相控陣雷達T/R組件多總線自動測試系統設計

呂貴洲,朱 賽,梁冠輝,安 婷

(陸軍工程大學石家莊校區，石家莊 050003)

0 引言

雷達裝備T/R(Transmitter and Receiver Module)組件也稱為雷達收發組件，其通過控制組件輸出信號的幅度、相位、時延信息，可為波束快速掃描與實時單、多目標跟蹤的有源相控陣雷達天線陣元提供多樣化的激勵信號，在功能實現日趨前移的雷達裝備研制中扮演的角色越來越重要[1]。T/R組件作為有源相控陣的核心部件，每個天線陣元均由其進行饋電，使得一部雷達系統中的組件集成量數以萬計[2]。如何對組件進行自動化測試是有源相控陣雷達研究院所、使用單位有效研發雷達，運用雷達必須認真考慮的因素。

T/R組件通常具有同時多路收發通道、多種工作狀態，被測指標數目眾多的特點，如果完全依賴人工手動測試、記錄、分析，工作量將十分巨大。T/R組件自動測試系統硬件構建方面基于不同總線進行系統設計，文獻[3-4] 討論了基于GPIB總線儀器的T/R組件測試系統設計及檢定問題，描述了系統的功能和總體結構，檢定主要包括檢定參數、檢定標準的選擇、檢定標準的不確定度、檢定判據以及檢定標準的溯源等內容。文獻[5]結合儀器控制總線的發展，論述了一種基于LXI 總線的T/R組件S 參數自動測試系統，闡述了單次校準多次測量技術、開關矩陣設計、LXI 總線儀表通訊等關鍵技術。文獻[4]介紹了T/R組件自動測試系統組成和測試原理，測量精度的計算。文獻[7]從硬件組成、軟件設計方面介紹了一種T/R組件自動測試維修系統，重點闡述了信號矩陣轉接單元、可編程雷達狀態控制器和輔助故障診斷技術，概要進行了T/R組件測試系統的軟件研究。軟件設計方面側重于S參數的測試分析，文獻[8]圍繞T/R組件S參數測試系統的軟件設計，闡述了T/R組件移相和衰減全自動化測試的方法，并介紹了T/R組件移相數據處理軟件的設計。在測試校準方面注重儀器選擇和校準方法設計，文獻[9]選擇合適的儀器設備，建立了T/R組件多項參數的校準標準。文獻[10]采用基于Database的SOLT校準方法完成對S參數測試系統的校準，在保證校準精度的同時，有效提高了操作便捷性。測試系統結構設計方面注重批量T/R組件連接的自動處理，文獻[11]采用直角坐標機器人以及自動對插工作臺實現T/R組件自動對插和測試，進一步提高了自動測試系統的智能化程度。

以上成果主要論述了單一總線測試儀器構成T/R組件自動測試系統的系統構建、硬件組成、軟件設計、校準實現等問題，隨著儀器儀表技術的迅速發展，采用GPIB、LXI、CAN、USB等總線技術的儀器迅猛發展，不同生產廠商支持的總線類型差異較大，采用單一總線儀器構成自動測試系統存在效率不高、響應不快、優勢發揮不明顯的問題。為有效提升T/R組件測試系統效能，集成多種總線儀器構成自動測試系統是未來的必然發展趨勢。本T/R組件自動測試系統集成了GPIB、LXI和USB總線儀器，基于Labwindows CVI開發應用程序，對增強T/R組件自動測試系統適應性，提高有源相控陣雷達保障能力具有較好的參考意義。

1 典型T/R組件性能參數及測試儀器設備

一般情況下，T/R組件的測試分為電性能測試，力學性能測試和環境適應性測試三部分。其中電性能測試在T/R組件的研發階段以及實驗應用階段都需要進行性能參數測試，而力學性能測試和環境適應性測試主要在T/R組件的研發定型階段進行測試。在T/R組件的測試中，一般將被測件(T/R組件)等效成一個微波二端口網絡，利用微波矢量網絡分析儀測量其微波二端口網絡的散射參數(S參數)，再通過運算，將S參數換算成被測網絡所需要測量的參數。在實驗室條件下完成T/R組件主要性能指標的測試所需儀器主要有微波信號源、矢量網絡分析儀、功率計、示波器、噪聲系數分析儀、頻譜分析儀等。

