相控陣天線自動化測試研究與實現(xiàn)

李 冰 賴光霽 任超群 張振華 張 彬

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相控陣天線自動化測試研究與實現(xiàn)

李 冰 賴光霽 任超群 張振華 張 彬

（北京遙測技術(shù)研究所，北京 100076）

針對相控陣天線需要測試的通道數(shù)量大，工作模式多，需要一種高效快捷的測試方法解決相控陣天線批產(chǎn)測試問題。該方法將相控陣天線、暗室近場測試系統(tǒng)、上位機(jī)結(jié)合在一起，通過上位機(jī)協(xié)同控制，測試中不需要人為操作。經(jīng)實際測試驗證，此相控陣天線自動化測試的方法，提高天線測試效率，縮短測試時間，滿足實際工作的需要。

相控陣天線；自動化測試；相控陣測試盒；多波位測試

1 引言

隨著有源相控陣?yán)走_(dá)的發(fā)展，相控陣天線的應(yīng)用越來越廣泛。而一部相控陣?yán)走_(dá)通常有包含成百上千個T/R組件，如果采用人工方式測量相控陣?yán)走_(dá)天線需要花費很長的時間，往往成為相控陣天線批產(chǎn)的瓶頸。在相控陣?yán)走_(dá)研制與生產(chǎn)過程中，T/R組件和相控陣天線的自動測試技術(shù)越來越成為影響產(chǎn)品研制和生產(chǎn)進(jìn)度及質(zhì)量的關(guān)鍵性因素。為了在滿足測試精度的情況下盡可能提高測試效率，縮短天線測試時間，對相控陣?yán)走_(dá)天線的自動測試技術(shù)進(jìn)行了研究。

2 基本原理

首先分析相控陣天線的測試需求，由于相控陣天線內(nèi)部的T/R組件、功分網(wǎng)絡(luò)、天線面板在生產(chǎn)加工中工藝不易控制，天線組裝完成后各通道的功率、頻譜、幅相會存在一定的不一致性，需要通過校相保證相位分布峰峰值不超過10°，并且各通道功率值從內(nèi)向外服從泰勒分布。幅相校正首先要獲得相控陣天線的實際指標(biāo)，需要對整個陣面或者部分陣面的各個頻點、各個波位進(jìn)行近場方向圖測試，這就對相控陣?yán)走_(dá)的天線測試手段和效率提出了很高要求。

相控陣天線的測試分為兩個部分：單通道測試、陣面測量；測試模式包括發(fā)射陣測試（脈沖）和接收陣測試模式。其中陣面測試按陣面規(guī)模分為子陣測試和全陣測試，按步驟分為幅相校準(zhǔn)和其他波位測量[1]。

3 硬件系統(tǒng)組成

為了滿足相控陣天線多個通道測試的需要，設(shè)計一個相控陣?yán)走_(dá)天線的測試系統(tǒng)。通過上位機(jī)實施控制，將有源相控陣天線、暗室的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、信號源等組成一個有機(jī)的系統(tǒng)，實現(xiàn)相控陣天線的自動測試，同時實現(xiàn)遠(yuǎn)程可視化和數(shù)據(jù)存儲及處理。系統(tǒng)通過以太網(wǎng)將上位機(jī)與暗室近場測試系統(tǒng)中的矢網(wǎng)、相控陣天線組成一個局域網(wǎng)，利用上位機(jī)軟件控制暗室近場測試系統(tǒng)中的矢網(wǎng)，并讀取矢網(wǎng)的測試數(shù)據(jù)；上位機(jī)亦可通過局域網(wǎng)對相控陣天線中的波控器發(fā)送控制指令。通過上位機(jī)軟件將暗室近場測試系統(tǒng)、相控陣天線（含波控、相控陣測試盒、電源等）和上位機(jī)形成了一個具備天線測試和數(shù)據(jù)實時處理的相控陣天線自動測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，較好地解決有源相控陣天線故障診斷、暗室近場測試和天線幅相校正問題?；谝蕴W(wǎng)的測試系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 基于以太網(wǎng)的自動測試系統(tǒng)組成框圖

