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采用定向天线实现雷达目标模拟
录入时间:2022/9/26 19:17:17

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采用定向天线实现雷达目标模拟

Andrew Laundrie,Eravant

自雷达诞生以来,模拟雷达目标的技术层出不穷,应用范围。1,2 近年,随着毫米波和太赫兹的新应用不断发展,人们对模拟雷达目标重新产生了更为广泛的兴趣。3,4,5 为支持雷达制造过程中的系统测试,以及用于雷达系统现场校准或维修,低成本的目标模拟器变得越发重要。6 本文介绍了基于定向天线来完成低成本雷达目标模拟器的设计和制造的一些基本概念。

因定向天线的端口的端接方式不同,接收功率向雷达系统返回信号强弱可以不同。这样,定向天线可以实现雷达目标模拟。简单情况下,天线端口可接上一个短路器或其他固定阻抗来造成失匹,从而产生一个反射的雷达信号(见图1)。

假设天线由其结构而致的背向散射可以忽略不计,有效雷达截面(RCS)是模拟雷达目标的天线增益和雷达传输功率中由该天线部分反射回来功率的函数。通过分析这些信号,模拟雷达目标天线的有效RCS就可以确定。

著名的弗里斯传输方程7描述了发射器和接收器之间射频功率交换的关系。它指出,接收功率Prx与发射功率Ptx的比值等于发射和接收天线的有效面积除以距离平方和波长平方的乘积:

其中Atx和Arx是发射和接收天线的有效面积,d是天线之间的距离,l是波长。

而天线的有效面积Aeff通常定义为:

这里G为天线增益。

将天线增益替换Friis传输方程中的有效面积,会产生另一个熟悉的方程:

对于用于模拟雷达目标的天线的情况,可以采用以下公式:

其中Ps是目标模拟器天线接收的功率,Pt是雷达发射的功率,Gs是目标模拟器天线的增益,Gt是发射天线的增益。

如果目标模拟器天线接收到的所有功率都被反射并重新向雷达反射,那么雷达接收到的反射功率Pr就是:

其中Gr是雷达接收天线的增益。

将公式(4)和(5)结合起来,可以得到雷达收到的发射功率:

雷达系统接收到的发射功率通常也用目标的RCS来表示,通常用符号σ来表示:8

将公式(6)和(7)结合起来,模拟目标的有效RCS可以从目标天线的增益来定义,这里假设接收信号是全反射信号:

公式(8)表明,如果配置的天线可以将雷达反射信号全反射回来,那么其RCS等于天线的有效面积乘以其增益:

其中As是反射天线的有效面积。

到目前为止的分析是建立在同向极化的条件下。当有交叉极化或其他不同的极化存在的情况下,则可使用不同的接收和发射天线来满足系统的分析需求。

如果目标天线转发的功率不等于接收的功率,而是增加了一个衰减系数ks,那么反射天线的RCS就会相应减少:

图2显示了具有可调模拟目标RCS的两种可能配置。图2a采用了三端口环行器作为信号双工器。它将接收到的信号通过一个可调衰减器,并将衰减后的信号传回天线。使用这种配置实现的RCS可控范围会受限于环行器的性能。例如不完善的阻抗匹配或端口之间的信号泄漏将决定最小反射信号的大小。在实践中,使用这种配置可能很难实现宽频范围的平坦RCS模拟。

图2b采用目标天线端接可调衰减器加上短路器来实现可调雷达目标模拟。如果天线阻抗与衰减器阻抗匹配良好,用这种配置可以实现更宽频的RCS。但是,天线结构本身会产生一些背向散射,这可能会决定模拟目标的有效RCS的下限。

如需增加模拟目标的RCS,图2a中的衰减器可以用一个放大器来代替。但是环行器的信号泄漏以及系统中的各种阻抗失配将可能导致系统自激振荡。因此放大器的增益需谨慎选择。

使用独立的发射和接收天线来模拟目标可以提高模拟器的性能和灵活度(见图3)。对于这样的配置,RCS可以用一下公式来估算:

其中ka是放大器增益,Gsr是目标模拟器接收天线的增益,Gst是目标模拟器发射天线的增益。

采用单个或两个天线的目标模拟器都可以包含一个延迟器来控制目标与雷达的有效距离。基于各种技术的光纤射频系统已经成熟,这项技术在高达60 GHz的频率下已有可能实现相当于100英里或更远的距离延迟。9

多普勒雷达目标仿真器

移动目标可以通过将接受到的雷达信号频移后再发送回被测雷达系统来模拟。这种被频移的信号可以用单边带(SSB)调制器和信号双工器来产生完成(见图4)。在通常情况下,SSB调制器是通过一个平衡的正交混频器来实现的,它可以很好地抑制输入载波信号以及不需要的边带。

为了实现对不需要的边带的有效抑制,同相(I)和正交相位(Q)的调制信号必须在调制频率上相位偏移90度。通过在I和Q调制信号之间提供一个正或负的相位差来选择上边带或下边带。通过选择上边带,返回到雷达的信号频率更高,模拟雷达和目标之间的距离减少。相反,选择低边带会产生一个较低频率的返回信号,模拟距离增加。这样目标相对雷达的运动方向就可以被模拟了。

