一種航空電子產(chǎn)品射頻參數(shù)測試平臺(tái)的設(shè)計(jì)研究

許海

（國營蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 41007）

為了在接近真實(shí)工作環(huán)境下開展射頻參數(shù)測試，暴露或復(fù)現(xiàn)航空電子產(chǎn)品的性能下降及電磁干擾問題，設(shè)計(jì)建設(shè)一種航空電子產(chǎn)品射頻參數(shù)測試平臺(tái)，該測試平臺(tái)基于GTEM小室建設(shè)某型飛機(jī)某型處理機(jī)、通信設(shè)備等亟需的電磁輻射發(fā)射測試和電磁輻射敏感度測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)場環(huán)境下對(duì)上述產(chǎn)品電磁兼容測試要求。

1 硬件設(shè)計(jì)

航空電子產(chǎn)品射頻參數(shù)測試平臺(tái)硬件部分由GTEM小室和射頻參數(shù)測試系統(tǒng)兩部分組成。

1.1 基于GTEM小室的射頻參數(shù)測試環(huán)境

GTEM小室是近年發(fā)展起來用于寬帶射頻參數(shù)測量評(píng)定新型測試場地，針對(duì)本項(xiàng)目具有以下優(yōu)勢：

（1）相比于半電波暗室，造價(jià)較低，且對(duì)建筑場地?zé)o特殊要求。

（2）基于GTEM小室的射頻參數(shù)測試系統(tǒng)較之在半電波暗室中采用天線輻射、接收的測試系統(tǒng)，所需儀器設(shè)備簡單（不需要天線）也沒有色散效應(yīng)，測試流程簡單高效（不需要在測試過程中更換不同頻段的天線）且脈沖調(diào)制信號(hào)不失真。

（3）GTEM小室中橫電磁波的波阻抗與自由空間遠(yuǎn)場區(qū)電磁波特性相同，且EUT全面浸沒在電磁場中，與半電波暗室中天線每次僅能輻照EUT單側(cè)、需要多次照射相比，能更全面、更高效的考核EUT的抗擾能力。

（4）相比于TEM小室、屏蔽室、暗箱等其它小型測試設(shè)備，具有工作頻率范圍寬、內(nèi)部唱腔均勻、測試空間大等優(yōu)勢。

GTEM小室綜合了半電波暗室、屏蔽室、橫電磁波傳輸裝置的優(yōu)點(diǎn)，工作頻段寬，占地面積小，造價(jià)相對(duì)較低，便于進(jìn)行輻射敏感度及發(fā)射測試。因此，本項(xiàng)目選用GTEM小室作為測試場地。

GTEM小室實(shí)質(zhì)上是同軸線的一種變形，也可以說是雙導(dǎo)體導(dǎo)波系統(tǒng)，其內(nèi)導(dǎo)體是個(gè)尺寸漸變的平板，外導(dǎo)體類似一個(gè)錐形喇叭天線，組成示意如圖1所示。

圖1 GTEM小室組成示意圖

GTEM小室規(guī)格一般由試驗(yàn)區(qū)芯板高度來劃分，綜合考慮本項(xiàng)目EUT尺寸以及用戶場地條件，選用1500型GTEM小室，芯板到下板高度為1500mm，GTEM小室外形尺寸不大于7m×3.6m×2.6m。

GTEM小室屬于異型設(shè)備，比較占用場地；GTEM小室要與用戶現(xiàn)有性能測試設(shè)備、本項(xiàng)目配置的射頻參數(shù)測試系統(tǒng)協(xié)同工作，還要考慮方便測試電纜連接，方便EUT進(jìn)出GTEM小室，同時(shí)方便測試人員操作，試驗(yàn)室布置初步規(guī)劃如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)室布置示意圖

1.2 射頻參數(shù)測試系統(tǒng)

（1）系統(tǒng)硬件方案。射頻參數(shù)測試平臺(tái)包括輻射發(fā)射和輻射敏感度測試兩個(gè)測試項(xiàng)，先對(duì)其測試原理分別進(jìn)行簡要介紹。

