一種新型多波位、多頻點天線測試控制技術

海軍裝備部駐南京地區(qū)第三軍事代表室 李大成

南京電子技術研究所 李海波

數字有源相控陣雷達天線由少則數百個、多則數千個T／R組件構成，采用單波位、單頻點方法測試，完整測試完一個子陣面，需要約一小時；如果測試M個波位、N個頻點，則需要MhN小時。對于數字相控陣雷達動輒幾十或幾百個工作頻點來說，測試時間耗費巨大。本文介紹一種異步觸發(fā)的多波位、多頻點天線測試控制技術，并結合實際工程應用，驗證了測試控制系統(tǒng)技術的有效性。

1 需求分析

T／R組件是數字有源相控陣天線重要部件，一部相控陣雷達由少則數百個、多則數千個T／R組件構成。T／R組件的性能優(yōu)劣，直接影響雷達的性能和可靠性，T／R的良好性能是保證整個雷達穩(wěn)定、可靠工作的前提。因此，T／R組件在安裝到陣面之前必須進行測試。

雷達陣面天線進行測試時，一次陣面測試數據的產生，需要掃描架探頭對天線陣面進行一次完整掃描，耗時較長。借助于掃描架，能夠自動完成組件的批量測試；掃描架是機械式掃描，通過指令給出的X和Y二維坐標點，通過改變X和Y的值，探頭可對陣面上所有的組件進行測試。在以前的陣面測試系統(tǒng)中，采取的是單頻點、單波位測試，完整測試一個子陣面及數據分析處理，需要約1h；如果需要測試N個頻點、M個波位，則需要MhN個小時。對于數字相控陣雷達動輒幾十或幾百個工作頻點來說，測試時間耗費巨大。同時，通過人為的更改頻點或波位，會造成漏測、誤測和重復測試。這對于大規(guī)模的批量組件測試，嚴重影響其測試效率。因此，有效的減少測試時間，提高測試效率，是非常迫切需要的。

本文介紹一種基于異步觸發(fā)的多波位、多頻點天線測試控制系統(tǒng)技術，搭建了一套測試控制系統(tǒng)，并結合工程實際應用，驗證了測試控制系統(tǒng)技術的有效性。

2 數字有源相控陣天線測試

2.1 數字有源相控陣天線原理

數字相控陣天線的核心技術是全數字T/R組件，它集成了接收機、發(fā)射機、衰減器、移相器、激勵本振等，可組成為一個獨立完整的收發(fā)系統(tǒng)。

（1）發(fā)射T時，數字收發(fā)組件（DTR）根據控制系統(tǒng)送來的幅度和相位值，經變頻和放大后，再通過輻射單元，輻射到指定的空域。

（2）接收R時，數字收發(fā)組件（DTR）接收信號，經移相器、下變頻及功率放大，轉換成數字信號，送往后端處理單元。

2.2 數字天線測試方法

目前常用的天線陣面測試系統(tǒng)，大部分是以計算機為中心測試架構，只是測試的控制方式、數據采集、處理方式略微不同。如圖1所示。

圖1 天線測試系統(tǒng)原理框圖

測試控制系統(tǒng)發(fā)出陣面控制指令，控制被測陣面的狀態(tài)以及掃描架的工作，陣面本身設備自動完成測試激勵和數據采集，然后將采集到的測試數據，傳輸到數據記錄設備或計算機，數據處理分析記錄的數據，給出陣面測試結果，從而完成數據的解析和數據分析。

3 異步觸發(fā)的多波位、多頻點天線測試控制技術

在陣面測試系統(tǒng)中，雷達控制系統(tǒng)起到了舉足輕重的作用。它一方面接收上位機同步送來的指令和掃描架送來的異步觸發(fā)信號，另一方面通過一定的算法，對指令解析，產生全機同步時序，然后把解析后的指令和時序送給陣面系統(tǒng)。雷達控制系統(tǒng)對控制技術的優(yōu)劣，直接決定了測試系統(tǒng)的性能和效率。

