多功能雷達(dá)增加測(cè)試成本模組化測(cè)試平臺(tái)滿足需求

文?Shivansh Chaudhary/Lennart Berlin

目前的雷達(dá)系統(tǒng)往往需經(jīng)過進(jìn)階測(cè)試與驗(yàn)證，才能確保該系統(tǒng)可在復(fù)雜且混亂的通訊環(huán)境下正常運(yùn)作，同時(shí)確定該系統(tǒng)完全符合效能規(guī)格，并可進(jìn)一步充分發(fā)揮其效能特性。工程師在針對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)定自動(dòng)化測(cè)試時(shí)，評(píng)估系統(tǒng)中最重要的儀器為RF/微波訊號(hào)產(chǎn)生器與頻譜分析器。訊號(hào)產(chǎn)生器可做為測(cè)試訊號(hào)源，用以精確模擬作業(yè)環(huán)境，而基本函式產(chǎn)生器則可驅(qū)動(dòng)訊號(hào)產(chǎn)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(hào)，透過具備高動(dòng)態(tài)范圍與低相位雜訊的頻譜分析器，便可偵測(cè)與放大。

雷達(dá)系統(tǒng)考驗(yàn)接收器雜訊水準(zhǔn)

近期雷達(dá)技術(shù)越來越先進(jìn)，例如主動(dòng)電子掃描陣列雷達(dá)(Active Electronically Scanned Array, AESA)與多功能系統(tǒng)等皆有進(jìn)展，因此雷達(dá)測(cè)試需求也變得越來越具挑戰(zhàn)性。本文將說明這些挑戰(zhàn)，并介紹目前可執(zhí)行新一代雷達(dá)測(cè)試自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備(Automated Test Equipment, ATE)系統(tǒng)的測(cè)試需求。

目前的雷達(dá)系統(tǒng)必需能在復(fù)雜無比的訊號(hào)環(huán)境下達(dá)成目標(biāo)，因此必須使用失真度比以往更低的接收器。為滿足最嚴(yán)格的接收器規(guī)格，測(cè)試需要一個(gè)可以產(chǎn)生低相位雜訊的訊號(hào)，且需具備優(yōu)異的雜波與諧波效能。由于直接將數(shù)位域轉(zhuǎn)換為微波頻率有其難度，而反之亦然，因此有項(xiàng)常見的做法便是使用兩個(gè)以上的局部震蕩器(Local Oscillator, LO)來執(zhí)行多階段轉(zhuǎn)換。使用多個(gè)L時(shí)，每一個(gè)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(zhí)行相位鎖定與同步化，整體的測(cè)試與量測(cè)時(shí)間便會(huì)越快。同步化在AESA雷達(dá)中是特別重要的考量，由于一個(gè)AESA雷達(dá)中就具有幾千個(gè)與天線相連的接收器，因此每個(gè)接收器都必需經(jīng)過同步化。

如上所述，測(cè)試?yán)走_(dá)接收器可藉由多種測(cè)試訊號(hào)的訊號(hào)產(chǎn)生器，涵蓋范圍從脈波CW至利用頻率調(diào)變與掃頻產(chǎn)生的唧聲。一般而言，雷達(dá)使用脈波RF/微波訊號(hào)來執(zhí)行測(cè)試，而脈波的特性將深深影響系統(tǒng)效能與功能。舉例來說，脈波功率會(huì)決定目標(biāo)的范圍，而脈寬則會(huì)定義目標(biāo)的空間解析度。在雷達(dá)測(cè)試與檢驗(yàn)中，訊號(hào)產(chǎn)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(cè)接收器更高的動(dòng)態(tài)范圍與靈敏度。

有了AESA多功能雷達(dá)系統(tǒng)，雷達(dá)效能、穩(wěn)定性與掃描速度得以大幅提升。常見的AESA架構(gòu)包含數(shù)千個(gè)傳輸/接收(T/R)模組，每個(gè)模組皆搭載天線。每個(gè)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(dá)測(cè)試與驗(yàn)證的重大挑戰(zhàn)，因此使得設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。

