2021年06月16日 | 执行精确的雷达接收机测量

• 查看 10 GHz 下被测雷达接收机的典型测试设置

• 分析关键功率电平精度漂移和对测量不确定度（MU）的影响

• 使用是德科技基于JCGM 106:2012 标准开发的风险计算器对业务结果进行建模

• 通过数据深入了解风险控制和年度成本节省

通过提高功率电平测量精度，减少接收机虚假合格率并降低成本

国际政坛波云诡谲，军事威胁此起彼伏，推动航空航天与国防行业对现代化测试的需求不断高涨。对于这些新生或是更新的设计而言，提高测试精度、降低测量风险尤为重要。

雷达接收机灵敏度对于电子战（EW）应用至关重要。雷达接收机和雷达发射机的灵敏度必须精准、可重复。灵敏度测量精度与功率电平精度有直接关系，因为雷达信号必须足够强才能满足覆盖范围的要求。如果雷达接收机无法正确解密从远处传播过来的信号，则不能用于军事用途。

航空航天与国防行业的客户不是唯一需要进行低功耗测量的客户。卫星制造商和新空间企业也对代表着极低功耗的极小信号表示了兴趣。这是因为信号必须经过长距离传播才能到达地球同步卫星，此外还需要考虑太阳能电池阵列的功率极限。

通过精确的低功率电平测量，满足接收机灵敏度要求

灵敏度是接收机的一个关键技术指标。接收机灵敏度是接收机可辨别的最小信号电平或接收机可有效解调的最小信号电平。通过在接收机天线输入端上连接射频信号发生器，根据其所产生的低电平信号的功率电平精度，可以直接确定灵敏度测量精度。如果信号发生器在低功率电平下精度较差，则很难用来测量灵敏度。例如，功率电平是 −90 dBm 还是−91 dBm？由于信号发生器的功率电平精度存在较高的不确定度，因此我们难以确定具体的功率电平大小。

这种灵敏度测量方法使用信号发生器为雷达接收机提供输入信号。测试工程师逐渐降低功率电平，直到接收机无法再解调信号。功率电平精度测量结果决定了接收机的灵敏度。如果信号发生器未经校准，其产生的功率电平可能高于显示值，此时就会出现虚假合格情况。虚假合格将会带来巨大风险，因为有缺陷的接收机会被部署到雷达系统中。同样，如果校准不准确的话，信号发生器电平可能会低于显示值，此时器件会被判定为不合格。不准确的测量结果会导致良率下降，后续成本增加。

图 1. 器件测试的四种可能结果

降低虚假合格率的一种方法是使用保护边带来优化测试极限值。根据测量不确定度（MU）数据，您可以设置保护边带测试极限值，以降低虚假合格率。图 2 展示了如何设置更严格的测试上下限值以降低虚假合格率。

图 2. 使用保护边带降低虚假合格率

测量的不确定性或测量不确定度：
根据计量学指南联合委员会（JCGM）在《国际通用计量学基本术语（VIM）》中的定义，测量不确定度是“根据所用到的信息，表征赋予被测量值分散性的非负参数”。

提高精度的四个步骤

您可以采取以下四个步骤来提高功率测量精度并确保雷达接收机的灵敏度：

1. 查看 10 GHz 下被测雷达接收机的典型测试设置

2. 分析关键功率电平精度的漂移及其对测量不确定度的影响

3. 使用是德科技基于 JCGM 106:2012 开发的风险计算器对业务结果进行建模

4. 通过数据深入了解风险控制和年度成本节省

1. 查看 10 GHz 下被测雷达接收机的典型测试设置

将信号发生器连接到被测雷达接收机，测试其功率电平精度（见图 3）。信号发生器的精度取决于其上次校准的精度。校准可确保测试设备符合保证的技术指标。测量结果的精度或测量不确定度会增加生产测试结果的风险。了解这些关键测量值有助于降低风险和成本。

