雷達系統測試（三）：雷達系統關鍵射頻功率量測：脈衝、雜訊與電子反制技術剖析
隨著為現代應用開發的新技術，不斷推動民用和軍用雷達系統的設計與性能標準，雷達技術正經歷著持續的演進，若排除 2020 年 COVID-19 的影響，過去十年來，民航客運量每年增長 4% 至 8%，同時軍用雷達系統也面臨持續的壓力，需要應對日益複雜的威脅，在雷達系統不斷演進的背景下，用於測試這些先進雷達技術的儀器，其面臨的要求從未如此嚴苛，儘管測試需求會因雷達系統的類型而異，但 射頻功率量測 (RF power measurements) 始終是驗證雷達性能不可或缺的核心環節。本文將深入概覽對於現今雷達系統正常運作至關重要的 射頻功率量測，並介紹相關測試設備的最新技術發展。
測距儀與都卜勒 VHF 全向信標雷達
測距儀 (Distance Measuring Equipment，DME) 作為一種關鍵的導航輔助工具，能協助飛行員精確計算機載 DME 與地面站之間的視線距離，也就是所謂的斜距 (slant range)，其運作原理是，機載 DME 首先會在指定頻道上向地面站發送一個詢問脈衝，其頻率範圍通常落在 960 MHz 至 1215 MHz 之間，脈衝間距和載波頻率均由頻道分配精確決定，地面 DME 在接收到訊號後，會於一個已知的延遲時間後向飛機回送一個應答脈衝，但此應答訊號遵循特定的脈衝間距，並在與初始詢問頻段偏移 63 MHz 的頻率上傳輸，DME 航空系統正是透過量測此無線電訊號往返所需的時間，來精算出斜距值，進而輔助空中交通管制執行各項職責，例如規劃飛行路徑、飛機下降、執行降落程序以及滿足其他導航需求。DME 已廣泛應用於全球航空業，並嚴格遵循由 航空無線電技術委員會 (TCA)、國際民航組織 (ICAO) 和 歐盟航空安全局 (EASA) 等專業機構所制定的國際標準。
在軍事應用中，都卜勒 VHF 全向信標雷達 (Doppler VHF Omnidirectional Radar，DVOR) 系統通常與 DME 搭配使用，DVOR 能夠向飛機提供精確的方位角或方向資訊，當兩者結合時，飛行員便能獲得相對於地面站的完整二維座標，軍機飛行員則可利用與軍用 戰術空中導航系統 (Tactical Air Navigation，TACAN) 共站的 VOR 站台，來接收類似民用 VOR/DME 地面站的導航資料，此一組合被稱為 VORTAC。
DME/DVOR 射頻量測
對於包含 DME/DVOR 在內的大多數雷達系統，其量測涵蓋兩個核心項目：射頻脈衝保真度 (即脈衝的實際形狀) 與 射頻脈衝序列間距 (即脈衝間的時序關係)，為了能精確地重現脈衝訊號的真實形狀，量測電路的響應速度必須等於或快於脈衝振幅的變化速率，在多數情況下，最劇烈的變化率發生在脈衝的 上升邊緣 (rising edge) 或 下降邊緣 (falling edge)，採用二極體設計的 射頻峰值功率感測器，其內部在平滑電容器兩端使用一個低阻抗負載，此設計使得電容器在射頻振幅下降時能夠極速放電，此種特性再結合極小的平滑電容，便讓峰值功率感測器得以實現極快的 上升時間。目前，頂尖功率量測儀器在 上升時間 的技術水準已達到 3 奈秒 (ns)，如此快的響應速度，是確保能夠對 封包功率 (envelope power) 及其他關鍵指標進行可靠且精確追蹤的基礎，以滿足先進雷達系統不斷演進的複雜需求，為了簡化儀器使用者的操作，許多現代射頻功率計與感測器均提供自動化的脈衝量測功能，其參數套件涵蓋了完整的脈衝特性分析：