陣面測試時，因為是多（M）波位、多（N）頻點同時自動測試，雷達控制系統(tǒng)響應掃描架送來的異步觸發(fā)信號，接收上位機一次性送來的M個波位、N個頻點的雷達控制指令（MhN）K字節(jié)。雷達控制系統(tǒng)的高速千兆網絡接收通道和大數據存儲能力，有效的保證了數據接收不會出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。

雷達控制系統(tǒng)按照指令表約定，對指令解析，產生雷達全機定時時序，從第一個波位第一個頻點開始，順序依次把M個波位、N個頻點對應的控制指令表送給陣面，直至最后一個頻點、最后一個波位，雷達控制系統(tǒng)進入等待下一次異步觸發(fā)狀態(tài)。圖2為多波位、多頻點測試控制技術的時序控制原理。

圖2 多波位、多頻點測試控制技術的時序控制原理圖

圖3 控制指令表接收處理框圖

多波位、多頻點測試控制技術主要包括以下三個關鍵點。

（1）多（M）波位、多（N）頻點控制指令表接收處理；

（2）M波位N頻點測試任務結束后打標處理；

（3）測試起始異步脈沖觸發(fā)響應。

3.1 多（M）波位、多（N）頻點控制指令表接收處理

多（M）波位、多（N）頻點同時自動陣面測試時，假設單波位、單頻點雷達控制指令為1K字節(jié)，那么M波位、N頻點控制指令則為（MhN）K字節(jié)。雷達控制系統(tǒng)接收上位機送來的的（MhN）K字節(jié)控制指令，建立一個三維數組。x維是1K字節(jié)控制指令，y維是N個頻點，z維是M個波位。按照建立的（x，y，z）三維數組，依次把對應的指令存儲在相應位置上，為中斷處理程序中的指令發(fā)送指針做準備。

3.2 M波位N頻點測試任務結束后打標處理

雷達控制系統(tǒng)每一次響應中斷，發(fā)送指針K加1，根據K的值，計算出第m個波位的第n個頻點的控制指令表；中斷處理程序退出之前，判斷K是否等于MhN。若相等，則定時停止標志置1；不相等，則定時停止標志置0。

3.3 測試起始異步脈沖觸發(fā)響應

向陣面發(fā)送MhN包指令完畢后，雷達控制系統(tǒng)的指令發(fā)送指針返回到第一個波位的第一個頻點位置，等待下一次的測試開始；而此時掃描架上的探頭由于是機械式的，還沒有回歸到原點（0，0）位置，雷達控制系統(tǒng)不允許向陣面發(fā)送控制指令表，必須等待下一次的掃描架起始異步觸發(fā)。雷達控制系統(tǒng)向陣面發(fā)送完MhN包指令后，采用打標的方法，即在指令約定的位置，置標志為1，D觸發(fā)器響應此標志，禁止定時導前信號計數器計數，雷達控制系統(tǒng)不再發(fā)送指令，此次陣面測試結束，等待下一次掃描架起始異步觸發(fā)。

圖4 測試任務結束后打標處理框圖

圖5 測試起始異步脈沖觸發(fā)響應框圖

4 測試驗證

利用該測試控制技術，進行了實測驗證，單通道100頻點的收發(fā)測試項目，測試時間單波位、單頻點測試方案時，測試指令發(fā)送重復周期從原來的30msü 100ms降低到1ms左右，時間效率提高近100倍，極大節(jié)約了時間，提高了效率。

同時，測試得到的數據更真實有效更精確，圖6、圖7為測試得到的天線陣面口徑場分布和一維方位俯仰方向圖和二維方向圖。

圖6 天線陣面口徑場分布圖

圖7 一維和二維方向圖

相控陣天線測試技術要求高、工程設計和測試復雜、繁瑣。異步觸發(fā)的陣面測試控制系統(tǒng)技術提高了測試數據的準確性和可信度，降低了測試強度，測試效率提高幾十上百倍，同時減少了人為原因造成的測試失誤，為數字相控陣天線的研制與發(fā)展，提供了有力的支撐和保障。