一種相控陣天線自動化測試系統(tǒng)設(shè)計

喬興旺 陶成忠 王春艷

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230088）

1 引言

隨著相控陣天線技術(shù)的發(fā)展，相控陣系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，各種模式和功能越來越復(fù)雜，有源通道數(shù)量越來越多，一部相控陣?yán)走_(dá)的有源通道數(shù)量會達(dá)到成百上千，每個有源通道都有收/發(fā)態(tài)的控制，以及衰減碼值和移相碼值的控制，需要控制的數(shù)據(jù)量大，如何快速測試提高效率，是產(chǎn)品研制過程中的關(guān)鍵問題。

一般在進(jìn)行暗室近場測試過程中，往往需要很長的時間進(jìn)行調(diào)試，即占用寶貴的暗室資源，又浪費人力物力，有時暗室的測試進(jìn)度甚至成為制約交付進(jìn)度的關(guān)鍵點[1～3]。本文針對暗室測試系統(tǒng)，設(shè)計一種多頻點、多波束測試系統(tǒng)，從硬件接口和軟件接口進(jìn)行設(shè)計，給出測試過程中的關(guān)鍵控制點和工作流程，從而快速實現(xiàn)系統(tǒng)的搭建，提高暗室測試效率。

2 測試系統(tǒng)原理與組成

相控陣天線的性能測試，一般在暗室環(huán)境下使用平面近場測試系統(tǒng)進(jìn)行，通過與天線頻率相同的已知射頻特性探頭，在距離被測天線3～10個波長的平面，按照一定的規(guī)律進(jìn)行運動，通過測試天線在已知平面內(nèi)的幅度、相位特性，再經(jīng)過數(shù)學(xué)計算變換得出天線的遠(yuǎn)場方向圖，從而獲得相控陣天線的性能[4～6]。

近場性能測試時，射頻探頭按照一定的運行軌跡進(jìn)行采樣，在進(jìn)行采樣時近場測試設(shè)備會送出時序控制信號，相控陣天線嚴(yán)格按照時序信號進(jìn)行射頻收發(fā)控制，實現(xiàn)對天線的近場測試。為了實現(xiàn)暗室近場多頻點、多波束測試，需要增加波控模塊，將暗室測試設(shè)備與相控陣天線進(jìn)行互聯(lián)，實現(xiàn)自動化的測試。相控陣天線自動化測試主要包含上位機和波控模塊等部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.1 暗室近場測試系統(tǒng)

暗室近場測試系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)測試設(shè)備，主要包含近場測試設(shè)備（RTC）、采樣架及探頭等組成，在近場測試時，近場測試設(shè)備是整個測試過程的控制中樞。在RTC控制界面中設(shè)置控制參數(shù)，包含測試頻率點、波位數(shù)、掃描順序等參數(shù)，待測天線完成測試打碼和布相準(zhǔn)備后開始測試，RTC控制采樣架按照設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行運動，在運動路線上的固定位置進(jìn)行射頻信號的采集和記錄，完成測試后對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，獲得口徑場分布及遠(yuǎn)場方向圖數(shù)據(jù)。

2.2 上位機

上位機作為自動化測試系統(tǒng)的主控計算機，是測試系統(tǒng)信息中樞，通過上位機軟件界面設(shè)置測試參數(shù)，如接收模式、發(fā)射模式、單通道測試、多波束測試、開始和結(jié)束測試等，同時通過軟件計算獲取不同波束的碼值信息（包括移相碼、衰減碼和延時碼等），按照格式定義生成多波束的碼值表，在開始測試前將多個測試波束數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸給波控模塊，完成波束信息的計算和傳送。同時向上位機回復(fù)整個系統(tǒng)是否準(zhǔn)備好的狀態(tài)信息，并對整個相控陣天線的測試狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，包括監(jiān)測電源的狀態(tài)、工作溫度等信息，將監(jiān)測信息進(jìn)行記錄，用于數(shù)據(jù)分析和問題診斷等，上位機軟件可以基于VB環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)[7]。

圖1：相控陣天線自動化測試系統(tǒng)框圖

圖2：系統(tǒng)時序信號

2.3 波控模塊

波控模塊是天線近場自動化測試的核心，也是近場系統(tǒng)與相控陣天線的紐帶，最主要功能就是要產(chǎn)生精確的時序信號，依據(jù)RTC產(chǎn)生的時序產(chǎn)生天線的時序控制信號，控制陣面進(jìn)行波束收發(fā)，同時與RTC進(jìn)行硬件同步信號回復(fù)，時序如圖2所示。

其中t1、t2、t3在RTC界面進(jìn)行設(shè)置，一般要求采樣位置的時間

波控模塊還需將接收來自主控計算機的波束碼值數(shù)據(jù)傳輸給天線控制單元，完成對測試波束打碼和布相，同時采集來自陣面天線的回饋信號，送給上位機進(jìn)行監(jiān)控和記錄。

