Messungen mit tragbaren Analysatoren erfordern Präzision, Flexibilität und Langlebigkeit

Heutzutage wird es immer wichtiger, genaue HF- und Mikrowellenmessungen unter rauen Bedingungen und an schwer zugänglichen Orten durchführen zu können. Beispiele für solche Situationen sind sehr unterschiedlich: ob Tag oder Nacht, Regen oder Sonnenschein, Kälte oder Hitze, oder an Bord eines Schiffes, Flugzeugs oder Fahrzeugs. In diesen Fällen muss ein Handgerät in der Lage sein, die erforderlichen Messungen mit ausreichender Leistung und Genauigkeit durchzuführen. Diese Attribute sind von großer Bedeutung. Angesichts der erwarteten Betriebsbedingungen gelten jedoch auch die Umgebungs- und physikalischen Spezifikationen sowohl für das Instrument als auch für den Benutzer (Abbildung 1). Dieser Artikel enthält allgemeine Vorschläge und spezifische Beispiele zu den Schlüsselattributen von tragbaren Analysatoren, die unter extremen Bedingungen eingesetzt werden.

Stellen Sie eine „Widerstands“-Referenz her

Die US-Militärspezifikation MIL-PRF-28800F stellt eine Reihe von Referenzindikatoren für Prüfgeräte bereit, die beim Prüfen und Kalibrieren von elektrischen und elektronischen Geräten verwendet werden. Die Spezifikation umfasst vier Klassen, die von den „Extremen des globalen Klimabereichs“ (Klasse 1) bis hin zu kontrollierten und geschützten Betriebsumgebungen (Klasse 4) reichen.

Die Spezifikation, die 88 Seiten umfasst, ist ziemlich detailliert und verwendet 3.8 Hauptkategorien in Abschnitt 13, um Umweltanforderungen zu definieren. Sechs davon sind besonders wichtig für Handheld-Analysatoren:

• Umgebungsbedingungen (3.8.1)

• Temperatur und Feuchtigkeit (3.8.2)

• Höhe (3.8.3)

• Vibration (3.8.4)

• Mechanischer Schock (3.8.5)

• Wasserbeständigkeit (3.8.6)

Bei Einhaltung dieser Spezifikationen kann ein Gerät, das die Anforderungen der Klasse 2 erfüllt, in rauen Betriebsumgebungen betrieben werden, einschließlich ungeschützter und unkontrollierter Wetterbedingungen. Dies sind beträchtliche Hindernisse für tragbare HF- und Mikrowelleninstrumente.

Ein weiterer wichtiger Aspekt bei tragbaren Analysatoren ist der Betrieb unter explosionsgefährdeten Bedingungen. Eine der wichtigsten Referenzen in dieser Hinsicht ist die Spezifikation MIL-STD-810G, die sich mit den Umweltaspekten befasst, denen ein Gerät während seiner Nutzungsdauer ausgesetzt sein kann, und die entsprechende Labortests enthält. In dieser Norm deckt die Testmethode 511.5 den Betrieb in einer explosionsfähigen Atmosphäre ab. Bei den häufigsten Tests wird das zu testende Gerät (DUT) in einer Kammer betrieben, die mit explosiven Gasen gefüllt ist, die sich entzünden können, wenn das DUT einen Funken erzeugt. Das Bestehen dieses Tests ist entscheidend für tragbare Geräte, die in der Nähe von brennbaren Gasen oder Kraftstoffen in Flugzeugen, Fahrzeugen, Bergbaubetrieben usw. verwendet werden sollen.

