雷達系統測試（二）：二次監控雷達 (SSR) 測試挑戰與整合式射頻功率量測方案

二次監控雷達系統

在現代繁忙的空中交通網路中，精準掌握每一架航機的即時資訊是確保飛航安全的基礎，二次監控雷達 (Secondary Surveillance Radar, SSR) 正是為此而生的關鍵技術，它在空中交通管制中扮演著主要雷達系統的輔助角色，用以提供遠比基礎方位、距離更豐富的飛航動態資訊。

主要雷達系統是透過發射雷達訊號並分析其反射回波，來被動地量測航空器或其他目標的方位與距離；相較之下，SSR 系統則能主動獲取更深入的資料，例如：航空器的唯一識別碼或其精確的飛行高度，這種能力的實現，仰賴於一個核心的差異：與僅依賴訊號反射的主要雷達不同，SSR 系統要求航空器必須配備詢答機 (transponder)，詢答機是一種整合了發射器與應答器的通訊裝置，在接收到地面站的詢問訊號後，會主動發射一組包含特定資訊的回應訊息，這不僅僅是被動的偵測，而是一種主動的「問與答」互動。

因此，一個完整的 SSR 系統在測試上有兩個主要對象：地面站的詢問器 (interrogator) 與航空器上的詢答機 (transponder)，兩者之間的通訊品質與準確性，直接關係到整個空域的安全。

圖 1：主要與二次監控雷達系統。

為了有效管理通訊內容，SSR 的詢問訊號依據其用途分為不同模式 (Modes)，主要有 A、C 與 S 三種，詢問訊號的參數會因模式而異（如圖 2 所示），其中模式 A 用於請求航空器識別碼，模式 C 用於請求以 100 英尺為單位遞增的高度資訊，而模式 S 則為一種更先進的多功能模式，能夠進行選擇性呼叫與傳輸更大量的資料；這種分模式的設計，是為了有效管理通訊頻道，讓航管系統能依據當下需求，取得最關鍵的資訊，避免不必要的訊號壅塞。

圖 2：模式 A 與 C (a) 及模式 S (b) 的詢問波形。

從技術層面來看，這些模式的波形結構各不相同，模式 A/C 與模式 S 詢問訊號的 P1 與 P3 關鍵脈衝時間間隔分別為 8 μs 與 21 μs，模式 S 的結構更為複雜，包含由 P1 與 P2 組成的前導碼 (preamble)，其後緊跟著一個採用差動相位偏移調變 (differential phase-shift keying) 技術的 56 或 112 位元資料區塊。在回應端，模式 A 和模式 C 的詢答機分別以 12 個和 11 個脈衝組成的序列進行回應，而模式 S 的回應則包含一個四脈衝的前導碼，後面同樣跟隨著一個 56 或 112 位元的資料區塊（如圖 3 所示）。

圖 3：模式 A 與 C 的應答序列 (a) 與波形 (b)。模式 C 不使用 D1 脈衝。

圖 4 顯示了一個簡化的 SSR 方塊圖，正因為 SSR 系統承載著如此關鍵的識別與安全資訊，其訊號的完整性與可靠性不容一絲妥協，因此，無論是在系統的初始安裝階段，或是在後續的日常維運中，嚴謹的測試工作都不可或缺，為了將發生災難性事件的可能性降至最低，全球的航空安全標準，如美國聯邦航空總署 (U.S. Federal Aviation Administration, FAA) 的規範，均明確要求對詢答機進行定期的維護與校準，一旦在測試中發現任何潛在問題，都必須迅速予以解決，以確保系統能盡快恢復至最佳運作狀態。

圖 4：SSR 簡化方塊圖。

功率量測挑戰

在 SSR 系統的測試中，射頻 (RF) 功率量測是檢驗系統健康狀況的基石，它不僅是量測「訊號有多強」，更是要精準描繪出訊號的「樣貌」與「行為」，具體而言，功率量測的目標包含：

• 確保系統中各個節點的功率位準符合設計要求。
• 驗證脈衝的形狀與脈衝間的時序關係是否精確。
• 監測天線的反射功率，以評估傳輸鏈路的匹配狀況。
• 偵測傳輸過程中的異常現象，例如：瞬間的訊號突波 (glitches) 或短暫的訊號遺失 (dropouts)。

