有源雷達(dá)綜合網(wǎng)絡(luò)自動化測試系統(tǒng)研究

王丹 何錫君 王霞

（南京電子技術(shù)研究所 江蘇省南京市 210039）

1 引言

隨著軍事需求的提高和電路設(shè)計及制造技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代雷達(dá)的工作頻率不斷拓寬，雷達(dá)陣面也朝著高集成、小型化、高可靠的趨勢發(fā)展[1]。多功能綜合網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)(MFSS) 技術(shù)已成為有源相控陣?yán)走_(dá)的關(guān)鍵技術(shù)之一，在陣面中擔(dān)負(fù)著各組件間信號一體化傳輸連接，實(shí)現(xiàn)陣面的無引線盲插連接及雙向盲插設(shè)計，是實(shí)現(xiàn)和保證雷達(dá)整機(jī)性能的關(guān)鍵所在[2]。

綜合網(wǎng)絡(luò)是采用復(fù)雜信號傳輸一體化集成技術(shù)研制的雷達(dá)信號傳輸網(wǎng)絡(luò)，其具備射頻信號功率分配合成、波控控制信號分配傳輸、電源分配等功能[3]。由于通道數(shù)多，測試指標(biāo)多，目前采用手動測試并記錄數(shù)據(jù)，再依次分析網(wǎng)絡(luò)分口的駐波系數(shù)、幅相一致性等指標(biāo)，數(shù)據(jù)分析量大且耗時，導(dǎo)致測試效率極低，嚴(yán)重浪費(fèi)人力資源，影響產(chǎn)品交付節(jié)點(diǎn)。

依據(jù)產(chǎn)品需求，提出了一套綜合網(wǎng)絡(luò)自動化測試系統(tǒng)，通過對綜合網(wǎng)絡(luò)、微波矩陣開關(guān)和測試儀表的控制，實(shí)現(xiàn)對相控陣?yán)走_(dá)的綜合網(wǎng)絡(luò)自動控制和數(shù)據(jù)自動采集功能，且能對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并判斷指標(biāo)的合格性。該系統(tǒng)可縮短調(diào)試周期，減少人力投入，有效提高測試效率。

2 設(shè)計的原理與方法

2.1 綜合網(wǎng)絡(luò)原理與組成

有源相控陣?yán)走_(dá)綜合網(wǎng)絡(luò)是指相控陣天線中T/R組件、波控系統(tǒng)、電源分配系統(tǒng)等模塊之間傳輸、分配、合成射頻/波控/電源信號的各類饋線的總稱[4]。隨著大型有源相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)收發(fā)通道擴(kuò)展至數(shù)千到上萬級別[5]，陣面功能的集成度及結(jié)構(gòu)輕薄化要求也越來越高，單純依靠電纜連接的功能網(wǎng)絡(luò)無法實(shí)現(xiàn)高集成度。

多功能綜合網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)( MFSS) 依托超大規(guī)模集成電路、高密度互聯(lián)、表面安裝技術(shù)、微波板層壓技術(shù)等新工藝為基礎(chǔ)，集成各類網(wǎng)絡(luò)及其支架、電連接器、結(jié)構(gòu)封裝、熱控等輔助部件，使傳輸網(wǎng)絡(luò)與結(jié)構(gòu)零件形成多層一體化的綜合網(wǎng)絡(luò)層[6]，可有效解決輕薄化、高集成度的難題。

其基本結(jié)構(gòu)由微波射頻網(wǎng)絡(luò)、波束控制網(wǎng)絡(luò)和電源分配網(wǎng)絡(luò)等組成，原理圖如圖1所示。射頻網(wǎng)絡(luò)層是饋線網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，從頻率源輸出的信號經(jīng)射頻網(wǎng)絡(luò)多級分配后，分配至各T/R組件，T/R組件接收的信號在其內(nèi)部放大后由射頻網(wǎng)絡(luò)合成后送接收機(jī)，主要完成收/發(fā)射頻信號的合成/分配傳輸、配合雷達(dá)進(jìn)行收/發(fā)通道的幅相校準(zhǔn)等功能。波控信號通道是波控分系統(tǒng)的組成部分，主要完成波控信號的傳輸、分配，配合雷達(dá)完成幅度加權(quán)、相位控制以及監(jiān)測信號的回傳等功能。電源網(wǎng)絡(luò)是電源傳輸?shù)慕M成部分，將陣面發(fā)射功放電源、接收LNA電源等通過電纜或匯流條向T/R組件傳輸，主要完成收/發(fā)電源的傳輸、分配等功能[7]。