Markieren Sie ein Vorher und Nachher

Wie derzeit verfügbare HF- und Mikrowelleninstrumente gezeigt haben, gibt es zwei Möglichkeiten, ein tragbares Gerät zu erstellen: Zum einen kann ein herkömmliches Tischanalysegerät neu verpackt werden, zum anderen kann ein völlig neues Instrument entwickelt werden, das für den Einsatz vor Ort entwickelt wurde . Unter Verwendung des MIL-PRF-28800F-Standards als Referenz weisen viele der heutigen „neu verpackten“ Instrumente in mehreren Schlüsselaspekten eine schlechte Leistung auf: Temperatur und Feuchtigkeit, Vibration, mechanische Erschütterung, Beständigkeit gegen Wasser und Staubbelastung. Die meisten scheitern, weil in Bezug auf bestimmte Faktoren, wie z. B. die Komponentenauswahl oder das Gehäusedesign, schlechte Entscheidungen getroffen wurden. Zum Beispiel verbrauchen Komponenten, die für den Betrieb auf einem mit Wechselstrom betriebenen Gerät ausgelegt sind, oft viel Strom, was zwei schlimme Folgen hat. Einerseits ist die Akkulaufzeit kürzer, was ein großer Nachteil ist, wenn keine Steckdose in der Nähe ist oder keine Ersatzakkus verfügbar sind. Auf der anderen Seite haben wir die Wärme, da diese Komponenten in der Regel durch Lüfter gekühlt werden müssen, was wiederum das Einbringen von Löchern erfordert, durch die Luft in das Gehäuse des Instruments gelangen kann. Mit diesen Attributen wird ein typisches neu verpacktes Design Schwierigkeiten haben, unter extremen (aber üblichen) Bedingungen zu funktionieren: Regen, Staub, Feuchtigkeit, schwankende Temperaturen usw. Stellen Sie sich eines der schlimmstmöglichen Szenarien vor: einen Tag in der Wüste, wo Sie mit einem lüftergekühlten Handheld-Gerät an Satelliten-Bodenstationen arbeiten. Sandstürme sind sehr häufig, und es ist wahrscheinlich, dass große Mengen an Fremdkörpern in das Instrument eindringen, was dazu führen kann, dass es schneller überhitzt als unter idealen Bedingungen.

von Grund auf neu gestaltet

Die Alternative zu einem modifizierten Instrument ist ein Gerät, das für einen bestimmten Zweck erstellt wurde. Im Idealfall könnten Industrie- und Elektronikdesigner bei Null anfangen. Die Gestaltungsoptionen würden der Notwendigkeit entsprechen, hochqualitative HF- und Mikrowellenmessungen in schwierigen Situationen zu erhalten. Um die im Feld benötigte Menge an Ausrüstung zu reduzieren, wäre das Gesamtdesign flexibel genug, um viele Funktionen in einem kompakten Format anzubieten: Kabel- und Antennenanalyse, Vektornetzwerkanalyse, Spektrumanalyse, Leistungsmessungen, Interferenzanalyse und Spannungsvektormessungen (Figur 2)

Erstellen von wertvollem Industriedesign auf diesem Gebiet

Um sich einen Eindruck aus erster Hand zu verschaffen, verließ das Designteam von Agilent sein Labor, um sich Technikern und Ingenieuren bei deren Außendiensttätigkeiten anzuschließen. Während Außendienstmitarbeiter routinemäßige Wartungsarbeiten durchführten, komplizierte Probleme lösten und den Rest ihrer täglichen Aktivitäten erledigten, standen Mitglieder des Agilent Designteams an ihrer Seite, beobachteten, interviewten und hörten zu. Das Team reiste mit dem Lieferwagen zu mehreren Baustellen, LKW und LKW. Normalerweise waren die "guten" Instrumente im Fahrgastraum, bei den Technikern, während die anderen Geräte (im wahrsten Sinne des Wortes) auf irgendeine Weise in den Kofferraum des Transporters oder in den Laderaum geworfen wurden der Lieferwagen. In allen Fällen mussten Menschen, Fahrzeuge und Geräte für die unterschiedlichsten Arbeitsbedingungen gerüstet sein: Tag oder Nacht, Regen oder Sonnenschein. Diese Erfahrungen haben sich in Eigenschaften niedergeschlagen, die das tragbare Analysegerät für die anspruchsvollsten Bedingungen gerüstet machen. So sorgt beispielsweise das vollständig abgedichtete Gehäuse, das die Anforderungen der US-Norm MIL-PRF-28800F Class 2 erfüllt, für Langlebigkeit in rauen Umgebungen. Gemäß dieser Spezifikation enthält das Instrument ein wasserdichtes Gehäuse, eine Tastatur und ein Gehäuse, die nassen und salzigen Umgebungen standhalten. Mit Dichtungen versehene Türen schützen die Geräteschnittstellen vor Feuchtigkeit, und ein staubdichtes Design (keine Lüftungsöffnungen oder Lüfter im Gehäuse) trägt zur Verbesserung der Geräteverfügbarkeit und -zuverlässigkeit bei. Die Baugruppe sollte auch Stößen und Vibrationen standhalten, und die Steckverbinderhalterung sollte so konstruiert sein, dass eine Beschädigung der HF-Steckverbinder im Falle eines Sturzes oder anderer äußerer Einwirkungen verhindert wird. Zwei zusätzliche Attribute werden dazu beitragen, die sechs Seiten des Geräts gegen mögliche Stürze widerstandsfähig zu machen. Die erste davon ist eine Schale mit einem gebogenen Boden und abgerundeten Ecken, die Stöße verteilen und die strukturelle Widerstandsfähigkeit gegen Stöße und Stöße aus allen Winkeln erhöhen. Ein weiteres nützliches Attribut ist die in der Hülle verwendete Polymermischung. Zusätzlich zu seiner angeborenen Haltbarkeit ist das Polymer so formuliert, dass es bei der niedrigsten Temperatur im gewünschten Betriebsbereich nicht reißt.

