R&S®SMW200A矢量信号发生器干涉式测向仪的轻松测试

R&S®射频端口校准软件配合R&S®SMW-K545选件，可为校准和对齐多台耦合双路径或单路径R&S®SMW200A矢量信号发生器的射频端口之间的幅度、群延迟和相位提供标准且量身定制的解决方案。此外，R&S®脉冲序列器软件支持用户计算用于干涉仪测向（DF）测试案例所需的信号。结合上述软件包与R&S®SMW200A信号发生器硬件，可实现精确的到达角（AoA）仿真，从而测试干涉仪测向器或辐射源定位系统的实际性能。

图1：该图展示了一种配备四个射频端口的宽带I/Q调制装置，以及用于采集校正数据的矢量网络分析仪和功率传感器。R&S®射频端口校准软件可轻松实现射频端口间信号的精确对齐。它可在用户定义的参考平面上补偿射频端口之间的幅度、群延迟和相位偏移。R&S®脉冲序列器软件支持通过简单直观的图形用户界面定义AoA测试用例。
您的任务
许多现代军用飞机在其自卫系统中都配备了先进的电子支援措施（ESM）。ESM系统通常采用干涉仪测向仪来确定辐射源信号的到达角。与早期仅基于幅度的测向技术的简单雷达告警接收机相比，这些先进系统能够以更高的精度定位辐射源。此外，干涉仪测向仪能够更好地应对来自多个发射源的信号同时到达的情况。
干涉测量测向利用了这样一个事实：入射到天线阵列的信号在每个阵元上都会产生不同的相位偏移。可采用多种算法来非常精确地确定到达角（AoA）。
一种AoA模拟器需要足够灵活，既能提供用于早期硬件验证的简单雷达脉冲，也能提供用于系统级测试的复杂多发射机场景。
如果工程师能够在实验室中轻松生成多种信号，以针对各种发射机场景验证被测设备的性能，那么开发和测试定向仪的任务将大大简化。
理想情况下，模拟器硬件应采用现成的商业解决方案（COTS），从而无需再设计昂贵且缺乏灵活性的定制硬件。为了实现对AoA仿真最精确的信号生成，测试装置应提供一种用户友好的选项，以便在指定参考平面上精确对齐射频端口之间的幅度、群延迟和相位。
定义信号和创建复杂场景也必须简单易行，避免耗费大量时间编写额外的仿真软件。

图2：此设置适用于使用两个耦合的双路径R&S®SMW200A矢量信号发生器，模拟多个发射源的到达角（AoA）。R&S®脉冲序列软件可自动计算射频端口的相对群时延、相对相位或相对幅度值。
罗德与施瓦茨解决方案
R&S®SMW200A矢量信号发生器可提供两条高达44 GHz的射频通道。多个R&S®SMW200A发生器可进行级联，组成一款紧凑且可扩展的仿真器，以生成相位相干的射频信号。
为实现所有射频路径之间的相位相干性，R&S®SMW200A信号发生器中的所有I/Q调制器必须使用相同的本振（LO）信号。为此，可将主R&S®SMW200A内部的本振信号以菊花链方式分配至所有从属R&S®SMW200A信号发生器。或者，LO信号也可由外部源提供，例如R&S®SMA100B，并以星型拓扑结构分配至R&S®SMW200A发生器，以实现最佳的对称性配置。此外，各发生器之间还共享内部时钟和触发信号，以确保同步运行。
R&S®射频端口校准软件配合R&S®SMW-K545选件，可让模拟器设置的复杂校准工作变得极为简单。用户可通过网页GUI访问多射频端口设置的校准程序。用户只需配置好设置，定义好电缆、耦合器等即可。对于去嵌入处理，请将每个射频输出连接至矢量网络分析仪，例如R&S®ZNA或R&S®ZNB，然后启动校准。R&S®射频端口校准软件会自动采集校正数据，以在用户定义的参考平面上对射频路径进行幅度、群延迟和相位（同时涵盖整个I/Q调制带宽）的校准。

