機載電子設備ATE微波控制器設計與研制

茹東生，周鵬，陶東香，閆婕妤

（1.海軍航空工程學院青島分院，山東青島 266041；2.海軍司令部第四部，北京 100161）

機載電子設備ATE微波控制器設計與研制

茹東生1，周鵬1，陶東香1，閆婕妤2

（1.海軍航空工程學院青島分院，山東青島 266041；2.海軍司令部第四部，北京 100161）

為實現對機載電子設備ATE各種射頻線路的自動控制與連接，設計研制一套數字I/O控制的機載電子設備ATE微波控制器。簡要介紹ATE微波控制器總體設計方案，根據ATE微波控制器射頻控制的實際需求，闡述微波控制器硬件結構和調理電路，詳細舉例說明軟件控制編碼設計方法。實踐表明：該微波控制器射頻傳輸損耗小，微波開關切換精準可靠，滿足ATE系統對微波控制器射頻儀器資源與被測射頻設備射頻連接的具體需求。

射頻測試；自動測試設備；射頻控制；微波開關；被測設備

0 引言

隨著現代電子技術的不斷發展，機載電子設備數字化、集成化程度越來越高，設備功能、性能快速提升，設備信號的頻率和占用帶寬也在逐漸提高和展寬。當前大型機載電子設備的測試與故障診斷系統采用較多的是ATE[1]。按ATE測試信號頻率高低不同，ATE測試包括低頻測試、視頻測試、高頻測試、射頻測試等。這些測試在不同頻率段測試手段和方法差異很大。由于受到射頻信號傳輸衰減和自動轉接可靠性等因素的影響，射頻測試一直是ATE系統整體性能測試的難點和關鍵點。

射頻測試時一項關鍵性的工作是用測試電纜將測試儀器和測試資源連接起來。傳統的射頻接線方法是直接連接，完成測試信號的注入或提取[2]。這種連接僅限于測試資源極少且測試資源與被測儀器之間是一對一不變的連接方式。然而由于被測設備種類、型號眾多，要用ATE有限的測試資源實現對被測設備的射頻性能測試，如果采用傳統直接連接的方法，必須經常拆卸大量測試射頻電纜。這種頻繁拆卸測試射頻電纜的方法不僅會影響電纜的使用壽命[3]，甚至造成一些測試儀器射頻輸入/輸出頭的接觸不良，會影響ATE測量精度，繼而造成故障診斷的誤判。本文設計一種微波控制器，使得被測射頻設備與測試資源通過程控的方式自動實現信號的自動切換。

1 微波控制器的總體設計和硬件組成

1.1 微波控制器的總體設計

為提高ATE射頻測試的靈活性和穩定性，設計了一種基于VXI儀器數字I/O控制的微波控制器。微波控制器工作原理方框圖如圖1所示。圖1中，ATE的核心是工控機[4]，負責ATE系統軟件測試與控制。為了保證測試系統應用于特殊測試環境的能力，工控機采用定制的研華加固筆記本，由內部接口卡完成對ATE系統各種VXI模塊儀器的控制。VXI機箱采用13槽C尺寸VXI主機箱1261B，工控機與VXI零槽控制器E8491B之間通過IEEE1394-VXI總線進行通信，實現工控機對VXI各種模塊的程控。數字I/O模塊采用VM1548-3型數字I/O模塊，置于機箱第4槽，通過VMIP接口實現數字I/O模塊與VXI機箱連接和控制。

圖1 微波控制器工作原理方框圖

微波控制器由調理電路、開關電源、微波開關組、各種微波測試資源及被測設備公共射頻端口和其相應的各種射頻線纜組成。微波控制器采取軟件控制的方式實現被測設備射頻公共端口（COM）和測量儀器之間進行快速的自動通路切換和組合。

1.2 微波控制器的重要硬件組成

微波控制器通過VM1548實現軟件對控制器硬件電路的自動控制。VM1548-3是VXI公司的一款高性能TTL數字I/O模塊，具有高數據通過率和靈活控制的特點。該模塊具有J200、J201和J202三個68針的數字I/O接線端口。其中J200、J201端口共96路數字I/O連接到ATE的陣列接口ICA，用于實現對ATE外接測試設備的控制。J202端口的48路數字I/O用于實現對微波控制器的程控。J202端口具有6組8位輸入/輸出端口，每組8位端口可配置為輸入或輸出。模塊供電為+5V/2.06A及-5.2V/0.5A，VXI機箱內部的冷卻裝置可以完成模塊工作時的有效散熱。數據輸出特征是Vout（高電平）＞3.1V/15mA； Vout（低電平）＜0.55V/64mA。這個數據輸出特征表明，若直接用數字I/O的高電平驅動微波開關或繼電器開關，必須考慮其驅動電流的負荷承受能力[5-6]，否則，可能造成數字I/O模塊的損壞。

