機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)天線測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬強(qiáng)

（南京國睿防務(wù)系統(tǒng)有限公司 江蘇省南京市 210039）

目前機(jī)載雷達(dá)已經(jīng)逐步采用有源相控陣體制，天線陣面也隨之發(fā)生改變。有源相控陣天線陣面較以往體制天線，調(diào)試、測試過程復(fù)雜，任務(wù)量巨大。隨著機(jī)載多型有源相控陣?yán)走_(dá)進(jìn)入批量生產(chǎn)階段，原有的天線測試系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足陣面的生產(chǎn)和測試，急需高效、先進(jìn)的測試設(shè)備。機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)天線測試系統(tǒng)，能適用天線陣面測試的不同場景，滿足天線在近場、中場以及環(huán)境試驗(yàn)條件下對天線的調(diào)試、校準(zhǔn)與測試。

1 機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)天線測試需求

由于機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)天線內(nèi)部的T/R組件成百上千個(gè)，生產(chǎn)及安裝過程中難免存在質(zhì)量問題及裝配問題；零部件功分網(wǎng)絡(luò)、天線輻射組件在生產(chǎn)及加工中工藝也較難控制；天線陣面在組裝完成后，各個(gè)通道的功率、頻譜、相位均會存在一定的不一致性。為了完成天線陣面控制鏈路檢查及信號鏈路打通，為了獲得天線陣面幅相校正參數(shù)，為了測試天線陣面的實(shí)際指標(biāo)，都對機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)天線測試手段和效率提出了很高的要求。

機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)天線測試系統(tǒng)，通過主控計(jì)算機(jī)實(shí)施控制，將天線陣面、測試儀表、伺服控制、數(shù)據(jù)處理、外圍設(shè)備等組成一個(gè)有機(jī)的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)天線陣面的自動(dòng)化測試。通過測試任務(wù)打包，自動(dòng)發(fā)送指令，陣面及伺服響應(yīng)，完成天線陣面的性能測試，同時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程可視化和測試數(shù)據(jù)存儲及處理。

2 機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)天線測試系統(tǒng)功能

該機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)天線測試系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初就充分借鑒前續(xù)產(chǎn)品的測試經(jīng)驗(yàn)，考慮兼容不同類型的相控陣天線控制和測試，在軟件和硬件方面，設(shè)計(jì)了對相控陣天線極化方式、內(nèi)外時(shí)序控制、測試步進(jìn)等的兼容。當(dāng)更換待測試有源相控陣天線陣面時(shí)，只需要修改軟件對應(yīng)的測試參數(shù)、配置文件及調(diào)整測試任務(wù)，即可適應(yīng)不同類型、不同通道數(shù)的天線陣面的自動(dòng)化測試。

機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)天線測試系統(tǒng)主要具備功能如下：

（1）具備測試天線控制，發(fā)射、接收通道功能；

（2）具備測試天線波束掃描功能；

（3）具備發(fā)射通道、接收通道幅相中場修正功能；

（4）具備中場、近場測試接收、發(fā)射波瓣功能；

（5）具備內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)錄取功能；

（6）兼顧適應(yīng)陣面驗(yàn)收、環(huán)境試驗(yàn)、拷機(jī)等工作模式。

3 機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)天線測試系統(tǒng)的組成

機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)天線測試系統(tǒng)包括四個(gè)主要部分，分別是測試主控單元、陣面控制與數(shù)據(jù)處理單元、伺服控制單元以及測試輔助設(shè)備組成。測試系統(tǒng)具體組成如表1所示。測試主控單元負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)整個(gè)測試系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制并提供人機(jī)接口，作為測試系統(tǒng)的信息中樞，完成測試流水控制、測試任務(wù)下發(fā)，測試數(shù)據(jù)存儲及分析等工作；陣面控制與數(shù)據(jù)處理單元主要負(fù)責(zé)被測天線的狀態(tài)控制與測試數(shù)據(jù)采集，提供測試所需的信號源、時(shí)序控制等；伺服控制單元?jiǎng)t負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)掃描架探頭的移動(dòng)控制，根據(jù)下發(fā)的測試任務(wù)，完成整個(gè)陣面或者單線的測試探頭駐留；測試輔助設(shè)備則為天線的測試提供電源、冷卻等工作環(huán)境，并將實(shí)時(shí)工作參數(shù)回傳給測試主控計(jì)算機(jī)，具備當(dāng)保障條件出現(xiàn)問題時(shí)，自動(dòng)對被測陣面進(jìn)行保護(hù)并報(bào)警。