Giraffe 4A AESA雷達(dá)具備多功能運(yùn)作彈性

AESA雷達(dá)在過去30年間不斷演進(jìn)，不管在訊號(hào)處理或RF/微波的技術(shù)，都持續(xù)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(tǒng)的機(jī)械控制陣列(Mechanically Steered Array, MSA)或被動(dòng)式電子控制陣列(Passive Electronically Steered Array, PESA)雷達(dá)，AESA雷達(dá)提供傳輸/接收模組增益與相位的數(shù)位和獨(dú)立控制功能。此特性在雷達(dá)的波束賦形與波束控制的靈敏度上帶來極大的優(yōu)勢(shì)。AESA雷達(dá)與傳統(tǒng)雷達(dá)相比穩(wěn)定得多，主要是因?yàn)樯锨€(gè)獨(dú)立的T/R模組取代了單一通道，讓雷達(dá)得以不在停用整個(gè)系統(tǒng)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(dá)的其中一個(gè)例子，就是Saab推出的Giraffe 4A雷達(dá)(Giraffe 4A Radar)(圖1)。Giraffe 4A是一款具備多功能運(yùn)作彈性的軟體定義雷達(dá)，可讓操作人員視情況靈活修改訊號(hào)處理任務(wù)與波形，并在不同運(yùn)作模式間切換。Giraffe 4A是絕佳的解決方案，證實(shí)在因應(yīng)雷達(dá)測(cè)試的挑戰(zhàn)時(shí)，確實(shí)需要模組化雷達(dá)的ATE系統(tǒng)。Giraffe 4A雷達(dá)分別由3個(gè)功能性元件組成：激發(fā)器、接收器與天線。測(cè)試的主要需求與元件的特性描述如下：

圖1 Giraffe 4A AESA雷達(dá)

激發(fā)器

激發(fā)器的主要功能是針對(duì)接收器產(chǎn)生內(nèi)部LO，并對(duì)傳輸器產(chǎn)生載波訊號(hào)。其所產(chǎn)生的訊號(hào)必需穩(wěn)定，具備低相位雜訊與低混附內(nèi)容，且能夠快速切換頻率，因?yàn)榈突旄絻?nèi)容與諧波才能傳輸排除雜訊的訊號(hào)。當(dāng)清晰的LO訊號(hào)穿透接收器，接收器便能在混雜的環(huán)境下輕松偵測(cè)該訊號(hào)。

接收器

接收器的功能為粹取來自天線的微弱反射訊號(hào)，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(zhí)行脈波解壓縮/訊號(hào)處理。

接收器必需具備低雜訊系數(shù)與干擾訊號(hào)的高電阻。接收器雜訊(更精確的說法是「靈敏度」)會(huì)限制雷達(dá)的涵蓋范圍，而低相位雜訊在偵測(cè)與追蹤目標(biāo)的細(xì)微改變上扮演著重要的角色。接收器同時(shí)必需具備高動(dòng)態(tài)范圍，以預(yù)防雜訊訊號(hào)使系統(tǒng)達(dá)到飽和狀態(tài)。

天線

天線接收來自電磁場(chǎng)(Electromagnetic, EM)的能量，并傳導(dǎo)激發(fā)器產(chǎn)生的電磁波。AESA的天線包含傳導(dǎo)元件與天線結(jié)構(gòu)，T/R模組與相關(guān)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(qū)域)與低旁瓣，以大幅降低來自他處的輻射，并針對(duì)波束賦形減少主瓣快速轉(zhuǎn)向。

模組化雷達(dá)ATE系統(tǒng)

為了測(cè)試并進(jìn)行Giraffe 4A雷達(dá)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(hào)分析器(Vector Signal Analyzer, VSA)。

