有源相控陣天線自動化測試系統設計

趙榮超

（中國電子科技集團公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

隨著科學技術的進步，相控陣體制也得到了快速發展。其中，有源相控陣雷達能夠實現對多個元素的同時發射和接收，且每一個輻射器都配備有信號的發射和接收組件，每一個組件都能夠實現對電磁波的接收和發射。因此，相較于無源相控陣雷達，其在信號處理能力以及冗度設計等方面都更具優勢。

通常來講，大型有源相控陣雷達需要更多的T/R組件，以滿足其工作性能的需求。但從另一方面來看，較多的T/R 組件也為雷達的測試工作帶來了更大的難度，要想實現對這些組件指標的分析，首先就需要對有源相控陣天線測試系統升級和優化。傳統的天線自動化測試系統采用的是人工模式，這種方法需要逐個打開和關閉通道，并逐一記錄下相關的數據，不僅耗時較長，且測試精準度不高，尤其是對于大型的有源相控陣天線測試來講，這種方法會嚴重影響生產和科研的進度。因此，有必要設計出一種有源相控陣天線自動化測試系統，以提升對天線進行測試的效率和質量，滿足實際生產所需。

1 測試原理和系統框架

有源相控陣雷達主要是包括天線接口、子陣綜合、陣面T/R 組件、射頻模塊等，其中中場調試環節主要是為了實現對有源相控陣天線的控制地址數據裝訂、通道故障檢測以及幅度相位初調試等；環境試驗主要在模擬雷達具體的應用條件下對天線各個不同模式工作狀態性能進行檢測和測試；近場測試環節則主要是針對天線的相控陣幅度相位進行精調，并同時對天線的方向圖性能進行測試評估。

在中場測試環節，考慮到有源相控陣天線的集成度與組成較為復雜，因此在完成安裝后需要對T/R組件、傳輸鏈路、信號發射以及接收功率幅度等進行檢測，以便確保其滿足相應的指標要求，而采用傳統的人工測試方法進行，需要技術人員手動對測試鏈路進行切換，這種模式不僅測試周期較長，而且精準度較低，還很容易出現故障[1]。為了能夠有效解決這一問題，本文在中場測試環節設計了信號自動化采集和自動定位的方案，實現了對天線接收信號進行自動采集、壞點識別等，大大提升了有源相控陣天線的中場鏈路檢測質量和效率。

在近場測試環境中，考慮到有源相控陣天線的各個模塊在生產加工過程中工藝較為復雜，在天線完成安裝后內部各個通道的功率、頻譜、幅相存在著不一致的問題。因此，需要通過幅相調整和優化相位峰值分布，以確保各個通道功率值由天線中心向著邊緣呈現泰勒分布。在進行該環節的測試過程中，由于需要對有源相控陣雷達的工作模式進行來回切換，且需要用到設備以及射頻電纜加多，而采用傳統的人工調試模式難免會因為技術人員的操作而影響調試和測試的精準度。為了解決該問題，本文設計了智能化的近場測試交互調試方案，采用軟件來對有源相控陣雷達鏈路的開啟和關閉進行控制，這樣就可以有效降低射頻信號間的串擾帶來的噪聲，確保有源相控陣雷達在不同工作模式下測試環境的一致性[2]。且采用改方案還能夠實現對采集數據的實時檢測，以便于技術人員對測試中出現的問題進行初步定位和分析，及時將遇到的問題排除。

結合上述測試需求和工作原理，本文所設計的有源相控陣天線的自動化測試流程如圖1 所示。

圖1 有源相控陣天線的自動化測試流程

2 系統設計

2.1 中場模塊

有源相控陣通信天線在工作模式下主要利用地址來實現和T/R 組件之間的交互，這就需要在對天線進行調試之前，首先應將地址錄入至天線陣面中。而考慮到有源相控陣天線T/R 組件數量較多，在此本文提出了一種基于視覺識別技術的T/R 組件錄入方式，具體的實現流程如圖2 所示。采用視覺識別設備對天線內部T/R 組件中的地址按照順序進行采集，并利用以太網絡將地址信息發送至計算機，之后再采用軟件，依據設定好的標準來對傳輸地址格式進行識別和判斷，同時將正確的T/R 組件地址存儲至文檔中，對錯誤的地址信息進行采集和識別[3]。不斷循環重復該流程，直至對T/R 組件地址錄入完成為止，如此以來就可以在確保對T/R 組件地址采集效率的同時大大降低因受外界因素影響而導致了精準度不高的問題。

圖2 視覺識別地址錄入流程

針對有源相控陣通信天線測試過程中在中場模塊陣面收發檢測信號存在著檢測時間過長、故障定位精準度不高等問題，在此結合天線的工作原理和雷達鏈路的方向，設計了一種進行自動化測試的方案，該系統以矢網作為收發信號源，將矢網的收發端和有源相控陣通信天線的收發端進行串聯，從而構成一個完整的閉合鏈路[4]。但有源相控陣通信天線的收發狀態信號是通過矢網中2 個不同參數計算得出的，其具體的數據采集流程如下。首先，系統會發送測試指令，得到測試指令之后矢網起控，對參數進行初始化；其次，發送T/R 組件單開命令，此時如果監測反饋數據是錯誤的，則系統會重新返回上一層級，重新進行監測。如果監測反饋數據是正確的，則會通過接口總線讀取測試數據，并將其存儲至計算機中，然后再進行下一個T/R 組件的數據采集，重新進行參數初始化，開啟下一個循環。