• 脈衝寬度 (pulse width)
• 上升時間 (rise time)
• 下降時間 (fall time)
• 週期 (period)
• 脈衝重複頻率 (Pulse Repetition Frequency，PRF)
• 工作週期 (duty cycle)
• 關閉時間 (off time)
• 波形平均功率 (waveform average)
• 脈衝平均功率 (pulse average)
• 脈衝峰值功率 (pulse peak)
• 過衝 (overshoot)
• 下垂 (droop)
• 脈衝頂部功率 (pulse top power)
• 脈衝底部功率 (pulse bottom power)
• 邊緣延遲 (edge delay) (如圖 1 所示)
圖 1：脈衝訊號及其相關的脈衝量測參數
由於 DME/DVOR 脈衝之間的間距是經過精密設計的，維持這個間距對系統功能而言至關重要，因此，能夠精確量測脈衝時序是另一項關鍵，卓越的 時間解析度，目前功率量測儀器的最新技術水準為 100 皮秒 (picoseconds)，不僅能驗證脈衝間的間距是否符合規範，更能實現更穩定的觸發，並揭示那些在較低解析度下可能被遮蔽或平均掉的波形細節，如下方圖 2a 所示，其採用具備 100-ps 時間解析度 的先進測試儀器，精確地揭示了脈衝初始處較高的 過衝 及隨後的些微 振鈴 (ringing) 現象；相較之下，右側的截圖 (圖 2b) 由於使用了時間解析度較差的儀器，完全未能捕捉到這些關鍵的瞬態細節。
圖 2：使用 100-ps 時間解析度揭示的過衝與振鈴現象 (a)，以及被解析度較差的設備所遮蔽的結果 (b)
採用具備頂尖性能的測試設備在此至關重要，因為案例中的 過衝 現象若未被正確識別與處理，可能會使雷達的 功率放大器 進入非線性的 壓縮 (compression) 區，或因飽和而降低前端雷達接收器的靈敏度，進而影響系統的整體性能。
敵友識別與次級監視雷達
一個與之相關的雷達應用，涉及 敵友識別 (Identification Friend or Foe，IFF) 雷達與 次級監視雷達 (Secondary Surveillance Radar，SSR) 系統，IFF 為軍方使用的一種雷達識別系統，其技術原理後來促成了 SSR 的誕生，專門用於商業航空的空中交通管制，SSR 的功能是作為主要雷達系統的補充，而非取代。主要雷達系統的運作方式是，由地面天線發射訊號，此脈衝從飛機表面反射回來後，再次由地面天線捕獲 (圖 3)，主要雷達透過量測初始發射與偵測到反射訊號之間的時間差，來計算出飛機的方位和距離，這是一種被動式的探測；相較之下，SSR 則依賴飛機上裝備的詢答機進行主動式通訊，此詢答機如同一組無線電收發器，會接收來自詢問器 (通常是與 SSR 和主要雷達共站的地面站) 發出的詢問訊號，以請求特定資訊，詢答機接著會發射一個包含所請求資訊的編碼訊號作為回應，因此，SSR 能提供比主要雷達更詳盡的資訊，例如精確的 壓力高度 和 飛機識別碼，然而，也因為 SSR 系統同時包含了詢問器和詢答機兩個子系統，兩者都必須經過徹底測試，才能確保整體系統正常運作。
圖 3：主要雷達與 SSR 之間的差異
詢問器並非每次都發送相同的詢問訊號，這些波形會根據不同的詢問模式而變化，主要區別在於 P1 和 P3 脈衝之間的間距 (圖 4)。
圖 4：模式 A 與模式 C 的詢問及應答波形範例
