一種新型衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器測試系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

侯衛(wèi)國 周慧 滿梓峰 柴源 趙源

(中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部, 北京 100094)

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一種新型衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器測試系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

侯衛(wèi)國 周慧 滿梓峰 柴源 趙源

(中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部, 北京 100094)

從衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器分系統(tǒng)測試項目特點出發(fā)，設(shè)計了一種新型轉(zhuǎn)發(fā)器測試系統(tǒng)，首次將變頻矢量校準、系統(tǒng)級測試夾具及去嵌入方法運用在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器測試中，旨在解決傳統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)器測試系統(tǒng)測試準備效率和測試效率低下且無法進行相位特性測試等問題。此轉(zhuǎn)發(fā)器測試系統(tǒng)在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器測試中進行了實際驗證，實測結(jié)果表明：該轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)測試效率比傳統(tǒng)測試系統(tǒng)平均提高了3倍以上，測試精度也優(yōu)于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)器測試系統(tǒng)，在一定程度上加快了了衛(wèi)星裝配、總裝和測試(AIT)的研制進度。

轉(zhuǎn)發(fā)器測試；變頻矢量校準；系統(tǒng)級測試夾具；去嵌入

1 引言

隨著通信衛(wèi)星平臺技術(shù)的發(fā)展，搭載的轉(zhuǎn)發(fā)器通信容量也越來越大，轉(zhuǎn)發(fā)器研制過程中驗證項目多達到上萬個[1]。如何實現(xiàn)對多鏈路、大帶寬通道的快速校準，如何實現(xiàn)對上萬個驗證項目的快速測試，如何實現(xiàn)對高精度幅度和相位、時延的精確測試，是大容量通信衛(wèi)星自動化測試的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。

目前，國外主要從測試系統(tǒng)的測試模式和系統(tǒng)效率兩個方面解決上述問題。如歐洲航天局(ESA)采用的西門子公司研發(fā)的伽利略有效載荷測試系統(tǒng)(GPTS)，其可以控制多套不同的轉(zhuǎn)發(fā)器測試系統(tǒng)實現(xiàn)多顆衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器并行測試[3]，《簡氏防務(wù)裝備》公布的用于相控陣雷達系統(tǒng)的射頻測試系統(tǒng)(RTS)，其測試效率比原系統(tǒng)提高10倍[4]。美國國防部(DoD)自動測試系統(tǒng)執(zhí)行局(ATS EAO)發(fā)布的新一代自動化測試系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)了單個通信信道射頻測試項目測試時間為秒級的能力[5]。而國內(nèi)此類高效且并行管理的測試系統(tǒng)尚處于研究階段，目前多采用分布式管理的測試系統(tǒng)。

本文從提高系統(tǒng)效率出發(fā)，對測試夾具、去嵌入、變頻系統(tǒng)校準等方法進行整合和優(yōu)化，并結(jié)合相應(yīng)的儀器設(shè)備，設(shè)計出一種新型衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器測試系統(tǒng)，解決了原系統(tǒng)精度低、系統(tǒng)測試效率低等問題。

2 系統(tǒng)設(shè)計方法

轉(zhuǎn)發(fā)器測試主要包括掃頻類、功率類、雜波分析類等測試項目[6]。本文設(shè)計的新型測試系統(tǒng)以矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為核心，實現(xiàn)掃頻類、功率類測試項目的快速測試；系統(tǒng)采用頻譜分析儀對雜波類測試項目進行測試；另外，為實現(xiàn)大規(guī)模的自動化快速測試需求，需開關(guān)矩陣來實現(xiàn)地面測試系統(tǒng)與衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器通道的自動切換。

通過對衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器測試系統(tǒng)進行分析，得到在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)級測試中矢量變頻校準、測試夾具、去嵌入方法的理論依據(jù)。同時介紹了采用梳狀波發(fā)生器校準后提高變頻系統(tǒng)群時延測量精度的方法，相比于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)器測試系統(tǒng)，新型轉(zhuǎn)發(fā)器測試系統(tǒng)對多項測試誤差進行修正，因此，新型測試系統(tǒng)在測試精度上也優(yōu)于傳統(tǒng)測試系統(tǒng)(圖1)。

