FMCW和線性調(diào)頻脈沖雷達(dá)

雷達(dá)系統(tǒng)工程師在很多領(lǐng)域里都對能夠提供高速頻率調(diào)制連續(xù)波（FMCW）和脈沖頻率調(diào)制（FMOP）或“線性調(diào)頻脈沖（chirp）”功能的RF /微波信號發(fā)生器具有較高的依賴性，特別是在高精度雷達(dá)系統(tǒng)（例如反欺騙和抗干擾）等應(yīng)用中。為了獲得可靠的FMCW和線性調(diào)頻調(diào)制，通常會選擇功能齊全的臺式設(shè)備，但現(xiàn)在功能強(qiáng)大、便攜且可編程的RF/微波信號發(fā)生器帶來了一種低成本且靈活的替代方案。

偏遠(yuǎn)地區(qū)或惡劣條件下的挑戰(zhàn)

調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)技術(shù)是在20世紀(jì)50年代二戰(zhàn)后發(fā)展起來的，旨在提供更好的雷達(dá)目標(biāo)分辨率。雷達(dá)技術(shù)經(jīng)歷了穩(wěn)步發(fā)展，從簡單的線性FMCW到更先進(jìn)的雷達(dá)技術(shù)，如使用脈沖壓縮技術(shù)的相干脈沖雷達(dá)，這些技術(shù)產(chǎn)生了調(diào)頻線性調(diào)頻（FM chirp）、巴克碼和其他更復(fù)雜的調(diào)制脈沖壓縮雷達(dá)技術(shù)。然而，先前的雷達(dá)技術(shù)仍有其用途和優(yōu)點(diǎn)，例如用于著陸過程中飛機(jī)高度測量的線性FMCW、汽車?yán)走_(dá)、智能彈藥傳感器、以及海軍戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)航雷達(dá)等。

在FMCW雷達(dá)和更先進(jìn)的線性調(diào)頻脈沖雷達(dá)的開發(fā)和測試中，具有掃頻和線性調(diào)頻調(diào)制的信號發(fā)生器是非常重要的，它也可以用于在實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場開發(fā)和測試脈沖壓縮技術(shù)和設(shè)備中。

考慮到大量FMCW和線性調(diào)頻脈沖雷達(dá)使用微波和毫米波頻段，如C波段、X波段和Ku波段，用于開發(fā)和測試這些雷達(dá)的大型臺式測試設(shè)備具有豐富的內(nèi)置功能和高昂的價(jià)格，維修和重新校準(zhǔn)通常也很昂貴，此外，大型臺式信號發(fā)生器是為實(shí)驗(yàn)室條件而設(shè)計(jì)的，在極端環(huán)境下通常不能正常工作。

對于許多空間受限且環(huán)境惡劣的應(yīng)用來說，便攜式信號發(fā)生器是一種更可行的解決方案。然而，目前大多數(shù)便攜式信號發(fā)生器不能達(dá)到常見的FMCW和線性調(diào)頻脈沖雷達(dá)波段，也不能提供任何形式的線性調(diào)頻或脈沖調(diào)制。便攜式且可編程的虹科信號發(fā)生器可以產(chǎn)生自觸發(fā)和外部觸發(fā)的線性調(diào)頻調(diào)制、相位連續(xù)線性掃頻和脈沖調(diào)制，且與具有相同功能的典型臺式信號發(fā)生器相比具有更低的價(jià)格成本。

FMCW和線性調(diào)頻脈沖雷達(dá)

FMCW調(diào)制與連續(xù)波（CW）雷達(dá)調(diào)制類似，但CW雷達(dá)的頻率是線性或非線性增加/減少。常見的FMCW波形有鋸齒波、三角波、方波和階梯波調(diào)制，最常見的是鋸齒波或“掃頻”FMCW雷達(dá)。

