雷達系統峰值功率量測的重要性
守護安全的雙眼——雷達技術及其精確功率量測
雷達系統，作為現代科技不可或缺的一環，廣泛應用於軍事和民用航空、氣象系統追蹤以及汽車交通管制等多個領域；這些看似不同的應用，都仰賴著相同的核心原理：發射射頻能量訊號並接收遠方物體反射回來的訊號，藉此計算物體的移動速度、距離，甚至高度；由於雷達系統在保障我們的安全方面扮演著至關重要的角色，因此，對其進行精確的功率量測就顯得格外重要；本文將聚焦於航空或測距型雷達，這類雷達利用脈衝調變波形（包含脈衝串或線性調頻連續波）來獲取精細的物體細節，並且配備了高靈敏度的接收器以進行低雜訊量測。
雷達系統的挑戰：高功率發射與低功率接收的共存
典型的主動雷達系統包含一個強大的放大器，用於發射長距離的脈衝訊號，以及一個靈敏的接收器，用於量測微弱的回波訊號；然而，這兩個關鍵部分並非總是能完美協同運作；在運作過程中，天線路徑中附近物體反射的微小功率（僅需數毫瓦）就可能損壞接收器的低雜訊放大器 (LNA)；此外，在初始設計階段，輸出天線或其他負載的阻抗匹配問題也可能浮現；常見於雷達發射器的真空管式高功率放大器（如磁控管或行波管，在許多情況下也會使用固態功率放大器）難以精確控制；為了實現高效率運作，它們通常設計在接近飽和點的狀態，這可能導致非線性行為；這種非線性會使發射的脈衝串產生失真，無法保持理想的矩形功率封包；以上僅是說明為何對雷達系統進行精確功率量測至關重要的幾個原因；量測這些訊號的理想工具之一是如 Boonton 峰值、連續波、平均功率感測器，它能提供精確的功率量測，幫助工程師分析和優化雷達系統的性能；更廣泛的射頻功率感測器選擇，包括專為不同應用設計的型號，可在此處查看：射頻功率感測器。
脈衝調變訊號的時域特性與峰值功率量測
為了理解雷達系統中需要量測的重要功率參數，我們首先需要了解被量測的對象；圖一(a) 展示了一個脈衝調變連續波 (CW) 訊號在時域中的示意圖；藍色的正弦波代表電壓波形或載波，而黃色的矩形則代表解調後的功率封包；圖一(b) 則是現代峰值功率計上顯示的功率封包。
圖一、(a) 為脈衝調變連續波訊號的時域示意圖，藍色代表載波，黃色為功率封包；圖 (b) 則顯示現代峰值功率計螢幕上的功率封包，呈現更精細的脈衝特性，例如寬度 56 µs 和載波頻率 890.00 MHz。
傳統量測方法的局限性
在過去，這些雷達發射器的功率通常是透過包含晶體檢波器、示波器和平均響應熱功率計的系統來計算；圖二是二極體（晶體）檢波器系統的方塊圖；連續波 (CW) 輸入訊號連接到脈衝放大器 (DUT) 的輸入端，並透過連接的產生器進行脈衝閘控，以產生脈衝雷達輸出訊號；訊號接著通過方向性耦合器，一路連接到假負載或實際天線，另一路連接到二極體檢波器系統；測試訊號隨後被分成兩路：一路連接到平均響應熱功率計，提供絕對平均功率量測；另一路連接到連接示波器的二極體（封包）檢波器，提供有限動態範圍的脈衝封包形狀；工作週期的計算方式是將功率封包脈衝寬度除以脈衝重複間隔；然後，脈衝功率則透過將平均功率值除以工作週期來計算，如圖三所示。
圖二、為二極體（晶體）檢波器系統方塊圖，展示連續波射頻輸入經脈衝產生器觸發脈衝放大器 (DUT) 後，產生脈衝射頻輸出；訊號經耦合器分流至負載與二極體檢波器，再分別連接至功率計與示波器進行功率量測與波形觀察。
圖三、闡述脈衝功率的定義，圖中可見脈衝封包、脈衝寬度 (PW)、脈衝重複間隔 (PRI) 以及量測平均功率 (Pavg)；脈衝功率的計算基於這些參數，但此方法假設功率在脈衝開啟期間恆定，且脈衝封包為理想矩形。
傳統計算方法的盲點