Definieren der idealen Ergonomie für die Feldarbeit

Die im Feld verbrachte Zeit hinterließ bleibende Erinnerungen, die sich in praktischen und positiven ergonomischen Entscheidungen niederschlugen. Beispielsweise wurde der rutschfeste Gummigriff (in das Gehäuse integriert), der fest in der Hand des Benutzers liegt, auch so konzipiert, dass das Analysegerät nicht von der Motorhaube eines Fahrzeugs rutscht. Die vertikale Ausrichtung erleichtert das Halten des Instruments. Hinzu kommt ein sorgfältig gestaltetes Tastaturlayout, sodass der Benutzer das Instrument mit den Daumen bedienen kann (Abbildung 3). Darüber hinaus ist es mit nur etwa 3,0 kg relativ einfach für längere Zeit im Feld zu transportieren. Da das Instrument Tag und Nacht, drinnen und draußen verwendet werden kann, profitiert der Benutzer von einem hellen, reflexionsarmen Display und verschiedenen Anzeigemodi, die die Anzeige bei verschiedenen Lichtverhältnissen optimieren. Darüber hinaus enthält es hintergrundbeleuchtete Tasten, um es im Dunkeln verwenden zu können.

Reduzierter Stromverbrauch

Das elektronische Design eines tragbaren Analysators erfordert ein feines (und komplexes) Gleichgewicht zwischen Leistung, Stromverbrauch, Wärme und Batterielebensdauer. Im Fall von FieldFox modifizierten die Wissenschaftler von Agilent bestehende Hochleistungschips und -technologien, um den Stromverbrauch zu reduzieren, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Das Ergebnis ist ein Analysator, der etwa 14 W verbraucht und mit einer einzigen Ladung 3,5 Stunden hält. Die Tatsache, dass die Elektronik nur 14 W verbraucht, ermöglicht es, ein vollständig geschlossenes Gehäuse einzubauen. Dieses energieeffiziente Design hat einen weiteren Vorteil: Das Gerät kann die gesamte Leistung der Spezifikation innerhalb eines Betriebstemperaturbereichs von -10 bis +55 °C bieten.

Einbindung von Workbench-Features

Für das Agilent-Team bestand der nächste Schritt darin, die erforderlichen Features und Funktionen in ein robustes, ergonomisches Design zu packen, das die oben genannten Anforderungen erfüllt. Als Ausgangspunkt nahmen sie Funktionen von Agilent Benchtop-Analysatoren, von denen viele die besten heute erhältlichen Mikrowellengeräte sind.

