相控陣接收組件自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

鐘軍濤 習(xí)強(qiáng)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 河北 石家莊 050081)

相控陣接收組件自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

鐘軍濤 習(xí)強(qiáng)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 河北 石家莊 050081)

分析了頻率掃描相控陣接收組件批量測(cè)試的工程需求，介紹了一種接收組件幅相一致性自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)原理，包括總線接口、硬件組成及軟件設(shè)計(jì)流程等，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了相控陣接收組件自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，并在某多波束頻率掃描相控陣系統(tǒng)的測(cè)試中得到實(shí)際應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明，該測(cè)試平臺(tái)可以大幅提高接收組件幅相特性的測(cè)試效率和測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，適合在頻率掃描相控陣系統(tǒng)的測(cè)試中推廣使用。

頻率掃描相控陣幅相一致性自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)GPIB總線

1 引言

頻率掃描相控陣作為一種相控陣天線系統(tǒng)，目前在雷達(dá)、通信和測(cè)控等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣，其波束指向靈活而且迅速，能夠?qū)崿F(xiàn)多目標(biāo)的快速電掃描，完成對(duì)多目標(biāo)的同時(shí)搜索、識(shí)別、跟蹤和測(cè)量。頻掃相控陣的天線波束指向是工作頻率的函數(shù)[1]，是通過(guò)改變天線陣元之間的饋電頻率，間接達(dá)到改變陣元間的饋電相位的目的，從而實(shí)現(xiàn)天線波束指向隨頻率掃描。

頻率掃描相控陣對(duì)陣元的相位一致性要求較高，這是因?yàn)樗荒芟裣辔粧呙柘嗫仃嚹菢?，通過(guò)移相器對(duì)陣元間的固有相位差進(jìn)行補(bǔ)償。通常情況下，天線陣的陣元數(shù)量少則幾十、幾百，多則成千上萬(wàn)，測(cè)試工作量異常龐大，若采用人工測(cè)試，不僅耗時(shí)長(zhǎng)寄效率低，而且人為出錯(cuò)的概率較高，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足相控陣系統(tǒng)的批量測(cè)試需求。自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率掃描接收組件幅相一致性的自動(dòng)測(cè)試，而且可以對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)記錄、保存和判決。本測(cè)試平臺(tái)只需要操作人員給待測(cè)組件連接必要的測(cè)試電纜，測(cè)試系統(tǒng)將按照預(yù)定的程序流程控制相關(guān)儀器完成相應(yīng)項(xiàng)目的測(cè)試，極大地提高了測(cè)試效率和測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 需求分析

對(duì)頻率掃描接收組件幅相一致性進(jìn)行批量測(cè)試的過(guò)程中，由于測(cè)試環(huán)節(jié)具有重復(fù)性的特點(diǎn)，因此，建立一套能進(jìn)行重復(fù)性操作的自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)于相控陣系統(tǒng)來(lái)說(shuō)顯得非常必要。自動(dòng)測(cè)試具有很多優(yōu)點(diǎn)：自動(dòng)化的測(cè)試方法能顯著降低重復(fù)測(cè)試的時(shí)間，提高測(cè)試效率；降低人為出錯(cuò)概率，提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性；通過(guò)建立完備的循環(huán)測(cè)試流程，提高測(cè)試的覆蓋率。

根據(jù)頻率掃描相控陣接收組件測(cè)試的自身特點(diǎn)，本自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)以下基本功能：

①輸入功能：軟件界面設(shè)計(jì)應(yīng)包含基本測(cè)試條件的輸入界面[2]，如待測(cè)組件序列號(hào)、測(cè)試頻段及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)門限；

②數(shù)據(jù)庫(kù)功能：測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)具備數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)生成功能，數(shù)據(jù)庫(kù)用于記錄每次采集到的測(cè)試數(shù)據(jù)，同時(shí)將測(cè)試數(shù)據(jù)與產(chǎn)品序列號(hào)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，便于組件測(cè)試數(shù)據(jù)的查找和分析；