假设信号双工器中的信号损失可以忽略不计,阻抗失配可以忽略不计,单天线多普勒目标模拟器的RCS可以用以下公式来估计:

其中km是SSB调制器的转换损耗。

调制频率决定了应用于接收的雷达信号的频移。对于一个实际的移动目标,多普勒频移是目标速度的两倍除以雷达信号的波长。例如,雷达频率为35GHz,目标速度为80英里/小时(36米/秒),则多普勒频移为8.3kHz。在77GHz时,80英里/小时的多普勒频移将是18.4千赫。

为了模拟具有固定速度的单一目标,I和Q调制信号可以从一个函数发生器获得,该发生器为在同一频率下工作的两个输出通道提供相位偏移调整。如果调制信号的谐波含量很低,而且调制器在其线性范围内工作,那么谐波边带的含量就可以忽略不计。否则,目标模拟器可能会产生明显的边带谐波,这样可被误解为存在其它移动目标。

通过调整设置在天线和信号双工器之间的可变衰减器,可以在一个很宽的动态范围内控制频移信号的幅度。多普勒信号振幅的下限不取决于阻抗失配或信号泄漏。因此,多普勒雷达目标模拟器可以在60 dB或更大的动态范围内测量多普勒雷达系统的灵敏度。

多普勒雷达收发机测试

在雷达生产环境中,多普勒雷达头的灵敏度和速度精度测试可以采用相对于一个已定标的装置(黄金标准)来快速完成,该装置其实是一个已经过现场测试并被证明对已知RCS的移动目标有足够的灵敏度和速度准确度的雷达头。一个典型测试系统需包含一个天线暗室,其一端有一个机械装置用于快速安装被测雷达头,另一端是目标模拟器的天线和含单边带调制器等多普勒雷达目标模拟器。(见图5

多普勒雷达测试系统的校准很简单。采用"黄金标准“装置和目标模拟器,由雷达头产生的多普勒信号被送入一个计算目标速度的频率鉴别器。当信噪比足够大时,鉴频器产生一个有效的目标速度测量。在测试装置的校准过程中,衰减器的衰减值被向上调整到校准雷达装置无法产生准确速度测量的水平。然后慢慢降低衰减值,直到获得有效的速度测量。衰减值可以进一步调整,以设定通过灵敏度测试所需的最低性能水平。速度精确度通过鉴频器给出。这样该测试系统就可用于生产厂家雷达头灵敏度和测速精度的合格/不合格的测试。

量产雷达头灵敏度的合格/不合格可以通过调整可变衰减器来确定。相对于"黄金标准“而言,雷达头的灵敏度定标可以通过被测雷达头测量到的阈值所需的衰减量来决定。例如,如果被测试的雷达头能以相对于校准单元的6dB的额外衰减来测量目标速度,那么在给定的RCS下,该雷达头的灵敏度大约是"黄金标准“的两倍。这是因为当衰减器的设置增加6dB时,返回到被测雷达头的多普勒信号减少了12dB,而12dB的衰减相当于目标看起来离雷达头的距离是原来的两倍。

影响连续波(CW)多普勒雷达传感器灵敏度或探测范围的主要因素包括发射功率、信号相位噪声、混频器变频损耗和下变频到中频通道的雷达信号中的系统噪声等。变低的发射功率或增大的混频器变频损耗都会降低多普勒信号功率。雷达信号中增加的AM或FM边带噪声会在混频器输出端产生更多的宽带噪声。如果鉴频器不能准确测量多普勒频率,可能是由于被测雷达头的发射功率、振荡器的相位噪声、混频器的变频损耗、接受机的噪声等因素的组合造成的。而速度不准,则可能是发射机信号源的频率漂移造成的。

以上讨论主要集中于该系统在多普勒雷达头测试中的应用。如果用于脉冲或FMCW雷达测试时,被测雷达可以测试静止物体的距离(零多普勒频移),这样目标模拟器可能会被雷达认为静止物体或移动目标。而没有多普勒频移的返回信号可能是由天线结构的反向散射、阻抗失配效应、SSB调制器中对载波信号的不完美抑制或通过双工器的信号泄漏造成的。

设计实例

一个典型的矩形喇叭天线,如Eravant型号为SAR-2309-28-S2的喇叭天线,在工作频率为35 GHz时,其线性极化增益为23 dBi。如果其波导端口以短路方式端接,该天线可用于模拟一个RCS约为0.2M2的雷达目标。一对这样的喇叭天线并与一个增益为10dB的放大器相连,可以用来模拟一个RCS约为2 M2的雷达目标,比没有放大器时高出10倍。另外,Eravant公司型号为SAL-3333732905-28-S1的透镜喇叭天线在35GHz时的增益为29 dBi,不使用放大器也能提供高达3.5 M2的RCS。

