlivě dovolali na 150 km, budou potřeba tak desítky W. Jenže my můžeme vysílat jenom tisícinu času, takže k tomu, abychom dosáhli průměrného výkonu např. 25 W, musí mít pulzy špičkový výkon 25 kW. A protože účinnost magnetronu je tak 30 %, tak do něj musíme musíme spínat 75 kW. A to je ještě „malý X-bandový radar”, státní radar má výkon ještě 10x větší (250 kW špička). A teď všechny ty vlnovody, kabely co k tomu vedou a tak musí být dimenzované na tyhle šílené výkony, a někde v radaru máte drát, kterým vám teče 250 V/300 A. A kousek od toho máte citlivý přijímač.

Ještě k tomu jak se dělá ten vysílač s magnetronem. Je tam kondenzátorová banka, banka IGBT tranzistorů a transformátor, který z toho udělá nějakých 8 kV anodové napětí pro magnetron. A tranzistory dělají ty 1μs pulzy.

Celé tohle je pain provozovat, protože těmito bombami se rozrušuje přesná struktura rezonančních komor a postupně to začne rezonovat špatně, rozpadne se spektrum a pak to vypadá jako ta mikrovlnka z obrázku výše. Životnost magnetronu je tak omezená, u nás vydrží tak 2–3 roky, a musí se měnit, což jednak stojí prachy a jednak je s tím opruz, protože se tam musí chodit (jinak jsou naše radary plně automatické, a už jsme to odladili tak, že to opravdu funguje ty 2–3 roky bez zásahu).

Další elektronky — klystron, permaktron

Klystron a permaktron jsou výkonové zesilovače. Letí jimi elektronový svazek a ten můžeme zpomalovat a zrychlovat, což moduluje signál. Jsou drahé a jejich provoz je mnohem složitější než provoz magnetronu (například tím jak je uvnitř spousta věcí, tak se musí pravidelně dočerpávat vakuum), takže to nechceme.

Polovodičový zesilovač a radar s kompresí pulzu

Místo elektronek můžeme použít tranzistory — nejdříve bipolární, ale nyní GaN. Výkon individuálního tranzistoru chodícího na těchto frekvencích je podstatně nižší než výkon magnetronu — aktuálně je špička na trhu 400 W pro C-band a 130 W pro X-band, ale můžeme jich zapojit víc paralelně (a je potřeba to udělat tak, aby se signál sloučil se souhlasnou fází a celé se to tak sečetlo). I tak nebude výkon srovnatelný s elektronkami, budou to maximálně kilowatty. Ale to nevadí, protože tranzistory můžeme na rozdíl od magnetronu modulovat.

Výše jsme dospěli k tak vysokým špičkovým výkonům, protože opakovací frekvence byla daná požadovaným dosahem (s tím nic neuděláme), a délka vysílaného pulzu přímo určovala rozlišení, protože jsme vysílali nemodulovanou nosnou a neuměli jsme nic lepšího než kreslit okamžitou amplitudu, což nám dělalo ty obdélníčky.

S tranzistory ale můžeme vysílat libovolný signál, protože si můžeme doslova postavit SDR s kilowattovým koncákem. Můžeme tak vysílat třeba dlouhou pseudonáhodnou sekvenci, a přijímač už může být chytřejší než amplitudová detekce, bude v přijatém signálu tuto pseudonáhodnou sekvenci hledat (jako když GPS přijímač hledá satelity) a pak určí její zarovnání a amplitudu a tím přesně určí vzdálenost, podstatně přesněji než je délka pulzu. Naivní implementace je jednoduchá, udělá se crosskorelace přijatého a vyslaného signálu a její výsledek je přímo obraz toho co radar vidí. Tomuhle se říká komprese pulzu a myslí se tím komprese v čase, tj. pulz, který by vypadal jako dlouhý obdélník, se tímto smrskne zase na malý pixel.

Uvedené má mnoho výhod:

• Vysílaný signál může být podstatně delší, například můžeme 100 μs vysílat a 1 ms přijímat, takže koeficient plnění je místo 1:1000 už jenom 1:10 a stačí nám vysílat 100x nižším výkonem a přitom dostaneme do cíle stejnou energii.
• Zatímco u amplitudové detekce jsme na displeji viděli libovolný zdroj rušení, který vysílal na stejné frekvenci jako náš radar (a takových je dost, například širokopásmové jiskření z kartáčků motoru), zde používáme korelaci s dlouhou náhodnou sekvencí, a vidíme zdroj rušení jenom pokud souhlasí frekvence a ještě se trefí tak, že bude mít s touto náhodnou sekvencí nezanedbatelnou korelaci. Pokud třeba budeme vysílat výstup kvalitního náhodného generátoru, tak se cizí signály zkorelují do nuly. A to je přesně to s těmi wifinami, o kterých jsem psal výše — zhoršují nám dynamický rozsah přijímače, ale přímo nás neruší.
• Dle prvního bodu tedy víme, že máme 100násobný zisk. Druhý bod nám taky přispěje, ale bude hodně záviset na tom, jak zarušené je prostředí, ve kterém radar provozujeme. Někteří výrobci tvrdí, že zisk z druhého bodu je 10x, takže celkově 25W solid-state radar odpovídá 25kW magnetronovému radaru. My jsme zatím testovali pouze jeden solid-state radar a druhý vyvíjíme, takže nemáme úplně velký vzorek na srovnání, ale vypadá to, že to je spíš tak někde na půl cesty a ten celkový faktor je tak kolem 300–500.
• Celé zařízení může být konstruováno na podstatně nižší špičkový výkon.
• Možná je to zdravější, protože je asi horší do lidí napálit velikou bombu než 100x delší vysílání se 100x nižším výkonem. (na druhou stranu české i evropské hygienické limity počítají s dlouho průměrovaným výkonem, takže z jejich hlediska je to jedno, a výzkum působení elektromagnetického pole na organismy nedokázal zjistit nic)