表1：機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)天線測試系統(tǒng)

3.1 測試主控單元

測試主控單元整合為機(jī)柜模式，依托測試系統(tǒng)軟件，提供人機(jī)接口，通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)所有測試功能的自動(dòng)控制，存儲并計(jì)算顯示測試結(jié)果。功放主要用于對測試信號的放大匹配，根據(jù)測試需求，一般接收采用級聯(lián)低噪聲放大器，發(fā)射采用高增益功率放大器。網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)將主控計(jì)算機(jī)、天線陣面、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、伺服控制等組建成一個(gè)局域網(wǎng)，完成控制、數(shù)據(jù)等的交互工作。

3.2 陣面控制與數(shù)據(jù)處理單元

陣面控制與數(shù)據(jù)處理單元，為天線測試提供激勵(lì)信號、全機(jī)定時(shí)基準(zhǔn)信號、本振和時(shí)鐘參考信號；完成射頻信號接收放大、射頻采樣、數(shù)據(jù)打包、數(shù)字信號預(yù)處理等功能；通過接收系統(tǒng)狀態(tài)字完成定時(shí)控制、信息輸出功能；完成信號處理數(shù)據(jù)交換等功能。陣面控制與數(shù)據(jù)處理單元結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。

圖1：陣面控制與數(shù)據(jù)處理單元

3.3 伺服控制單元

伺服控制單元包括伺服控制機(jī)柜、探頭和掃描架等。主要用于天線近場測試，通過網(wǎng)口完成掃描參數(shù)設(shè)置、位置信息實(shí)時(shí)回送，通過通訊端口發(fā)送到位觸發(fā)脈沖，實(shí)現(xiàn)對掃描測試探頭的精確控制，通過探頭的位移，來完成天線的測試掃描范圍和路徑。

3.4 測試輔助設(shè)備

測試輔助設(shè)備包括為被測天線陣面和處理單元供電的直流穩(wěn)壓電源，為被測天線和處理單元提供冷卻的液冷源，以及支持固定被測天線和測試設(shè)備的各種支架。

3.4.1 電源

在對天線進(jìn)行近場和中場測試時(shí)，可以直接用大功率直流穩(wěn)壓電源供電。供電可參考各型天線接收、發(fā)射電源需求陣面控制與數(shù)據(jù)處理單元采用高壓直流儀表電源供電。在對天線進(jìn)行考機(jī)測試時(shí)，天線需滿功率全陣面輻射，功耗較大，必要時(shí)可采用對應(yīng)的雷達(dá)電源單元進(jìn)行供電。

3.4.2 測試支架

測試時(shí)，被測天線安裝在天線支架上，放置在掃描探頭對面。另一個(gè)支架固定安放陣面控制與數(shù)據(jù)處理單元及電源單元，天線暗室測試時(shí)放置在天線后面，環(huán)境試驗(yàn)時(shí)放置在環(huán)境試驗(yàn)箱外面。

3.4.3 液冷源

天線測試時(shí)被測天線和處理單元、電源單元都需要冷卻散熱。考慮到不同場景的運(yùn)用，需要一臺小型的液冷源提供冷卻，必要時(shí)要滿足高溫液冷需求。

4 機(jī)載有源相控陣天線測試系統(tǒng)工作流程

機(jī)載有源相控陣天線按調(diào)試測試場景可分為中場、近場，測試流程主要又分為調(diào)試、校準(zhǔn)、測試、考機(jī)及驗(yàn)收等。在每個(gè)階段分別要對天線的接收和發(fā)射通道進(jìn)行測試。天線測試具體原理框圖如圖2所示。