FMCW調(diào)制是來自物體的接收信號與發(fā)射信號混合，產(chǎn)生與延遲成正比的中頻（IF）頻點(diǎn)，從而與物體的距離成正比。多個(gè)物體將產(chǎn)生多個(gè)頻點(diǎn)，這些頻點(diǎn)可以通過傅里葉變換進(jìn)行分離和識別。FMCW雷達(dá)由一個(gè)相對簡單的電路組成，包括發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、FMCW合成器、混頻器、數(shù)字化儀、信號處理器和顯示器。對于無線電測高儀，中頻信號直接發(fā)送到帶有頻率相關(guān)的模擬測高儀上，該測高儀在更高頻率下表現(xiàn)出更大的感應(yīng)阻抗（雖然不是線性的，但這仍然是確定相對高度的有效方法）。

與連續(xù)波相比，F(xiàn)MCW雷達(dá)能夠同時(shí)測量目標(biāo)的距離和相對速度，距離測量的精度比CW高得多，F(xiàn)MCW調(diào)制還可用于區(qū)分多個(gè)目標(biāo)，只需要相對簡單的電路就能實(shí)現(xiàn)，不需要任何峰值功率高的脈沖。

該技術(shù)的一個(gè)進(jìn)步是將脈沖雷達(dá)概念與脈沖內(nèi)調(diào)制/脈沖壓縮相結(jié)合。脈沖雷達(dá)的性能得益于極高的脈沖功率和較短的脈沖寬度，然而，高脈沖功率和短脈沖寬度需要專門的高功率調(diào)制器和發(fā)射機(jī)，它們通常尺寸較大且價(jià)格昂貴，而通過固態(tài)技術(shù)，可以在成本節(jié)約的同時(shí)擁有更小的尺寸。

因此，脈沖內(nèi)調(diào)制和脈沖壓縮的使用允許在相對較高的功率水平下獲得更長的脈沖寬度。脈沖壓縮在較短的子脈沖段中處理較長的脈沖，從而減少長脈沖寬度脈沖雷達(dá)的距離分辨率損失。脈沖頻率調(diào)制（FMOP）通常被稱為“線性調(diào)頻脈沖”雷達(dá)，線性頻率調(diào)制也通常被稱為線性調(diào)頻信號。

線性調(diào)頻脈沖雷達(dá)的其他優(yōu)勢是，通過脈沖壓縮濾波過程，接收機(jī)中的寬帶和隨機(jī)分布噪聲大大降低，這通常被稱為脈沖壓縮增益（PCG）。此外，脈沖壓縮濾波器調(diào)整接收信號頻率分量的相對相位，這實(shí)際上產(chǎn)生了比用標(biāo)準(zhǔn)雷達(dá)距離方程預(yù)測的更好的最大距離，這種現(xiàn)象被稱為脈沖壓縮比（PCR）。

調(diào)頻連續(xù)波和線性調(diào)頻脈沖雷達(dá)的性能取決于雷達(dá)部件的性能，因此，附加噪聲/噪聲系數(shù)、線性度、相位噪聲和雜散諧波都是雷達(dá)系統(tǒng)中有源部件的關(guān)鍵參數(shù)，雷達(dá)發(fā)射/接收信號鏈中的任何主動和被動組件都有可能嚴(yán)重降低雷達(dá)系統(tǒng)的性能。

信號發(fā)生器的關(guān)鍵作用

FMCW和線性調(diào)頻脈沖雷達(dá)在各種應(yīng)用中非常常見，包括防空、海上導(dǎo)航、汽車高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）和其他傳感應(yīng)用，許多傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)今天仍在飛機(jī)和軍艦上使用，但它們需要進(jìn)行維修和改裝測試。