通常T/R組件主要電性能參數及主要測試儀器設備見表1[13]。

表1 T/R組件主要電性能參數

矢量網絡分析儀主要測試T/R組件S參數、接收增益和相位、接收輸入輸出駐波、接收幅相一致性、接收移相精度、收發隔離度等指標。頻譜分析儀主要測試T/R組件的諧波失真、頻譜特性和信號波形參數。噪聲系數分析儀主要測量接收信道的噪聲系數、放大器的噪聲系數。以上測試均為某一儀器設備的自動測試控制，相對比較單一，這里重點關注一下功率波形參數和轉換時間測試子系統的構成原理。

1.1 輸出信號功率、波形參數測試

T/R組件功率、波形測量利用定向耦合器與脈沖功率計組成擴展量程間接測量T/R組件發射功率。將功率傳感器的視頻檢波信號接到數字示波器上，通過數字示波器的自動測試計算完成上升時間、下降時間和頂降的測試。亦可將脈沖功率計替換為頻譜分析儀完成上述參數的測量。將頻譜分析儀分辨率帶寬RBW設置為大于脈沖信號的主瓣寬度即可，在零掃寬模式下可以顯示信號脈沖包絡時域波形，從而可以確定脈沖調制信號的時間參數。

其測試系統框圖如圖1所示。

圖1 T/R組件發射功率測試系統框圖

1.2 收發轉換時間測試

T/R組件收發轉換時間定義為在相控陣雷達工作期間，T/R組件由發射狀態轉換為接收狀態所需要的時間。在高重復頻率工作方式下，能精確測量并評估T/R組件收發轉換時間具有重要的意義。

T/R組件的收發轉換時間的測試一般是在T/R組件接收通道中完成，測試系統框圖如圖2所示。

圖2 T/R組件收發轉換時間測試框圖

首先將被測組件置于接收狀態，將功率計功率檢波后的視頻輸出信號送至示波器，利用示波器觀察經檢波后的視頻輸出信號，然后將組件改為發射狀態，此時仍測試接收通道，脈沖調制信號作為波控收發轉換開關轉換控制信號，輸出信號波形的上升沿或下降沿就分別為T/R組件的收、發狀態轉換時間。

2 T/R組件多總線自動測試系統硬件設計

2.1 組成及原理

T/R組件測試系統由硬件資源和測試應用程序組成，其原理框圖如圖 3所示。硬件資源能最大限度地實現平臺的開放性、靈活性和可擴展性，允許用戶根據不同的測試對象靈活地剪裁和增加硬件資源。系統主要由中心計算機、測試儀器單元、發射電源系統、射頻矩陣控制信號產生單元、T/R組件工作狀態控制與收集單元、輸出射頻矩陣控制信號分配單元組成，主要組成、數量及主要測試功能見表2。系統信號采用集中互連模式，集中管理全系統測試信號。系統中的各種激勵源連接到信號中樞，被測件的輸入端口與信號中樞的激勵源端口相連，輸出端口與信號中樞的測試端口相連。對于發射通道及接收通道測試狀態，小信號直接進行測試，大信號則在信號中樞中衰減后再到各測試儀器進行測試；將采集到的數據由測試軟件按照相應的算法計算分析，得出相應的測試數據。

圖3 T/R組件多總線測試系統框圖

表2 系統主要硬件組成表

2.2 主控計算機

主控計算機為系統控制與狀態收集的核心，選用工業控制計算機，支持LAN、USB、串口總線通信模式，其通過USB/GPIB轉換卡、USB、LXI總線發送控制指令，接收T/R組件狀態數據并進行數據處理。運行人機交互應用軟件，測試人員根據測試的需要組合測試通道和測試項目、儀器狀態、被測件的狀態的控制等。

2.3 T/R組件工作狀態控制與收集單元

T/R組件工作狀態控制由控制板實現，其接收來自主控計算機的控制指令，并根據控制指令轉換成相應的開關控制信號，完成發射電源、接收電源和T/R組件工作通道切換；同時該裝置還可以向計算機提供開關狀態，確保系統的安全，防止誤操作損壞系統或被測件。開關控制采用CPLD擴展控制端口數，裝置采用串口方式實現與主控計算機的通訊。控制板原理框圖如圖 4所示。

