數字T/R組件自動化測試系統設計方法

王玉輝,辛傳禎,尚文明,趙海濤

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153)

數字T/R組件自動化測試系統設計方法

王玉輝,辛傳禎,尚文明,趙海濤

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153)

摘要：針對某種數字T/R組件的批量測試需求,提出了一種自動化測試系統的設計方法,簡要介紹了其設計原理和組成,并綜合考慮測量精度和工作效率的因素,設計了較靈活的校準策略及測試方式。設計的測試系統已用于組件的調測,大大縮短了組件的調測周期,有效提高了組件的調測效率。

關鍵詞:數字陣列雷達；數字T/R組件；自動測試系統

0引言

數字陣列雷達( Digital Array Radar ) 因具有大的動態范圍、同時多波束、多功能、可編程副瓣及零點抑制等優點成為相控陣雷達的一個重要發展方向。目前,數字陣列雷達已經從概念研究、關鍵技術研究發展到了實驗系統研究和工程化應用階段[1]。作為核心部件,數字T/R組件在陣列雷達中的數量少則幾十上百,多則成千上萬,其性能指標直接影響著雷達系統性能。與傳統組件相比,數字組件內部除了包含移相、衰減、功放、限幅與低噪放、頻率轉換與濾波等模塊外還增加了模數轉換、數模轉換、信號產生、通道補償與幅相修正、波束合成及通訊控制等多種模塊。其頻率跨度從射頻到中頻乃至數字基帶,組成和控制更復雜,模擬通道特性和數字處理性能交織在一起,待測試指標更多,難度更大[2-3]。面對這種情況,研究對應自動測試系統的設計方法,對降低設計、調試、測試人員的工作強度,縮短研制、調試、測試周期,提高測試精度,提高生產效率具有重要意義。

本文結合某型數字T/R組件的調測需求,提出了一種數字T/R組件自動測試系統設計方法,并通過軟硬件構架完成了對應測試系統的設計。該方法主要是利用計算機通過采集控制卡實現與數字T/R組件的交互控制,通過網絡實現對測試儀表、信號轉接中樞(開關矩陣)的控制,將儀表設備集成為一體,實現了信號通路的自動切換、儀表測試參數的自動設置。同時,利用采集控制卡和網絡接口分別讀取組件數字中頻采樣數據、儀表測試數據并通過自動分析和處理得到最終測試結果,實現了接收增益、收發隔離度、動態范圍、輸入輸出駐波、移相精度、衰減精度、噪聲系數、帶外抑制、發射輸出功率、發射波形參數、發射頻譜質量、收發各狀態組件工作電流、通道間幅相一致性等參數的組件通道全功能指標自動化測試,達到了減少人工干預、減少出錯概率、提高測試效率的目的。

1系統設計及原理

測試系統在設計上分為硬件資源和測試軟件,其系統框圖如圖1所示。為滿足組件的互換性要求,引入參考組件作為組件間幅相一致性參數測試的基準。為滿足測試系統測量精度要求,設計了系統通道損耗等系統校準功能,實現了單次校準多次測量。為滿足對測試數據統計和查詢的需求,設計了數據處理系統,實現了對測試數據根據門限值進行判斷并以數據庫文件保存,實現了標準測試數據報表的自動生成。

1.1　硬件設計

T/R組件自動測試系統硬件組成(如圖1所示)主要包含矢量網絡分析儀、示波器、信號源、頻譜儀、直流程控電源等測試儀表和采集控制卡、信號轉接中樞、主控計算機、路由器等其他輔助設備。

圖1　T/R組件自動化測試系統框圖

脈沖矢量網絡分析儀主要完成發射駐波、發射移相精度、發射通道幅相一致性等指標的測試。頻譜儀主要完成發射通路的頻譜參數、功率參數測試。示波器主要完成發射包絡參數測試。程控直流電源提供噪聲源和被測件的工作電源并記錄各狀態的工作電流。主控計算機主要完成被測組件、參考組件和儀器設備的程控、狀態和參數的設置及測試數據和結果的讀取與分析。采集控制卡(具備PCIE和光纖接口)主要給被測組件、參考組件提供觸發信號,實現組件收發狀態和參數控制,通過光纖接口采集接收通道測試數據,并提供外觸發同步測試儀表。