2.1 系統(tǒng)變頻校準和測量

衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器屬于變頻系統(tǒng)，測試系統(tǒng)采用變頻校準和測量的方法。變頻校準和測量的原理是，通過功率計對矢量源進行功率校準，然后對衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器輸入和輸出鏈路以波束為單位同時進行校準，對變頻系統(tǒng)進行測量時，輸入鏈路和輸出鏈路分別調(diào)取對應(yīng)頻段的校準數(shù)據(jù)，實現(xiàn)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器性能測試[7]。其關(guān)鍵點是對矢量源精度進行校準時，校準鏈路需要有足夠的信噪比。

2.2 系統(tǒng)測試夾具和去嵌入

通過引入測試夾具，然后對測試夾具和被測件(DUT)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器進行整體測量，并通過對測試夾具獨立測量或者通過建模的方式對測試夾具的特性進行分析，則可以從整體測量中通過去除夾具的效應(yīng)，得到被測件的實際測試值。

轉(zhuǎn)發(fā)器測試系統(tǒng)設(shè)計時，通過把衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器測試系統(tǒng)中的開關(guān)矩陣和星地測試電纜鏈路作為測試夾具，并對測試夾具進行獨立測量，對測試夾具的特性進行分析，采用修改校準參數(shù)的方法消除夾具影響，如圖2所示。

圖2 器件測試夾具和測試系統(tǒng)測試夾具Fig.2 Test fixture of component and system test

(1)

(2)

利用式(2)得到相應(yīng)的T參數(shù)矩陣分別為：TFixtureA，TFixtureB，TDUT。測試夾具和被測件得到的整體的特性為

ΤMeasurement=TFixtureATDUTTFixtureB

(3)

式中：ΤMeasurement表示測量的T參數(shù)值；TFixtureA，TFixtureB表示測試夾具的T參數(shù)；TDUT表示被測件的T參數(shù)。

如果已知測試夾具A和B的特性，那么通過矩陣運算性質(zhì)，就可以得到

TDUT=TFixtureA-1TMeasurementTFixtureB-1

(4)

測量獲得測試夾具A和B的雙端口特性，就可以完成測試夾具的去嵌入，得到被測件的性能值[9-11]。需要注意的是，以上公式僅適用于測試夾具的插損S21≤20 dB。對于轉(zhuǎn)發(fā)器測試系統(tǒng)，其測試夾具插損S21>20 dB，為保證算法的正確性，需修改測試夾具的校準參數(shù)為S11=0 dB，S22=0 dB。

2.3 多載波測量變頻群時延

衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器分系統(tǒng)屬于變頻系統(tǒng)，因此，其輸入與輸出端口的相位關(guān)系不能直接測量，因為這兩個頻率并不相等。同時，其相位特性不僅僅與其自身相關(guān)，還受到衛(wèi)星本振源相位的影響。

目前變頻系統(tǒng)的相位和群時延測試多采用比相法、參考混頻器法等方法，上述方法的缺點是測試系統(tǒng)鑒相器引入的誤差大，被測件本振不穩(wěn)定時測量結(jié)果不穩(wěn)定、測量速度低、多級變頻時，結(jié)果不可預(yù)測等問題。

本文引入多載波測試變頻群時延方法，可有效解決上述問題，在使用此方法前，需對儀器產(chǎn)生的載波進行校準，如圖3所示，通過校準抑制不需要的雜波和鏡像頻率，以提高相位和群時延測試精度。多載波測試群時延原理如圖4所示。

圖3 多載波校準Fig.3 Multi-carrier calibrate

圖4 多載波測量群時延原理Fig.4 Principle of group delay base on multi-carrier

頻率為f1到fn(1,…,n，n∈N)的多載波信號輸入被測件，由于被測件的相位響應(yīng)產(chǎn)生相位偏移，Δf=f2-f1為頻率差。則時延如下：

(5)

