雷達(dá)高功率固態(tài)功放組件自動測試系統(tǒng)設(shè)計

郭 輝，張啟帆，桂 磊

(中國船舶集團公司第七二四研究所，江蘇 南京 211153)

0 引言

雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)是現(xiàn)代雷達(dá)的重要組成部分，而功放組件又是發(fā)射系統(tǒng)的核心關(guān)鍵單元。通常一部雷達(dá)有著幾十或上百只功放組件，而雷達(dá)的性能極大取決于功放組件的各類測試指標(biāo)，這就決定了功放組件的測試工作極為關(guān)鍵且準(zhǔn)確性要求較高。

近年來，隨著第三代半導(dǎo)體的迅速發(fā)展，以氮化鎵(GaN)材料為基礎(chǔ)的功率管逐步應(yīng)用于雷達(dá)中。基于此器件設(shè)計而成的高功率固態(tài)功放組件，性能優(yōu)越，可靠性高，但同時諸多測試指標(biāo)也帶來了配試設(shè)備種類較多、測試步驟煩瑣等一系列測試?yán)щy。

功放組件的測試指標(biāo)主要包括：輸出峰值功率、相位、高頻信號特征、輸出脈沖包絡(luò)等；一只組件還需要根據(jù)要求選取不同頻點重復(fù)上述指標(biāo)測試。所以組件的手動測試需要大量的重復(fù)工作，本文為解決這一難題，通過軟硬件協(xié)同搭建了一套可視化自動測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)極大提高了科研裝備生產(chǎn)研制效率。

1 自動測試系統(tǒng)原理簡介

有別于普通雷達(dá)組件，高功率功放組件的測試環(huán)境更為復(fù)雜，所以當(dāng)前在進(jìn)行組件測試時，通常采用手動搭建測試平臺的方式。由于組件工作要求的激勵功率高，所以測試時需要配備額外的驅(qū)動源，并在每次測試前對驅(qū)動源進(jìn)行功率校準(zhǔn)，從而保證給組件提供的輸入激勵為額定值。而不同的雷達(dá)工作在不同頻率范圍，這就決定了普通驅(qū)動源并不能通用于不同型功放組件。此外，高功率功放組件的輸出峰值功率高、工作電流較大，所以配試設(shè)備需要包含大功率衰減器、大功率開關(guān)電源、水冷機柜等多種專用設(shè)備。這些需求極大地加大了手動測試時測試平臺的搭建難度和測試過程的煩瑣程度。

本文針對以上高功率組件測試時各項需求難點進(jìn)行研究，并結(jié)合一些通用測試平臺的設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)計了一款自動化測試系統(tǒng)，測試系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 自動測試系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)由硬件測試資源和測試軟件組成，各類配試單元和測試工裝集成在一個專用硬件平臺上，通過軟件實現(xiàn)工控機對各類儀表、驅(qū)動源、待測組件等模塊的控制和信息反饋。工控機通過LAN口連接儀表和驅(qū)動源，可在測試開始前自動進(jìn)行參數(shù)校準(zhǔn)和激勵信號校準(zhǔn)。測試開始后根據(jù)上位機命令自動選擇儀表測試項目及測試結(jié)果讀取。工控機通過CAN總線接口與待測功放組件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，可實現(xiàn)組件開關(guān)機操作。同時還可將組件各項工作參數(shù)實時顯示在上位機軟件上，以便于測試人員及時判斷組件工作狀態(tài)是否正常。系統(tǒng)中配備的控制中樞是實現(xiàn)不同測試儀表通道切換的核心部件，它接收工控機的指令，根據(jù)需要進(jìn)行的測試指標(biāo)自動選擇對應(yīng)儀表。

2 系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

2.1 硬件構(gòu)成

為兼顧高功率固態(tài)功放組件自動測試系統(tǒng)對實用性、散熱性、電磁兼容性、安全性等方面的要求，系統(tǒng)所有硬件整體置于一個一體化測試機柜內(nèi)，其外形如圖2所示。

圖2 測試機柜

測試機柜由一個高柜和一個矮柜組成，高柜中主要擺放各類通用儀器儀表，矮柜中擺放工控機和專用配試設(shè)備。兩個機柜間通過定位稍連接，運輸時可分拆；機柜底部安裝滑輪，方便移動。機柜頂部還設(shè)計有散熱單元，保證測試系統(tǒng)長期運行時的散熱性能。