圖2：天線陣面測試原理框圖

4.1 天線陣面中場測試

天線陣面中場測試前，要先完成陣面狀態(tài)確認(rèn)，檢查陣面供電信號、控制信號流向正常，完成上下行射頻信號鏈路檢查。完成陣面子陣ID及T/R組件ID燒寫和回讀確認(rèn)，完成組件MN值燒寫和回讀確認(rèn)。

中場調(diào)試時(shí)，通過系統(tǒng)模擬產(chǎn)生雷達(dá)定時(shí)及控制信號，在陣面安裝完T/R后，可進(jìn)行內(nèi)監(jiān)測收發(fā)鏈路測試，根據(jù)組件安裝的用戶位置，設(shè)置需要測試的T/R通道，通過觀察矢網(wǎng)，可以直觀地顯示相應(yīng)通道的幅度與相位變化。在陣面安裝完輻射單元后，可進(jìn)行中場喇叭收發(fā)鏈路測試，依次打開單個(gè)通道或者打開一定區(qū)域的通道，完成接收和發(fā)射通道狀態(tài)檢測。

測試系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，軟件可設(shè)置起始通道與通道數(shù)量，可設(shè)置單次或者循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)，可通過直接觀察矢網(wǎng)測試結(jié)果或利用數(shù)據(jù)處理軟件打開所測數(shù)據(jù)文件判斷組件或相應(yīng)子陣是否正常工作。軟件對幅度和相位分別判讀，通過顏色差異顯示，測試結(jié)果如圖3、圖4所示，能比較直觀地反映陣面所有通道工作狀態(tài),有助于陣面異常點(diǎn)排查及剔除。

圖3：天線陣面組件幅度測試圖

在保證陣面的完好性的前提下，可以開始進(jìn)行整個(gè)陣面的幅相校正工作。將整個(gè)陣面作為一個(gè)整體，通過光學(xué)標(biāo)校，采集到中場喇叭相對于陣面的相對位置，通過單個(gè)通道測試的結(jié)果，提取各通道處于基態(tài)時(shí)候的幅相分布參數(shù)，通過測試軟件計(jì)算出天線陣面每個(gè)通道需要補(bǔ)償?shù)姆却a和相位碼，生成需要校準(zhǔn)的波控碼，完成整個(gè)陣面的一次校準(zhǔn)。再依據(jù)方向圖各項(xiàng)性能及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。

4.2 天線陣面近場測試

測試系統(tǒng)具備天線多任務(wù)快速化測試功能，在近場測試過程中，掃描架進(jìn)行單次掃描就可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)頻率、多個(gè)波束和多個(gè)通道的測試，掃描架掃描全陣面一次，系統(tǒng)就能完成對天線模擬接收和、差、保護(hù)通道的性能測試。

由于測試主控計(jì)算機(jī)通過串口發(fā)送測試命令的最高速率只能達(dá)到115200bps，通過這種方式完成整個(gè)陣面的測試，更新速度慢，效率較低。該測試系統(tǒng)通過將測試任務(wù)先下發(fā)至陣面控制與數(shù)據(jù)處理單元，通過422總線完成與陣面波控的通訊，傳輸速率提高至500k，極大地提高了測試效率。

4.2.1 天線陣面接收狀態(tài)測試

天線接收通道的測試，由主控計(jì)算機(jī)下發(fā)測試任務(wù)，將各個(gè)波位對應(yīng)的波控序列傳送給陣面控制與數(shù)據(jù)處理單元，當(dāng)伺服掃描架運(yùn)行到約定位置后，通過回傳編碼查找到對應(yīng)的映射地址，啟動(dòng)測試任務(wù)，完成相控陣天線陣面在該位置的性能測試，重復(fù)這些操作，完成整個(gè)陣面的全狀態(tài)接收測試。

接收測試時(shí)系統(tǒng)具體工作流程如下：

（1）預(yù)先通過測試計(jì)算機(jī)上的軟件界面將所有測試任務(wù)信息分別發(fā)送給伺服計(jì)算機(jī)和測試處理板，測試處理板將所有對應(yīng)的控制指令包存在緩存中，等待測試任務(wù)啟動(dòng)。

（2）掃描探頭每到一個(gè)測試位置點(diǎn)，給測試處理板發(fā)一個(gè)外觸發(fā)脈沖，測試處理板將預(yù)存的所有指令包發(fā)送給天線。