表1：多波束測試列表

3 工作流程

在進(jìn)行方向圖測試時，一般分為兩個流程，單通道測試和多波束測試，具體測試流程如下：

3.1 單通道測試流程

單通道測試是對有源通道進(jìn)行的基態(tài)測試，由于成百上千的有源組件在生產(chǎn)過程會導(dǎo)致幅相特性不一致，所以要測試所有通道的初始幅度和相位，通過組件內(nèi)部的移相器和衰減器將通道幅相特性補平。

無論是單通道測試還是多波束測試，近場測試系統(tǒng)探頭的運動方向是確定的，一般是從圖1陣面中的A點運動到D點。在進(jìn)行單通道測試時，各通道按照順序依次打開，進(jìn)行接收或發(fā)射測試，并將該通道的移相、衰減置為零態(tài)，其它通道處于既不發(fā)射也不接收的狀態(tài)，全陣面測試完成后，通過計算獲得基準(zhǔn)碼值。

3.2 多波束測試流程

多波束測試是對全陣面進(jìn)行近場測試，根據(jù)基準(zhǔn)碼值和測試的波束信息，方位向和距離向波束不同的掃描角度或不同加權(quán)系數(shù)的方向圖信息計算獲得每個通道的移相碼值和衰減碼值，通過近場測試系統(tǒng)一次完成接收狀態(tài)（或發(fā)射狀態(tài)）的多個頻點、多個波束進(jìn)行測試。測試時頻率與波束的切換順序如表1所示，每個測試點先進(jìn)行波束切換后進(jìn)行頻率切換。

以N個頻點和M個波束的方向圖測試為例，天線陣面水平方向設(shè)置X個測試點，垂直方向設(shè)置Y個測試點，探頭按照垂直方向進(jìn)行采集。近場測試在每個測試點都會按頻率和波束號依次發(fā)觸發(fā)脈沖給波控模塊，波控模塊收到脈沖根據(jù)預(yù)設(shè)好的波束1～波束M進(jìn)行切換，每切換一次波束后提供脈沖同步信號給陣面天線，當(dāng)循環(huán)M次后RTC進(jìn)入下一頻率點進(jìn)行測試，循環(huán)Y次一列結(jié)束，后面測試流程與第一列相同，每列采樣數(shù)據(jù)總數(shù)S1=M×N×Y，整個天線陣面采樣數(shù)據(jù)總數(shù)S2=M×N×Y×X。

整個測試過程的主控設(shè)備是RTC，所有波位和時序的調(diào)度是以RTC給出的時序為基準(zhǔn)，軟件流程實現(xiàn)的過程如下：

（1）在RTC的操作界面上進(jìn)行時序、頻點、波位數(shù)的設(shè)置，同時設(shè)置好采集數(shù)據(jù)的文件名稱和存儲路徑，準(zhǔn)備開始測試；

（2）同時主控計算機將波位表的碼值數(shù)據(jù)傳送給波控模塊，完成測試前準(zhǔn)備，完成測試準(zhǔn)備；

（3）RTC首先進(jìn)行自檢，RTC向波控模塊發(fā)送自檢信號；

（4）上位機反饋軟件和硬件已準(zhǔn)備好的信號，并將第一組波位碼值數(shù)據(jù)打入相控陣天線，保證采集的第1組數(shù)據(jù)即第1個波控的控制參數(shù)，此操作是保證天線與暗室同步性的關(guān)鍵過程；

（5）RTC收到待測系統(tǒng)準(zhǔn)備好信號后，將頻率計數(shù)和波位計數(shù)清零，開始運動到第一個測試位置開始測試，發(fā)送第1個波位時序信號；

（6）波控模塊根據(jù)RTC的時序信號控制陣面進(jìn)行發(fā)射/接收測試，每個測試點先循環(huán)波位，再循環(huán)頻率點，測試完成1個測試點后，進(jìn)入下一測試位置點，直至測試完成1行或1列的所有點；

（7）在進(jìn)行下1行或下1列測試時，近場測試系統(tǒng)重復(fù)e、f過程，直至完成整個陣面的測試，形成近場測試數(shù)據(jù)文件。

4 結(jié)束語

在暗室的近場測試是檢驗整個相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)性能的最有效方法，通過搭建上位機和波控模塊組合的自動化測試系統(tǒng)，完成對多波束的波位調(diào)度和相控陣天線時序的精確控制，從而實現(xiàn)對相控陣天線多頻點、多波束測試，該測試系統(tǒng)經(jīng)過實際應(yīng)用驗證方案可行，大大提高暗室測試效率。