這種計算方法假設在脈衝開啟期間功率恆定、脈衝封包為理想的矩形以及工作週期恆定；最關鍵的一點是，脈衝功率的計算並未量測到實際的峰值功率值，並且忽略了較大的功率封包波動；圖四是 Boonton 4540 系列峰值功率計的量測結果，它展示了寬動態範圍峰值功率量測的價值；具有大影像頻寬 (Video Bandwidth) 和寬動態範圍的峰值功率量測系統可用於定位包含平均響應熱功率感測器無法量測到的能量的脈衝異常；Boonton 提供多種高效能的射頻功率感測器，例如 Boonton 峰值、連續波、平均功率感測器 和 射頻功率感測器，這些工具非常適合進行精確的雷達訊號分析。
圖四、擷取自 Boonton 4540 系列峰值功率計，展示寬動態範圍峰值功率量測的價值；主圖以 500 ns/div 的時基顯示整體脈衝封包，而放大細節則以更快的 5 ns/div 時基突顯脈衝前緣的過衝現象。
脈衝波形異常對接收器的潛在危害
傳統的脈衝功率計算無法量測到脈衝波形的異常，例如過衝和振盪，或緩慢的邊緣轉換；這些失真可能包含足夠的能量，從而損壞靈敏的 LNA 接收器，因此不應被忽略；圖五展示了幾個失真的脈衝形狀範例。
圖五、描繪了幾種失真的脈衝形狀，突顯了傳統脈衝功率計算無法量測的脈衝波形異常，例如：緩慢的上升時間、過衝、下垂 (droop) 以及不規則的脈衝寬度等，這些失真可能對接收器造成損害。
低工作週期訊號的量測挑戰
主搜索雷達的設計目標是在遠距離精確定位物體；精確的細節需要短脈衝，而遠距離目標則需要較長的靜默期以等待反射脈衝的回波；由於這些限制，大多數搜索雷達的發射訊號具有非常低的工作週期；這些低工作週期的波形由於高峰值平均功率比而佔據了很大的動態範圍；圖六顯示了一個 0.1% 工作週期的範例，其峰值功率至少比平均功率高出 30 dB；這就需要一個具有至少額外 10 dB 動態範圍的量測設備才能量測到異常，總共約 40 dB；Boonton 的功率感測器，如 射頻功率感測器 系列，能夠提供寬廣的動態範圍，滿足這類低工作週期訊號的精確量測需求。
圖六、展示了一個工作週期為 0.1% 的訊號範例，其脈衝寬度為 1 µs，脈衝重複週期為 1 ms，呈現高峰值平均功率比的特性；這種低工作週期訊號需要具備大動態範圍的量測設備才能精確分析。
單端檢波器電路的限制
單端檢波器電路存在一些不確定性因素，包括有限的動態範圍和相當高的雜訊基底；未經校準的二極體檢波器具有 20 到 25 dB 的動態範圍，並且其輸出到示波器的訊號強度與功率、非線性以及電壓成正比的關係會隨著絕對功率水平的變化而改變；這種特性需要冗長的校準過程，且無法考慮溫度變化或載波頻率的改變，從而限制了其在量測雷達訊號所需的細節或高峰值平均功率比方面的應用。
雙二極體差動檢波器的優勢
圖七比較了單端二極體檢波器電路和雙二極體差動檢波電路；現代峰值功率感測器採用的是雙二極體電路；來自單端檢波器的半波整流輸入無法準確表示不對稱的波形，並且容易受到諧波成分的影響；由於輸出負載阻抗的並聯效應，與射頻源的阻抗匹配變得困難；這個負載對於實現快速脈衝響應是必要的，它可以是示波器內部的 50 Ω 終端電阻或外部電阻；這個阻抗的一部分與檢波器的輸入終端並聯，從而影響輸入電壓駐波比 (VSWR)；這種影響在低輸入功率水平下非常小，但在高射頻功率輸入下會變得顯著。
圖七、比較了 (a) 單端二極體檢波器電路與 (b) 雙二極體差動檢波電路；單端檢波器產生半波整流輸出，而雙二極體差動檢波器則產生全波整流輸出，能更準確地反映輸入訊號的封包，並提升線性度和響應速度。
提升量測性能的關鍵
圖七中的雙二極體差動電路具有幾個重要的優勢；平衡二極體的差動對量測的是完全整流的波形；這提高了線性度、量測響應時間，並消除了大部分的波形不對稱性，從而實現精確的訊號封包檢測；差動配置降低了共模雜訊，降低了感測器的雜訊基底，同時增加了動態範圍；峰值功率感測器中這種小型化的差動配置可用於雙通道峰值功率計，以同時量測正向和反射功率，如圖八所示；Boonton 的 射頻功率感測器 即採用了先進的設計，例如雙二極體差動檢波技術，以提供卓越的量測性能。