信號轉接中樞是自動測試實現的關鍵,主要功能是根據測試項建立相應的激勵通道和測試通道,提供系統測試用的微波通路和微波信號的功率分配。系統中激勵信號和儀表的測試端口均連接到信號轉接中樞,被測件的RF測試端口、時鐘及本振也連接到該設備。信號通路的建立是主控計算機通過網絡控制信號轉接中樞中的微波開關矩陣通斷并在此基礎上選擇適當的功分器完成的。信號轉接中樞是以系統各個測試項框圖中的信號通路為基礎,在其上優化、整合、設計,得到信號轉接中樞結構。考慮到組件工作帶寬、通道隔離度及耐功率等因素,微波開關矩陣中選用機械電磁開關。

在完成硬件配置的基礎上,綜合考慮儀表設備的控制響應時間、數據傳輸時間,通過軟件設計解決系統的同步控制問題,使系統在主控計算機的控制下有序地進行命令、數據的傳遞和交換而不發生沖突混亂,最大效率地實現儀器的功能,使系統在確保準確度的情況下獲得盡可能快捷的測量速度。

1.2　軟件設計

測試系統軟件以通用化為設計方向,并使其具備一定的靈活性和擴展性；通過數據庫建立并維護測試資源、管理并調度測試項目,同時實現存儲并管理原始測試數據。

測試系統軟件基于WINDOWS平臺,采用Microsoft Visual C++.NET作為開發工具,結合Measurement Studio for .NET進行儀器控制。采用Microsoft Access 2000作為數據庫開發工具,可保證海量數據的存儲和檢索。

圖2　測試系統軟件組成框圖

測試系統軟件組成如圖2所示,分為測試系統管理、測試資源管理、測試執行、測試數據管理、測試開發等5個部分。

測試資源管理包含儀器資源管理和信號通路配置。儀器資源管理具備儀器型號選擇、端口信息配置與測試驅動程序管理等功能,可將儀器設備硬件資源與儀器設備驅動庫等軟件資源進行映射關聯。信號通路配置是針對各個測試項信號轉接中樞中信號通道的通斷及未使用通道的端接匹配。

測試執行包含系統自檢和測試任務運行。系統自檢用于確認當前測試系統狀態。測試任務運行是測試主過程,包括測試參數配置。測試參數配置主要提供被測件測試條件、儀器參數設置等信息的配置管理,配置完成后可自動進行驅動控制、數據采集、校準補償、數據顯示與存儲。

1.3　系統校準設計

測試系統中引入了大量的電纜、衰減器、開關等。測量時,為保證測量精度必須進行系統校準。為取得最大測試準確度,針對不同的測試項目采取相應的校準方法。在系統校準策略上綜合考慮測量精度和效率因素:

(1) 校準和補償

用于測量、保存并調用校準數據,對系統引入的系統差進行補償。為確保測量精度,系統需定期進行全端口的全性能校準,并將數據保存到校準文件中。在使用過程中需要高精度測量的情況下要實時進行全端口校準,在測量精度要求不高的情況下則可以調用系統以前的校準文件進行指標、功能的測試。

(2) 校準驗證

在系統每次開機后確認校準狀態及校準文件是否有效,并決策是否進行重新校準。這樣就可實現單次校準多次測量,兼顧了測試的精度和效率。

在開關動作的設計上,盡可能減少開關次數,以減小開關重復性的影響。另外,在結構設計上,確保系統通風良好,以減小因溫度引起的不確定因素的影響。

1.3.1　幅相測試校準設計

系統在進行幅相測試時,采用校準面延伸并結合系統差修正技術進行校準,直接在與被測件連接的測試端口進行校準。在高準確度要求下,采用矢網全二端口校準的方法,以提高儀器測試準確度,并減小失配的影響。在普通準確度的要求下,采用直通校準的方法。

