设计最先进的模块化雷达测试系统

Design of a State-of-the-Art Modularized Radar Test System

Shivansh Chaudhary

National Instruments, Austin, Texas

Lennart Berlin

Saab Aerodefense，瑞典斯德哥尔摩

现代雷达系统需要使用先进的测试和验证技术，以确保这些系统能够在复杂且有杂波的通信环境中运行，且性能参数完全达到要求。当工程师配置雷达系统的自动化测试装置时，需要使用一些仪器来评估系统，其中部分重要的仪器包括RF/微波信号发生器和频谱分析仪。信号发生器可以用作测试激励信号源，以精确地模拟运行环境，而基本函数发生器可用于驱动模拟信号发生器的脉冲、AM和FM电路。在接收机中，天线接收的弱信号可以通过具有高动态范围和低相位噪声的频谱分析仪进行检测和放大。

随着近来雷达技术的进步，如有源电子扫描阵列(AESA)和多功能系统，雷达的测试要求越来越具挑战性。本文描述了用于下一代雷达测试的现代自动化测试设备(ATE)系统所面临的挑战和测试要求。

测试现代雷达系统

现代雷达系统必须能够在复杂的信号环境中发现目标，这需要接收机具有前所未有的低失真度。为了满足最严格的接收机规范，接收机测试需要一个可以生成低相位噪声且具有出色杂波和谐波性能的信号源。由于从数字域到微波频率的直接相互转换非常困难，因而通常使用多个本地振荡器(LO)进行多级转换。当使用多个LO时，LO必须彼此之间尽可能快速地紧密同步和锁定相位。LO在所需频率下完成相位锁定和同步的速度越快，整体测试和测量时间就越短。同步是AESA雷达的一个重要考虑因素，因为AESA雷达有数千个接收机连接到天线，且每个接收机都需要彼此同步。

如上所述，测试雷达接收机可以使用信号发生器来生成各种测试信号，包括脉冲连续波到使用频率调制和扫描的线性调频信号。通常，雷达使用脉冲RF/微波信号进行测试，而脉冲的特性在很大程度上决定了系统的性能和能力。例如，脉冲功率决定了目标的范围，而脉冲宽度决定了目标的空间分辨率。在雷达测试和验证中，信号发生器可以用作LO的替代源，而且信号发生器的低相位噪声和高频谱纯度可允许更高的动态范围和提高测量接收机的灵敏度。

AESA多功能雷达系统的出现使得雷达性能、可靠性和扫描速度得到前所未有的提升。典型的AESA架构包含数千个发射/接收(T/R)模块，每个模块都带有天线。除了设计的复杂性之外，每个T/R模块所需的精确相位和幅度对准都给雷达测试和验证带来诸多挑战。

长颈鹿4A AESA雷达

过去三十年，随着GaN功率放大器、单片微波集成电路(MMIC)、毫米波集成电路等信号处理和RF/微波技术的不断发展，T/R模块的成本不断降低，AESA雷达也得到显著的发展。与传统机械转向阵列(MSA)或无源电子导向阵列(PESA)雷达不同，AESA雷达可允许对模块发射/接收增益和相位进行数字控制和独立控制。该功能为雷达的波束赋形和波束转向敏捷性方面提供了显著的优势。AESA雷达比传统雷达更可靠，主要是因为成千上万个独立的T/R模块（而不是单个通道）可允许雷达出现一定程度的故障而不会使整个系统瘫痪。AESA的模块化方法可在更高级元件出现时无缝地替换T/R模块，从而显著提高性能。

AESA多功能雷达的一个例子是萨博公司的长颈鹿4A雷达（图1）。长颈鹿4A是具有多功能操作灵活性的软件定义雷达，操作人员可以通过动态修改信号处理任务和波形来自适应地在不同的操作模式之间切换。长颈鹿4A是一个很好的案例，突出了模块化雷达ATE系统需要解决的雷达测试要求。长颈鹿4A雷达由三个功能元件组成：励磁机、接收机和天线。测试和特性分析这些元件的主要要求如下：

图1：长颈鹿4A AESA雷达。

励磁机：励磁机的主要作用是为接收机提供内部LO信号以及为发射机提供载波信号。所生成的信号必须具有稳定性、低相位噪声和低杂波分量，并且可快速切换频率。干净的发射信号具有较低的杂波分量和谐波。通过将干净的LO信号馈送到接收机，接收机更容易在杂乱的环境中检测到感兴趣的信号。

接收机：接收机的功能是从天线提取弱反射信号，将其放大而不增加噪声或失真，并将其传输给处理器进行脉冲解压缩/信号处理。接收机必须具有低噪声系数和高抗干扰性。接收机噪声（准确来说是灵敏度）限制了雷达的监测范围。低相位噪声对于检测和跟踪目标的微小变化至关重要。接收机还必须具有较高的动态范围，以防止强杂波信号导致系统饱和。

天线：天线接收来自电磁(EM)场的能量并辐射由励磁机产生的电磁波。AESA天线的组件包括辐射元件和天线结构、T/R模块和相关控制电路、RF波束赋形器、直流配电和波束转向控制器。天线必须具有精确的主瓣（最大辐射方向涵盖的区域）、低旁瓣（以最小化其它方向的辐射）以及快速主波瓣转向（用于波束赋形）。