每種模式都有其特定用途，並會引發飛機詢答機作出不同的回應，一般而言，詢問訊號可分為三種主要模式：
- 模式 A
此模式專門用於請求飛機的四位數識別碼，模式 A 詢問訊號的 P1 和 P3 時間間隔為 8 μs，詢答機則回送一個由 12 個脈衝組成的應答訊號。 - 模式 C
此模式的目的是獲取以 100 英尺 為增量的 氣壓高度資訊，模式 C 詢問訊號的 P1 和 P3 時間間隔為 21 μs，詢答機則以一個 11 脈衝的應答回應 (其中的 D1 脈衝被省略)。 - 模式 S
此模式用途更為廣泛，其詢問訊號的 P1 和 P3 時間間隔為 3.5 μs，其特性也與前兩種模式顯著不同，模式 S 的訊號由一個帶有 P1 和 P2 脈衝的 前導碼 (preamble)，以及一個 相位調變的 56 位元或 112 位元資料區塊 所構成，其應答訊號也同樣包含一個四脈衝的 前導碼 和一個 56 位元或 112 位元資料區塊。
IFF/SSR 射頻量測
除了前述的基本脈衝量測，工程師與技術人員還必須深入分析波形中的多個脈衝，例如圖 5a 所示的 IFF 詢問應答訊號，以確保訊號串中所有脈衝的 間距 和 振幅位準 都符合規範，最先進的射頻功率量測工具為此提供了 同步多脈衝分析 功能，如圖 5b 所示，儀器能在一個便捷的顯示畫面中，同時列出多個脈衝的關鍵參數，包括每個脈衝的 起始時間、脈衝持續時間、脈衝 (頂部) 平均功率 以及 脈衝間時間。
圖 5：IFF 詢問應答波形 (a) 及其相關的脈衝參數 (b)
由於雷達系統普遍需要極高的射頻功率，系統內的 功率放大器 (Power Amplifiers，PA) 長期承受著巨大的運作壓力，考量到飛航安全，其運作的可靠性格外重要，因此對雷達或 放大器 進行長期監控是不可或缺的，舉例來說，功率放大器 在長時間運作下產生的熱效應，可能導致輸出功率出現 下垂 (droop) 的緩慢衰減，甚至在極端情況下發生訊號完全中斷。
傳統的功率量測儀器在擷取資料時存在著根本性的限制，它們僅能捕獲短時間 (通常小於 1 秒) 的資訊，隨後就必須暫停擷取，以進行內部資料處理和傳輸，這種傳統的「擷取-處理-傳輸」序列式作業流程，會在處理期間產生量測盲區，導致來自 待測物 (DUT) 的重要資料或偶發事件在這些間隙中被遺漏，此外，捕獲的樣本被儲存在一個受限於儀器內部記憶體大小的緩衝區中，一旦緩衝區滿載，資料就必須傳輸至電腦，這也限制了單次可觀測的時長，使得儀器可能錯過發生在觀測視窗之外的波形異常現象。
業界的儀器則採用即時處理架構來克服此問題，確保資料擷取毫無間斷，並能進行長時間週期的量測，具備即時、無間隙資料擷取功能的感測器，例如 Boonton 4500C 峰值功率分析儀 和 RTP5000 系列即時峰值 USB 功率感測器，是透過創新的平行處理方法來實現此領先性能，其核心技術是將波形樣本的擷取與處理平行化，而非傳統的序列式步驟，結果是資料擷取永不中斷，幾乎沒有任何資訊會遺失，再搭配功能互補的軟體工具，工程師能以前所未有的速度擷取射頻功率量測，並擁有近乎無限的量測視窗，例如，透過設定僅即時擷取最重要的量測值，如 最小、平均和最大功率，以及 起始時間 和 封包持續時間，便能大幅減少緩衝區的資料累積量，從而能夠收集和處理幾乎無限數量的連續封包樣本，確保不會錯過任何關鍵的波形異常。
雜訊雷達技術
