有源相控陣天線自動化測試系統(tǒng)設(shè)計

趙榮超

（中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，相控陣體制也得到了快速發(fā)展。其中，有源相控陣?yán)走_(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)對多個元素的同時發(fā)射和接收，且每一個輻射器都配備有信號的發(fā)射和接收組件，每一個組件都能夠?qū)崿F(xiàn)對電磁波的接收和發(fā)射。因此，相較于無源相控陣?yán)走_(dá)，其在信號處理能力以及冗度設(shè)計等方面都更具優(yōu)勢。

通常來講，大型有源相控陣?yán)走_(dá)需要更多的T/R組件，以滿足其工作性能的需求。但從另一方面來看，較多的T/R 組件也為雷達(dá)的測試工作帶來了更大的難度，要想實(shí)現(xiàn)對這些組件指標(biāo)的分析，首先就需要對有源相控陣天線測試系統(tǒng)升級和優(yōu)化。傳統(tǒng)的天線自動化測試系統(tǒng)采用的是人工模式，這種方法需要逐個打開和關(guān)閉通道，并逐一記錄下相關(guān)的數(shù)據(jù)，不僅耗時較長，且測試精準(zhǔn)度不高，尤其是對于大型的有源相控陣天線測試來講，這種方法會嚴(yán)重影響生產(chǎn)和科研的進(jìn)度。因此，有必要設(shè)計出一種有源相控陣天線自動化測試系統(tǒng)，以提升對天線進(jìn)行測試的效率和質(zhì)量，滿足實(shí)際生產(chǎn)所需。

1 測試原理和系統(tǒng)框架

有源相控陣?yán)走_(dá)主要是包括天線接口、子陣綜合、陣面T/R 組件、射頻模塊等，其中中場調(diào)試環(huán)節(jié)主要是為了實(shí)現(xiàn)對有源相控陣天線的控制地址數(shù)據(jù)裝訂、通道故障檢測以及幅度相位初調(diào)試等；環(huán)境試驗(yàn)主要在模擬雷達(dá)具體的應(yīng)用條件下對天線各個不同模式工作狀態(tài)性能進(jìn)行檢測和測試；近場測試環(huán)節(jié)則主要是針對天線的相控陣幅度相位進(jìn)行精調(diào)，并同時對天線的方向圖性能進(jìn)行測試評估。

在中場測試環(huán)節(jié)，考慮到有源相控陣天線的集成度與組成較為復(fù)雜，因此在完成安裝后需要對T/R組件、傳輸鏈路、信號發(fā)射以及接收功率幅度等進(jìn)行檢測，以便確保其滿足相應(yīng)的指標(biāo)要求，而采用傳統(tǒng)的人工測試方法進(jìn)行，需要技術(shù)人員手動對測試鏈路進(jìn)行切換，這種模式不僅測試周期較長，而且精準(zhǔn)度較低，還很容易出現(xiàn)故障[1]。為了能夠有效解決這一問題，本文在中場測試環(huán)節(jié)設(shè)計了信號自動化采集和自動定位的方案，實(shí)現(xiàn)了對天線接收信號進(jìn)行自動采集、壞點(diǎn)識別等，大大提升了有源相控陣天線的中場鏈路檢測質(zhì)量和效率。

在近場測試環(huán)境中，考慮到有源相控陣天線的各個模塊在生產(chǎn)加工過程中工藝較為復(fù)雜，在天線完成安裝后內(nèi)部各個通道的功率、頻譜、幅相存在著不一致的問題。因此，需要通過幅相調(diào)整和優(yōu)化相位峰值分布，以確保各個通道功率值由天線中心向著邊緣呈現(xiàn)泰勒分布。在進(jìn)行該環(huán)節(jié)的測試過程中，由于需要對有源相控陣?yán)走_(dá)的工作模式進(jìn)行來回切換，且需要用到設(shè)備以及射頻電纜加多，而采用傳統(tǒng)的人工調(diào)試模式難免會因?yàn)榧夹g(shù)人員的操作而影響調(diào)試和測試的精準(zhǔn)度。為了解決該問題，本文設(shè)計了智能化的近場測試交互調(diào)試方案，采用軟件來對有源相控陣?yán)走_(dá)鏈路的開啟和關(guān)閉進(jìn)行控制，這樣就可以有效降低射頻信號間的串?dāng)_帶來的噪聲，確保有源相控陣?yán)走_(dá)在不同工作模式下測試環(huán)境的一致性[2]。且采用改方案還能夠?qū)崿F(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的實(shí)時檢測，以便于技術(shù)人員對測試中出現(xiàn)的問題進(jìn)行初步定位和分析，及時將遇到的問題排除。