1.3.2　噪聲系數測試校準設計

在噪聲系數的測試校準設計中采取了損耗補償技術,對被測件前端的損耗分別進行補償,保證自動測試時噪聲系數準確可靠。

2系統測試流程

數字T/R組件測試項目多,過程復雜,其典型流程如圖3所示。

圖3　系統測試流程圖

限于篇幅,本文僅以接收通道幅相一致性測試為例說明測試過程:首先是測試信息配置,選擇接收通道幅相一致性作為測試項目；測試開始,主控計算機按照本測試項的配置信息通過網絡控制信號轉接中樞建立與組件、儀表的連接通路如圖4所示,測試激勵信號二功分后接參考件XP1口和被測件XP1口,對未使用端口進行端接匹配；同時控制信號源提供組件的本振及射頻激勵信號,主控計算機發出組件狀態控制信號,采集控制卡轉發給被測組件和參考件,使兩個組件均處于接收狀態；然后采集控制卡發出采集控制脈沖,控制兩個組件同時采集測試激勵信號,并轉換為數字基帶信號(I、Q數據)通過光纖輸出,通過采集控制卡存儲在主控計算機中；再運行數據處理軟件,得出目前通道該頻點的接收通道一致性指標的測試結果。

幅相分析算法如下:

信號包絡

瞬時相位

圖4　接收通道幅相一致性測試原理框圖

3系統對比驗證

由于對比驗證的測試內容較多,僅列出某通道幅相對比測試的手動和自動測試結果,如表1～4所示。

從上述幅相自動與手動測試結果的對比表中可以看出,自動化測試系統在進行系統校準后引入的系統誤差很小。

表1　發射通道相位對比測試結果

表2　發射通道峰值功率對比測試結果

表3　接收通道相位對比測試結果

表4　接收通道幅值對比測試結果

4結束語

采用計算機通過采集控制卡實現與數字T/R組件的交互,通過網絡實現對測試儀表通訊、對信號轉接中樞的控制,將儀表設備集成為一體的數字T/R組件自動化測試系統設計方法,應用于某型數字T/R組件測試系統的設計中,解決了批量組件測試參數多、測試量巨大的問題。測試準確度與測試系統選用的儀表基本一致,能夠很好地滿足相控陣系統需求。原本需要測試人員24 h完成的工作,現在只需要計算機8 min即可完成,并且輸出的數據文件可以直接進行后續的數據處理,直至生成測試報告.這大大提高了測試效率,減少了測試人員的工作量,加快了組件測試的進度。

參考文獻:

[1]吳曼青.數字陣列雷達及其進展[J].中國電子科學研究院學報,2006(1):11-16.

[2]盛永鑫.T/R組件自動測試系統[J] .國外電子測量技術,2006,25(11):38-40.

[3]蔣曉紅,李為玉,石慧.T/R組件自動測試系統的研制[J].測控技術,2008,27(2):11-12.

Design of an automatic test system for digital T/R modules

WANG Yu-hui,XIN Chuan-zhen,SHANG Wen-ming, ZHAO Hai-tao

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Abstract:In view of the test requirements of numerous digital T/R modules, an automatic test system is designed. The principle and composition of the test system are briefly introduced, and with measurement precision and working efficiency taken into consideration, the flexible calibration strategy and test method are designed. The test system designed has been used for the debugging and testing of the digital T/R modules, greatly shortening the period and effectively improving the efficiency.

Keywords:digital array radar; digital T/R module; automatic test system

中圖分類號:TP29

文獻標志碼:A

文章編號:1009-0401(2015)04-0060-04

作者簡介:王玉輝(1978-),男,高級工程師,碩士,研究方向:T/R組件及數字相控陣；辛傳禎 (1986-),男,工程師,碩士,研究方向:T/R組件；尚文明 (1986-),男,助理工程師,碩士,研究方向:測試系統；趙海濤 (1985-),男,工程師,研究方向:T/R組件和測試系統。

收稿日期:2015-04-03；修回日期:2015-05-22