圖1中的相控陣天線可以是一個一維或者二維的相控陣天線，內(nèi)含相控陣M×N通道的陣列天線、波束控制器、相控陣天線測試盒、電源、信號源等設(shè)備。其中由測試盒完成天線波控器與上位機(jī)的通信，由波控器完成內(nèi)部控制。運行在上位機(jī)上的軟件包含控制軟件和調(diào)試分析軟件，主要完成相控陣天線和測試設(shè)備控制、波控碼傳輸和存儲處理、結(jié)果顯示等。暗室的近場測試系統(tǒng)是測試設(shè)備，自動測試系統(tǒng)連接的是暗室系統(tǒng)中的脈沖矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。

相控陣測試盒作為一個橋梁將整個系統(tǒng)結(jié)合在一起。用于相控陣天線的測試控制，并且在單通道測試時需要兼顧對單個陣元的控制測試能力，主要功能包括：

a. 透明傳輸上位機(jī)到波控器的控制命令，僅改變波特率，上位機(jī)到相控陣測試盒的波特率為115200bps，相控陣測試盒到天線波控器的波特率為500K；

b. 解析主控上位機(jī)的控制指令，按照相控陣天線波控器的接口要求將控制數(shù)據(jù)送往波控器，進(jìn)行相控陣的移相和衰減控制；

c. 接收波控器采集到的相控陣天線狀態(tài)數(shù)據(jù)，并編幀送往上位機(jī)；

d. 脈沖發(fā)射測試時接收矢網(wǎng)的內(nèi)部同步參考信號；

e. 相控陣天線多波位測試時，用于存儲天線掃描架輸出的16位并行數(shù)據(jù)與天線波控器FLASH存儲的對應(yīng)波位的波控碼的地址映射。以及掃描架的16位并行數(shù)據(jù)到查找表的地址譯碼。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

該相控陣天線測試系統(tǒng)在設(shè)計之初就充分考慮兼容多種不同類型的相控陣天線控制和測試的方案。在軟件和硬件方面，對二維相控陣天線、全極化相控陣天線、無源相控陣天線的兼容，以及對暗室近場測試系統(tǒng)和相控陣天線的內(nèi)外時序的兼容、控制協(xié)議的兼容都做了充分的考慮，當(dāng)待測相控陣天線更換時，只需要修改軟件對應(yīng)的測試參數(shù)及波控器的配置文件，即可適應(yīng)不同類型、不同通道數(shù)的相控陣天線的自動化測試。

軟件按層級可分兩個部分，分別是上位機(jī)測試分析軟件和下位機(jī)波控軟件。上位機(jī)軟件主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互命令的控制與實現(xiàn)、天線幅相測試的實現(xiàn)、測試數(shù)據(jù)實時分析處理及分類存儲，以及結(jié)果的直觀顯示等。下位機(jī)波控軟件用于控制天線的工作狀態(tài)和各個通道的單開控制、置波控碼等。

上位機(jī)測試分析軟件主要包括測試控制模塊和調(diào)試分析模塊：

a. 測試控制模塊：系統(tǒng)狀態(tài)與工作參數(shù)設(shè)置、測試設(shè)備（矢網(wǎng)）參數(shù)設(shè)置、暗室近場測量、天線單通道測試、天線陣面測試、數(shù)據(jù)存儲處理、結(jié)果顯示等。其工作流程圖如圖2所示。