結(jié)合上述測試需求和工作原理，本文所設(shè)計的有源相控陣天線的自動化測試流程如圖1 所示。

圖1 有源相控陣天線的自動化測試流程

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 中場模塊

有源相控陣通信天線在工作模式下主要利用地址來實(shí)現(xiàn)和T/R 組件之間的交互，這就需要在對天線進(jìn)行調(diào)試之前，首先應(yīng)將地址錄入至天線陣面中。而考慮到有源相控陣天線T/R 組件數(shù)量較多，在此本文提出了一種基于視覺識別技術(shù)的T/R 組件錄入方式，具體的實(shí)現(xiàn)流程如圖2 所示。采用視覺識別設(shè)備對天線內(nèi)部T/R 組件中的地址按照順序進(jìn)行采集，并利用以太網(wǎng)絡(luò)將地址信息發(fā)送至計算機(jī)，之后再采用軟件，依據(jù)設(shè)定好的標(biāo)準(zhǔn)來對傳輸?shù)刂犯袷竭M(jìn)行識別和判斷，同時將正確的T/R 組件地址存儲至文檔中，對錯誤的地址信息進(jìn)行采集和識別[3]。不斷循環(huán)重復(fù)該流程，直至對T/R 組件地址錄入完成為止，如此以來就可以在確保對T/R 組件地址采集效率的同時大大降低因受外界因素影響而導(dǎo)致了精準(zhǔn)度不高的問題。

圖2 視覺識別地址錄入流程

針對有源相控陣通信天線測試過程中在中場模塊陣面收發(fā)檢測信號存在著檢測時間過長、故障定位精準(zhǔn)度不高等問題，在此結(jié)合天線的工作原理和雷達(dá)鏈路的方向，設(shè)計了一種進(jìn)行自動化測試的方案，該系統(tǒng)以矢網(wǎng)作為收發(fā)信號源，將矢網(wǎng)的收發(fā)端和有源相控陣通信天線的收發(fā)端進(jìn)行串聯(lián)，從而構(gòu)成一個完整的閉合鏈路[4]。但有源相控陣通信天線的收發(fā)狀態(tài)信號是通過矢網(wǎng)中2 個不同參數(shù)計算得出的，其具體的數(shù)據(jù)采集流程如下。首先，系統(tǒng)會發(fā)送測試指令，得到測試指令之后矢網(wǎng)起控，對參數(shù)進(jìn)行初始化；其次，發(fā)送T/R 組件單開命令，此時如果監(jiān)測反饋數(shù)據(jù)是錯誤的，則系統(tǒng)會重新返回上一層級，重新進(jìn)行監(jiān)測。如果監(jiān)測反饋數(shù)據(jù)是正確的，則會通過接口總線讀取測試數(shù)據(jù)，并將其存儲至計算機(jī)中，然后再進(jìn)行下一個T/R 組件的數(shù)據(jù)采集，重新進(jìn)行參數(shù)初始化，開啟下一個循環(huán)。

2.2 近場模塊

有源相控陣通信天線的近場測試是雷達(dá)生產(chǎn)調(diào)試過程中的核心內(nèi)容，其會對于雷達(dá)的性能和質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，而有源相控陣通信天線所具有的陣面大、測試點(diǎn)多的特點(diǎn)也使得其成為了測試周期最長的一個環(huán)節(jié)[5]。為了在最大程度上提升對通信天線進(jìn)行測試的效率，滿足對大型有源相控陣通信天線進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)試的需求，在此以通信天線近場調(diào)試工位為基礎(chǔ)，對天線的工作鏈路進(jìn)行了分析研究，并通過對鏈路信號接收和發(fā)送數(shù)據(jù)流的整合，結(jié)合處理單元和通信天線的工作原理設(shè)計了有源相控陣通信天線近場一體化自動測試方案。實(shí)踐證明，該自動化測試方案能夠大大降低外界環(huán)境因素對天線的干擾，并能夠結(jié)合具體的測試需求來更改鏈路，以實(shí)現(xiàn)對故障的定位和排除，有效提升了測試的產(chǎn)能和產(chǎn)品的質(zhì)量。該有源相控陣通信天線近場自動化測試的流程如圖3 所示。

