毫米波機械開關幅相重復性指標驗證

李鵬，張國鋒，雷衛(wèi)平，展利

（中電科儀器儀表有限公司，山東青島，266555）

0 引言

自動測試系統(tǒng)的開發(fā)關鍵在于測試路徑的構建與優(yōu)化，毫米波機械開關作為自動測試路徑構建的重要組成，其指標對系統(tǒng)性能都具有較大影響。尤其目前隨著相控陣技術的廣泛應用，多元發(fā)射陣列、DBF 收發(fā)通道、相控陣收發(fā)單元及多通道T/R 組件等都需要進行大量通道間幅相一致性指標測試，因此開展毫米波機械開關幅相重復性指標在不同溫度環(huán)境下的試驗驗證工作顯現(xiàn)的尤為重要。通過獲取不同溫度下的幅相重復性數(shù)據(jù)，在自動測試系統(tǒng)的設計中開發(fā)誤差修正算法，對測量值進行修正以提高測量準確度。

1 毫米波機械開關原理及組成

通過控制電路控制線圈內(nèi)電流通斷，一旦電流流過線圈，線圈產(chǎn)生磁場，推動銜鐵塊動作，進而帶動傳輸簧片動作，使微波信號輸入端與輸出端連接或者斷開，實現(xiàn)6 個端口之間不同工作狀態(tài)的切換，從而實現(xiàn)單刀六擲開關的作用。

單刀六擲同軸開關原理示意圖如圖1 所示。

由圖1 所示原理圖可知，機械開關主要有控制電路板、線圈、簧片、同軸通道組成。

2 驗證方案設計

2.1 總體方案

驗證方案如下圖所示。高低溫試驗箱用來模擬機械開關所處的各種溫度環(huán)境，通過試驗箱的溫度設置面板設定各種溫度環(huán)境：0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、0-50℃快速升溫、50-0℃快速降溫。將測試儀器與開關連接好后，工控機運行數(shù)據(jù)監(jiān)測軟件，在不同的溫度環(huán)境下，軟件通過程控開關控制板實現(xiàn)機械開關通道的通斷，同時讀取記錄矢網(wǎng)所測幅相重復性數(shù)據(jù)。

2.2 硬件平臺

測試所采用的儀器設備包含高低溫試驗箱、開關控制板、工控機（含數(shù)據(jù)檢測軟件）、矢量網(wǎng)絡分析儀、校準件，附件主要包括單刀六擲同軸開關、穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜、網(wǎng)線、GPIB電纜等。

2.3 軟件方案

實時監(jiān)測軟件采用Lab Windows/CVI 2013 來實現(xiàn)，CVI具有豐富的面向儀器的函數(shù)庫，非常適合底層設備驅(qū)動和上位機用戶界面的開發(fā)。通過程控開關控制板和矢量網(wǎng)絡分析儀，設置開關的通斷狀態(tài)以及通過矢網(wǎng)讀取幅度相位值。

3 驗證方法

按圖2 所示，將測試系統(tǒng)搭建完畢。矢網(wǎng)開機預熱30 分鐘后，設置矢網(wǎng)頻率范圍10MHz-40GHz、掃描點數(shù)201 點、中頻帶寬100Hz、測量S21、打開兩個窗口分別測量幅度與相位、設置自動比例、添加10MHz、8GHz、18GHz、26.5GHz、40GHz等5 個頻點的光標，然后用校準件對矢網(wǎng)進行全雙端口校準。將穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜與同軸開關連接好。通過溫度設置面板，依次設置以下試驗箱溫度：0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、0-50℃快速升溫、50-0℃快速降溫。當試驗箱溫度穩(wěn)定時，便可進行試驗并記錄數(shù)據(jù)。當某一溫度（包括常溫）下的重復性試驗做完后，更改試驗箱溫度。

圖2 驗證方案示意圖

對于重復性實驗，在常溫下（25℃），打通開關，以起始時刻開關幅相數(shù)據(jù)為參考，矢網(wǎng)歸一化后，將開關斷開10s，待開關接通100s 后讀取各頻點數(shù)據(jù)，繼續(xù)保持接通狀態(tài)下10s斷開。如此往復，一個計數(shù)周期為2min，共監(jiān)測1h，每次試驗共讀取30 組數(shù)據(jù)。此后設置不同溫度環(huán)境，待溫度穩(wěn)定后重復以上步驟。以此數(shù)據(jù)來驗證開關在不同溫度下重復性。

數(shù)據(jù)監(jiān)測軟件在數(shù)據(jù)讀取完成后，將其存入Excel 文件中，用于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析與處理。

4 驗證結果

由圖3 可知，常溫下，各頻率在不同溫度下的變化幅度很小，最大為絕對值0.01dB，穩(wěn)定性很好。

由圖3 可知，常溫下，頻率越高，相位變化程度越大，最大為1.1°；各頻率下的相位變化有相同的規(guī)律。

由圖4 可知，常溫下，頻率越高，幅度變化程度越大，最大為0.04dB。

通過圖3、圖4 可知，頻率越高，開關的幅相重復性指標數(shù)據(jù)越大。下面是以開關工作在40GHz 時為例，說明不同溫度環(huán)境下的幅相重復性指標測試結果。

圖3 常溫下開關相位重復性

圖5 可看出，偏離常溫越多，比如0℃、50℃，幅度重復性越差，波動范圍在±0.15dB 內(nèi)。

圖5 不同溫度下開關40GHz 的幅度重復性

圖6 可看出，環(huán)境溫度到50℃是，開關在40GHz 的相位重復性較差，相比于重溫，波動達到 2.7°。

5 結語

本文首先介紹了毫米波機械開關的原理及組成，然后介紹了幅相重復性指標驗證系統(tǒng)的方案設計，隨后介紹了驗證方法和驗證結果。通過以上驗證結果，提示相關測試人員在今后進行副相一致性指標測試時，應將被測件工作時的溫度因素考慮進去，從而提高測試準確度。