文?Shivansh Chaudhary/Lennart Berlin

目前的雷達系統往往需經過進階測試與驗證，才能確保該系統可在復雜且混亂的通訊環境下正常運作，同時確定該系統完全符合效能規格，并可進一步充分發揮其效能特性。工程師在針對雷達系統設定自動化測試時，評估系統中最重要的儀器為RF/微波訊號產生器與頻譜分析器。訊號產生器可做為測試訊號源，用以精確模擬作業環境，而基本函式產生器則可驅動訊號產生器的脈沖和AM與FM電路。接收器中天線所接收的微弱訊號，透過具備高動態范圍與低相位雜訊的頻譜分析器，便可偵測與放大。

雷達系統考驗接收器雜訊水準

近期雷達技術越來越先進，例如主動電子掃描陣列雷達(Active Electronically Scanned Array, AESA)與多功能系統等皆有進展，因此雷達測試需求也變得越來越具挑戰性。本文將說明這些挑戰，并介紹目前可執行新一代雷達測試自動化測試設備(Automated Test Equipment, ATE)系統的測試需求。

目前的雷達系統必需能在復雜無比的訊號環境下達成目標，因此必須使用失真度比以往更低的接收器。為滿足最嚴格的接收器規格，測試需要一個可以產生低相位雜訊的訊號，且需具備優異的雜波與諧波效能。由于直接將數位域轉換為微波頻率有其難度，而反之亦然，因此有項常見的做法便是使用兩個以上的局部震蕩器(Local Oscillator, LO)來執行多階段轉換。使用多個L時，每一個LO皆必需盡快且緊密地同步化，并彼此鎖定相位。如果能在所需的頻率上越快執行相位鎖定與同步化，整體的測試與量測時間便會越快。同步化在AESA雷達中是特別重要的考量，由于一個AESA雷達中就具有幾千個與天線相連的接收器，因此每個接收器都必需經過同步化。

如上所述，測試雷達接收器可藉由多種測試訊號的訊號產生器，涵蓋范圍從脈波CW至利用頻率調變與掃頻產生的唧聲。一般而言，雷達使用脈波RF/微波訊號來執行測試，而脈波的特性將深深影響系統效能與功能。舉例來說，脈波功率會決定目標的范圍，而脈寬則會定義目標的空間解析度。在雷達測試與檢驗中，訊號產生器可做為替換LO的來源，因其低相位雜訊與高頻譜精純度能提供量測接收器更高的動態范圍與靈敏度。

有了AESA多功能雷達系統，雷達效能、穩定性與掃描速度得以大幅提升。常見的AESA架構包含數千個傳輸/接收(T/R)模組，每個模組皆搭載天線。每個T/R模組均需具備精確的相位，并使振幅相符，而這些要求是雷達測試與驗證的重大挑戰，因此使得設計更加復雜。

Giraffe 4A AESA雷達具備多功能運作彈性

AESA雷達在過去30年間不斷演進，不管在訊號處理或RF/微波的技術，都持續推陳出新，例如氮化鎵功率放大器、單晶微波積體電路(Monolithic Microwave Integrated Circuit, MMIC)與毫米波積體電路，皆是為了降低T/R模組成本。不同于傳統的機械控制陣列(Mechanically Steered Array, MSA)或被動式電子控制陣列(Passive Electronically Steered Array, PESA)雷達，AESA雷達提供傳輸/接收模組增益與相位的數位和獨立控制功能。此特性在雷達的波束賦形與波束控制的靈敏度上帶來極大的優勢。AESA雷達與傳統雷達相比穩定得多，主要是因為上千個獨立的T/R模組取代了單一通道，讓雷達得以不在停用整個系統的情況下，還能承受些許故障。

