二次監控雷達測試的革新
整合式射頻功率量測系統應對傳統挑戰
簡化 SSR 安裝、維護與故障排除，實現精準高效的功率分析
Walt Strickler，Boonton 副總裁暨總經理
二次監控雷達（SSR，Secondary Surveillance Radar）自第二次世界大戰以來便已存在，其技術基礎源於軍方的「敵我識別」雷達系統；儘管雷達系統不斷演進，許多測試挑戰卻依然存在，無論是設計、特性分析、安裝、維護或故障排除 SSR，針對射頻傳輸的測試都可能會有不同的需求，因此，常會因為任務不同而使用不同的儀器，或者在所有情況下都使用相同的設備，這迫使使用者必須接受某些妥協，前者導致設備成本增加，後者則造成效率低落和生產力下降，本文將描述一種應對這些測試挑戰的新方法，採用相同的測試設備，卻無需做出妥協。
SSR 用於空中交通管制，以輔助主要雷達系統（參見圖 1），主要雷達透過發射雷達訊號的反射來量測飛機或其他目標的方位和距離，SSR 則提供額外資訊，例如：飛機的識別碼或其高度；不同於僅依賴訊號反射的主要雷達，SSR 系統要求飛機配備詢答機（transponder）——一種接收訊號後發射回應的發射器應答器，SSR 向飛機發送詢問訊號，請求特定資訊，飛機的詢答機接收到詢問訊號後，會以包含所請求資訊的編碼訊號進行回應，因此，一個 SSR 系統有兩個發射器需要測試：詢問器和詢答機。
圖 1 主要與次要監視雷達系統。
詢問訊號依模式分類，主要有 A、C 和 S 模式，詢問訊號的參數取決於模式（參見圖 2），其中 A 模式請求識別碼，C 模式請求以 100 英尺為增量的飛行高度，而 S 模式則為多用途；A/C 模式和 S 模式詢問訊號的 P1 和 P3 之間的時間分別為 8 微秒（µs）和 21 微秒（µs），S 模式包含一個前導碼中的 P1 和 P2，後接一個以差分相移鍵控（Differential Phase-Shift Keying）調變的 56 位元或 112 位元資料區塊；A 模式和 C 模式詢答機分別以 12 個和 11 個脈衝回應，而 S 模式的回應則包括一個四脈衝前導碼，後接一個 56 位元或 112 位元的資料區塊（參見圖 3），C 模式不使用 D1 脈衝。
圖 2 模式 A 和 C (a) 以及 S (b) 的詢問波形。
圖 3 模式 A 和 C 的應答序列 (a) 及波形 (b)。
圖 4 展示了一個 SSR 的簡化區塊圖，SSR 系統的正確設計與運作對於航空安全至關重要，因此在安裝時和持續的基礎上進行測試是不可或缺的；為了降低發生災難性事件的可能性，美國聯邦航空總署（U.S. Federal Aviation Administration）等聯邦航空安全標準，要求對詢答機進行定期維護和校準，若發現任何問題，必須迅速解決，以使系統恢復上線。
圖 4 SSR 簡化區塊圖。
功率量測挑戰
射頻功率量測是測試流程的基石，用以確保系統中各點的功率位準正確、驗證脈衝形狀和脈衝間的時序、監控來自天線的反射功率，並觀察傳輸中的異常現象，例如：訊號突波或訊號遺失，異常現象的一個例子是，當 SSR 天線旋轉時，因連接不良導致的電壓駐波比（VSWR）突波。
圖 5 為獲得精確的量測結果，功率計必須具備足夠的上升時間和解析度(a)，傳統的功率計可能無法達到此要求(b)。
用於進行射頻功率量測的設備將取決於待量測的參數，例如，雖然平均功率計可以量測標稱功率位準和 VSWR，但 SSR 可能需要產生一個連續波（CW）測試訊號——這是一種特殊的測試模式，會使系統離線進行維護，否則，若無先進的觸發和時間閘控功能，脈衝波形可能過於複雜，難以準確量測平均功率；然而，峰值功率計可以進行脈衝量測，包括脈衝形狀和脈衝間的時序，並監控波形突波或訊號遺失（參見圖 5）。
傳統上，射頻功率量測設備有兩種配置，第一種是桌上型功率計，它使用一個或多個透過類比纜線連接的輔助功率感測器，第二種是 USB 功率計，通常是一個 USB 功率感測器，它將桌上型功率計的大部分功能整合到感測器中，並取消了顯示器和傳統的實體按鈕與旋鈕介面；USB 射頻功率感測器的優點是解決方案更小巧、更經濟，操作簡化且量測不確定性較低，然而，它也有一些取捨：USB 感測器需要一部電腦來執行量測，無論是透過使用者開發的軟體還是圖形化使用者介面。