Für die Netzwerkanalyse nutzten die Designer die eingebaute Kalibrierungshardware und die hochpräzisen Kalibrierungsalgorithmen von High-End-Vektornetzwerkanalysatoren (VNAs), um genaue und wiederholbare Messungen zu erhalten. Die Entwickler legten Wert auf Portabilität und vereinfachten die Kalibrierung, indem sie integrierte Standards einbauten, sodass Messungen vor Ort ohne zusätzliches Zubehör durchgeführt werden konnten. Bei fast allen anderen Instrumenten erfordert das Anschließen von Geräten wie Überbrückungskabeln an den Testanschluss eine Neukalibrierung mit einem externen Kalibrierungskit, das vor Ort mitgebracht werden muss.

Um die Spektrumanalyse zu verbessern, verwendete das Designteam Leistungsmessungen, die von Agilent Benchtop-Signalanalysatoren verwendet wurden. Dies ermöglicht schnelle und genaue Leistungsmessungen von Bündelfunksystemen per Knopfdruck. Um die Genauigkeit zu verbessern, haben die Entwickler eine interne Funktion zur Amplitudenanpassung entwickelt, die automatisch aktiviert wird, wenn sich die Umgebungsbedingungen ändern. Dies bietet eine Amplitudengenauigkeit von ±0,5 dB ohne Erwärmung über einen Betriebstemperaturbereich von -10 bis +55 °C.

mehr Boden bedecken

Agilent FieldFox-Handheld-Analysatoren führen alle Ergebnisse des Designprozesses zusammen. Sowohl das Äußere als auch das Innere der Instrumente der FieldFox-Familie wurden mit Blick auf diese mobilen Anwendungen und auch mit Blick auf Endbenutzer entworfen (Abbildung 4). Innerhalb seines kompakten Formats kann ein FieldFox-Analysator als Kabel- und Antennentester (CAT), als Spektrumanalysator und als Vektornetzwerkanalysator konfiguriert werden. Es enthält unter anderem einen Leistungsmesser, ein Vektorvoltmeter, eine unabhängige Signalquelle, eine variable Gleichstromversorgung, einen Frequenzzähler, einen Interferenzanalysator und ein integriertes GPS. Die FieldFox-Familie besteht aus 16 Modellen mit maximalen Frequenzen von 4 und 6,5 GHz bei den HF-Modellen und 9, 14, 18 und 26,5 GHz bei den Mikrowellenmodellen. Dank dieser großen Flexibilität kann es verschiedenste Instrumente ersetzen. Darüber hinaus kann der Benutzer eine anfängliche „genau richtige“ Konfiguration definieren und diese später leicht mit zusätzlichen Funktionen ändern, wenn sich die Anforderungen ändern und das Budget dies zulässt. Da diese Funktionen inklusive sind, kann eine CAT-Version um beliebige andere Funktionen erweitert werden (Spektrumanalyse, Netzwerkanalyse usw.); Kaufen Sie einfach den Lizenzschlüssel und wenden Sie ihn an. Es ist weder zusätzliche Hardware erforderlich, noch muss das Instrument an das Werk zurückgesendet werden.

Um das Ganze abzurunden, ist die Produktgarantie ein wichtiger Aspekt für Instrumente, die im Feld eingesetzt werden. Während die meisten Instrumente durch eine einjährige Garantie abgedeckt sind, bieten FieldFox Handheld-Analysatoren das zusätzliche Vertrauen einer dreijährigen Garantie.

Feldmessungen

Es ist eine Sache, Mikrowellenmessungen mit einem tragbaren Instrument zu erhalten, die mit denen übereinstimmen, die mit einem Tischanalysegerät durchgeführt wurden. Eine ganz andere, diese Funktionen in einen Analysator zu integrieren, der Messungen gemäß den Anforderungen der amerikanischen Norm MIL-PRF-28800F Klasse 2 durchführt und speziell getestet wurde, um die von der Norm MIL festgelegten Tests für den Betrieb in explosionsgefährdeten Atmosphären zu bestehen -STD-810G. FieldFox-Handheld-Analysatoren bieten eine großartige Kombination aus fortschrittlichen Messfunktionen in einem langlebigen Paket und sind für routinemäßige Wartung, schwierige Fehlerbehebung und mehr gerüstet – praktisch überall dort, wo Techniker und Bediener reisen müssen.