估算多普勒雷达目标模拟器的有效RCS涉及到很多因素。Eravant的全频段SNF-22-CA波导环行器在35GHz的插入损耗是0.5 dB左右。Eravant的SFQ-30340310-2828SF-N1-M波导正交混频器用作单边带调制器(SSB)的变频损耗典型值是10 dB。如果使用波导元件来连接调制器和环行器端口,会增加额外1 dB左右的插入损耗。这样估计总转换损耗为12 dB。如果天线提供29 dBi的增益,模拟移动目标的RCS估计大约为0.25M2。通过在目标模拟器天线和环行器之间插入一个可变衰减器,可以向下调整RCS。衰减器每增加6dB的衰减,模拟目标的有效RCS就会减少16倍。

对于一个FMCW或脉冲雷达系统来说,本设计实例可望产生一个零多普勒频移的返回信号。例如,环行器的典型输入回波损耗为12dB,这意味着大约1/16的接收功率将被反射回雷达系统,而没有多普勒频移。因此,当衰减值设置为0dB时,雷达系统除了能探测到RCS约为0.25 M2的静止物体外,还能探测到RCS约等于0.25M2的移动目标。

目前多普勒目标模拟器的定型产品已达E波段和W波段。例如Eravant的STR-793-12-D1,工作频率为77至81 GHz(见图6)。它包括一个直读衰减器和一个WR-12接口,用于连接到用户指定的天线。载波和边带抑制分别为30 dB和20 dB。支持高达250MHz的多普勒频率。最终的RCS由采用的天线的增益和其他元件的插入损耗(如连接电缆)等来决定。

对于无调制连续波(CW)多普勒雷达系统,雷达与目标模拟器的距离是模糊的。回波信号振幅的调整可被解释为RCS的变化或与雷达系统距离的变化。对于FMCW或脉冲雷达系统来说,雷达系统与目标的距离一般是通过评估信号延迟的影响来确定的。对于这些系统,当其它环境因素不变时,接收到的信号的大小可以有效地解释为RCS的变化、目标在雷达波束中的位置的变化或电磁波传播损耗的变化。

结论

不匹配的定向天线可以用来模拟雷达目标。雷达目标的预期RCS可以通过天线增益来估计。通过控制反射回天线端口的功率,雷达目标的RCS可以被改变。使用不同接收和转发天线,可以实现更灵活的极化场景的模拟。

通过使用SSB调制器对接收到的雷达信号进行频移,并将频移后的信号重新发送到雷达系统,就可以用固定的设备有效地模拟移动目标。根据应用需求,雷达目标模拟器可采用单天线或双天线以增加灵活度。一个由天线,双工器、SSB调制器和可调衰减器的低成本、单天线的雷达目标模拟器是可用作量产环境或现场维修雷达系统时雷达头性能测试和评估的有效工具。

参考文献

1.   S. D. Robertson, “Targets for Microwave Radar Navigation,” Bell System Technical Journal, Vol. 26, No. 4, October 1947, pp 852–869.

2.   R. L. Brandenburg, A Deception Repeater for Conical-Scan Automatic Tracking Radars, Naval Research Lab, 1956.

3.   P. Rippl, J. Iberle, P. A. Scharf and T. Walter, “Radar Scenario Generation for Automotive Applications in the E Band,” IEEE Journal of Microwaves, Vol. 2, No. 2, April 2022, pp. 253–261.

4.   G. Körner, M. Hoffmann, S. Neidhardt, M. Beer, C. Carlowitz and M. Vossiek, “Multirate Universal Radar Target Simulator for an Accurate Moving Target Simulation,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 69, No. 5, May 2021, pp. 2730–2740.

5.   S. Shahir, M. -R. Nezhad-Ahmadi, M. Chavoshi and G. Rafi, “Millimeter-Wave Automotive Radar Characterization and Target Simulator Systems,” IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC-URSI Radio Science Meeting, July 2019.

6.   W. Scheiblhofer, R. Feger, A. Haderer and A. Stelzer, “Low-Cost Target Simulator for End-of-Line Tests of 24-GHz Radar Sensors,” 22nd International Microwave and Radar Conference, May 2018.

7.   H. T. Friis, “A Note on a Simple Transmission Formula,” Proceedings of the IRE, Vol. 34, No. 5, May 1946, pp. 254–256.

8.   M. Skolnik, Radar Handbook, McGraw-Hill, Inc., 1990.

9.   “RF & Microwave Fiber Optic Delay Line System,” EMCORE, January 2022, Web, https://emcore.com/wp-content/uploads/2022/02/RF-MW-Delay-Lines-System.pdf.

1 单天线雷达和反射型目标模拟场景。

2 a)采用环行器和可调衰减器的可调RSC的雷达目标模拟器框图,(b)用短路器和可调衰减器的可调RSC的雷达目标模拟器框图。

3 采用双天线的可调RSC雷达目标模拟器框图。

4 带有可调RCS的多普勒雷达目标模拟器框图。

5 多普勒雷达测试装置。

6 标准多普勒雷达目标模拟器。


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