圖八、展示峰值功率計的小型化差動配置應用，可同時量測待測物 (DUT) 中行波管放大器 (TWT AMP) 的正向和反射功率；脈衝產生器觸發放大器產生閘控脈衝，透過耦合器分離正向與反射訊號，分別由峰值功率感測器量測並顯示於功率計上。
精確觸發的重要性
到目前為止，我們尚未討論快速且可靠的觸發的重要性；為了在訊號之間提供精確的時序或精確的異常定位，峰值功率計採用了類似示波器的硬體觸發；這種比較器電路可以捕獲低至奈秒級上升時間的訊號以及 100 或 200 皮秒的特徵定位；圖九是一個使用帶延遲 (hold-off) 的正上升緣觸發捕獲的多個脈衝波形；脈衝封包邊緣穩定性需要快速的觸發比較器電路，因為在取樣資料點之間進行內插並不能為精細的特徵定位提供必要的穩定性；脈衝之間精確的時序關係是使用快速觸發電路捕獲的，並顯示在峰值功率計的螢幕上；Boonton 的 峰值、連續波、平均功率感測器 Boonton 峰值、連續波、平均功率感測器 通常搭配具有精確觸發功能的功率計，以實現對雷達訊號的深入分析。
圖九、(a) 說明使用帶延遲 (hold-off) 的正上升緣觸發捕獲多個脈衝波形的概念，在延遲時間內不觸發；(b) 則為實際量測畫面，顯示以 2 µs/Div 時基捕獲的脈衝串，並設定了觸發位準和 75.00 µs 的 Holdoff 時間。
應用於主動與被動雷達系統
精確的時序對於主動雷達和被動雷達都至關重要；許多主動雷達接收器都具有快速響應的保護電路，可以透過火花間隙系統釋放能量，從而保護靈敏的前端 LNA 免受反射功率的損壞；該系統在設計過程中需要精確量測快速上升時間的訊號以及保護電路響應的精確時序。
敵我識別 (IFF) 或二次監視雷達 (SSR) 具有多種詢問模式，每種模式都透過兩個發射脈衝（稱為 P1 和 P3）之間的間隔差異來識別；每種模式都會產生來自飛機的不同回應；圖中的第三個脈衝 P2 用於抑制單旁波帶干擾；圖十所示的 A 和 C 模式詢問包含脈衝時序圖，並且在回應格式上是相同的模式。
圖十、展示 A 模式和 C 模式的詢問格式，包含三個脈衝 P1、P2 和 P3 的時序圖；P1 和 P3 之間的間隔為 8 µs 或 21 µs，用於區分不同模式，而 P2 則用於抑制單旁波帶干擾。
A 模式的詢問會引出一個 12 個脈衝的回應，指示與該飛機相關的識別碼；這 12 個資料脈衝被兩個框定脈衝 F1 和 F2 包夾，如圖十一所示。
圖十一、為 A 模式的回覆格式，包含 12 個資料脈衝（C1 至 D4、X）被兩個框定脈衝 F1 和 F2 包夾，總時長為 20.3 µs；每個脈衝寬度為 0.45 µs，脈衝間隔為 1.45 µs。
A 和 C 模式用於說明為何量測二次雷達訊號需要精確的觸發能力，並且這並非唯一可用於回傳關於飛機額外資訊的調變方案；根據您的需求，無論是透過 IFF 脈衝位置來解讀數位資訊，還是捕獲快速上升的主動封包邊緣，快速響應的觸發比較器都是一個非常重要的特性。
精確量測——確保雷達系統可靠運作的基石
量測雷達訊號需要具有大動態範圍的設備來觀察特定的脈衝異常，以及先進的觸發功能來定位長脈衝串中的特定事件；在量測具有低工作週期特性的脈衝封包異常時，與單端二極體檢波器相比，經過校準的差動峰值功率感測器提供了卓越的動態範圍能力；使用具有兩個類似示波器觸發通道的峰值功率計，除了峰值感測器輸入通道用於觀察峰值功率封包外，還能觀察二次雷達的時序關係，這在量測雷達訊號時提供了無與倫比的能力；Boonton 作為射頻功率量測領域的領導者，其 Boonton 峰值、連續波、平均功率感測器 和 射頻功率感測器 等產品，正是工程師們確保雷達系統精確運作和安全性的理想選擇。