NI的VSA除了具備低混附與諧波內(nèi)容之外，還可以在765MHz瞬間頻寬中提供所需的動(dòng)態(tài)范圍與合理的掃描時(shí)間。PXIe-5668R的模組化機(jī)型非常符合Saab的雷達(dá)測(cè)試臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)。為了突破成本與體積的限制，Saab的測(cè)試工程師使用NI PXIe的模組化儀器，設(shè)計(jì)一款內(nèi)部相位雜訊量測(cè)系統(tǒng)。該相位雜訊量測(cè)作業(yè)將擷取到的訊號(hào)分成雙通道，使用LO訊號(hào)將其降轉(zhuǎn)為基頻類比波形，并把該類比波形傳送至示波器執(zhí)行交叉相關(guān)的作業(yè)。本系統(tǒng)同時(shí)也使用其他PXIe儀器，例如數(shù)位I/O、用于控制降轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)程式和切換模組、乘法器、分壓器與切換電路。整個(gè)相位雜訊量測(cè)系統(tǒng)則是透過LabVIEW控制。測(cè)試工程師針對(duì)天線測(cè)試的部分架設(shè)室內(nèi)測(cè)試范圍并利用NI PXIe架構(gòu)的模擬戰(zhàn)場(chǎng)情境模擬器，并透過LabVIEW架構(gòu)的應(yīng)用搭載遠(yuǎn)端存取(圖2)。

圖2 此戰(zhàn)場(chǎng)模擬器使用NI PXIe-5663 VSA執(zhí)行RF量測(cè)，其中的PXIe-5114為示波器，而PXIe-5664R向量訊號(hào)收發(fā)器運(yùn)用使用者可設(shè)定的內(nèi)建FPGA，來執(zhí)行即時(shí)情境模擬。

透過LabVIEW，測(cè)試設(shè)定的模組化特性讓許多儀器能夠整合成先進(jìn)的雷達(dá)ATE系統(tǒng)。本系統(tǒng)包含3個(gè)PXIe機(jī)箱(圖3)、5個(gè)PXIe-5654 RF訊號(hào)產(chǎn)生器、4個(gè)PXIe-5696振幅擴(kuò)充模組、前端裝載低雜訊微波的PXIe-5668R VSA。該系統(tǒng)同時(shí)也包含搭載低電壓差動(dòng)訊號(hào)傳輸(Low Voltage Differential Signaling, LVDS)的NI FPGA機(jī)板，主要做為傳送與接收指令至受測(cè)單位(Units Under Test, UUT)的控制器。系統(tǒng)還包括了NI繼電器驅(qū)動(dòng)模組，可控制ATE設(shè)備內(nèi)切換器，微波PXI切換模組可在ATE內(nèi)連接訊號(hào)，NI PXI多功能數(shù)位電表(Digital Multimeter, DMM)與PXI多工器模組，可用來連接低頻率的訊號(hào)。除了3個(gè)PXI的機(jī)箱之外，此ATE系統(tǒng)具有2組19吋機(jī)架可用來置放電腦、電源分配電路、電源供應(yīng)器與Virginia Panel Corporation, VPC)的介面，并提供空間能視UUT需求額外增設(shè)更多儀器訊號(hào)路徑。

圖3 Giraffe 4A雷達(dá)的3個(gè)PXIe機(jī)箱設(shè)定

圖4為ATE基礎(chǔ)測(cè)試設(shè)備(Base Test Equipment, BTE)常見的基礎(chǔ)元件，其功能列于表1。VPC介面為測(cè)試儀器與UUT間的大量互連系統(tǒng)，讓使用者能連接不同設(shè)備，例如根據(jù)客戶規(guī)格設(shè)計(jì)與打造的特別類型測(cè)試設(shè)備(Special Type Test Equipment, STTE)(圖5)。

圖4 BTE基礎(chǔ)元件提供UUT測(cè)試所需的資源

圖5 用以選擇BTE資源的VPC介面

平臺(tái)化雷達(dá)ATE帶來成本/時(shí)間優(yōu)勢(shì)

如同Giraffe 4A ASEA雷達(dá)的范例所示，打造模組化雷達(dá)ATE系統(tǒng)需先符合幾項(xiàng)UUT的關(guān)鍵需求。而建置PXI架構(gòu)的模組化ATE系統(tǒng)帶來雷達(dá)測(cè)試傳統(tǒng)方法所缺乏的優(yōu)勢(shì)，包括成本、時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)。