2.2 近場模塊

有源相控陣通信天線的近場測試是雷達生產調試過程中的核心內容，其會對于雷達的性能和質量產生直接影響，而有源相控陣通信天線所具有的陣面大、測試點多的特點也使得其成為了測試周期最長的一個環節[5]。為了在最大程度上提升對通信天線進行測試的效率，滿足對大型有源相控陣通信天線進行生產調試的需求，在此以通信天線近場調試工位為基礎，對天線的工作鏈路進行了分析研究，并通過對鏈路信號接收和發送數據流的整合，結合處理單元和通信天線的工作原理設計了有源相控陣通信天線近場一體化自動測試方案。實踐證明，該自動化測試方案能夠大大降低外界環境因素對天線的干擾，并能夠結合具體的測試需求來更改鏈路，以實現對故障的定位和排除，有效提升了測試的產能和產品的質量。該有源相控陣通信天線近場自動化測試的流程如圖3 所示。

圖3 近場模塊天線幅相測試流程

由圖3 可以看出，處理單元按照一定的順序完成陣面組件的測試工作，生成對應的修調碼字，并開始對陣面組件進行測試。以此流程為基礎，為了實現自動一體化測試，依據測試需求對有源相控陣通信天線進行測試鏈路的自動切換，在此將信號中樞設計在天線和處理單元之間，將控制軟件鑲嵌于調試系統中，如此以來，在對有源相控陣通信天線進行更換時，只需對軟件測試參數、波控對應配置進行調整即可[6]。本文所設計的中樞鏈路主要由功分器、射頻開關以及衰減器等內容組成，有源相控陣通信天線具有對信號接收、發射和模擬的功能，因此該調試方案設計中所涉及到的主要接口包括處理單元模塊接口、激勵信號輸出接口、信號輸入接口等[7,8]。并且由于該方案在接收鏈路上增加了一個射頻開關以及可調衰減器，從而使得測試過程中的變量變得可控，不僅提升了測試系統的兼容性，同時也能夠更好地滿足產品測試的需求。

3 天線校正

對通信天線進行校正是開展有源相控陣調試過程中的關鍵環節，其能夠確保天線各項性能指標都維持在一個較高的水準，且對天線進行校正還是有源相控陣雷達天線性能得以滿足實際使用需求的一種有效措施[9,10]。現階段，對天線進行校正常用的方法主要有逐一通道校正、首次合格率（First Time Through，FTT）校正、中場校正以及矩陣求逆等，本文以逐一通道校正法為基礎，對其進行了優化和改進，再此以幅值信息為例，對校正方法進行介紹。

首先，設定測試的有源相控陣通信天線大小為M×N，則被測相控陣天線中心測試模塊的大小可以表示為M1×N1，該參數也可以依據具體的測試效果來進行優化和調整。設初始目標值為T0，更新后的目標值為T，初始碼值為A0，Ai（i≥1）表示為第i次打碼測試后的新碼值，而對應的實際測量值使用Fi來表示，天線校正算法的具體流程如下文所述。

（1）在測試系統中輸入零碼，利用VAN 測試出實際值F0，大小表示為M1×N1；

（2）設定F(m,n)=argmaxF，式中m≤M1，且n≤N1為最大值對應的行列號，更新后的目標值表示為T=T0+{F(m,n)-T0[(M-M1)/2+m,(N-N1]/2+n)}ones(M,N），式中ones(M,N)為M行N列的矩陣，且矩陣中各個元素均為1；

（3）在被測有源相控陣通信天線中輸入初始碼值A0，并測得實際的數據值F1，然后更新打碼值A1=A0+F1-T；

（4）將碼值輸入后，測出實際值Fi+1，然后再更新碼值Ai+1=Ai+（Fi+1-T）×δi+1，式中i≥1，δi+1為第i+1 次打碼測試的校正系數；

（5）不斷重復操作步驟（4），直至得出的校正結果滿足標準要求。

4 結 論

隨著科學技術的不斷發展，各種先進技術在有源相控陣天線雷達制造中的應用也對天線的測試工作提出了更高的要求。本文設計的有源相控陣通信天線自動化測試系統有著開放式的平臺和模塊化的設計思想，不僅使得該系統的實用性得到了大幅度提升，而且還具有較強的兼容性，便于后期的程序移植和二次開發工作。實踐測試表明，該自動化測試系統能夠大大提升相控陣天線的測試效率，并提升測試數據的精準度，降低大型有源相控陣通信天線的測試周期和人工成本，進而提升產品的質量。