③儀器程控功能：程控功能的設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過(guò)軟件控制各個(gè)相關(guān)儀器設(shè)備協(xié)同工作，共同完成性能指標(biāo)的測(cè)試；

④實(shí)時(shí)顯示功能：測(cè)試系統(tǒng)能夠在軟件界面中實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前測(cè)試的結(jié)果，同時(shí)具有中斷功能，方便操作人員隨時(shí)觀察測(cè)試結(jié)果的動(dòng)態(tài)信息，出現(xiàn)問(wèn)題后可中斷測(cè)試，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析處理。

3 設(shè)計(jì)原理

3.1 總線接口設(shè)計(jì)

典型的自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)一般由總線接口、硬件設(shè)備和測(cè)試軟件3個(gè)部分組成?？偩€在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)負(fù)責(zé)儀器設(shè)備之間最基本的通信和數(shù)據(jù)交換任務(wù)，目前，應(yīng)用最為廣泛的總線技術(shù)主要有GPIB、LAN、VXI和PXI總線等。

GPIB總線是惠普公司在60年代末和70年代初開(kāi)發(fā)的一種通用儀器控制接口總線，是一種專門針對(duì)測(cè)試儀器程控操作的接口總線標(biāo)準(zhǔn)?；贕PIB總線的測(cè)試系統(tǒng)組建靈活方便，當(dāng)前在所有總線系統(tǒng)中，GPIB總線的市場(chǎng)占有量最大[3]，國(guó)內(nèi)外各大儀器制造商生產(chǎn)的各種測(cè)量?jī)x器一般都提供GPIB接口。

GPIB接口采用數(shù)字化的24線并行結(jié)構(gòu)，包括5條接口控制線，3條握手線，8條并行數(shù)據(jù)線和8條底線。傳輸速率最高可以達(dá)到1 Mbit/s；最多可支持14臺(tái)儀器同時(shí)與計(jì)算機(jī)互連；可以方便地實(shí)現(xiàn)星型組合和線型組合的互連方式[4,5]。

采用GPIB總線的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，非常適合在測(cè)試任務(wù)量大、測(cè)試精度要求高及測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境嚴(yán)酷的場(chǎng)合中應(yīng)用。自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)采用基于GPIB總線的方案，計(jì)算機(jī)與測(cè)試儀器的連接采用線型組合的GPIB總線互連方式。系統(tǒng)中的每個(gè)設(shè)備，包括計(jì)算機(jī)都會(huì)分配一個(gè)GPIB地址[6]，地址可從0～30中選擇分配，計(jì)算機(jī)作為控者來(lái)控制總線，在總線上傳送儀器命令和進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)通過(guò)GPIB卡和GPIB電纜將測(cè)試儀器依次串聯(lián)起來(lái)。射頻信號(hào)源經(jīng)功分器分成兩路等幅等相的RF信號(hào)，分別送至基準(zhǔn)組件和待測(cè)組件的射頻輸入端口；本振信號(hào)源同樣也經(jīng)功分器分成兩路等幅等相的LO信號(hào)，分別送至兩路接收組件的本振輸入端口；基準(zhǔn)組件和待測(cè)組件內(nèi)部經(jīng)過(guò)混頻后產(chǎn)生的中頻信號(hào)分別送至矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的2個(gè)測(cè)試端口。計(jì)算機(jī)控制矢網(wǎng)測(cè)量出兩路信號(hào)的相位差和幅度差。自動(dòng)測(cè)試的硬件組成框圖如圖1所示。圖中連接用到的射頻電纜都必須進(jìn)行嚴(yán)格配相，以確保不會(huì)給測(cè)試結(jié)果帶來(lái)額外的系統(tǒng)誤差。

圖1自動(dòng)測(cè)試硬件組成框圖

3.3 軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試軟件結(jié)合實(shí)際測(cè)試需求，分解成以下幾個(gè)基本流程：

①系統(tǒng)初試化：系統(tǒng)初始化的主要內(nèi)容包括GPIB接口初始化、測(cè)試儀器設(shè)備地址的分配、儀器測(cè)試項(xiàng)目初始化及數(shù)據(jù)庫(kù)的建立；

