毫米波機械開關幅相重復性指標驗證

李鵬，張國鋒，雷衛平，展利

（中電科儀器儀表有限公司，山東青島，266555）

0 引言

自動測試系統的開發關鍵在于測試路徑的構建與優化，毫米波機械開關作為自動測試路徑構建的重要組成，其指標對系統性能都具有較大影響。尤其目前隨著相控陣技術的廣泛應用，多元發射陣列、DBF 收發通道、相控陣收發單元及多通道T/R 組件等都需要進行大量通道間幅相一致性指標測試，因此開展毫米波機械開關幅相重復性指標在不同溫度環境下的試驗驗證工作顯現的尤為重要。通過獲取不同溫度下的幅相重復性數據，在自動測試系統的設計中開發誤差修正算法，對測量值進行修正以提高測量準確度。

1 毫米波機械開關原理及組成

通過控制電路控制線圈內電流通斷，一旦電流流過線圈，線圈產生磁場，推動銜鐵塊動作，進而帶動傳輸簧片動作，使微波信號輸入端與輸出端連接或者斷開，實現6 個端口之間不同工作狀態的切換，從而實現單刀六擲開關的作用。

單刀六擲同軸開關原理示意圖如圖1 所示。

由圖1 所示原理圖可知，機械開關主要有控制電路板、線圈、簧片、同軸通道組成。

2 驗證方案設計

2.1 總體方案

驗證方案如下圖所示。高低溫試驗箱用來模擬機械開關所處的各種溫度環境，通過試驗箱的溫度設置面板設定各種溫度環境：0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、0-50℃快速升溫、50-0℃快速降溫。將測試儀器與開關連接好后，工控機運行數據監測軟件，在不同的溫度環境下，軟件通過程控開關控制板實現機械開關通道的通斷，同時讀取記錄矢網所測幅相重復性數據。

2.2 硬件平臺

測試所采用的儀器設備包含高低溫試驗箱、開關控制板、工控機（含數據檢測軟件）、矢量網絡分析儀、校準件，附件主要包括單刀六擲同軸開關、穩幅穩相電纜、網線、GPIB電纜等。

2.3 軟件方案

實時監測軟件采用Lab Windows/CVI 2013 來實現，CVI具有豐富的面向儀器的函數庫，非常適合底層設備驅動和上位機用戶界面的開發。通過程控開關控制板和矢量網絡分析儀，設置開關的通斷狀態以及通過矢網讀取幅度相位值。

3 驗證方法

按圖2 所示，將測試系統搭建完畢。矢網開機預熱30 分鐘后，設置矢網頻率范圍10MHz-40GHz、掃描點數201 點、中頻帶寬100Hz、測量S21、打開兩個窗口分別測量幅度與相位、設置自動比例、添加10MHz、8GHz、18GHz、26.5GHz、40GHz等5 個頻點的光標，然后用校準件對矢網進行全雙端口校準。將穩幅穩相電纜與同軸開關連接好。通過溫度設置面板，依次設置以下試驗箱溫度：0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、0-50℃快速升溫、50-0℃快速降溫。當試驗箱溫度穩定時，便可進行試驗并記錄數據。當某一溫度（包括常溫）下的重復性試驗做完后，更改試驗箱溫度。

圖2 驗證方案示意圖

對于重復性實驗，在常溫下（25℃），打通開關，以起始時刻開關幅相數據為參考，矢網歸一化后，將開關斷開10s，待開關接通100s 后讀取各頻點數據，繼續保持接通狀態下10s斷開。如此往復，一個計數周期為2min，共監測1h，每次試驗共讀取30 組數據。此后設置不同溫度環境，待溫度穩定后重復以上步驟。以此數據來驗證開關在不同溫度下重復性。

數據監測軟件在數據讀取完成后，將其存入Excel 文件中，用于后續的數據分析與處理。

4 驗證結果

由圖3 可知，常溫下，各頻率在不同溫度下的變化幅度很小，最大為絕對值0.01dB，穩定性很好。

由圖3 可知，常溫下，頻率越高，相位變化程度越大，最大為1.1°；各頻率下的相位變化有相同的規律。

由圖4 可知，常溫下，頻率越高，幅度變化程度越大，最大為0.04dB。

通過圖3、圖4 可知，頻率越高，開關的幅相重復性指標數據越大。下面是以開關工作在40GHz 時為例，說明不同溫度環境下的幅相重復性指標測試結果。

圖3 常溫下開關相位重復性

圖5 可看出，偏離常溫越多，比如0℃、50℃，幅度重復性越差，波動范圍在±0.15dB 內。

圖5 不同溫度下開關40GHz 的幅度重復性

圖6 可看出，環境溫度到50℃是，開關在40GHz 的相位重復性較差，相比于重溫，波動達到 2.7°。

5 結語

本文首先介紹了毫米波機械開關的原理及組成，然后介紹了幅相重復性指標驗證系統的方案設計，隨后介紹了驗證方法和驗證結果。通過以上驗證結果，提示相關測試人員在今后進行副相一致性指標測試時，應將被測件工作時的溫度因素考慮進去，從而提高測試準確度。