信號發(fā)生器是雷達(dá)測試的關(guān)鍵測試儀器之一，通常用于測量雷達(dá)接收機(jī)電路的性能。在野外測試?yán)走_(dá)需要長測試距離和精確定位雷達(dá)目標(biāo)，可以使用具有適當(dāng)調(diào)制的信號發(fā)生器來模擬雷達(dá)目標(biāo)。此外，高純度信號發(fā)生器還可用于測試?yán)走_(dá)接收機(jī)的信噪比（SNR），這可以用于確定雷達(dá)的最大距離能力，以及該能力是否符合給定雷達(dá)的規(guī)范。脈沖線性調(diào)頻調(diào)制信號發(fā)生器也可用于測試?yán)走_(dá)接收機(jī)的脈沖壓縮電路，可以向脈沖壓縮延遲線發(fā)送經(jīng)過校準(zhǔn)的壓縮脈沖，并測量這些電路是否符合規(guī)范。

雷達(dá)接收機(jī)也可以在不同的信號條件下使用降級的雷達(dá)信號特性和噪聲進(jìn)行測試。這可以通過多個(gè)信號發(fā)生器實(shí)現(xiàn)，一個(gè)產(chǎn)生模擬雷達(dá)響應(yīng)，另一個(gè)產(chǎn)生校準(zhǔn)損傷，例如通道內(nèi)和通道外干擾信號和噪聲，這種類型的測試可用于確定雷達(dá)接收機(jī)的抗阻塞性和靈敏度。

雷達(dá)傳輸電路也可以用信號發(fā)生器代替雷達(dá)系統(tǒng)頻率合成器進(jìn)行測試，這樣，雷達(dá)傳輸電路可以與頻率合成器和調(diào)制電路分開進(jìn)行測試和故障排除。（了解更多方案詳情，歡迎聯(lián)系文章結(jié)尾處虹科工程師微信）

虹科HK-LMS-183DX：6.0 – 18.0GHz USB可編程信號發(fā)生器

虹科HK-LMS-183DX USB可編程信號發(fā)生器是一款低成本、便攜式、實(shí)驗(yàn)室可用的信號發(fā)生器，它提供100Hz頻率步長、可配置線性頻率掃描和0.5dB功率控制步長。虹科信號發(fā)生器通過與PC或自供電集線器的USB連接進(jìn)行供電和控制，并可通過附帶的圖形用戶界面（GUI）軟件或使用提供的SDK進(jìn)行編程。

特征

? USB供電和控制

? 包括易于安裝和使用的GUI

? 快速100微秒頻率切換

? 可編程線性掃頻

? 高達(dá)80dB的功率控制范圍

? 易于編程，適用于ATE應(yīng)用

? 可選脈沖調(diào)制和頻率掃描觸發(fā)

? API DLL、Linux和LabVIEW兼容的驅(qū)動程序

應(yīng)用

? 自動化測試設(shè)備

? 工程/生產(chǎn)測試

? 雷達(dá)測試

線性調(diào)頻脈沖雷達(dá)現(xiàn)場測試挑戰(zhàn)

雖然幾乎任何能夠產(chǎn)生線性調(diào)頻脈沖的信號發(fā)生器都可以用于在現(xiàn)場測試線性調(diào)頻脈沖雷達(dá)，但大多數(shù)具有C波段及以上頻率能力的信號發(fā)生器都是相對昂貴的，且其設(shè)計(jì)不適合在現(xiàn)場或潛在的惡劣條件下安裝。這些設(shè)備尺寸較大，包含自己的顯示器和計(jì)算處理器，如果任何部件出現(xiàn)故障，這些裝置往往無法正常工作，而修理這些裝置的費(fèi)用也十分昂貴，并且可能需要幾周到幾個(gè)月的時(shí)間。

這些組件通常具有各種各樣的功能，這些功能對于這種類型的測試來說是不必要的，只會使測試程序復(fù)雜化。一些全功能信號發(fā)生器可能是外部可編程和可觸發(fā)的，這有利于降低測試設(shè)置的復(fù)雜性和時(shí)間，但通常需要另外購買和使用特定的專有軟件。

