雷達信號產生和分析方案

2020-11-22 電子產品世界
1.概述

雷達系統的基本結構主要由五部分構成：發射機，接收機，發射天線，接收天線，顯示裝置。其中發射機和接收機是最為重要的組成部分。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/334277.htm

為了研究雷達系統的發射機和接收機，有必要模擬雷達信號的產生並對雷達信號進行分析。從信號形式上區分，雷達信號主要有連續波雷達和脈衝雷達等形式，而目前絕大多數雷達都採用脈衝信號的形式。

為此R&S 公司推出了一系列可以模擬脈衝雷達信號產生和分析脈衝雷達信號的測試與測量儀器。

圖1： 脈衝調製信號

2． 雷達信號的產生

R&S SMF100A 微波信號源可以產生線性調頻信號和任意脈衝序列，可以模擬雷達信號的生成。

2.1 R&S SMF100A 的主要性能及特點：

2.1.1 R&S SMF100A 主要性能指標

頻率範圍100kHz ～ 22 /43.5GHz
SSB 相噪- 115 dBc (10 GHz; @ 10 kHz; 1 Hz BW)
輸出功率+ 27 dBm @ 10 GHz
諧波- 55 dBc @ 10 dBm
非諧波- 62 dBc (3 GHz < f ≤ 10 GHz)
脈衝調製>80 dB 開關比; 20 ns 脈寬
設置時間短電平設置時間< 3 ms ，頻率設置時間<4 ms
寬帶噪聲< - 148 dBc @ 10 GHz
調製方式AM/LOG AM/FM/PhiM/脈衝/ASK/FSK/PSK

2.1.2 R&S SMF100A 的主要技術特點

1）直接產生線性調頻雷達信號，
2）輸出信號相位可調，調節步進0.1 度；
3）輸出信號頻率改變時，可保持相位連續；
4）可以產生單脈衝，雙脈衝
5）直接產生任意脈衝序列雷達信號
6) 可以連接R&S NRP-Z81 寬帶功率探頭進行功率分析

2.2 R&S SMF100A 產生脈衝雷達信號及測試方案

2.2.1 R&S SMF100A 產生雙脈衝和脈衝序列

R&S SMF100A 是目前唯一可以產生雙脈衝以及可編輯任意脈衝序列的模擬微波信號源。每個脈衝的持續時間和脈衝關斷期都可以自行設定；任意脈衝序列的開關時間可以設置的範圍從5ns 到5ms。

圖2： R&S SMF100A 產生雙脈衝和任意脈衝序列信號

2.2.2 R&S SMF100A 產生線性調頻信號

R&S SMF100A 可以直接產生線性調頻信號，最大帶寬達到80MHz。只要配備了SMFB20選件或SMF－B22 選件，以及脈衝調製器SMF-K3 和脈衝發生器SMF－K23，就可以產生Chirp Modulation 線性調頻信號了。該線性調頻信號的最小脈衝寬度100ns，最小脈衝周期200ns。

圖3：R&S SMF100A 產生80MHz 帶寬線性調頻信號

2.2.3 用R&S SMF100A 進行雷達接收機測試方案

圖4： 用R&S SMF100A 進行脈衝雷達接收機測試方案

3. 雷達信號的分析

雷達信號的分析非常重要，這裡提供幾種手段進行雷達信號的分析，第一種，用頻譜分析儀進行脈衝雷達信號分析；第二種，用功率計進行脈衝雷達信號分析；第三種，用信號源直接進行雷達脈衝信號分析。

3.1 用頻譜分析儀進行雷達信號分析及系統測試

頻譜分析儀可以進行一般的頻域測試，包括功率，頻率，頻譜的相關測試；同樣，頻譜儀也可以在零掃寬（zero span）模式進行時域包絡分析。此外，用頻譜分析儀的擴展功能，如R&S FS-K7 AM/FM/PM 選件，還可以實現調幅，調頻，調相信號的解調，同時，還可以進行瞬時幅度，瞬時頻率，瞬時相位的分析，以及調製質量，THD,SINAD 等參數的測試。R&S FSV 系列頻譜分析儀加R&S FS-K7 選件可以完成以上各項測試；此外，配合FS-K30,FS-K40 選件還可以實現系統噪聲係數和相位噪聲測試。