图3：示意图，说明入射角theta如何导致DF天线阵列产生不同的相位偏移。
评估不同测向算法
开发过程中典型的测试用例是评估和比较不同的DF算法。相关的比较标准包括：例如，某种算法可达到的角度分辨率，以及信噪比对特定算法所获DF精度的影响。以下描述了一个使用线性四通道天线阵列测试DF接收机的示例场景。
图3示出了线性DF天线阵列的工作原理。当波前以角度Θ入射到阵列时，由于发射源与各天线单元之间的距离不同，每个天线单元接收到的信号都会相对于其他单元产生相位偏移。图3显示了数组中第一个与最后一个元素之间距离的差值，记为Δd。随后，可通过DF算法评估天线单元之间的相位偏移，从而确定入射信号的确切到达角（AoA）。
本示例的测试设置由两台耦合的双路径R&S®SMW200A组成，可提供如图2所示的四个相位相干信号。在使用R&S®脉冲序列软件定义场景时，DF天线阵列的四个单元分别被分配至R&S®SMW200A发生器的四个端口之一。然后，每个发生器的射频端口均连接至DF接收机（被测设备）的相应射频输入端。在仪器上运行该场景时，所有必要的幅度、群延迟和相位校正系数都会自动应用，以确保四个信号在DF接收机的射频输入端具有所需的相位关系。R&S®脉冲序列器软件可计算DF接收机射频输入端口处预期的信号。不同的场景可针对各种需求评估DF接收机的性能。

图4：使用R&S®脉冲序列器软件配置的测向场景预览。在本示例中，飞机沿圆形轨迹逆时针飞行，并经过位置(1)和位置(2)。上述示例中所描述的测向接收机的线性天线阵列假定位于飞机机翼或机身内用户自定义的某个位置。
示例用例
以下示例展示了如何将R&S®脉冲序列器软件与经过校准的仿真器设置配合使用，以在同一DF场景中评估两种不同DF算法的性能。在本示例中，采用了真实的射频DF硬件和真实的射频信号。
示例DF场景
一架飞机沿圆形轨迹绕着两个辐射源飞行（参见图4中的场景）。该飞机搭载了一个四元件线性天线阵列，天线阵列侧向指向，用于确定两个辐射源信号的到达角。随着飞机沿其轨迹飞行，这两个辐射源之间的到达角差逐渐减小，使得两个角度之间的区分变得愈加困难。

图5：不同位置的DF结果
AoA估计由DF接收机处理单元中内置的DF算法执行。作为示例，应用了两种不同的算法（巴特利特和卡彭），并对其在DF场景下的理论性能进行了评估。图。图5显示了两种算法在搭载测向接收机（DUT）的飞机不同位置上所给出的角度估计结果。第一个方位角是在轨迹上的位置（1）处测得的，此时入射角差异仍较大。两种算法均能准确区分发射源1和发射源2，并给出了精确的估计结果。第二张图显示了位置（2）的测试结果。结果显示，只有Capon算法仍能提供准确的方位估计，而Bartlett算法则无法分辨各个辐射源。这种估计仅考虑了相位信息，未涉及其他任何辐射源特征。
此外，还可针对两种DOA算法评估DF精度（即模拟值与估计值之间的差异）。下表提供了模拟值与估计值的对比：
模拟方位角 巴特利特 卡彭
发射器1 发射器2 发射器1 发射器2 发射器1 发射器2
290.0° 240.0° 298.3° 230.6° 290.4° 239.5°
280.0° 260.0° 未提供 未提供 283.3° 257.4°
这一理论示例清晰地展示了不同DF算法如何处理同一场景，它充分表明，在开发过程中尽早开展系统测试——包括射频硬件和相关DF处理算法——至关重要。
罗德与施瓦茨的DF场景模拟器
R&S®脉冲序列器软件与多台耦合且已校准的R&S®SMW200A信号发生器相结合，可提供强大的场景仿真功能，从而只需付出相对较少的努力，即可模拟并生成大量相关的DF场景及真实射频信号。
这使得能够针对各种威胁场景对测向仪进行准确表征。DF场景模拟的灵活性使R&S®SMW200A配合相关软件包成为执行此项任务的理想解决方案。
主要优势
紧凑且可扩展的多通道信号发生器设置
在用户定义的参考平面上，对多个射频端口之间的幅度、群延迟和相位进行高精度、易于操作的校准
使用多个发射器/干扰器快速灵活地生成场景
具有2 GHz调制带宽，信号精度高
6自由度（DoF）运动的模拟
多个同时发射器的模拟

审核编辑 黄宇