一個典型的異常範例是，當 SSR 的旋轉天線運作時，因纜線或接頭的物理性接觸不良，可能導致瞬間的電壓駐波比 (VSWR) 尖峰，這種尖峰表示大部分的發射功率被反射回發射器，不僅大幅降低了天線的傳輸效率，甚至可能損壞前端的功率放大器，是必須被即時捕捉到的關鍵指標。

然而，傳統的功率計在面對這些複雜的脈衝訊號時，往往顯得力不從心；用以進行 RF 功率量測的設備，其選擇深度取決於需要量測的具體參數，舉例來說，雖然一台平均功率計 (average power meter) 或許可量測額定功率位準與 VSWR，但這通常需要 SSR 系統切換至一種特殊的測試模式，產生一個連續波 (CW) 測試訊號，而這個操作會讓系統在維護期間完全離線；若在正常運作下直接量測，對於生命週期僅有微秒 (μs) 等級的短促脈衝，平均功率計的反應速度往往跟不上，導致其讀值會被脈衝之間的休止時間拉低，從而產生嚴重失真且不具參考價值的結果。

相較之下，峰值功率計 (peak power meter) 則能夠精準地執行脈衝量測，它不僅能捕捉到峰值功率，還能詳實記錄脈衝的完整形狀、分析脈衝間的時序，並能有效地監測波形中難以捉摸的突波或訊號遺失（如圖 5 所示）。

圖 5：為確保量測的準確性，功率計必須具備足夠的上升時間與解析度(a)，以捕捉脈衝的真實樣貌。傳統功率計可能因性能不足而無法滿足需求 (b)。

傳統上，RF 功率量測設備主要有兩種配置。第一種是經典的桌上型功率計，它需要搭配一個或多個專門的功率感測器，並透過類比纜線進行連接，提供穩定而強大的功能；第二種是近年來興起的 USB 功率計，這類設備通常是一個高度整合的 USB 功率感測器，其本身幾乎整合了桌上型功率計的所有核心功能，並捨棄了傳統的顯示螢幕、實體按鈕與旋鈕介面。

USB RF 功率感測器的優勢在於它提供了一種體積更小、更具成本效益的解決方案，同時操作流程更為簡便，並因數位化處理而能有效降低量測不確定性，然而，這種便利性也帶來了取捨：USB 感測器必須搭配一部電腦才能執行量測，使用者需要透過廠商提供的圖形化使用者介面或自行開發的軟體來進行操作與分析。

SSR 系統的三大量測情境—— 安裝、定期維護 與 緊急故障排除 ——各自對 RF 功率量測設備的功能與效能有著截然不同的優先順序。

• 安裝團隊在現場作業時，便攜性與快速部署至關重要，這使得體積小、重量輕且可由筆記型電腦直接供電的 USB RF 功率感測器成為理想選擇。
• 維護團隊通常在控制室或機房進行例行檢查，他們偏好可進行機架安裝並能遠端存取的儀器，因此具備標準化介面的桌上型 RF 功率計可能是最佳選擇。
• 故障排除人員在面對未知問題時，則極度渴求最頂尖的診斷效能，例如寬廣的視訊頻寬、飛快的上升時間、奈秒級的時間解析度，以及高速的波形軌跡更新率，這些都有助於他們從稍縱即逝的訊號中，即時發現異常現象的蛛絲馬跡。

如前所述，不同的測試需求與優先順序，往往指向不同類型的儀器，這種情況迫使機構陷入兩難：要麼為了應對所有情境而採購多種類型的昂貴設備，要麼就是在所有情境中屈就於同一台設備並接受其在某些方面的效能妥協，而後者往往意味著效率低落與生產力下降。

考量到 SSR 對於飛航安全有著不容妥協的重要性，效能上的折衷通常是不可接受的，這便需要為每種情境各自採購專用的測試設備；然而，這種看似完美的做法，卻隱藏著數個顯著的缺點，在理想的營運模式下，安裝、維護與故障排除團隊應共享設備，以最大化設備利用率與投資回報率，為不同團隊採購獨立的設備，不僅顯著增加了初期採購與後續的維護成本，更衍生出儀器管理、校準追溯，以及技術人員需學習多套操作流程的隱性成本，無形中拖累了整個維運團隊的效率。