硬件測試平臺的搭建兼顧了系統(tǒng)的開放性和靈活性，同時為了系統(tǒng)方便二次開發(fā)，進(jìn)行架構(gòu)時允許用戶根據(jù)不同的測試需求，靈活地配置硬件資源。

2.1.1 通用配試儀表及設(shè)備

結(jié)合功放組件的輸出峰值功率、高頻信號特征、脈沖包絡(luò)、相位等測試需求，系統(tǒng)集成了一系列通用測試儀表及設(shè)備，如表1所示。

表1 通用儀表及設(shè)備清單

系統(tǒng)中的儀表及設(shè)備主要實現(xiàn)以下功能：

(1) 信號源：根據(jù)測試對頻率、占空比等參數(shù)的需求，提供不同形式的原始激勵信號。

(2) 功率計：讀取待測件輸出峰值功率，并顯示輸出波形外觀。

(3) 頻譜儀：用于測試待測件輸出信號高頻信號特征，包括諧波、雜散、噪聲等頻域內(nèi)參數(shù)。

(4) 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀：可在測試待測件相位時替代功率計提供激勵信號，并讀取相位測試結(jié)果。

(5) 示波器：用于測試待測件輸出信號脈沖包絡(luò)，包括上升/下降沿、脈沖精度、頂降等。

(6) 數(shù)字TTL產(chǎn)生板：根據(jù)上位機發(fā)送的操控命令產(chǎn)生一路或多路TTL信號，對信號源、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、驅(qū)動源、待測件等進(jìn)行射頻和電源調(diào)制。

(7) 數(shù)控開關(guān)電源：其中小功率開關(guān)電源用于給功放組件內(nèi)部數(shù)字電路供電，大功率開關(guān)電源提供功組件工作所需的大電流。

2.1.2 驅(qū)動源設(shè)計

雷達(dá)設(shè)備一般工作于不同的頻率范圍，這就使得一般的驅(qū)動源并不能適用于不同的雷達(dá)功放組件。為了避免這一問題，自動系統(tǒng)專門設(shè)計了一種寬帶儀表功放充當(dāng)驅(qū)動源，該設(shè)備覆蓋了L/S/C/X這4種常見的雷達(dá)工作頻段，同時輸出功率線性可調(diào)，從而最大程度地保障了自動測試系統(tǒng)的通用性。寬帶儀表功放的外形如圖3所示。

圖3 寬帶儀表功放原理

儀表功放正面配置液晶觸控顯示屏和物理按鍵，所有的人機交互動作均可通過此觸控屏實現(xiàn)，物理按鍵作為備份操控選項。

測試系統(tǒng)運行時，上位機通過網(wǎng)絡(luò)向儀表功放傳送操控命令，數(shù)字TTL產(chǎn)生板通過BNC接口直接將調(diào)制信號送至儀表功放的檢波電路。儀表功放可根據(jù)操控命令選擇對應(yīng)的頻率通道，并根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測電路進(jìn)行實時故障保護(hù)；保護(hù)的門限閾值、參數(shù)選項均可通過觸控面板進(jìn)行設(shè)置，從而保障了整個測試系統(tǒng)的靈活配置。

2.1.3 控制中樞設(shè)計

在控制中樞內(nèi)部，配備了大功率功放組件測試所需的各類型專用衰減器，可用于輸出峰值功率、輸入功率耦合檢測等不同測試場景。此外，中樞內(nèi)部主要由各種繼電器開關(guān)、射頻開關(guān)、大功率衰減器、射頻電纜及接口組成，它是整個自動測試系統(tǒng)的核心樞紐。

測試系統(tǒng)由多種儀器儀表及配試單元組成，它們的接口種類各不相同，如不對接口進(jìn)行統(tǒng)一配置，會給后續(xù)維護(hù)保養(yǎng)及功能擴展造成很大的困擾。所以，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時，將各個單元的接口通過定制電纜及轉(zhuǎn)接頭，全部連接至控制中樞；控制中樞內(nèi)部通過各個繼電器開關(guān)和射頻選通開關(guān)實現(xiàn)接口間切換，測試時，根據(jù)不同測試項，上位機調(diào)用不同儀表并通過控制中樞實現(xiàn)測試單元間通路閉合。