（3）天線將探頭輻射的射頻信號接收下來，分為和、差通道送接收通道進(jìn)行A/D采樣，再送給信號處理模塊進(jìn)行FFT轉(zhuǎn)換，結(jié)果送給測試處理板。

（4）測試處理板將收到的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并上傳給測試主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算和存儲。

（5）以此循環(huán)，探頭完成對所有測試點(diǎn)的掃描，完成全陣面的測試，最終得到整個(gè)天線接收通道的測試結(jié)果。

4.2.2 天線陣面發(fā)射狀態(tài)測試

天線發(fā)射通道的測試，主要通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來實(shí)現(xiàn)，測試時(shí)頻率源輸出信號推動(dòng)天線發(fā)射輸出大功率脈沖信號。同時(shí)功分一路激勵(lì)信號作為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的參考信號。掃描探頭接收到天線輻射的信號后，將信號送給矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與參考信號對比測試得到幅相數(shù)據(jù)。測試時(shí)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀要與綜合頻率源相參，同時(shí)需要脈沖定時(shí)同步。

發(fā)射測試時(shí)系統(tǒng)具體工作流程如下：

（1）預(yù)先通過網(wǎng)絡(luò)測試計(jì)算機(jī)上的軟件界面將所有測試任務(wù)信息分別發(fā)送給伺服計(jì)算機(jī)和測試處理板，測試處理板將所有對應(yīng)的控制指令包存在緩存中，等待測試任務(wù)啟動(dòng)；

（2）掃描探頭每到一個(gè)測試位置點(diǎn)給測試處理板發(fā)一個(gè)外觸發(fā)脈沖，測試處理板將預(yù)存的所有指令包發(fā)送給天線；

（3）探頭將天線輻射的射頻信號接收下來，送給矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀；

（4）矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀將待測信號與參考信號做比較得到幅相參數(shù)，測試主控計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試數(shù)據(jù)取回進(jìn)行計(jì)算和存儲；

（5）以此循環(huán)，探頭完成對所有測試點(diǎn)的掃描，完成全陣面的測試，最終得到整個(gè)天線發(fā)射通道的測試結(jié)果。

5 機(jī)載有源相控陣天線測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

考慮到測試效率的問題，該測試系統(tǒng)采取數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理分離的方案，數(shù)據(jù)采集的編程環(huán)境主要有visual Basic for Windows、 Microsoft visual Stdio 2008等，數(shù)據(jù)處理編程環(huán)境為MATLAB語言。測試軟件主要用于陣面通道測試，驗(yàn)證待測天線所有收發(fā)通道的性能，對每個(gè)通道進(jìn)行全狀態(tài)測試，包括接收狀態(tài)的負(fù)載態(tài)、接收態(tài)以及發(fā)射狀態(tài)的移相態(tài)，并在界面上顯示部分測試結(jié)果，方便測試數(shù)據(jù)的判讀。

測試系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)結(jié)果均為測試通道合成后與參考通道的矢量比值，再做FFT，計(jì)算出返回幅度最大點(diǎn)的I、Q，同時(shí)回合成波束值及差波束值。程序解析下傳任務(wù)流水標(biāo)記、循環(huán)標(biāo)記、觸發(fā)標(biāo)記、時(shí)間標(biāo)記、波束標(biāo)記等用于測試數(shù)據(jù)錯(cuò)位判斷。通過數(shù)據(jù)解析后的天線陣面波瓣圖如圖5所示，左圖為理論仿真圖，右圖為實(shí)測圖,通過對比，系統(tǒng)測試結(jié)果還是比較理想的。

圖5：天線陣面波瓣圖理論和測試對比

6 結(jié)語

該測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能較大程度自動(dòng)完成天線陣面的調(diào)試與測試工作，已經(jīng)在多型機(jī)載有源相控陣天線的測試中得到了使用。該系統(tǒng)功能強(qiáng)大，運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)用性強(qiáng)，減少了測試人員的工作量，提高了測試效率。并能有效的減少人工測試可能產(chǎn)生的誤操作，提高測試結(jié)果的準(zhǔn)確度。