微波控制器硬件組成框圖如圖2所示。在數字I/O的控制下，微波控制器通過微波開關實現射頻端口的自動切換[7]。微波開關應選擇隔離度大、插入損耗小、可靠性高的同軸開關[8]。圖2中，微波開關K1和K2為上海華湘的SHX-801001-F-S單刀雙擲同軸開關，該微波同軸開關的主要優點是允許通過的微波功率較大，適用于26.5GHz以下射頻信號的傳輸。Agilent同軸開關插損小于0.6 dB，相鄰通道隔離度大于35 dB，駐波比在使用頻段小于1.8，具有500萬次以上的高可靠性通斷操作，采用16英寸扁平電纜和DIP連接器24V供電，適用頻率DC～50GHz，動作速度快（20ms含接觸時間），克服了一般同軸開關切換慢的問題[9]。因此微波控制器在信號切換的主要通道上選用性能更為優越的Agilent射頻單極性多端同軸開關，用以保證射頻測量的精度。Agilent同軸開關中K3為8767型單刀四擲同軸開關，K4、K5、K6為8766型單刀三擲同軸開關。Agilent射頻同軸開關存在射頻信號功率耐受性較差的缺點，其最大射頻輸入平均功率小于1W，峰值功率小于100W（10ms脈寬），因此，在微波測試時需要與華湘的微波同軸開關相配合，實現優勢互補。在較大功率的射頻信號測量時，設計有一個250W的30 dB射頻衰減器，對信號的功率進行衰減，用于保護后面的Agilent同軸開關和測試資源儀器。

圖2 微波開關射頻電纜連接示意圖

ATE射頻測試儀器包括電臺模擬器、雷達綜測儀、射頻信號源、射頻功率計、頻譜分析儀5種測試資源，預留3個被測各種機載電子設備公共射頻測試口COM1、COM2、COM3。因此，實際使用時，微波控制器通過對K1～K5微波同軸開關的程控，依據測試設備射頻測試需求，用射頻電纜將電臺模擬器等5種射頻測試資源分別與各種電子設備公共射頻測試口切換連接。

1.3 典型調理電路設計

上海華湘的SHX-801001-F-S單刀雙擲同軸開關采用TTL高電平驅動，其驅動電流僅為0.18mA，因此無需調理電路，直接采用數字I/O驅動即可。Agilent同軸開關驅動電流大于10mA，且需要低電平控制，因此對Agilent同軸開關需要設計調理電路進行控制，每路輸出的數字I/O線應對應一個調理電路。調理電路的典型應用電路如圖3所示。

圖3 調理電路典型應用電路

圖3中R1為3.3kΩ，R2為2.2kΩ，T1為2SD668，D1為IN4148。這種調理電路完成控制信號的高低電平轉換，增強了Agilent開關驅動能力，同時降低了對數字I/O的驅動需求，數字I/O模塊的使用安全性、可靠性得到提高。

2 微波開關的軟件控制編碼設計

來自VM1548模塊的第3個端口J202對微波控制器各同軸開關進行編碼控制。J202共有6組數字I/O，每組包括DATA x.0～DATA x.7及I/O控制針和一個外接時鐘CLK控制針。Agilent 8766、8767射頻同軸開關和上海華湘的SHX-801001-F-S單刀雙擲同軸開關組組合的微波控制器需要一系列的正確電平驅動，才能完成某一測試儀器到某一COM端的射頻連接。因此需要對每一種連接進行正確的軟件控制編碼設計。上海華湘單刀雙擲同軸開關控制比較簡單，圖2中，當在K1、K2控制端加TTL高電平時，開關動作，其公共端與NO端相連，否則與NC端相連。Agilent 8766、8767射頻同軸開關則端口控制比較復雜，其端口選擇控制如表1所示。

