基于多信號(hào)模型的相控陣天線(xiàn)測(cè)試性分析與改進(jìn)

王青麾

摘? 要：相控陣天線(xiàn)是相控陣導(dǎo)引頭的重要部件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障分布位置多。針對(duì)相控陣天線(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，利用測(cè)試性建模分析軟件TMAS建立了相控陣天線(xiàn)的多信號(hào)模型，并對(duì)其測(cè)試性進(jìn)行分析評(píng)估。利用模型中測(cè)試點(diǎn)和測(cè)試項(xiàng)目的優(yōu)化反饋結(jié)果，分析相控陣天線(xiàn)測(cè)試性設(shè)計(jì)的不足，提出改進(jìn)方案。分析結(jié)果表明，改進(jìn)后的天線(xiàn)測(cè)試性得到了顯著提高。

關(guān)鍵詞：測(cè)試性? 相控陣天線(xiàn)? 多信號(hào)模型? TMAS

中圖分類(lèi)號(hào)：TJ760? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）12（b）-0242-03

Abstract： Phased array antenna is the kernel component of phased array seeker， which has complex construction and many fault locations. Aiming at complex construction of phased array antenna， built its Multi-signal Model used TMAS. And the testability of antenna is analyzed and evaluated. Combining with the feedback of the model test points and test items， analysis the shortage of testability， improved schemes is brought. The results of analyses show that the testability of the improved antenna is increased markedly.

Key Words： Testability; Phased array antenna; Multi-signal model; TMAS

為了滿(mǎn)足與日俱增的國(guó)防軍事需求，相控陣天線(xiàn)在軍事上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。相控陣天線(xiàn)通常由幾百至上萬(wàn)個(gè)天線(xiàn)陣元和相應(yīng)的收發(fā)組件（T/R）組成，每一部相控陣都有獨(dú)特的陣元排列方式和饋線(xiàn)結(jié)構(gòu)，可能發(fā)生故障的位置分布多，且難以進(jìn)行人工檢測(cè)。當(dāng)相控陣天線(xiàn)發(fā)生故障后，如何對(duì)故障的天線(xiàn)單元進(jìn)行檢測(cè)并快速定位和排除故障，迅速恢復(fù)相控陣天線(xiàn)的性能指標(biāo)，是相控陣天線(xiàn)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1]。測(cè)試性是產(chǎn)品的重要設(shè)計(jì)特性，良好的測(cè)試性設(shè)計(jì)可以快速地實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)和隔離。

本文基于多信號(hào)模型，建立了某型相控陣天線(xiàn)的測(cè)試性模型，并進(jìn)行了測(cè)試性改進(jìn)設(shè)計(jì)，顯著提高了測(cè)試性指標(biāo)。

1? 多信號(hào)模型

多信號(hào)模型（Multi-signal Model）是由Som-nath Deb等人于1994年提出[2]，利用分層有向圖表示被測(cè)對(duì)象的組成單元、測(cè)試以及被測(cè)對(duì)象性能特征之間的相關(guān)關(guān)系，是故障傳播建模的一種建模方法，可應(yīng)用于大型、復(fù)雜系統(tǒng)的測(cè)試性設(shè)計(jì)、故障模式影響及危害度分析、故障診斷、TPS開(kāi)發(fā)等。

多信號(hào)模型通過(guò)將系統(tǒng)的功能函數(shù)特性以模塊屬性的形式表現(xiàn)出來(lái)，詳細(xì)分析單元內(nèi)各種功能故障模式，并將故障模式添加到單元中，形成信息流[3]。從信號(hào)的多維屬性著手，識(shí)別系統(tǒng)中與單元相關(guān)的信號(hào)屬性和測(cè)試檢測(cè)到的信號(hào)屬性，在二者之間建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。通過(guò)建立系統(tǒng)的多信號(hào)模型以及建模過(guò)程中同步開(kāi)展的測(cè)試性設(shè)計(jì)，可以把專(zhuān)家對(duì)系統(tǒng)的理解和測(cè)試診斷經(jīng)驗(yàn)簡(jiǎn)單直觀地轉(zhuǎn)換成專(zhuān)家知識(shí)，并以模型化的文件格式保存，同時(shí)方便系統(tǒng)模型和測(cè)試性設(shè)計(jì)的更改和優(yōu)化。

由于模型中的信號(hào)之間是獨(dú)立的，不會(huì)相互影響，更接近系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)，這使得多信號(hào)模型建模容易、模型的集成和驗(yàn)證都相對(duì)簡(jiǎn)單[4]，在美國(guó)航天飛機(jī)、傾旋翼飛機(jī)等復(fù)雜系統(tǒng)的測(cè)試診斷中得到廣泛應(yīng)用。基于該分析，利用TMAS軟件平臺(tái)，本文建立了相控陣天線(xiàn)的多信號(hào)流圖模型，并對(duì)測(cè)試性的改進(jìn)提出合理建議。

2? 相控陣天線(xiàn)功能原理分析

相控陣天線(xiàn)是相控陣導(dǎo)引頭的重要部件，其主要任務(wù)是：為雷達(dá)導(dǎo)引頭搜索、探測(cè)、截獲和跟蹤目標(biāo)實(shí)時(shí)提供有關(guān)目標(biāo)的回波信息。某型相控陣天線(xiàn)功能原理框圖如圖1所示。驅(qū)動(dòng)功放對(duì)激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行放大，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分配后進(jìn)入各個(gè)T/R通道，經(jīng)放大后由天線(xiàn)陣面的各個(gè)天線(xiàn)單元輻射出去[5-6]。目標(biāo)反射的回波信號(hào)由各個(gè)天線(xiàn)單元接收進(jìn)入T/R通道內(nèi)輸出到饋電網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)和差運(yùn)算后形成和差信號(hào)輸出。波控組合在導(dǎo)引頭信號(hào)處理機(jī)控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，控制各通道的狀態(tài)，并按照規(guī)定的時(shí)序?qū)崿F(xiàn)相控陣天線(xiàn)接收與發(fā)射的校準(zhǔn)等。