式中：Δφ為相位差；Δφout為輸出多載波相位差，Δφin為輸入多載波的相位差，因此，在輸入和輸出端分別測試多載波信號的相位差，取相鄰載波的差值就可得到被測件產(chǎn)生的相位偏移。從而獲得群時延τg。而衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器本身的本振相位φLO不會影響群時延的測試結(jié)果[12]。同時，群時延測試時，多個載波同時產(chǎn)生，測試時間短，測試效率大大提高。

3 系統(tǒng)工程應(yīng)用設(shè)計

轉(zhuǎn)發(fā)器分系統(tǒng)性能驗證包括增益特性、幅度特性、時延特性、相位特性等測試項目。新測試系統(tǒng)和原測試系統(tǒng)的校準及測試設(shè)備和測試方法如表1所示。

表1 原測試系統(tǒng)和新測試系統(tǒng)比較

3.1 測試系統(tǒng)校準

對于衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器分系統(tǒng)，其包含多個波束，一個波束中包含多路轉(zhuǎn)發(fā)器通道(圖5)。

根據(jù)第2.2節(jié)理論和建模分析，利用變頻校準和測試夾具、去嵌入方法，以圖5所示的開關(guān)矩陣信號注入口和信號輸出口為分界面，對連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試系統(tǒng)共用電纜進行變頻校準，對作為測試夾具的開關(guān)矩陣和上下行星地連接電纜分別進行同頻校準。上行星地連接電纜可通過上行波束切換開關(guān)切換形成以上行波束為單位的上行鏈路。下行星地連接電纜可通過下行波束切換開關(guān)切換形成以下行波束為單位的上下行鏈路。因此，可以以上行波束為單位進行上行鏈路同頻校準，以下行波束為單位進行下行鏈路同頻校準。對于m個互為交鏈的波束(m∈N)，則僅需進行m-2次同頻校準。而采用傳統(tǒng)方式校準時，則需(m-1)×(m/2)次。因而在校準次數(shù)上，新型測試系統(tǒng)的校準次數(shù)遠低于傳統(tǒng)測試系統(tǒng)校準次數(shù)。

圖5 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀變頻校準和測試夾具校準流程Fig.5 Process of converter and fixture calibration

測試時，以通道為單位，把測試夾具的校準數(shù)據(jù)采用2.2節(jié)所述的測試夾具模型“嵌入”到變頻校準數(shù)據(jù)中，通過2.2節(jié)所述去嵌入算法，利用自動化測試軟件處理數(shù)據(jù)，形成測試時的每個通道的上行信號注入、下行信號接收校準數(shù)據(jù)。對轉(zhuǎn)發(fā)器分系統(tǒng)某個通道進行測試時，切換開關(guān)矩陣上下行通路，與此轉(zhuǎn)發(fā)器通道形成測試鏈路，調(diào)用與通道相關(guān)的波束中的校準數(shù)據(jù)即可對此通道進行測試。

由以上分析可知，新型測試系統(tǒng)在校準次數(shù)上遠低于傳統(tǒng)校準方式。因此，除了在精度方面的優(yōu)勢外，其在校準效率上也大大提高。

3.2 測試項目實施

轉(zhuǎn)發(fā)器測試時，原系統(tǒng)采用自動化測試軟件分別對信號源、頻譜儀、功率計、示波器等測試儀器進行參數(shù)設(shè)置，自動化軟件需協(xié)調(diào)信號源和頻譜儀、功率計、示波器等信號接收儀器協(xié)同工作，在儀器間切換時，需設(shè)置延遲時間以保證測試指令能有效執(zhí)行，因此，其測試效率相對較低，

新系統(tǒng)采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為核心測試儀器，基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀具有信號收發(fā)一體的快速處理能力，信號掃描和分析能力大大提高，頻譜儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的掃描時間對比如表2所示，新型測試系統(tǒng)自動化測試軟件僅需對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置掃描頻率、功率等參數(shù)，即可實現(xiàn)對轉(zhuǎn)發(fā)器測試項目的快速測試，測試效率相比于原系統(tǒng)大大提高。