圖2 上位機(jī)軟件測試控制模塊工作流程

b. 調(diào)試分析模塊：根據(jù)單通道測試的結(jié)果完成各個通道移相器和衰減器的性能判斷；根據(jù)單通道測試的基態(tài)數(shù)據(jù)生成第一次幅相校準(zhǔn)數(shù)據(jù)；對比判斷校準(zhǔn)后的實測數(shù)據(jù)與目標(biāo)數(shù)據(jù)生成下次的幅相校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，其中判斷依據(jù)包括波束指向偏差、各通道初相的均方根等；顯示結(jié)果，包括幅相分布于目標(biāo)幅相數(shù)據(jù)的對比等。調(diào)試分析軟件的工作流程圖如圖3所示。

圖3 上位機(jī)軟件調(diào)試分析模塊工作流程

5 測試系統(tǒng)功能

天線自動測試系統(tǒng)主要有三個功能：單通道功能測試；陣面幅相校準(zhǔn)；其它波位測量。各功能的具體工作過程如下：

單通道功能測試。相控陣天線陣面的幅相校準(zhǔn)首先要對其天線陣面的單個通道進(jìn)行幅相校正，保證單通道測試時各通道達(dá)到幅相一致；另外，在相控陣天線的故障檢測中，也需要進(jìn)行單通道測試，確定各個通道是否工作正常。測試中，暗室近場系統(tǒng)矢網(wǎng)的1端口連接在標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線上，2端口連接在待測天線上，脈沖發(fā)射時測量矢網(wǎng)的S12參數(shù)，接收時測量矢網(wǎng)的S21參數(shù)，即可得到通道的幅相特性[2]。其工作時序如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)工作時序

圖5 單開測試流程圖

測試中，首先初始化矢網(wǎng)和波控器，上位機(jī)將天線的工作模式設(shè)置為單開測試模式，即僅有一個通道工作，其它都處于待機(jī)狀態(tài)，并使各通道的T/R組件處于基態(tài)（移相和衰減都為0），設(shè)置完成后，波控器返回給上位機(jī)操作完成的消息。矢網(wǎng)測量此時的S21（或S12）參數(shù)，上位機(jī)通過GPIB總線或以太網(wǎng)從矢網(wǎng)中讀取S21（或S12）參數(shù)保存，完成一次測量。然后依次開啟該通道的每一位移相器與衰減器，重復(fù)之前的測試操作，直到完成該通道的測試。之后再依次完成陣面其它通道的測量，將各個通道、各位移相器（衰減器）的S21（S12）都保存在一個文件中。通過分析軟件，查看各個通道的各個指標(biāo)，包括增益、相移和衰減是否工作正常。其工作的流程圖如圖5所示。

圖6 陣面幅相校準(zhǔn)工作流程圖

天線陣面幅相校準(zhǔn)。天線陣面幅相校準(zhǔn)是將整個天線作為一個整體通過某種校正方法，通過對實測數(shù)據(jù)與目標(biāo)數(shù)據(jù)的對比分析，反復(fù)迭代并調(diào)整，直到天線陣面的幅相特性指標(biāo)滿足要求為止。

首先根據(jù)陣列單通道測試的結(jié)果，提取各通道處于基態(tài)時候的幅相分布參數(shù)，通過上位機(jī)軟件計算出天線陣面每個通道需要補(bǔ)償?shù)姆却a和相位碼，得到需要校準(zhǔn)的波控碼，完成整陣面/部分陣面的第一次校準(zhǔn)。然后依據(jù)方向圖各項性能、陣面各通道幅相分布等判別依據(jù)，判斷校準(zhǔn)結(jié)果是否滿足調(diào)試目標(biāo)，若不滿足則繼續(xù)進(jìn)行迭代修正，直到獲得最終的幅相初始誤差文件。幅相校準(zhǔn)工作的流程圖如圖6所示。