圖4 控制板原理框圖

控制板通過AT90S8515單片機片內UART實現控制板與計算機主機之間的串行485通信，完成計算機控制指令的接收和T/R組件、儀器設備狀態的收集。

AT90S8515采用RISC結構、內載Flash精簡指令集，采用低功耗CMOS技術設計，支持C高級語言及匯編語言[16]。

AT90S8515采用RS485協議與控制計算機通信，通過CPLD 1032E傳輸控制命令和狀態收集，速率控制在115 Kbps以下，采用差分平衡發送與接收，從而抑制共模干擾，同時實現故障保護，防止T/R組件發射、接收狀態控制誤操作。

2.4 輸入及輸出射頻矩陣控制單元

輸入及輸出射頻矩陣單元由多路可程控微波開關組成，分為輸入開關網絡和輸出開關網絡。測試端開關網絡根據T/R組件特點和測試要求，設計了4個通道，根據信號大小可以選擇衰減通路和直通通路，既防止大功率信號損壞測試儀器，又滿足各種測試儀器的動態范圍，并可以根據不同測試項將信號轉接到不同的測試設備(包括：矢量網絡分析儀、噪聲分析儀、功率計等)進行測試。

電子開關和機械開關是是實現微波信號通路切換的兩種方式，電子開關壽命長、重復性好，但由于采用電子控制其頻率范圍有限，可承受的微波功率不高。機械開關無源切換方式可實現更好的重復性，頻率適應范圍更廣。系統射頻通道動態構建采用Dowkey機械開關，其具有良好的重復性、較小的駐波系數和理想的插入損耗，可靠性、可信度均較高。微波開關選型指標見表 3。

表3 微波開關選型指標

2.5 測試儀器單元

測試儀器單元主要包括N1911A功率計、E5071C矢量網絡分析儀、N8975A噪聲系數分析儀和N33250A任意波形發生器，各測試儀器通過射頻矩陣單元對多通道T/R組件指標測試采用多模式復用的方式進行控制與應用。

2.5.1 N1911A脈沖功率計[17]

Keysight N1911A為單通道寬帶脈沖功率計，頻率范圍為50 MHz～18 GHz(N1921A功率傳感器)、50 MHz～40 GHz(N1922A功率傳感器)，可測量平均功率、峰值功率和峰值平均功率比。可測量脈沖上升時間、下降時間、脈沖寬度、正脈沖轉換時間和負脈沖轉換時間等脈沖調制參數?？蛇M行功率參數統計分析，支持30 MHz的分析帶寬和100 MHz的實時采樣，能提高脈沖調制信號完整的功率和時域參數。

N1911A功率計最大采樣率100 MHz，最小脈沖寬度50 ns，平均功率測量精度可達±0.2 dB，最大脈沖重復頻率10 MHz，能夠滿足T/R組件發射和接收功率測量需求。

2.5.2 E5071C網絡分析儀[18]

Agilent E5071C ENA 網絡分析儀具有遠超同類產品的卓越性能和速度。E5071C 具有高達 20 GHz的寬頻率范圍，<0.004的軌跡噪聲，>123 dB的動態范圍，65 dB全頻段功率掃描(在9 kHz到5 GHz之間)，IF帶寬擴展到最大500 kHz，9毫秒401點的快速測量速度和0.005 dB/℃的溫度穩定性，能夠滿足精確測量T/R組件S參量需求。

2.5.3 N8975A噪聲系數分析儀[19]

安捷倫N8975A噪聲系數測試儀為安捷倫NFS系列典型噪聲測量儀表，頻率范圍10 MHz～26.5 GHz，測量帶寬100 kHz～4 MHz，不確定度±<0.15 dB，可實現T/R組件各通道噪聲系數的測量。

N33250A任意波形發生器用于T/R組件脈沖工作模式調制脈沖的產生，這里不再贅述。

3 T/R組件多總線測試系統軟件設計

3.1 測試系統應用軟件

系統軟件設計包括功能設計、模塊設計和代碼設計，從體系上采用基于任務的系統規劃方式，針對T/R組件數量多、通道多、參數多的特點，將自動校準、自動測試、自動設置的思想運用到系統軟件設計中，基于結構化數據庫查詢方式對數量巨大的測試數據進行分析，從而保證T/R組件測試與分析的效率和質量。