表2 原測試系統(tǒng)和新測試系統(tǒng)信號掃描和處理時間

4 實測結(jié)果分析

對轉(zhuǎn)發(fā)器測試系統(tǒng)進行校準和對被測件進行測試的時間對比如圖6所示。由圖6(a)可知，新測試系統(tǒng)的校準時間遠低于原測試系統(tǒng)校準時間，其校準效率是原測試系統(tǒng)的6倍，由圖6(b)可知，通過對增益特性、幅頻特性、帶外抑制、群時延特性等轉(zhuǎn)發(fā)器測試項目的測試時間對比，新測試系統(tǒng)測試效率大幅提高，為原測試系統(tǒng)效率的8倍。但在真實衛(wèi)星測試中，增益特性等項目需采集對應(yīng)遙測數(shù)據(jù)，受限于衛(wèi)星遙測下傳速率，測試系統(tǒng)測試效率會有所降低，綜合所有測試項目和校準效率，其綜合測試效率提高3倍以上。

圖6 校準、測試時間對比Fig.6 Comparison in calibration time and test time

以轉(zhuǎn)發(fā)器通道為測試對象，使用原測試系統(tǒng)和新設(shè)計得測試系統(tǒng)分別對被測件進行增益曲線、幅度、時延特性等的測試，其對比如圖7所示，由圖7(a)，圖7(b)，圖7(c)對比和分析可知，對于增益特性、幅頻特性、帶外抑制特性等測試項目，新測試系統(tǒng)與原測試系統(tǒng)測量精度一致。而對于群時延特性，如圖7(d)所示，原測試系統(tǒng)時延在帶內(nèi)抖動較明顯，原因是原測試系統(tǒng)未校準，系統(tǒng)引入的誤差較大，而新測試系統(tǒng)精度在通信帶內(nèi)測試結(jié)果抖動較小，更接近單機數(shù)據(jù)，原因是系統(tǒng)經(jīng)多載波校準后引入的誤差小，因此，相比較而言，新測試系統(tǒng)比原測試系統(tǒng)精度更高。

圖7 新測試系統(tǒng)和原測試系統(tǒng)測試結(jié)果比對Fig.7 Measured values of amplitude frequency response and group delay

5 結(jié)論

通過測試系統(tǒng)校準時間、測試時間、測試結(jié)果的對比和分析，新測試系統(tǒng)綜合測試效率提高3倍以上，在一定程度上加快了衛(wèi)星AIT研制進度。新設(shè)計的測試系統(tǒng)在幅度、時延等測試精度方面也等同或者優(yōu)于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)器測試系統(tǒng)，并且新設(shè)計的測試系統(tǒng)還解決了相位測量等問題。結(jié)合未來通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器分系統(tǒng)越來越復雜，多波束合成技術(shù)和相控陣技術(shù)在衛(wèi)星上使用等特點，利用本文設(shè)計的測試系統(tǒng)解決了測試準備效率、測試效率、測試精度以及相位測試等問題，同時此系統(tǒng)結(jié)合自動化技術(shù)，形成了自動化的測試系統(tǒng)。因此在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器大規(guī)模測試中具備了工程應(yīng)用的能力，此項技術(shù)在在研衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器測試中已得到實際應(yīng)用，具有未來推廣應(yīng)用的前景。

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(編輯：張小琳)

Design and Application of a Novel Testing System for Satellite Transponder

HOU Weiguo ZHOU Hui MAN Zifeng CHAI Yuan ZHAO Yuan

(Institute of Telecommunication Satellite, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China)

Considering to the characteristics of satellite transponder, a novel test system is presented with theoretical analysis and experimental verification, which is the first time to apply the method of differ-frequency vector calibration, system-level test fixture and de-embedding theory. The measured results demonstrate that the average test efficiency is improved by three times than that of traditional test system, and the measurement precision is also improved. The novel test system proves to be effective in applications and has a great extension value.

transponder test; differ-frequency vector calibration; system-level test fixture; de-embedding

2014-11-13；

2015-06-29

國家重大航天工程

侯衛(wèi)國，男，工程師，從事通信有效載荷測試系統(tǒng)研發(fā)和測試工作。Email：houweiguo88@163.com。

TN98

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.04.020