AESA的模組化方法可順暢地以更高階的元件取代T/R模組，使效能大幅提升。AESA多功能雷達的其中一個例子，就是Saab推出的Giraffe 4A雷達(Giraffe 4A Radar)(圖1)。Giraffe 4A是一款具備多功能運作彈性的軟體定義雷達，可讓操作人員視情況靈活修改訊號處理任務與波形，并在不同運作模式間切換。Giraffe 4A是絕佳的解決方案，證實在因應雷達測試的挑戰時，確實需要模組化雷達的ATE系統。Giraffe 4A雷達分別由3個功能性元件組成：激發器、接收器與天線。測試的主要需求與元件的特性描述如下：

圖1 Giraffe 4A AESA雷達

激發器

激發器的主要功能是針對接收器產生內部LO，并對傳輸器產生載波訊號。其所產生的訊號必需穩定，具備低相位雜訊與低混附內容，且能夠快速切換頻率，因為低混附內容與諧波才能傳輸排除雜訊的訊號。當清晰的LO訊號穿透接收器，接收器便能在混雜的環境下輕松偵測該訊號。

接收器

接收器的功能為粹取來自天線的微弱反射訊號，在不增添雜訊與失真的情況下將之放大，并傳送至處理器執行脈波解壓縮/訊號處理。

接收器必需具備低雜訊系數與干擾訊號的高電阻。接收器雜訊(更精確的說法是「靈敏度」)會限制雷達的涵蓋范圍，而低相位雜訊在偵測與追蹤目標的細微改變上扮演著重要的角色。接收器同時必需具備高動態范圍，以預防雜訊訊號使系統達到飽和狀態。

天線

天線接收來自電磁場(Electromagnetic, EM)的能量，并傳導激發器產生的電磁波。AESA的天線包含傳導元件與天線結構，T/R模組與相關控制電路、RF波束形成器、DC電源分配與波束控制的控制器。天線必需搭載精確的主瓣(位在最大量輻射方向的區域)與低旁瓣，以大幅降低來自他處的輻射，并針對波束賦形減少主瓣快速轉向。

模組化雷達ATE系統

為了測試并進行Giraffe 4A雷達子模組的特性描述，Saab的工程師決定選用NI PXIe-5668多階段超外差26.5GHz向量訊號分析器(Vector Signal Analyzer, VSA)。

NI的VSA除了具備低混附與諧波內容之外，還可以在765MHz瞬間頻寬中提供所需的動態范圍與合理的掃描時間。PXIe-5668R的模組化機型非常符合Saab的雷達測試臺的標準。為了突破成本與體積的限制，Saab的測試工程師使用NI PXIe的模組化儀器，設計一款內部相位雜訊量測系統。該相位雜訊量測作業將擷取到的訊號分成雙通道，使用LO訊號將其降轉為基頻類比波形，并把該類比波形傳送至示波器執行交叉相關的作業。本系統同時也使用其他PXIe儀器，例如數位I/O、用于控制降轉換器的驅動程式和切換模組、乘法器、分壓器與切換電路。整個相位雜訊量測系統則是透過LabVIEW控制。測試工程師針對天線測試的部分架設室內測試范圍并利用NI PXIe架構的模擬戰場情境模擬器，并透過LabVIEW架構的應用搭載遠端存取(圖2)。

圖2 此戰場模擬器使用NI PXIe-5663 VSA執行RF量測，其中的PXIe-5114為示波器，而PXIe-5664R向量訊號收發器運用使用者可設定的內建FPGA，來執行即時情境模擬。

透過LabVIEW，測試設定的模組化特性讓許多儀器能夠整合成先進的雷達ATE系統。本系統包含3個PXIe機箱(圖3)、5個PXIe-5654 RF訊號產生器、4個PXIe-5696振幅擴充模組、前端裝載低雜訊微波的PXIe-5668R VSA。該系統同時也包含搭載低電壓差動訊號傳輸(Low Voltage Differential Signaling, LVDS)的NI FPGA機板，主要做為傳送與接收指令至受測單位(Units Under Test, UUT)的控制器。系統還包括了NI繼電器驅動模組，可控制ATE設備內切換器，微波PXI切換模組可在ATE內連接訊號，NI PXI多功能數位電表(Digital Multimeter, DMM)與PXI多工器模組，可用來連接低頻率的訊號。除了3個PXI的機箱之外，此ATE系統具有2組19吋機架可用來置放電腦、電源分配電路、電源供應器與Virginia Panel Corporation, VPC)的介面，并提供空間能視UUT需求額外增設更多儀器訊號路徑。