3.1.1 R&S FSV 頻譜分析儀的性能指標及技術特點

頻率範圍9kHz (選件至20 Hz) - 3.6 /7/13.6/30/ 40 GHz,
最大分析帶寬40MHz
直觀圖形界面，觸控螢幕操作
測試不確定度<0.39dB (7GHz)
測試速度極快（比同類儀表快5 倍）
TOI > 13 dBm, typ. 17 dBm (f < 3 GHz)
> 15 dBm, typ. 19 dBm (3 GHz < f < 7 GHz)
DANL typ. – 159 dBm (f < 7GHz)
Phase Noise typ. -110 dBc/Hz @ 10 kHz offset （CF=500MHz）
typ. -115 dBc @ 100 kHz
typ. -150 dBc @ 10 MHz

3.1.2 R&S FSV 頻譜分析儀進行脈衝信號頻域測試

用頻譜分析儀進行脈衝的頻譜分析，設置較大的RBW可觀察包絡譜，根據包絡第一零點的位置計算脈衝的脈寬；設置較小RBW值則也可以觀察線狀譜，測量脈衝的重複頻率，計算脈衝的周期；在頻域還可以用信道功率測量功能測量脈衝的平均功率，也可以用大的RBW來測量脈衝峰值功率；

圖5： 脈衝調製信號的頻譜（包絡譜）

圖6： 脈衝調製信號的頻譜（線狀譜）

3.1.3 用頻譜儀Zero Span 進行脈衝信號的時域測量

在頻譜儀的零頻率掃寬（zero span）狀態，可以分析脈衝的時域包絡，此時可以從時域測量脈衝調製信號的平均功率和峰值功率，脈寬和脈衝周期等參數。

圖7： 脈衝調製信號的時域包絡

3.1.4 用FS－K7 選件進行脈衝雷達信號分析

當頻譜分析儀配備了FS-K7 AM/FM/PM 解調選件，可以分析脈內的調製，比如線性調頻信號的解調以及Barker 碼調製脈衝的解調。

圖8：R&S FSV + FS-K7 選件進行線性調頻信號的解調

圖9：R&S FSV + FS-k7 選件進行11 位Barker 碼信號的解調

3.1.5 用R&S FSV 頻譜分析儀進行雷達系統相位噪聲測試

用頻譜分析儀的FS-K40 選件可以進行信號的相位噪聲測試，直接繪製相噪曲線。

圖10： 用R&S FSV 進行相噪測試――儀器設置

3.1.6 用R&S FSV 頻譜儀進行雷達系統噪聲係數測試

用頻譜分析儀FS-K30 選件加噪聲源可以進行噪聲係數和增益測試。

圖12：用R&S FSV 頻譜分析儀進行噪聲係數測試――測試連接圖


圖13：用R&S FSV 頻譜分析儀進行噪聲係數測試――測試結果

3.2 用功率計進行脈衝雷達信號測試

R&S NRP 系列功率計提供了多款探頭可供選擇，頻率覆蓋了DC-67GHz 的頻率範圍，功率範圍覆蓋了- 67dBm 到+45dBm 的範圍。

圖14：R&S NRP 功率探頭系列

對於脈衝信號分析，推薦使用峰值功率探頭NRP-Z81, 該探頭覆蓋了10MHz 至18GHz的頻率範圍，時域解析度可達到12.5ns。

圖15： NRP 功率計的多種操作模式

使用POWER VIEWER PLUS 軟體，PC 加NRP-Z4 +功率探頭，可以實現的無功率計主機的操作。

圖17： NRP 探頭直接連接電腦進行脈衝信號分析

圖18： 用PC＋探頭分析脈衝功率，上升沿，下降沿，脈寬，周期，功率等參數

3.3 用R&S SMF100A 信號源進行雷達脈衝信號分析

R&S NRP－Z 系列功率探頭可以直接連接R&S 公司信號源SMF100A，進行功率測量，脈衝分析，可以測量平均功率，峰值功率，脈寬，周期，佔空比，上升時間，下降時間，過衝等參數。

圖19：用SMF100A 信號源＋NRP-Z81 進行脈衝測試界面

圖20：SMF100A 微波信號源＋NRP 探頭進行脈衝功率分析設置界面

4. 總結

綜上所述，R&S 公司的微波信號源R&S SMF100A，新一代頻譜分析儀R&S FSV，峰值功率探頭R&S NRP-Z81 提供了完整的雷達脈衝信號產生和測試方法，可以組成一套理想的雷達發射機和接收機系統的完整解決方案。

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