2.2 測試參數(shù)解析

綜合層組件由綜合行饋、電容層、匯流板和綜合層面板等組成。其射頻性能參數(shù)有：分口駐波、總口駐波、端口幅度一致性、端口相位一致性、插入損耗[8]；

二端口網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)矩陣如下式所示：

因此判斷射頻通道性能是否滿足設(shè)計要求，需對測試S參數(shù)進(jìn)行采集與判斷。

該自動測試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對預(yù)定射頻端口的駐波及幅相一致性測試，幅度測試精度不大于0.2dB，相位測試精度不大于3度；可實(shí)現(xiàn)射頻端口調(diào)整計算、自動切換、自動匹配；能夠?qū)C合網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和綜合分析計算[9]。

綜合網(wǎng)絡(luò)射頻性能要求項目中幅度一致性、相位一致性及插入損耗的計算方法為：

計算同一頻率點(diǎn)下幅度一致性?AMP(i,j)和相位一致性?PHA(i,j)：定義amp(i,j)為儀表測試的j分口幅度數(shù)據(jù)，i表示頻率點(diǎn)，序號為1，2……m，j為分口位號，序號為1，2……n；同樣pha(i,j)為儀表測試的j分口相位數(shù)據(jù)，i表示頻率點(diǎn)，序號為1，2……m，j為分口位號，序號為1，2……n。

任選網(wǎng)絡(luò)中的一個端口，其幅度為amp(i,jn)，相位為pha(i,jn)；其中1≤jn≤n。

則該頻點(diǎn)的幅度一致性?AMP(i,j)為：

相位一致性（或相位誤差）?PHA(i,j)為：

計算網(wǎng)絡(luò)各個頻點(diǎn)的插入損耗L(i)：

該測試系統(tǒng)可一次性檢測同區(qū)域內(nèi)的射頻信號，自動進(jìn)行負(fù)載匹配，無需對多個射頻口進(jìn)行一一測試與匹配，實(shí)現(xiàn)射頻饋電網(wǎng)絡(luò)的全自動檢測及測試。可實(shí)現(xiàn)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與計算機(jī)之間的交互控制，自動采集矢網(wǎng)數(shù)據(jù)，形成Excel表格文件，并對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、篩選、曲線擬合、比較等多種操作，給出駐波值、端口幅度相位一致性數(shù)值，根據(jù)幅度值計算出插入損耗，從而判斷通道性能是否滿足技術(shù)要求[10]。

2.3 硬件設(shè)備組成

該系統(tǒng)改變了原先采用的人工測試、記錄、處理方法，整個測試過程、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果讀取完全由計算機(jī)控制，通過儀器設(shè)備對綜合網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自動測試、自動數(shù)據(jù)處理和自動顯示測試報告等，給出最終測試結(jié)果。這不僅使得整個測試系統(tǒng)數(shù)字化、智能化，同時使得測試精度提高，穩(wěn)定性和可靠性得到改善。

由計算機(jī)通過GPIB總線控制一臺矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測試系統(tǒng)框圖如圖2所示，由計算機(jī)控制系統(tǒng)、微波矩陣開關(guān)、接口適配器、控制卡與電源設(shè)備和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（含矢網(wǎng)及開關(guān)切換設(shè)備）。

綜合網(wǎng)絡(luò)自動測試設(shè)備主要包括測試機(jī)柜（含標(biāo)準(zhǔn)工控機(jī)、GPIB卡、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀及測控軟件等）、測試臺（含控制驅(qū)動設(shè)備、微波矩陣開關(guān)、接口適配器和電源設(shè)備）測試附件及測試系統(tǒng)軟件。

2.4 軟件系統(tǒng)構(gòu)成

開發(fā)了基于VC++平臺的自動測試系統(tǒng)軟件包，可完成綜合網(wǎng)絡(luò)的自動測試，集系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)處理、報表輸出于一體，目前己投入使用并取得很好的效果。自動化測試軟件主要包括三部分功能，即：系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及測試結(jié)果分析。