Cirkulátor

Výše jsem operoval s vysílačem a přijímačem a bralo se samo sebou že to je připojené k anténě a funguje to. No jo, ale jak můžeme k anténě připojit vysílač i přijímač tak, aby vysílaný signál šel z vysílače do antény, přijímaný signál šel z antény do přijímače, a nešel signál těmi špatnými cestami (z vysílače do přijímače, z antény zpět do vysílače atd.)?

Jedna z možností by byl časový duplex — přepínač, kdy bychom při vysílání přepnuli anténu k vysílači, a při příjmu bychom přepnuli anténu k přijímači. Udělat dostatečně rychlý (přepnutí musí proběhnout během několika μs — například 10 μs znamená, že radar neuvidí žádný cíl bližší než 1.5 km), tedy elektronický, přepínač, který zvládne kilowattové výkony, je složité.

Naštěstí existuje jedna součástka, kterou dealují mikrovlnní šamani: cirkulátor.

Součástka zařizuje to, co naznačuje schématická značka. Signál jde z portu 1 do portu 2, z portu 2 do portu 3, a z portu 3 do portu 1, a ne naopak. Funguje to zase tak, že uvnitř je vhodně vybroušený otvor a dva feritové magnety (ty černé kotoučky), mezi kterými se vlny začnou nějak točit a celé to takhle dopadne (Wikipedie o tom tvrdí: cancellation of waves propagating over two different paths near a magnetized material).

Ochrana přijímače

Cirkulátor má omezenou izolaci — typicky kolem 25 dB, tj. řádově desetiny procenta signálu prosáknou špatným směrem. Dále anténa nedokáže vyzářit všechno co do ní pustíme a část se nám vrátí, řádově něco pod procento ( stojaté vlny). Celkem tedy musíme počítat až s párprocentním průsakem přímo z vysílače do přijímače. V případě magnetronového radaru se špičkovým výkonem 250 kW tohle je opravdu hodně, několik kW. A u malého solid-state radaru to bude pár W. Oproti tomu přijímač musí začínat co nejcitlivějším delikátním předzesilovačem, aby slabý signál zesílil s co nejnižším šumem, a když se do toho pustí tento výkon, tak se to prorazí. Takže přijímač musíme chránit.

Nejstarší ochrana je iontovka. Je to kus vlnovodu se špičatými elektrodami, mezi kterými se zapálí výboj (je to plněno asi nějakým neonem, a ještě se tomu pomáhá předionizací radioaktivním zářičem). Tohle má výhodu v tom, že to dokáže zarazit libovolně velký výkon, a nevýhodu v tom, že zapálení chvíli trvá (takže na začátku je kratičký impulz), elektrody postupně odhořívají, není to skladem a stojí to nesmysl.

Díky tomu, že teď jdeme po radarech s kompresí pulzu, a máme tak menší špičkové výkony, můžeme se zbavit i této ne-solidstate věci. Přišel jsem s tím, že před přijímač zapojím dvě Schottkyho diody antiparalelně, což omezí amplitudu na 0.5V a nazdar. Šaman mi dal speciální Schottkyho diody, co mají malou kapacitu, dobrou impedanci a tak.

Iontovka i Schottky se chovají jako zkrat, takže se proniknutý výkon odrazí a putuje cirkulátorem o port dál, tentokrát do vysílače, kde z toho taky nejsou šťastní (pokud nevíte, že zkrat znamená odraz, tak tady to týpek krásně ukazuje s tyčkama).

Další možnost je spínat to do odporu, což je lepší, protože to neodráží (ekvivalent toho kelímku s vodou na odkazovaném demonstračním videu). Výše jsme si řekli, že přepínat kilowatty jde špatně, ale tady máme už jenom pár W, takže to půjde dobře. Nevýhoda je, že tento spínač musí být synchronizovaný s vysíláním radaru, a pokud v této části kódu uděláte chybu, tak spálíte přijímač.

Co říci závěrem

Pokud jste dočetli až sem, tak jste nejenom trpělivý čtenář, ale očividně i nadšenec do radarů. Už tedy víte, jak signál vytvořit i jak ho skrze anténu poslat dál. Příště vám prozradíme další kousky z naší než-už-tak-úplně tajné radarové kuchyně.

Originally published at https://www.abclinuxu.cz.