模块化雷达系统

为了测试和描述长颈鹿4A雷达子模块的性能，萨博的工程师决定使用NI的PXIe-5668 26.5GHz多级超外差矢量信号分析仪(VSA)。除了低杂波和谐波含量外，NI VSA还提供了所需的动态范围，在765MHz的完整瞬时带宽下提供符合要求的扫描时间。

PXIe-5668R的模块化结构非常适合萨博雷达测试台的标准。为了满足成本和尺寸限制，萨博的测试工程师使用NI PXIe模块化仪器自行设计了一个相位噪声测量系统。相位噪声测量将采集的信号分为两个通道，然后使用LO信号将每个通道转换为基带模拟波形，最后将这些模拟波形馈送到数字化仪进行互相关。该系统还使用其它PXIe仪器，如数字I/O、驱动程序和开关模块来控制下变频器、乘法器、分频器和开关电路。整个相位噪声测量系统使用LabVIEW进行控制。对于天线测试，测试工程师搭建了一个室内测试场所，使用基于NI PXIe的情景模拟装置模拟了战场情景，并通过基于LabVIEW的应用程序进行远程访问（图2）。

图2：战场模拟装置由用于执行射频测量的NI PXIe-5663 VSA、作为示波器的PXIe-5114数字化仪和使用板载用户可编程FPGA进行实时场景模拟的PXIe-5664R矢量信号收发器组成。

测试装置基于LabVIEW所具有的模块化特性可允许将许多仪器集成到一个最先进的雷达ATE系统中。该ATE系统包含三个机箱，配备五个PXIe-5654射频信号发生器、四个PXIe-5696振幅扩展模块以及一个带有低噪声微波前端的PXIe-5668R VSA（图3）。它还包含一个带有低电压差分信号(LVDS)模块的NI FPGA板卡，主要用作控制器，向待测设备单元(UUT)发送和接收命令。系统包含一个用于控制ATE连接件切换的NI继电器驱动器模块、一个用于在ATE中路由信号的微波PXI开关模块、一个NI PXI数字万用表(DMM)和一个用于路由低频信号的PXI多路复用器模块。除了三个PXI机箱之外，ATE系统还包含两个19英寸机架，其中包含计算机、配电电路、电源和Virginia Panel Corporation (VPC)接口，可根据UUT要求增加更多仪器信号路径。

图3：长颈鹿4A雷达测试系统的三PXIe机箱配置。

图4显示了ATE中基本测试设备(BTE)的常规组件，每个组件的功能见表1。VPC接口用作测试仪器和UUT之间的大规模互连接口，允许用户连接不同的连接件，如根据客户要求设计和制造的特殊试验设备(STTE)（图5）。

图4：BTE组件为UUT测试提供所需的资源。

图5：VPC接口用于选择BTE的资源。

基于平台的雷达ATE的优点

建立模块化雷达ATE系统架构需要解决UUT的关键要求，如长颈鹿4A AESA雷达示例所示。基于PXI的模块化ATE系统具有许多超过传统雷达测试方法的优势，包括成本、时间和标准化。

节省时间和成本

随着现代雷达测试的需求不断演变和增加，BTE库为ATE增加了更多功能和仪器驱动程序和文档支持。由于系统过时或无法满足新测试要求等原因，传统的ATE系统需要在测试车间内进行昂贵的重组。开放的PXI架构可确保资源的有效利用以及产品和工程的最佳复用。图6通过成本和时间的减少显示了满足新雷达测试要求所需工作的减少。

图6：测试新雷达系统的ATE成本和时间逐年降低。

图7：高科技产品的复杂性和成本与时间的关系。

如图7所示，开发和测试成本随着产品复杂度的增加而增加。然而，平均售价却在不断下降，因而要求测试成本不断降低。为了使系统保持盈利，测试成本必须以与制造价格相同或更快的下降速率降低。通过采用基于PXIe的平台，萨博不仅降低了测试成本，而且通过减少系统尺寸和功耗提高了性能、可扩展性和测试速度。

ATE标准化

使用基于平台的方法对雷达ATE系统进行标准化的过程具有互换性的优点。随着新技术的推出，它可以无缝升级旧的测试系统、延迟或避免系统被淘汰。基于PXI平台的雷达ATE具有可互操作的组件，通过LabVIEW等通用编程和操作环境配合工作。随着时间的推移，这些系统的使用、操作和维护人员将不需要专门的培训，从而节省了成本。

图8说明了测试策略与产品生命周期之间的相关性。图中的“产品”曲线表示在生产期间通过测试的产品数量，“测试系统”表示ATE的总数。蓝色表示测试软件，绿色表示测试硬件，黄色表示表1中BTE列表的仪器。该图显示了相比使用传统的ATE设备，生产线产量增加了一倍以上。使用基于PXIe平台的ATE方法进行标准化可确立与产品生命周期相关的长期测试策略。

图8：测试策略与产品生命周期的相关性。

总结

雷达设计和测试工程师在开发雷达测试系统时必须仔细评估测试仪器的规格，所做出的选择应能够最大限度地提高投资回报。随着多功能雷达（如AESA）的进步，测试系统变得越来越复杂和昂贵，因此需要采用最先进的模块化雷达测试系统，以满足测试要求，同时降低测试成本。通过使用基于NI PXI平台的方法对雷达ATE框架进行标准化，萨博公司显著降低了工程资源（包括成本和时间）的消耗，从而满足日益复杂的高级AESA雷达测试要求。