圖3 近場模塊天線幅相測試流程

由圖3 可以看出，處理單元按照一定的順序完成陣面組件的測試工作，生成對應(yīng)的修調(diào)碼字，并開始對陣面組件進(jìn)行測試。以此流程為基礎(chǔ)，為了實(shí)現(xiàn)自動一體化測試，依據(jù)測試需求對有源相控陣通信天線進(jìn)行測試鏈路的自動切換，在此將信號中樞設(shè)計在天線和處理單元之間，將控制軟件鑲嵌于調(diào)試系統(tǒng)中，如此以來，在對有源相控陣通信天線進(jìn)行更換時，只需對軟件測試參數(shù)、波控對應(yīng)配置進(jìn)行調(diào)整即可[6]。本文所設(shè)計的中樞鏈路主要由功分器、射頻開關(guān)以及衰減器等內(nèi)容組成，有源相控陣通信天線具有對信號接收、發(fā)射和模擬的功能，因此該調(diào)試方案設(shè)計中所涉及到的主要接口包括處理單元模塊接口、激勵信號輸出接口、信號輸入接口等[7,8]。并且由于該方案在接收鏈路上增加了一個射頻開關(guān)以及可調(diào)衰減器，從而使得測試過程中的變量變得可控，不僅提升了測試系統(tǒng)的兼容性，同時也能夠更好地滿足產(chǎn)品測試的需求。

3 天線校正

對通信天線進(jìn)行校正是開展有源相控陣調(diào)試過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其能夠確保天線各項性能指標(biāo)都維持在一個較高的水準(zhǔn)，且對天線進(jìn)行校正還是有源相控陣?yán)走_(dá)天線性能得以滿足實(shí)際使用需求的一種有效措施[9,10]。現(xiàn)階段，對天線進(jìn)行校正常用的方法主要有逐一通道校正、首次合格率（First Time Through，F(xiàn)TT）校正、中場校正以及矩陣求逆等，本文以逐一通道校正法為基礎(chǔ)，對其進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，再此以幅值信息為例，對校正方法進(jìn)行介紹。

首先，設(shè)定測試的有源相控陣通信天線大小為M×N，則被測相控陣天線中心測試模塊的大小可以表示為M1×N1，該參數(shù)也可以依據(jù)具體的測試效果來進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。設(shè)初始目標(biāo)值為T0，更新后的目標(biāo)值為T，初始碼值為A0，Ai（i≥1）表示為第i次打碼測試后的新碼值，而對應(yīng)的實(shí)際測量值使用Fi來表示，天線校正算法的具體流程如下文所述。

（1）在測試系統(tǒng)中輸入零碼，利用VAN 測試出實(shí)際值F0，大小表示為M1×N1；

（2）設(shè)定F(m,n)=argmaxF，式中m≤M1，且n≤N1為最大值對應(yīng)的行列號，更新后的目標(biāo)值表示為T=T0+{F(m,n)-T0[(M-M1)/2+m,(N-N1]/2+n)}ones(M,N），式中ones(M,N)為M行N列的矩陣，且矩陣中各個元素均為1；

（3）在被測有源相控陣通信天線中輸入初始碼值A(chǔ)0，并測得實(shí)際的數(shù)據(jù)值F1，然后更新打碼值A(chǔ)1=A0+F1-T；

（4）將碼值輸入后，測出實(shí)際值Fi+1，然后再更新碼值A(chǔ)i+1=Ai+（Fi+1-T）×δi+1，式中i≥1，δi+1為第i+1 次打碼測試的校正系數(shù)；

（5）不斷重復(fù)操作步驟（4），直至得出的校正結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié) 論

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種先進(jìn)技術(shù)在有源相控陣天線雷達(dá)制造中的應(yīng)用也對天線的測試工作提出了更高的要求。本文設(shè)計的有源相控陣通信天線自動化測試系統(tǒng)有著開放式的平臺和模塊化的設(shè)計思想，不僅使得該系統(tǒng)的實(shí)用性得到了大幅度提升，而且還具有較強(qiáng)的兼容性，便于后期的程序移植和二次開發(fā)工作。實(shí)踐測試表明，該自動化測試系統(tǒng)能夠大大提升相控陣天線的測試效率，并提升測試數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，降低大型有源相控陣通信天線的測試周期和人工成本，進(jìn)而提升產(chǎn)品的質(zhì)量。