隨著目前雷達(dá)的測(cè)試挑戰(zhàn)持續(xù)演變、需求不斷成長(zhǎng)，BTE函式庫(kù)也逐漸擴(kuò)充、支援ATE經(jīng)檢驗(yàn)的驅(qū)動(dòng)程式與儀器記錄功能。由于系統(tǒng)不停更新汰換，或無法滿足新的測(cè)試需求，傳統(tǒng)ATE系統(tǒng)往往伴隨高額的工具替換成本。

不過，PXI的開放架構(gòu)卻可以確保資源有效利用，并以最適切的方式再利用產(chǎn)品與工程設(shè)計(jì)。圖6可見，為因應(yīng)全新雷達(dá)測(cè)試需求，工程成本與時(shí)間皆有所下降。當(dāng)產(chǎn)品越來越復(fù)雜，開發(fā)與測(cè)試的成本便會(huì)隨之升高。不過，下跌的平均售價(jià)也使得測(cè)試成本也必需隨之降低。因此，要讓此系統(tǒng)能持續(xù)獲利，測(cè)試的成本降低的速度便需等于或高于生產(chǎn)價(jià)位降低的速度。Saab采用PXIe平臺(tái)架構(gòu)，成功降低測(cè)試成本，且提升效能、擴(kuò)充能力與測(cè)試速度，從而縮小體積并減少功率損耗。

圖6 測(cè)試全新雷達(dá)系統(tǒng)所減少的ATE成本與時(shí)間

運(yùn)用平臺(tái)架構(gòu)的方式以標(biāo)準(zhǔn)化雷達(dá)ATE系統(tǒng)，能帶來可互換性。每當(dāng)一項(xiàng)新的技術(shù)推出，它便會(huì)升級(jí)較舊版的系統(tǒng)，使舊款產(chǎn)品的使用頻率降低，或者將之淘汰。PXI平臺(tái)架構(gòu)雷達(dá)ATE備有能與其他系統(tǒng)互通的元件，只需透過常見的程式設(shè)計(jì)與作業(yè)環(huán)境(如LabVIEW)，便可彼此結(jié)合使用。隨著時(shí)間過去，應(yīng)用、操作與維護(hù)這些系統(tǒng)的使用者不需透過專門訓(xùn)練也能使用該系統(tǒng)，進(jìn)而省下成本。圖7說明測(cè)試策略與產(chǎn)品生命周期間的關(guān)系。圖中「產(chǎn)品」的曲線顯示在生產(chǎn)期間會(huì)通過測(cè)試的產(chǎn)品數(shù)量，「測(cè)試系統(tǒng)」則代表ATE的總數(shù)。此圖顯示，每新增一個(gè)額外的ATE設(shè)備，生產(chǎn)線的生產(chǎn)力便可提升超過雙倍。透過PXIe平臺(tái)架構(gòu)的方式來標(biāo)準(zhǔn)化ATE，便能設(shè)立一套長(zhǎng)效的測(cè)試策略，其與產(chǎn)品壽命周期呈正相關(guān)。

圖7 測(cè)試策略與產(chǎn)品壽命之間的關(guān)系

在建置雷達(dá)測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，雷達(dá)設(shè)計(jì)師與測(cè)試工程師必需謹(jǐn)慎評(píng)估測(cè)試儀器的規(guī)格，進(jìn)而判斷如何提高投資收益。隨著近年來多功能雷達(dá)(如AESA)越來越先進(jìn)，測(cè)試系統(tǒng)也變得更加復(fù)雜與昂貴，促使人們開發(fā)一套先進(jìn)的模組化雷達(dá)測(cè)試系統(tǒng)，以便能在應(yīng)測(cè)試挑戰(zhàn)的情況下仍可降低測(cè)試成本。Saab藉由NI PXI平臺(tái)架構(gòu)方法來標(biāo)準(zhǔn)化雷達(dá)ATE架構(gòu)，因此能大幅減少所需的工程資源、成本與時(shí)間，而這些都是因應(yīng)進(jìn)階AESA雷達(dá)日漸復(fù)雜的測(cè)試挑戰(zhàn)不可或缺的要件。

(本文作者為NI國(guó)家儀器RF產(chǎn)品行銷經(jīng)理)