除了上述各個鏈接模塊，控制中樞內(nèi)部還加裝了各種型號的射頻衰減器。本文的測試系統(tǒng)是針對高功率發(fā)射組件，該類型組件的輸出功率通常高出測試儀表額定測量值幾個數(shù)量級。為了防止儀表輸入過載造成的設(shè)備損毀，在通道切換開關(guān)前加裝射頻衰減器達(dá)到保護(hù)后端負(fù)載的目的。

2.2 軟件功能實現(xiàn)

自動測試系統(tǒng)的軟件位于工控機中，基于Matlab軟件，完成了測試系統(tǒng)上位機的開發(fā)。對于測試軟件的基本功能有幾點要求：(1)具備對功放組件的自動測試功能；(2)具備測試指標(biāo)、質(zhì)量數(shù)據(jù)的全覆蓋；(3)可根據(jù)需求選擇全功能、全參數(shù)或者部分功能、部分參數(shù)的測試；(4)可對儀器的資源信息進(jìn)行更新及其在線情況進(jìn)行自檢；(5)測試過程中可根據(jù)設(shè)定的門限值對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行符合性自動判斷，并對測試結(jié)果進(jìn)行“符合”與“不符合”區(qū)別顯示；(6)可同步本地存儲數(shù)據(jù)并按要求給出輸出報表。測試軟件采用模塊化設(shè)計思路，并為系統(tǒng)的二次開發(fā)提供軟件編程接口，軟件框架如圖4所示。

圖4 軟件平臺框架

射頻系統(tǒng)的測試通常需要較高的精度，所以每次測試前都需要排除測試系統(tǒng)可能引進(jìn)的各類誤差。根據(jù)對功放組件測試項的分析，測試系統(tǒng)主要開發(fā)了功率插損校準(zhǔn)和基準(zhǔn)相位校準(zhǔn)。

功率插損校準(zhǔn)通過調(diào)用功率計和信號源，測試出通路中電纜、接頭及衰減器等帶來的不同頻點的功率損耗，并將該組數(shù)據(jù)保存在軟件數(shù)據(jù)庫中；在功放組件測試完成后，系統(tǒng)在生成測試報表時會自動調(diào)用該組數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)補償至測試結(jié)果，從而保證每次測試精確度。

通常一部雷達(dá)裝配有數(shù)十只功放組件，這就要求組件間相位高度一致，而不同批次生產(chǎn)的組件也要求具有通用性，所以測試系統(tǒng)需要具有固化的基準(zhǔn)相位。本系統(tǒng)在硬件上配備了一個無源接頭作為基準(zhǔn)器件，系統(tǒng)通過軟件調(diào)用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對該器件進(jìn)行相位測試，并將測試結(jié)果保存至數(shù)據(jù)庫；在功放組件測試時，將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的相位參數(shù)和基準(zhǔn)器件測試結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，從而固化了基準(zhǔn)相位參數(shù)。

開始測試后，自動測試軟件實時采集被測組件的電性能指標(biāo)、當(dāng)前測試環(huán)境數(shù)據(jù)、被測件所處的技術(shù)狀態(tài)等信息，上位機顯示界面將當(dāng)前測試數(shù)據(jù)、現(xiàn)場狀態(tài)信息、視頻監(jiān)控信息輸出至信息顯示屏，實驗過程中所有的數(shù)據(jù)均實時存儲至集群式服務(wù)器，服務(wù)器能夠提供快速的數(shù)據(jù)分析服務(wù)。測試軟件的運行流程如圖5所示。

圖5 軟件運行流程

3 應(yīng)用驗證

系統(tǒng)構(gòu)建完成后，將某型號雷達(dá)的固態(tài)功放組件運行于自動測試系統(tǒng)，以驗證系統(tǒng)的可靠性及準(zhǔn)確性。本文隨機選取一只組件進(jìn)行部分測試參數(shù)的手、自動測試對比，結(jié)果如表2和表3所示。

表3 脈沖寬度測試對比

表中可以看出手/自動測試結(jié)果基本一致，誤差滿足系統(tǒng)預(yù)設(shè)定指標(biāo)。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一款高功率固態(tài)功放組件自動測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以兼容多波段雷達(dá)測試需求。經(jīng)過在某型號雷達(dá)上的長期使用對比，可將一只功放組件的測試時間從半小時縮短至五分鐘。這一提升大大簡化了調(diào)測工作的煩瑣程度，同時提升了測試準(zhǔn)確性，避免了人為的操作失誤，對裝備研制生產(chǎn)具有重大意義。