圖3 Giraffe 4A雷達的3個PXIe機箱設定

圖4為ATE基礎測試設備(Base Test Equipment, BTE)常見的基礎元件，其功能列于表1。VPC介面為測試儀器與UUT間的大量互連系統，讓使用者能連接不同設備，例如根據客戶規格設計與打造的特別類型測試設備(Special Type Test Equipment, STTE)(圖5)。

圖4 BTE基礎元件提供UUT測試所需的資源

圖5 用以選擇BTE資源的VPC介面

平臺化雷達ATE帶來成本/時間優勢

如同Giraffe 4A ASEA雷達的范例所示，打造模組化雷達ATE系統需先符合幾項UUT的關鍵需求。而建置PXI架構的模組化ATE系統帶來雷達測試傳統方法所缺乏的優勢，包括成本、時間與標準化作業。

隨著目前雷達的測試挑戰持續演變、需求不斷成長，BTE函式庫也逐漸擴充、支援ATE經檢驗的驅動程式與儀器記錄功能。由于系統不停更新汰換，或無法滿足新的測試需求，傳統ATE系統往往伴隨高額的工具替換成本。

不過，PXI的開放架構卻可以確保資源有效利用，并以最適切的方式再利用產品與工程設計。圖6可見，為因應全新雷達測試需求，工程成本與時間皆有所下降。當產品越來越復雜，開發與測試的成本便會隨之升高。不過，下跌的平均售價也使得測試成本也必需隨之降低。因此，要讓此系統能持續獲利，測試的成本降低的速度便需等于或高于生產價位降低的速度。Saab采用PXIe平臺架構，成功降低測試成本，且提升效能、擴充能力與測試速度，從而縮小體積并減少功率損耗。

圖6 測試全新雷達系統所減少的ATE成本與時間

運用平臺架構的方式以標準化雷達ATE系統，能帶來可互換性。每當一項新的技術推出，它便會升級較舊版的系統，使舊款產品的使用頻率降低，或者將之淘汰。PXI平臺架構雷達ATE備有能與其他系統互通的元件，只需透過常見的程式設計與作業環境(如LabVIEW)，便可彼此結合使用。隨著時間過去，應用、操作與維護這些系統的使用者不需透過專門訓練也能使用該系統，進而省下成本。圖7說明測試策略與產品生命周期間的關系。圖中「產品」的曲線顯示在生產期間會通過測試的產品數量，「測試系統」則代表ATE的總數。此圖顯示，每新增一個額外的ATE設備，生產線的生產力便可提升超過雙倍。透過PXIe平臺架構的方式來標準化ATE，便能設立一套長效的測試策略，其與產品壽命周期呈正相關。

圖7 測試策略與產品壽命之間的關系

在建置雷達測試系統時，雷達設計師與測試工程師必需謹慎評估測試儀器的規格，進而判斷如何提高投資收益。隨著近年來多功能雷達(如AESA)越來越先進，測試系統也變得更加復雜與昂貴，促使人們開發一套先進的模組化雷達測試系統，以便能在應測試挑戰的情況下仍可降低測試成本。Saab藉由NI PXI平臺架構方法來標準化雷達ATE架構，因此能大幅減少所需的工程資源、成本與時間，而這些都是因應進階AESA雷達日漸復雜的測試挑戰不可或缺的要件。

(本文作者為NI國家儀器RF產品行銷經理)