图 3. 被测雷达接收机与校准过的 PSG 信号发生器相连

您可以使用更现代化的仪器提高功率电平精度。在一个实例中，第三方校准服务提供商仅验证了 Keysight E8257D PSG 模拟信号发生器在 0 dBm 时的功率电平精度，而没有验证在更低功率电平下的精度；但实际上，0 dBm 以下的功率电平技术指标可能不符合厂家公布的技术指标。

如果仪器性能不符合厂家公布的技术指标，会导致生产测试结果和成本的风险大大增加。

2. 分析关键功率电平精度的漂移及对测量不确定度的影响

如果某个关键功率电平参数未经过校准，那么有可能产生不符合技术指标的测量结果。该测量结果可能会超出容限范围。测试设备的测量不确定度发生漂移，会使得制造出来的雷达接收机出现标准偏差。

图 4 显示，较高的测量不确定度会增加测试设备的工作性能超出技术指标的风险。

低测量不确定度非常重要！

图 4. 较低的测量不确定度可以降低风险

较高的测量不确定度会给测量精度带来不利影响。图 5 所示为 E8257D 信号发生器功率电平精度发生的仪器漂移。该技术指标最初为 ± 1.0 dBm，五年后变成了 ± 2.5 dB。这些计算数据来自统计模型和 E8257D信号发生器 的已知故障率。此模型实例使用了我们的校准和维修数据库在过去五年间收集的数据。

图 5. E8257D 功率电平精度在五年内从 ± 1.0 dBm 漂移到了 ± 2.5 dB。

漂移增加了 测量不确定度

校准报告提供了所有厂家测试参数符合技术指标的证据。实际仪器精度由上一次校准的测量不确定度决定。如需了解更多信息，请查看 E8257D 完整的是德科技校准报告证书。

图 6. 是德科技校准测量报告实例显示了不确定度和保护边带

3. 使用是德科技基于 JCGM 106:2012 标准开发的风险计算器对业务结果进行建模

是德科技风险计算器使用计量学指南联合委员会（JCGM）提出的数学公式来计算风险。您可以在 JCGM 106:2012 标准第 9.5 节“全局风险计算”中查看四种可能的测试 1 结果， 即真实合格、真实不合格、虚假不合格和虚假合格。这四种可能结果的发生概率由联合概率密度函数决定，如图 7 中的公式所示。

图 7. 联合概率密度函数

本文中使用了两种建模场景：校准后测量不确定度非常低的仪器，以及发生漂移后测量不确定度较高的仪器（见下表）。这些场景与航空航天行业的用例一致。为了便于讨论，测试系统使用 10 GHz 时的雷达灵敏度。

基于客户技术指标和保护边带测试极限值建模的平均测试值为 −88 dBm 和 −88.5 dBm。深入了解功率电平精度的话可以看出，测量不确定度由上一次校准的结果决定。校准之后，测量不确定度非常小，仅为 < ± 0.12 dB。

4. 通过数据深入了解风险控制和年度成本节省

假设测量不确定度从 ± 2.5 dB 降低到 ± 0.12 dB，虚假合格率会从 0.5% 减低到 < 0.001%。这使风险大幅降低。此外，根据该模型，未来总共可节省成本 86.5 万美元。提高关键测量参数（如功率电平）的精度可以显著降低风险和成本。

图 9 显示了采用 JCGM 106:2012 标准第 9.5 节中的公式计算出的的四种风险结果。输入变量都有自身的容限。图 9 显示了假设您的产量翻倍或减半，或者您估算的虚假合格成本低于 8,000 美元，那么每年可节省的成本额度。图 10 展示了降低测量不确定度如何实现大幅度成本节省。

图 8. 信号发生器的测量不确定度从 < ± 2.5 dB 降低到 < ± 0.12 dB 时带来的四种结果

图 9. 使用不同输入变量估算的成本节省

结论

新雷达接收机要求产品具备更严格的技术指标和更高的功率电平精度。您应该定期校准自己的测试设备，依赖优质服务提供商确保您的信号发生器以低测量不确定度运行。