線性調(diào)頻脈沖雷達(dá)現(xiàn)場測試的另一種更經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法是使用PC驅(qū)動的便攜式信號發(fā)生器，這些信號發(fā)生器緊湊、堅(jiān)固且易于使用。以虹科信號發(fā)生器HK-LMS-183CX為例，該信號發(fā)生器提供從6GHz-18GHz的校準(zhǔn)信號輸出，帶有頻率掃描、線性調(diào)頻調(diào)制和脈沖調(diào)制，可在內(nèi)部觸發(fā)（編程或PC控制）或外部觸發(fā)（脈沖觸發(fā)端口）。而它的價(jià)格大約是性能相當(dāng)?shù)牡湫团_式信號發(fā)生器價(jià)格的三分之一。

此外，虹科便攜式信號發(fā)生器的PC驅(qū)動特性允許測試人員使用自己的PC或筆記本電腦，并且虹科HK-LMS-183CX上不存儲任何測試信息，這與具有自己的處理器和聯(lián)網(wǎng)功能的臺式測試設(shè)備不同。

多信號發(fā)生器抗干擾/反欺騙雷達(dá)測試

對于較新的雷達(dá)，以及在較舊平臺上改裝的雷達(dá)系統(tǒng)，都必須對其進(jìn)行測試和維護(hù)。而隨著雷達(dá)技術(shù)的進(jìn)步，雷達(dá)干擾和欺騙技術(shù)也在進(jìn)步，這就是為什么不僅要測試?yán)走_(dá)的工作情況，還要測試其抗干擾/反欺騙能力的原因。隨著現(xiàn)代軟件定義的雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，新的抗干擾/反欺騙技術(shù)可以在現(xiàn)有雷達(dá)中通過編程來實(shí)現(xiàn)。

然而，測試這種編程的有效性要復(fù)雜得多。在某些情況下，可以使用便攜式信號發(fā)生器模擬各種雷達(dá)目標(biāo)和干擾/欺騙系統(tǒng)來測試抗干擾/反欺騙技術(shù)。在這些情況下，采用多個(gè)信號發(fā)生器來模擬目標(biāo)和干擾/欺騙系統(tǒng)，可以選擇PC驅(qū)動且成本低廉、占地面積小的便攜式信號發(fā)生器，這樣多個(gè)同步信號發(fā)生器可以同時(shí)使用，來模擬比單個(gè)臺式信號發(fā)生器更現(xiàn)實(shí)的場景。同時(shí)，虹科便攜式信號發(fā)生器和移相器足夠堅(jiān)固，可以部署在抗干擾/反欺騙技術(shù)的現(xiàn)場測試場景中。

虹科HK-LPS-202型移相器相位調(diào)整范圍為0°-360°，相位分辨率為1°，頻率范圍為1-2 GHz，能夠在1030 MHz和1090 MHz傳輸頻率下工作。即用GUI可以跟蹤和控制多個(gè)連接的移相器，簡化多設(shè)備設(shè)置，這樣就可以通過計(jì)算機(jī)操作而無需打開測試面板并手動調(diào)整旋鈕來改變和/差通道調(diào)整的相位。

特征

? USB供電和控制

? 包括易于安裝和使用的GUI

? 1°步進(jìn)360°控制

? SMA連接器

? 易于編程，適用于ATE應(yīng)用

應(yīng)用

? 波束成形

? 信號消除

? 相位調(diào)制器

? 用于LTE和WiFi的MiMo測試平臺

? 相控陣天線系統(tǒng)

總結(jié)

信號發(fā)生器和移相器是開發(fā)、測試和維護(hù)關(guān)鍵FMCW和線性調(diào)頻脈沖雷達(dá)技術(shù)的關(guān)鍵工具。雖然傳統(tǒng)的臺式信號發(fā)生器可能在雷達(dá)的開發(fā)和測試中占有一席之地，但在許多情況下，這些裝置的成本、尺寸、復(fù)雜性和脆弱性降低了它們的實(shí)用性。而堅(jiān)固耐用的便攜式信號發(fā)生器，如虹科便攜式信號發(fā)生器，可以是一種低成本、適應(yīng)性極強(qiáng)的解決方案，用于解決各種具有挑戰(zhàn)性的雷達(dá)測試場景。

審核編輯 ：李倩