軟件系統組成如圖5所示，主要包括資源管理、自動校準、自動測試、手動測試和數據管理五大模塊。

圖5 測試系統通用軟件組成

資源管理主要完成儀器端口地址、協議、初始化狀態等資源配置，增益、功率、反射系數、通道選擇等測試項目管理，實現硬件資源與軟件資源的映射。

自動校準用于射頻矩陣單元、測試儀器單元、電源管理等全系統的數據校準，引導用戶進行系統信號通路損耗等補償數據的獲取，允許用戶對修正數據進行管理，校準數據直接存儲在特定的數據庫表單中，為后續測試數據修正提供支撐。

自動測試模塊完成基于設定測試任務的矩陣切換、儀器設置與測量、數據記錄與分析、T/R組件故障狀態的自動控制與數據記錄，在執行過程中提供連續運行、監控調試、停止運行等常用功能。通過變量監控功能，方便用戶檢查測試流程。自動測試可大大提高測試效率，對批量T/R組件的自動測試具有重要作用。

手動測試主要用于故障T/R組件或狀態異常T/R組件分步測試，組件狀態控制用于T/R組件通道選擇、衰減量、發射/接收模式的控制，儀表狀態設置用于測試儀器單元中功率計、矢量網絡分析儀、噪聲系數測試儀、脈沖發生器的輸出模式、測量模式、測量參數、分析參數的手動設置，為準確定位T/R組件故障部位提供支撐。

數據管理模塊主要包括測試結果、結果統計和報表生成功能。

系統采用ODBC(開放數據庫互連)技術訪問數據庫，數據庫基于Access+Sql Server進行數據處理。

系統軟件處理主要流程如圖6所示。軟件系統首先基于數據庫查詢功能實現用戶賬戶的登錄驗證，驗證成功后根據用戶需求可選擇查詢、輸出、系統校準或配置、幫助功能。測試控制的主流程包括系統校準、參數測試、參數計算模塊。

圖6 測試系統軟件流程圖

為保證測試精度及測試結果可信度，在系統校準的基礎上，系統采用循環結構實現某一參數測量的多次測量平均，將T/R組件增益測試、接收通道噪聲系數測試、接收增益測試等歸結為參數測試，利用總線儀器實現參數的多次自動測量，并利用軟件程序實現結果平均，最后將最終結果存入數據庫，以備后續查詢和處理。

以多組參數測試結果為依據一定的數據處理規則，獲取參數計算中的發射帶內起伏、接收帶內起伏等指標參數，在軟件設計過程中注重數據處理過程的圖像化、形象化處理。

相控陣雷達T/R組件參數測試中進行自動測試具體包括以下步驟。

步驟1：儀器校準。

該步驟主要用于測試裝置中測試儀器單元、連接電纜和微波控制組件等方面信號傳輸路徑上信號的功率衰減、相位延遲修正，保證測試T/R組件測試結果的準確性。

步驟2：輸入射頻信號構建。

判斷測試源功率是否滿足T/R組件輸入激勵要求，如滿足則將源激勵通過開關切換，否則回到測試源功率設定模塊，將符合T/R組件測試要求的射頻信號輸出到射頻矩陣單元并連接到T/R組件的發射激勵端口。

步驟3：輸出通道與儀器控制。

T/R組件多路輸出信號接入輸出到射頻矩陣控制信號分配單元，通過開關組合切換將多路轉接為1路，根據不同測試項選擇測試儀器，如功率計、矢量網絡分析儀等，程序自動生成測試控制指令和測試控制參數，完成相應的測試項目，輸出測試數據。

步驟4：測試數據分析。

應用程序根據測試儀器的測試數據生成測試數據庫，首先根據測試數據完成T/R組件狀態判斷，針對數據庫提供結果查詢和報表生成功能，為T/R組件的管理提供數據和手段支撐。

3.2 測試儀器單元遠程控制

3.2.1 N1911A功率計遠程控制

N1911A在測試系統中實現T/R組件輸入或輸出微波功率測量，在具體的控制過程中主要涉及控制命令寫入和功率測試數據的讀取。N1911A支持GPIB、LAN和USB遠程接口模式。

通過遠程接口設置GPIB地址的指令為：SYSTem:COMMunicate:GPIB:ADDRess，查詢GPIB地址的指令為SYSTem:COMMunicate: GPIB: ADDRess? query.自動配置LAN的命令為SYSTem:COMMunicate:LAN:DHCP[:STATe]，也可獨立配置IP地址，子網掩碼，缺省網關和主從設置[17]。當選擇USB接口進行遠程控制時，不需要進行前面板配置或遠程配置。