需要注意的是Agilent 8766、8767射頻同軸開關帶有記憶功能，因此為了防止對微波開關的誤操作，在測試前應對Agilent 8766、8767射頻同軸開關進行復位操作。控制Agilent 8766、8767射頻同軸開關的控制信號來自調理電路。上海華湘單刀雙擲同軸開關不是調理電路控制而是數字I/O直接驅動的，因此K1、K2開關驅動的兩個數字I/O針需要與控制調理電路的數字I/O針統一進行軟件控制編碼設計。以電臺模擬器不經30 dB衰減與COM1相連為例，說明微波開關的軟件控制編碼設計方法。圖2中，射頻信號傳輸流程是電臺模擬器→K3（2）→K2（NO）→K1（NO）→COM1。用到的開關包括K1、K2、K3。假設這3個開關使用J202的一通道的8位數字I/O，其中K1為GPR1_Data0，K2為GPR1_Data1，K3共有GPR1_Data2～GPR1_Data7的6根控制線，則GPR1的軟件控制編碼為11011010，其他數字I/O的通道可以恢復默認值10101010。以上控制編碼按照被測設備的測試任務通過Atlas語言打包編寫在控制軟件中實現對微波控制器的程控。

表1 微波開關射頻端口選擇控制表1）

3 微波控制器調試與測試結果

在結構布局設計上，將電源控制器內部分成兩個區，一個是包括K1～K6的微波開關區（前半部分），另一個則是開關電源和調理電路區（后半部分）。射頻電纜采用定制的半剛性射頻電纜。這種安裝設計具有拆裝維護方便、射頻傳輸效率高和抗干擾性能好的優點。安裝后可以利用開關電源上的+5V和地對開關電源按照控制編碼進行逐端口和線路的控制調試。調試過程可以采用萬用表測線路導通的方式進行。調試中在未加控制時，COM1和雷達綜測儀對地電阻只有50.2Ω，原因是接有的30dB衰減器匹配負載阻值是50.2Ω。其他微波開關線路在控制編碼的要求的電平控制下進行不同接口的轉換操作，并通過萬用表檢驗其導通情況。實測各路的導通電阻阻值均為0Ω，符合設計要求。調理電路單路輸入電流1.95mA，大大低于單路數字I/O的15mA輸出能力值，降低了對數字I/O的驅動需求，數字I/O模塊的使用安全性、可靠性得到提高。同時，調理電路提供的微波開關驅動電流最大可達130mA，完全滿足Agilent微波開關的驅動。Agilent微波開關不同端口的接通轉換時間在ms級，滿足系統對微波開關動作精準及快捷的要求。在手動調試通過后，通過工控機對數字I/O的程控檢驗與手動調試的控制效果相同。調試結果表明，微波控制器能夠在預定的編碼控制下，正確完成各種微波開關的通斷控制，完全滿足自動測試系統對微波控制器的要求。

4 結束語

根據ATE數字I/O模塊輸出特點及微波控制器射頻信號和資源切換連接的具體需求，合理選擇兩種型號的Agilent微波開關和一種華湘微波開關，選擇定制的射頻衰減器和射頻電纜，可以保證按照預定方案精準控制微波開關的通斷，同時保證微波控制器總體插入損耗和駐波比等指標控制在合理且明確的范圍內。文章設計各種射頻線路連接方法靈活多樣，可以滿足測試資源與被測機載電子設備射頻端口自動連接要求，極大地提高射頻測試效率。微波控制器的設計方案還可以很容易地移植到PLC控制的系統中[10]，同樣可以完成微波控制器的程控任務，具有很強的設計使用靈活性和推廣應用前景。

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Design and development of ATE m icrowave controller for airborne electronic equipment

RU Dong-sheng1，ZHOU Peng1，TAO Dong-xiang1，YAN Jie-yu2
（1.Qingdao Branch，Navy Aeronautical Engineering College，Qingdao 266041，China；
2.No.4 Branch，Navy Commander Department，Beijing 100161，China）

In order to realize the automatic control and connection of various RF circuit of airborne electronic equipment ATE，an ATE microwave controller of airborne electronic equipment controlled by digital I/O is designed.According to the actual demand of RF controlling by ATE microwave controller，the ATE microwave design scheme of the controller is briefly introduced，the hardware structure and conditioning circuit of the microwave controller is elaborated，and the coding design method of software control is detailed illustrated.The practical results show that the RF transmission loss of microwave controller is small，the operation of the microwave switches acts precisely and reliably，the specific connection needs of the ATE system has been fully met for microwave controller RF equipment resources and measured RF equipment.

RF measurement；ATE；RF controlling；microwave switch；measured equipment

TP206+.3；TN62；TP271+.4；V243

A

1674-5124（2013）03-0070-03

2012-05-25；

：2012-07-14

茹東生（1967-），男，山西臨汾市人，副教授，碩士，研究方向為雷達設備教學與電子技術應用。