相控陣天線(xiàn)由天線(xiàn)陣面、天線(xiàn)電源、波控組合、T/R組件、驅(qū)動(dòng)功放、波導(dǎo)轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)組合、饋電網(wǎng)絡(luò)、和差器共9個(gè)部分組成。

3? 相控陣天線(xiàn)測(cè)試性建模與分析

3.1 相控陣天線(xiàn)建模數(shù)據(jù)分析

基于多信號(hào)模型的測(cè)試性建模數(shù)據(jù)分析分別從系統(tǒng)組成分析、故障模式分析和測(cè)試分析3個(gè)方面來(lái)開(kāi)展工作。

（1）系統(tǒng)組成分析。

根據(jù)相控陣天線(xiàn)的組成結(jié)構(gòu)，從上到下逐層進(jìn)行分解，分解的最低層次根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際復(fù)雜程度以及測(cè)試隔離的需求確定，對(duì)一些故障發(fā)生概率極低的組成單元或結(jié)構(gòu)件可以進(jìn)行忽略處理。相控陣天線(xiàn)本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是天線(xiàn)陣面有上千個(gè)天線(xiàn)陣單元以及配套的多條收發(fā)通道，逐個(gè)進(jìn)行分解工作量太大。本文中將天線(xiàn)陣整個(gè)看做一個(gè)整體;多條收發(fā)通道看作一條，再根據(jù)收發(fā)通道完成的不同的功能進(jìn)行分解。最終天線(xiàn)一共分解為5層共50個(gè)組成單元，分解的最低層次是功能電路級(jí)。

（2）故障模式分析。

基于天線(xiàn)FMECA報(bào)告的分析結(jié)果，以及產(chǎn)品研制過(guò)程中真實(shí)發(fā)生的故障[7]，對(duì)天線(xiàn)每一個(gè)最底層組成單元進(jìn)行故障模式分析，形成故障模式清單，最終確定故障模式222個(gè)。

（3）測(cè)試項(xiàng)目分析。

分析梳理天線(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)交付測(cè)試時(shí)的測(cè)試流程及測(cè)試項(xiàng)目，形成測(cè)試項(xiàng)目清單。生產(chǎn)線(xiàn)上天線(xiàn)交付測(cè)試有200多項(xiàng)，其中有一些測(cè)試項(xiàng)目為了指標(biāo)驗(yàn)證的需求，需要在不同的發(fā)射（接收）角度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容相同，可以把這類(lèi)測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行簡(jiǎn)化，最終形成測(cè)試項(xiàng)目28個(gè)。

3.2 基于模型的測(cè)試性分析改進(jìn)

用TMAS軟件建立天線(xiàn)的多信號(hào)模型，進(jìn)行測(cè)試性分析，得到表1所示結(jié)果。

其中，故障檢測(cè)率為74.3243%，故障隔離率為83.0303%，顯然，天線(xiàn)的故障檢測(cè)能力偏弱。要提高天線(xiàn)的故障檢測(cè)隔離能力，最直接有效的方法就是增加測(cè)試點(diǎn)，以消減其中的不可測(cè)故障。同時(shí)綜合考慮添加測(cè)試的難易、費(fèi)用、對(duì)天線(xiàn)本身帶來(lái)的影響等等，分析這條傳遞路徑上可以添加測(cè)試點(diǎn)的位置，在模型中的相應(yīng)進(jìn)行修改，之后執(zhí)行仿真分析，如果不滿(mǎn)足要求，繼續(xù)改進(jìn)。

查看天線(xiàn)模型分析結(jié)果數(shù)據(jù)可知，天線(xiàn)存在57個(gè)不可測(cè)故障，主要集中在波控組合和天線(xiàn)電源兩個(gè)單元上。通過(guò)軟件中的DFT追蹤模式，可以查看每一條不可測(cè)故障的信號(hào)傳遞路徑。最終確定增加電源斷電測(cè)試、波控自檢測(cè)試兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)，對(duì)改進(jìn)后的模型進(jìn)行分析后的結(jié)果如表2所示。

從表2、表3中可以知道，改進(jìn)后的天線(xiàn)故障檢測(cè)率得到較大提高，說(shuō)明增加的測(cè)試是合理的。

4? 結(jié)語(yǔ)

具有良好測(cè)試性的系統(tǒng)可以提供良好的性能監(jiān)控、故障檢測(cè)和隔離能力，可以大大減少故障檢測(cè)和隔離的時(shí)間，從而進(jìn)一步縮短維修時(shí)間，降低對(duì)維修人員的技術(shù)要求，提高系統(tǒng)的可靠性、維修性和可用性。本文在多信號(hào)模型的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了某型相控陣天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)、故障和測(cè)試，運(yùn)用TMAS軟件建立了天線(xiàn)的多信號(hào)模型，對(duì)天線(xiàn)的測(cè)試性進(jìn)行了分析與評(píng)估，提出了改進(jìn)方案并進(jìn)行了分析和對(duì)比。分析結(jié)果表明，改進(jìn)后的系統(tǒng)測(cè)試性得到較大的提高，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供了理論根據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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