圖1：有源相控陣?yán)走_(dá)綜合網(wǎng)絡(luò)原理框圖

圖2：自動化測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖3：測試系統(tǒng)的流程圖

全部軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，在計算機(jī)屏幕上通過簡單的人機(jī)對話，控制和操作，使系統(tǒng)能夠完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理機(jī)分析；完成測試系統(tǒng)的自動控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)結(jié)果可視化，軟件界面人機(jī)交互良好，具體的測試軟件流程如圖3所示。

概括的說，該自動測試系統(tǒng)軟件具有以下幾個特點(diǎn)：

（1）用戶界面友好，Windows環(huán)境下，本系統(tǒng)的圖形式操作界面具有直觀、操作簡單方便的特點(diǎn)；

（2）主控計算機(jī)可設(shè)置儀表頻率、采樣間隔等參數(shù)，自動采集生成測試數(shù)據(jù)?？纱鎯驼{(diào)用不同配置文件，重新開機(jī)后，上一次關(guān)機(jī)前的所有設(shè)置參數(shù)可復(fù)現(xiàn)；

（3）測控系統(tǒng)可以實(shí)時顯示當(dāng)前測試位置和當(dāng)前駐波和幅相數(shù)據(jù)；

圖4：測試軟件主菜單

表1：數(shù)據(jù)生成報表

（4）系統(tǒng)具備實(shí)時分析和存儲數(shù)據(jù)的功能；

（5）數(shù)據(jù)處理軟件采用圖形化用戶界面，方便操作，可分解及轉(zhuǎn)換測量數(shù)據(jù)；能夠計算綜合網(wǎng)絡(luò)駐波、幅相特性、控制信號通斷顯示圖形；并判斷綜合網(wǎng)絡(luò)是否符合測試要求。

3 測試和處理過程

測試軟件的主菜單如圖4所示，在文件中新建數(shù)據(jù)庫，連接儀表，設(shè)置好接收儀表設(shè)置，點(diǎn)擊測試，開始自動化采集數(shù)據(jù)，并以圖表的形式顯示。

從圖4可看出，每個分口測試結(jié)束后會生成四組數(shù)據(jù)，面對成千數(shù)萬個通道的綜合網(wǎng)絡(luò)，采集數(shù)據(jù)量龐大。首先將測試數(shù)據(jù)按接收輸入駐波、接收輸出駐波、接收相位、接收幅度四個類別進(jìn)行統(tǒng)計與合并處理，導(dǎo)入EXCEL文件中，再對采集數(shù)據(jù)分區(qū)進(jìn)行曲線擬合、比較等多種操作，給出對應(yīng)測試頻段下的駐波值、端口幅度相位一致性數(shù)值圖，顯示相應(yīng)區(qū)域的所有分口參數(shù)值。

對于輸入駐波與輸出駐波，系統(tǒng)自動選擇測試頻段內(nèi)數(shù)值最大的值，作為該區(qū)域的最終測試結(jié)果，如輸入駐波最大值為2.296，則總口駐波最終測試結(jié)果為2.296；輸出駐波最大值為1.504，則分口駐波最終測試結(jié)果為1.504；對于幅度值與相位值，對應(yīng)式（4）和式（5），系統(tǒng)自動選擇相對值，再選取最大值和最小值，則最大值減去最小值再除以2即分別為該區(qū)域的端口幅度一致性和端口相位一致性結(jié)果；對于插入損耗，系統(tǒng)自動獲取幅度絕對值，用式（6）計算出該區(qū)域的插入損耗。

分區(qū)查看后，可選擇一鍵分析，自動生成列表，如表1所示，可查看所有結(jié)果是否符合指標(biāo)要求。

4 結(jié)束語

經(jīng)實(shí)踐證明，該綜合網(wǎng)絡(luò)自動測試系統(tǒng)基本上滿足了有源機(jī)載雷達(dá)批生產(chǎn)的需求，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，用戶界面良好，為科研生產(chǎn)工作提供了有效支撐，節(jié)省測試時間，提高測試效率。