多波位測試。完成以上工作以后，取得初始幅相誤差文件，再對相控陣天線的所有波位進(jìn)行一次遍歷性的測試（見圖7）。由于上位機(jī)發(fā)送的最高速率只能達(dá)到115200bps，通過上位機(jī)發(fā)送波控碼的方式遍歷相控陣天線的所有波位，更新速度慢，效率低，而相控陣測試盒與波控器的422接口通信速率可以達(dá)到500K，通過將波控碼存儲到波控器的FLASH中，通過天線掃描架輸出的16位并行碼查找波控碼的方式實現(xiàn)所有波位的遍歷測試，可以大大提高測試效率，具體實現(xiàn)方法如下：

a. 上位機(jī)首先將各波位對應(yīng)的波控序列表下發(fā)到相控陣測試盒，存儲在編碼-波控序列表模塊中，上位機(jī)同時將波位映射地址對應(yīng)的波控碼存儲在相控陣天線波控器的FLASH存儲中。

b. 當(dāng)探針的機(jī)械掃描架移動到對應(yīng)波位時會輸出一個并行編碼到相控陣測試盒。

c. 相控陣測試盒接收到并行編碼后，通過并行輸入模塊譯碼后發(fā)送到編碼-波控序列表模塊，通過查找表的方式，對應(yīng)波控碼存儲在相控陣天線FLASH中的映射地址，并通過422差分發(fā)送給相控陣天線。

d. 相控陣天線接收到對應(yīng)波位映射地址，從FLASH存儲中讀取相應(yīng)的波控碼并執(zhí)行，完成相控陣天線的波束指向，暗室測試系統(tǒng)記錄下天線的相應(yīng)指標(biāo)。

e. 探針的機(jī)械掃描架移動到下一個波位，重復(fù)上述操作，直至所有的波位遍歷完成。

f. 將測得的數(shù)據(jù)通過上位機(jī)軟件的解析處理，解算出各波位的波束指向偏差。若其它波位波束指向偏差較大，則需要繼續(xù)進(jìn)行以上的校準(zhǔn)過程。

圖7 多波位測試原理框圖

6 結(jié)束語

為了將整個系統(tǒng)結(jié)合在一起，需要相控陣測試盒作為一個橋梁。相控陣天線測試盒用于相控陣天線的測試控制，并且在單通道測試時需要兼顧對單個陣元的控制測試能力，主要功能包括：

a. 透明傳輸上位機(jī)到波控器的控制命令，僅改變波特率，上位機(jī)到相控陣測試盒的波特率為115200bps，相控陣測試盒到天線波控器的波特率為500K。

b. 解析主控上位機(jī)的控制指令，按照相控陣天線波控器的接口要求將控制數(shù)據(jù)送往波控器，進(jìn)行相控陣的移相和衰減控制；

c. 接收波控器采集到的相控陣天線狀態(tài)數(shù)據(jù)，并編幀送往上位機(jī)；

d. 發(fā)射測試時的接收矢網(wǎng)的內(nèi)部同步參考信號

e. 相控陣天線多波位測試時，用于存儲天線掃描架輸出的16位并行數(shù)據(jù)與天線波控器FLASH存儲的對應(yīng)波位的波控碼的地址映射，以及掃描架的16位并行數(shù)據(jù)到查找表的地址譯碼。

1 張光義，趙玉杰. 相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)[D]. 北京：電子工業(yè)出版社，2006

2 Agilent technologies. Agilent PNA Series Network Analyzer User’s and Programming Guide. http://www.agilent.com. cn. 2008

Research and Implementation of Phased Array Antenna Automatic Test

Li Bing Lai Guangji Ren Chaoqun Zhang Zhenhua Zhang Bin

(Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076)

The phased array antenna has a large number of channels and working modes. In order to meet the needs of the batch production of phased array antenna, an efficient and fast test method is needed to solve the phased array antenna batch test problem. This method combines phased array antenna, near field test system in darkroom, and host computer organically, and does not need manual operation in the test. For verification test, the method of automatic test of phased array antenna improves the antenna test efficiency, shortens the test time and meets the actual needs of the work.

phased array antenna；automatic test；phased array test box；multi beam position testing

李冰（1986），碩士，雷達(dá)信號處理及設(shè)計專業(yè)；研究方向：相控陣天線波控設(shè)計。

2017-07-11