更嚴重的是，當使用不同設備量測到異常數據時，將會產生巨大的不確定性：這究竟是 SSR 系統真的存在潛在故障，還是僅僅因為不同儀器的量測技術、演算法與內在誤差所導致的數值差異？這個問題往往會延誤故障的判斷，浪費寶貴的維修時間。

整合式量測系統

基於以上種種挑戰，一個用以應對 SSR 系統測試需求的嶄新方法應運而生，這個方法的核心是採用一款整合了領先量測技術的新世代儀器，它打破傳統框架，完美結合了傳統桌上型儀器的穩定與實用性、USB RF 功率感測器的彈性與高效能，以及多點觸控顯示器的直覺簡易操作性。

當作為一台具備直覺觸控螢幕的桌上型儀器使用時，它能提供一個功能完整的獨立解決方案，用以在時間域和統計域中精準地擷取、顯示與分析峰值及平均 RF 功率，讓工程師能像操作智慧型手機一樣，直覺地透過縮放、拖曳等手勢，迅速鎖定並分析波形中的任何細微異常，大幅縮短了判讀與除錯的時間。

該儀器應設計為一個開放平台，至少能支援四個 USB RF 功率感測器，並具備對 CW、調變及脈衝訊號進行獨立或同步的多通道量測能力，至關重要的是，這些感測器應使用標準 USB 纜線連接，這不僅免去了尋找和採購特殊專用纜線的麻煩，更代表著現場部署的便利性與更換的低成本，同時，每個感測器在與桌上型儀器斷開連接後，皆可獨立運作，立即化身為一個由筆記型電腦驅動的便攜式功率計。

這些感測器需能完整涵蓋 1,030 MHz 與 1,090 MHz 的 SSR 頻段，並具備擷取與分析峰值功率和平均功率，以及量測評估 SSR 效能所需的一切關鍵參數的能力。憑藉其寬廣的頻率覆蓋範圍，這些感測器還能延伸應用於測試其他在 X、K 與 Ka 頻段運作的先進雷達系統。

採用 USB RF 功率感測器的架構，使該儀器在根本上具備了未來擴充性。這種設計理念讓核心儀器平台得以長期服役，未來僅需針對新的頻段或測試需求，添購對應的 USB 感測器即可升級，有效保護了客戶的初期投資。這在傳統功率計的世界裡往往難以實現，因為傳統桌上型儀器的主機硬體，本身就可能成為限制新型感測器效能的瓶頸。

表 1 總結了此理想測試系統所期望具備的功能，並與傳統桌上型及 USB 功率量測選項進行比較，而表 2 則顯示了主要量測參數所期望達到的頂尖效能。

表 1：理想功率計與傳統儀器功能比較

表 2：關鍵效能指標

一個能為 SSR 測試提供此種彈性且高效能功率量測能力的儀器範例，是全新的 Boonton PMX40 RF 功率計（圖 6），該機種可搭配 Boonton 旗下的即時峰值功率感測器 (RTP5000)、即時真實平均 USB 功率感測器 (RTP4000) 以及真實平均連接式 USB 功率感測器 (CPS2008) 協同運作，組成一個完整的測試生態系統。

圖 6：在 Boonton PMX40 RF 功率計上清晰量測到的 SSR 脈衝序列。

總結

二次監控雷達 (SSR) 系統的安裝、維護與故障排除工作充滿挑戰，長期以來，測試工作始終在「專用儀器的效能」與「通用儀器的成本效益」之間擺盪，每種測試情境對於 RF 功率量測都有其特定的優先考量，這也定義了所需設備應具備的功能與能力。

過去的作法，要麼是針對每項量測任務購置不同的特製儀器，導致成本高昂且管理複雜；要麼是在所有情境中使用同一台設備，迫使使用者在關鍵的測試設定與效能上做出妥協。
如今，一個更佳的解決方案，是採用單一的整合式測試系統，該系統巧妙地結合了傳統桌上型儀器的穩定與便利、多點觸控顯示器的直覺簡易，以及 USB 功率感測器的極致彈性與高效能，這種「一個平台、多種應用」的整合式方法，不僅解決了過去因設備分散所帶來的種種挑戰，更為要求嚴苛的航空雷達測試領域，樹立了兼具效能、彈性與效率的新標竿。

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