在空中交通管制等應用中，確保雷達訊號能被清晰地偵測與處理是首要任務，然而，在軍事領域，隨著全球威脅日益增長，隱蔽、匿蹤的作戰行動反而需要使用難以被偵測的雷達訊號，雜訊雷達技術 正是為此而生，它發射的並非固定格式的脈衝，而是由 高頻雜訊產生裝置 所產生的隨機波形，雜訊雷達技術 滿足了軍事上降低雷達被攔截機率 (Low Probability of Intercept, LPI) 的特定需求，同時也能在密集、擁擠的電磁環境中運作時，有效限制與其他雷達系統間的相互干擾，要成功實現雜訊雷達，需要對其訊號鏈中的放大器等關鍵元件進行極為先進的設計。雜訊雷達技術射頻量測
雜訊雷達波形的一個顯著特徵是具有很高的 峰均功率比 (peak-to-average power ratio)，也稱為 波峰因數 (crest factor)，這個參數描述了訊號峰值功率與平均功率的比值，透過持續監測雷達放大器輸入與輸出訊號的 波峰因數，工程師或技術人員可以有效地判斷放大器是否進入了非線性的 壓縮 狀態，其判斷依據是當輸入與輸出的 波峰因數量測 值出現顯著差異時，便表示放大器已飽和，一個被 壓縮 的放大器會產生額外的頻率諧波，這在 雜訊雷達技術 應用中會使其更容易被敵方偵測，同時也會扭曲原始訊號，使己方接收雷達更難進行有效的相關性處理。峰值射頻功率感測器雖然可以量測訊號的 波峰因數，但測試儀器本身需要具備足夠的 影像頻寬 (Video Bandwidth，VBW)，才能夠精確地追蹤高動態的雜訊訊號，這與前述量測脈衝所需的快速上升時間是相似的道理，最先進的射頻功率量測設備提供高達 195 MHz 的 VBW，這是目前業界可用的最寬 VBW，足以精確地描繪當今具備嚴苛通道使用需求的複雜無線訊號特性。
單一的 波峰因數 量測僅提供一個最大值的資料點，為了得到更全面的分析，觀察 互補累積分布函數 (Complementary Cumulative Distribution Function，CCDF) 顯得格外重要，CCDF 曲線能夠統計性地顯示訊號功率超過其平均功率位準特定分貝 (dB) 值的發生機率，換句話說，它呈現了不同大小 波峰因數 的統計分佈，最先進的射頻功率量測設備透過提供包括 CCDF 在內的統計分析工具，讓工程師能對複雜調變訊號進行深度特性分析，如圖 6 所示，圖中同時繪製了放大器輸入 (CH1) 和輸出 (CH2) 的 CCDF 曲線，可以清楚看到，輸出訊號 (CH2) 的曲線向左偏移，其 波峰因數 顯著降低，這明確地指出該放大器的輸出已處於嚴重的 壓縮 狀態。
圖 6：CCDF 曲線顯示放大器輸出 (CH2) 已被壓縮
電子反制雷達
當雷達訊號無法透過雜訊雷達等技術進行隱藏時，電子反制 (Electronic Countermeasure，ECM) 技術便被用來主動欺騙或干擾敵方的雷達偵測，其中一種常見的技術，就是利用 可變脈衝重複頻率 (variable PRFs)，由於許多傳統雷達系統被設計為僅能識別符合其預設協定的訊號，因此，透過動態地改變 PRF，可以有效地混淆這些標準的雷達接收器，舉例來說，改變 PRF 可以使敵方雷達無法正確解算目標的距離或速度，從而達到欺騙的效果。ECM 射頻量測
為了評估 ECM 系統的有效性，射頻功率量測儀器必須具備能夠追蹤並量化 PRF 變化範圍的能力，最先進的設備能夠精確量測並在顯示器上直觀地呈現這種變化，透過利用專門的 PRF 範圍量測工具，工程師可以快速驗證 ECM 訊號的跳變或抖動是否符合設計規格，圖 7 展示了一個現代化的儀器介面，其中同時顯示了單個脈衝的 PRF 值以及它在一段時間內的完整變化範圍。
圖 7：一個顯示個別與可變 PRF 量測的現代化介面