SSR 的量測情境——安裝、維護和故障排除——決定了射頻功率量測設備的功能和性能優先順序，例如，在安裝過程中，可攜式設備可能更為重要，這使得 USB 射頻功率感測器成為一個不錯的選擇，它們體積小、重量輕，並透過筆記型電腦的 USB 埠供電；維護團隊可能需要一種可以進行機架安裝並可遠端存取的儀器，在此情況下，桌上型射頻功率計可能是最佳選擇，因為它們易於安裝在設備機架中，並且通常具有遠端介面選項；故障排除人員可能需要更佳的診斷性能，例如：寬廣的視訊頻寬、快速的上升時間和精細的時間解析度，以及針對脈衝波形功率對時間的快速軌跡更新率，以協助即時發現異常，具備領先性能、快速量測速度和電腦處理能力的測試設備將能滿足這些需求。
如前所述，不同的測試需求和優先順序將決定最適合該任務的儀器，這可能導致為應對所有情境而增加設備成本，或者在所有情境中使用相同的設備並接受妥協，這可能效率低下並降低生產力；由於 SSR 對於航空安全至關重要，設備上的妥協可能無法接受，因而需要為每種情境購買測試設備，不幸的是，這有幾個缺點，在理想情況下，安裝、維護和故障排除團隊會共用設備，以最大化設備利用率和投資報酬率，為不同團隊購買獨立的設備會降低利用率，並顯然增加成本，不同的設備需要多種程序來進行相同的量測，這可能使文件記錄和培訓工作量增加一倍或兩倍，此外，異常的量測結果會導致不確定性，這究竟是 SSR 的實際問題，還是僅僅由於不同的量測技術和設備所導致的量測值差異？
整合式量測系統
基於這些原因，SSR 系統所帶來的測試挑戰將受益於一種新的方法：使用一款以領先量測技術打造的儀器，該儀器結合了傳統桌上型儀器的實用性、USB 射頻功率感測器的靈活性與性能，以及多點觸控顯示器的簡易性；作為一款具有直觀觸控螢幕顯示的桌上型儀表，它將提供一個獨立的解決方案，用於在時間域和統計域中擷取、顯示和分析峰值與平均射頻功率，此儀器應至少能容納四個 USB 射頻功率感測器，並具備對連續波（CW）、調變訊號和脈衝訊號進行獨立或同步多通道量測的能力，感測器應使用標準 USB 纜線，避免使用轉接器將特殊連接器轉換為標準 USB 纜線，每個感測器在與桌上型儀器斷開連接時，都可以作為一個獨立的儀器使用。
這些感測器將覆蓋 1030 MHz 和 1090 MHz 的 SSR 頻段，並具備擷取和分析峰值功率與平均功率，以及量測評估 SSR 性能所需參數的能力，憑藉寬廣的頻率覆蓋範圍，這些感測器將能測試在 X 頻段、K 頻段和 Ka 頻段運作的其他雷達系統；使用 USB 射頻功率感測器使此儀器基本上具備了未來擴充性，可以添加新的感測器以應對新的需求，這對於傳統功率計而言並非總是可行，因為桌上型儀器可能會限制感測器的性能，表 1 概述了此理想測試系統相較於傳統桌上型與 USB 功率量測選項所期望具備的能力，而表 2 則顯示了主要量測參數所期望達成的性能。
提供這種適用於 SSR 測試的彈性、高效能功率量測能力的儀器範例之一，便是全新的 Boonton PMX40 RF 功率計（參見圖 6），它可與 Boonton 的即時峰值功率感測器（RTP5000 系列）、即時真實平均 USB 功率感測器（RTP4000 系列）以及真實平均已連接 USB 功率感測器（CPS2000 系列）搭配運作。
圖 6 在 Boonton PMX40 RF 功率計上量測到的脈衝序列。
圖 7 Boonton PMX40 RF 功率計 搭配這些 USB 感測器，能夠提供卓越的量測精度與速度，適用於各種無線通訊、雷達、射頻元件測試等應用。
SSR 系統的安裝、維護和故障排除充滿挑戰，每個測試情境對於射頻功率量測都有其優先考量，這些考量定義了執行量測設備的特點與能力；過去，要麼針對每個量測任務使用不同的特製儀器，要麼全部使用相同的設備，這就要求使用者在測試設定和性能方面做出妥協，一個解決此挑戰的更佳方法是採用單一的整合式測試系統，此系統結合了傳統桌上型儀器的實用性、多點觸控顯示器的簡易性，以及 USB 功率感測器的彈性與性能，例如，Boonton PMX40 RF 功率計便能充分發揮此優勢，其搭配的 Boonton RTP5000 系列即時峰值功率感測器具備如高達 195 MHz 的視訊頻寬（Video Bandwidth）、小於 3 奈秒（ns）的快速上升時間以及精細至 100 皮秒（ps）的時間解析度等關鍵技術規格，提供了這樣一種解決方案，它支援多達四個前述高效能 USB 功率感測器，能夠精準地擷取、顯示和分析峰值與平均射頻功率，涵蓋了 SSR 頻段以及其他雷達頻段，確保了航空安全關鍵系統的可靠運作。