①輻射發(fā)射測試原理?；贕TEM小室的輻射發(fā)射測試原理框見圖3，此時(shí)小室內(nèi)芯板和底板就代替暗室測試中的天線，接收EUT工作過程中產(chǎn)生的輻射干擾，GTEM小室的輸入端接EMI測試接收機(jī)，通過接收機(jī)測試EUT工作過程中電磁騷擾的輻射發(fā)射，再通過計(jì)算機(jī)和處理軟件，確定EUT輻射發(fā)射的測試結(jié)果。GTEM小室中的測試結(jié)果和開闊場或電波暗室測試結(jié)果存在差異，但項(xiàng)目主要用于測試EUT故障和修復(fù)后不同狀態(tài)的相對(duì)量，屬于相對(duì)測量，可以回避測試結(jié)果轉(zhuǎn)化的難題。另外，EUT在GTEM小室中擺放的位置不同，造成芯板與底板之間相對(duì)距離的不同，也將是導(dǎo)致測試結(jié)果不同的關(guān)鍵因素，因此，測試時(shí)要注意EUT的擺放位置和陪試設(shè)備保證不變。

圖3 基于GTEM小室的輻射發(fā)射測試原理框圖

②輻射敏感度測試原理?；贕TEM小室的輻射抗擾度測試原理框圖如圖4所示，主要測試設(shè)備由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、場強(qiáng)探頭、以及GTEM小室組成。當(dāng)信號(hào)源輸出的信號(hào)經(jīng)過放大后注入到GTEM小室的過渡段（通過N型同軸接頭），在芯板和底板之間形成的均勻電磁場，放置在被測件附近的場強(qiáng)探頭監(jiān)測場強(qiáng)值是否滿足試驗(yàn)要求，由主控計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)GTEM小室的饋入功率以求達(dá)到所需求的場強(qiáng)值。

圖4 基于GTEM小室的輻射敏感度測試原理框圖

測試系統(tǒng)按照標(biāo)準(zhǔn)要求，通過GPIB/LAN/USB總線控制信號(hào)源和功率放大器，信號(hào)源輸出一定幅度的輻射干擾信號(hào)，通過功率放大器后，由電流探頭或者發(fā)射天線施加給EUT的互連電纜或者殼體表面，根據(jù)EUT測試儀器或者人工觀察獲得的EUT的工作狀態(tài)，判定其電磁敏感度指標(biāo)是否合格。如果不合格就給出實(shí)際的敏感電平或者敏感點(diǎn)的幅度-頻率值，方便產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員明確問題所在并有針對(duì)性地提出解決辦法，為正在研制的新產(chǎn)品或者定型產(chǎn)品的電磁兼容性能檢測和評(píng)定提供有效的測量手段。

（2）系統(tǒng)硬件組成。系統(tǒng)硬件設(shè)備除了提供測試環(huán)境的GTEM小室，主要由EMI測試接收機(jī)、信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、場強(qiáng)探頭、主控計(jì)算機(jī)等組成；此外，為了在測試過程中對(duì)反射功率進(jìn)行監(jiān)測，系統(tǒng)還配置功率計(jì)和功率探頭，配置了主控計(jì)算機(jī)、交換機(jī)等程控設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測試。系統(tǒng)組成框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)組成框圖

GTEM小室理論上工作頻率可從直流到20GHz以上，但實(shí)際應(yīng)用中輻射發(fā)射測試頻率一般不低于250kHz；輻射敏感度頻率范圍主要取決于配置的功率放大器，從解決用戶測試急需出發(fā)，本項(xiàng)目配置一臺(tái)放大器，頻率范圍80MHz～3GHz，輸出功率為200W；同樣的，EMI測試接收機(jī)（3Hz～18GHz）、信號(hào)發(fā)生器（9kHz～3GHz）、功率計(jì)（9kHz～500GHz）、功率探頭（9kHz～12GHz）的選型也都考慮了對(duì)測試設(shè)備的要求，提高投資利用率。

2 軟件設(shè)計(jì)

射頻參數(shù)測試系統(tǒng)軟件是自主研發(fā)的一套自動(dòng)測試軟件，包括操作系統(tǒng)、測試支持軟件、測試管理平臺(tái)TestCenter與若干測試序列與操作員界面組成。操作系統(tǒng)選用微軟公司的WindowsXP或Windows7中文版，測試支持軟件包括數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、集成開發(fā)環(huán)境MicrosoftVisual Studio 2010與辦公處理軟件Office。