系統N1911A遠程控制采用GPIB模式，采用VISA讀和VISA寫指令實現功率計狀態及數據的讀取和寫入操作?；静僮靼▍党跏蓟?*CLS)、波形顯示縱軸范圍設置、功率偏移設置、頻帶寬度設置和觸發設置等。具體指令可查閱官網編程手冊。

3.2.2 安捷倫E5071C矢量網絡分析儀遠程控制

E5071C支持GPIB、LAN、USB遠程控制，GPIB接口允許由外部計算機對Agilent E5071C進行控制。計算機向E5071C發送命令和指令，并接收E5071C經GPIB發送的數據。LAN(局域網)遠程控制系統提供兩種方法，即利用SICL-LAN服務器E5071C進行控制和利用遠程登錄服務器對E5071C進行控制。USB(通用串行總線)遠程控制模式通過USB控制設備，這相當于通過GPIB控制設備。通過符合USBTMC-USB488和USB 2.0標準的接口建立連接。

E5071C遠程控制過程主要包括：選擇工作通道/跡線、配置測量條件、配置顯示設置，執行功率校準、接收機校準，觸發系統、啟動一個測量過程、等待測量結束，設置數據傳送格式、內部數據處理、檢索測量結果、標注測量跡線等。

3.2.3 N8975A噪聲系數測試儀遠程控制

N8975A在后面板上有兩個GPIB連接器。一個連接器用作與使用遠程指令集的計算機通訊，另一個連接器-LO GPIB 由NFA 用于控制外接本振。NFA的作用相當于 LO GPIB上的控制器。本設計采用主GPIB模式，其支持SCPI編程語言。控制過程主要包括：GPIB地址設置、預設噪聲系數分析儀、校準命令CALibration: AUTO[:STATe] OFF|ON|0|1實現自對齊和自診斷、顯示(DISPlay)子系統控制測量結果的選擇和展現方式等。

4 系統誤差分析與修正

4.1 測試結果分析

基于設計的“相控陣雷達T/R組件多總線自動測試系統”對某型炮位偵察校射雷達4通道S波段T/R組件的發射通道脈沖輸出功率、接收幅度、接收相位、發射相位等指標進行了測試，測試結果與產品規范數值對比表見表 4。從測量結果看，系統各測試功能對T/R組件性能指標測試具有較好的適應性。

表4 部分指標測試精度對比表

4.2 發射功率測試不確定度

功率測試不確定度受到環境溫度、匹配狀態等因素的影響。從發射功率通道測試流程看，主要不確定度包括輸入信號功率的不穩定、校準器引入的不穩定度、功率探頭特定頻率上功率曲線不穩定度等。

為最大限度的降低功率測試不穩定度，基于構建初始損耗數據庫的方式提前記錄偏差用于后期測量的數據修正，從而得到待測參數的真實值。表 4功率測量誤差結果表明，系統功率測量精度能夠滿足T/R組件測試需要。

4.3 接收相位測試的不確定度

相位作為T/R組件關重參數，其不確定度主要來源于測量儀器的不確定度、系統通道時延引起的相位不確定和隨著系統工作溫度升高通道相移量不確定偏移。

系統在降低接收相位測試不確定度方面，主要采用基于不同溫度的參數誤差補償策略，將不同溫度不同頻點的通道固有相移存儲于特定數據表格中，在實際測試時根據環境選擇特定修正量，從而最大限度地保證相位測量穩定度。表 4相位不一致性測量誤差結果表明，系統相位不一致性測量精度能夠滿足T/R組件測試需要。

5 結束語

T/R組件測試系統設計是有源相控陣雷達設計與應用中需考慮的重要問題之一。通用測試儀器結合專用測試控制單元的模式是構建自動測試系統的有效手段，射頻矩陣控制單元設計提高了系統的兼容性和可擴展性，為今后構建T/R組件全指標的測試系統預留了足夠的硬件接口。實踐表明，該測試系統精度高、穩定性好、可靠性高，能夠滿足多通道T/R組件多參數自動測試要求。該測試系統的設計方案方法對其他電子裝備自動測試系統構建具有較好的參考價值。