④報(bào)警處理：檢查測(cè)試數(shù)據(jù)是否超出標(biāo)準(zhǔn)門限,并判斷是否需要進(jìn)行報(bào)警。如果不需要報(bào)警處理，可略過(guò)此步驟；

⑦綜合分析：對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行綜合性判斷分析，判決待測(cè)組件幅相一致性是否滿足要求。軟件控制流程圖如圖2所示。

圖2軟件控制流程圖

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

測(cè)試平臺(tái)的儀器設(shè)備主要包括計(jì)算機(jī)、模擬信號(hào)源、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和射頻分路器等。其中矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)部分，所采用的矢網(wǎng)需具備矢量電壓表測(cè)試模式，軟件的編程設(shè)計(jì)需要用到這一功能模式。同時(shí)，必須注意的是，需要給測(cè)試所用到的儀器統(tǒng)一提供10MHz參考源，以保證測(cè)試的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

圖3測(cè)試軟件主操作界面

自動(dòng)測(cè)試軟件是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的控制中樞，是各種測(cè)試方案和算法的載體，直接體現(xiàn)了測(cè)試系統(tǒng)的完備性、實(shí)用性和實(shí)時(shí)性。最終實(shí)現(xiàn)的軟件主操作界面如圖3所示。

系統(tǒng)的測(cè)試軟件是在VC++集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)完成，設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮了接收組件的具體測(cè)試要求，為測(cè)試人員提供友好簡(jiǎn)潔的人機(jī)交互界面，可顯示當(dāng)前的測(cè)試進(jìn)度，并根據(jù)需要在輔助界面顯示實(shí)時(shí)的測(cè)試結(jié)果。

5 結(jié)束語(yǔ)

從頻率掃描相控陣接收組件批量測(cè)試的實(shí)際工程需求出發(fā)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套頻率掃描接收組件自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)。應(yīng)用該測(cè)試平臺(tái)，可以對(duì)接收組件的幅相特性進(jìn)行快速、高效和準(zhǔn)確的測(cè)試。同時(shí)，該平臺(tái)還具有很好的可擴(kuò)展性，通過(guò)引入開(kāi)關(guān)矩陣及其他測(cè)試儀器，很容易擴(kuò)展更多的測(cè)試項(xiàng)目。該自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)已成功應(yīng)用于某多波束頻率掃描相控陣系統(tǒng)的測(cè)試中，且運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，大幅地提高了接收組件幅相特性的測(cè)試效率和測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，并且對(duì)于其它自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的研究,有一定的參考價(jià)值。

[1]郭燕昌,錢繼曾,黃富雄,等.相控陣和頻率掃描天線原理[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1978.

[2]徐承亮,劉沛秋.天線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)施方案[J].數(shù)字通信, 2012(2)：85-87.

[3]曹成俊,張宏偉.自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中的總線技術(shù)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2008(14)：159-163.

[4]趙會(huì)兵.虛擬儀器技術(shù)規(guī)范與系統(tǒng)集成[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

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[6]李明,費(fèi)相如.基于GPIB總線的移動(dòng)臺(tái)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)解決方案[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化,2006(2)：43-46.

Design on Automatic Test Platform of Phased Array Receiving Components

ZHONG Jun-tao XI Qiang
(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

This paper analyzes the engineering requirement of batch testing for frequency scanning phased array receiving components, introduces the design principles of automatic test platform with amplitude-phase consistency of receiving components,including bus interface,hardware components and software design flow.On this basis,this paper develops the automatic test platform of phased array receiving components,which is actually applied in the test of some multi-beam frequency scanning phased array system.The application results show that this test platform can greatly improve the test efficiency and accuracy of amplitude-phase characteristics of receiving components,and is suitable for application in the test of frequency scanning phased array system.

frequency scanning phased array;amplitude-phase consistency;automatic test platform;GPIB bus

TP27

A

1008-1739（2014）14-66-3

定稿日期：2014-06-26