系統(tǒng)軟件采用支撐平臺(tái)+功能模塊的構(gòu)架，功能模塊主要是輻射發(fā)射測試模塊和輻射敏感度測試模塊，后期可擴(kuò)展國軍標(biāo)電磁兼容測試模塊、國標(biāo)電磁兼容測試模塊等。軟件平臺(tái)具備測試資源管理、驅(qū)動(dòng)管理、自檢校準(zhǔn)管理數(shù)據(jù)管理以及本機(jī)維護(hù)功能，各功能模塊則根據(jù)不同的測試用途配置。軟件具有以下特點(diǎn)：

（1）開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。為適應(yīng)射頻參數(shù)測試項(xiàng)目眾多的特點(diǎn)，滿足不同的測試項(xiàng)目和應(yīng)用場合的需要，重點(diǎn)突出開放、通用等特點(diǎn)，在軟件頂層設(shè)計(jì)時(shí)，就應(yīng)為用戶提供可組建、修改的軟件平臺(tái)，并使程序盡量簡單、通用。（2）豐富的儀器設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序庫。提供豐富的儀器設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序庫是本項(xiàng)目軟件的又一特點(diǎn)，按儀器類別將電磁兼容測試系統(tǒng)中所包含的所有儀器進(jìn)行分類，每一類儀器的驅(qū)動(dòng)程序庫包含了國內(nèi)外主要廠家、公司的主要產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)程序。通過這些豐富的儀器驅(qū)動(dòng)程序庫，可以靈活方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)同一類測量儀器中不同型號(hào)測試儀器的控制。（3）面向用戶的可擴(kuò)展接口。由于不同的用戶在測試報(bào)表格式、后級(jí)數(shù)據(jù)處理方式等方面可能存在差異，因此，在后級(jí)數(shù)據(jù)處理軟件的設(shè)計(jì)過程中，我們既提供一個(gè)通常情況下的數(shù)據(jù)分析和報(bào)表打印方式，也可更具用戶需求進(jìn)行定制開發(fā)，以滿足用戶特殊的需要。為了突出以上特點(diǎn)，在軟件頂層設(shè)計(jì)過程中將充分借鑒以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，最終設(shè)計(jì)出本系統(tǒng)的軟件頂層方案。根據(jù)功能和測試流程，整個(gè)控制軟件劃分為系統(tǒng)配置、自動(dòng)測量、儀器驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)分析等部分。其控制和測量過程如下：首先用戶根據(jù)測試項(xiàng)選擇系統(tǒng)配置和連接；在此基礎(chǔ)上用戶根據(jù)自己的測量參數(shù)配置測試信息，包括EUT信息和測試參數(shù)等信息；在完成以上步驟后，系統(tǒng)將根據(jù)上述設(shè)置，調(diào)用儀器驅(qū)動(dòng)模塊，協(xié)調(diào)控制測試儀器自動(dòng)完成測量；通過LAN總線測量數(shù)據(jù)結(jié)果被提取到主控計(jì)算機(jī)中，控制測量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，以備后續(xù)報(bào)告生成及數(shù)據(jù)處理。整個(gè)測量過程完全程控，不需要用戶干預(yù)。

測量得到的數(shù)據(jù)，可以通過后級(jí)數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理，并產(chǎn)生相應(yīng)的測量報(bào)告。部分軟件界面見圖6、圖7、圖8。

圖6 用戶身份核查對(duì)話框

圖7 測試項(xiàng)目執(zhí)行界面

圖8 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)界面

3 結(jié)語

本方案充分考慮測試的需求以及系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、易操作性、實(shí)用性等要求，采用總線化、模塊化的測試技術(shù)組建的自動(dòng)測試平臺(tái)；采用先進(jìn)的通用測試軟件平臺(tái)、測試總線標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)。該方案一方面可以研究航電產(chǎn)品在修后的電磁兼容性能是否符合要求，完善產(chǎn)品承/研制廠家的產(chǎn)品長時(shí)間使用后電磁兼容性能的測試短板；另一方面，可以為航空電子產(chǎn)品修理深度提供一定的支撐。