鐘洋,盧剛,王偉豪
(中電科蓉威電子技術(shù)有限公司,四川成都,610074)
相控陣天線快速測(cè)試系統(tǒng)適用于相控陣天線緊縮場(chǎng)指標(biāo)測(cè)試與通信終端測(cè)試,能夠高效的完成2GHz~40GHz(可擴(kuò)展至110GHz)頻段內(nèi)天線的指標(biāo)測(cè)試功能。滿足傳統(tǒng)測(cè)試場(chǎng)功能,兼?zhèn)湎嗫仃囂炀€測(cè)試針對(duì)性能功能:相控陣天線自動(dòng)/手動(dòng)方向圖測(cè)試、收發(fā)方向圖加權(quán)調(diào)試、幅度/相位方向圖測(cè)試、全域指向精度測(cè)試、相位中心測(cè)試、幅相校準(zhǔn)測(cè)試、波束寬度測(cè)試、軸比測(cè)試、波束躍度測(cè)試、旁瓣抑制、遠(yuǎn)副瓣抑制、P-1dB 點(diǎn)測(cè)試、EIRP、G/T、EVΜ 測(cè)試等測(cè)試。
同時(shí)系統(tǒng)采用分布式測(cè)試系統(tǒng)控制功能分散、操作管理集中的基本設(shè)計(jì)思想,使用多層分級(jí),合作自治的結(jié)構(gòu)形式,由過(guò)程控制和過(guò)程監(jiān)控組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級(jí)系統(tǒng),綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)及顯控技術(shù)等。
系統(tǒng)把計(jì)算機(jī)、儀器儀表和綜合控制技術(shù)融合在一起,配合專門開(kāi)發(fā)的軟件,可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)話采集及處理、工藝過(guò)程畫面顯示、參數(shù)超門限報(bào)警、故障報(bào)警和測(cè)試結(jié)果報(bào)表打印等功能。同時(shí),系統(tǒng)設(shè)置有安全操作權(quán)限級(jí)別,既方便了管理,又使系統(tǒng)運(yùn)行更加安全可靠。
在天線批量生產(chǎn)過(guò)程中,相同的產(chǎn)品需要測(cè)試任務(wù)雷同,制定完整的生產(chǎn)流程,能有效提高生產(chǎn)效率。
本系統(tǒng)由反射面及饋源子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺(tái)子系統(tǒng)、射頻子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、軟件子系統(tǒng)、微波暗室子系統(tǒng)等組成。
圖1 測(cè)試系統(tǒng)組成框圖
反射面及饋源子系統(tǒng)主要由反射面、饋源、安裝支架等組成。
由于遠(yuǎn)場(chǎng)天線測(cè)量的條件是要使天線表面的最大相位差達(dá)到22.5°,即要使待測(cè)天線的最小距離大于臨界值[1]。這個(gè)距離隨著天線運(yùn)行頻率的上升而不斷增大。緊縮場(chǎng)測(cè)量技術(shù)就是在這個(gè)背景下提出來(lái)的一個(gè)應(yīng)對(duì)高頻天線測(cè)量的解決方案。反射面及饋源的作用是在近距離內(nèi)將饋源發(fā)出的球面波通過(guò)準(zhǔn)直元件轉(zhuǎn)換為平面波,形成幅相分布特性近乎于理想的平面波照射區(qū)(靜區(qū))特性,從而滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試需求。
反射面及饋源產(chǎn)生平面波將聚集在平行波束內(nèi),對(duì)暗室內(nèi)四個(gè)側(cè)壁的照射電平很低,進(jìn)而降低系統(tǒng)了對(duì)暗室吸波性能的要求。
反射面及饋源子系統(tǒng)具有良好的保密特性,且不受外界氣候環(huán)境影響,既改善了測(cè)試條件,又能夠提高測(cè)試效率,可實(shí)現(xiàn)全天候測(cè)試[2];反射面及饋源子系統(tǒng)工作頻率很寬,可以滿足2~110GHz 測(cè)試要求。
轉(zhuǎn)臺(tái)子系統(tǒng)的是自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵硬件之一,它的作用是安裝待測(cè)天線,能精確改變待測(cè)天線的方位或俯仰角度以滿足測(cè)試要求。
轉(zhuǎn)臺(tái)子系統(tǒng)包括:方位/俯仰/平移轉(zhuǎn)臺(tái)、轉(zhuǎn)臺(tái)控制器、控制電纜等。
天線轉(zhuǎn)臺(tái)傳動(dòng)路線:電機(jī)→高精度蝸輪→轉(zhuǎn)臺(tái)主軸。
有三大特點(diǎn):a.傳動(dòng)鏈短;b.可滿足低速高精度要求;c.具有自鎖特性。
射頻子系統(tǒng)主要由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜分析儀、矢量信號(hào)源、放大器、射頻開(kāi)關(guān)、源天線、標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線、射頻電纜組件等組成。
射頻子系統(tǒng)的作用:在控制子系統(tǒng)的控制下,在發(fā)射端提供給被測(cè)相控陣天線或反射面及饋源一定要求的射頻激勵(lì)信號(hào);在接收端,接收和采集射頻信號(hào);測(cè)試數(shù)據(jù)保存在儀表緩存內(nèi),隨后被控制子系統(tǒng)讀取進(jìn)行后續(xù)處理;
(1)在進(jìn)行方向圖測(cè)試時(shí),射頻信號(hào)的激勵(lì)和接收設(shè)備均為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀;
(2)在進(jìn)行EIRP、G/T 指標(biāo)測(cè)試時(shí),需要額外用到頻譜分析儀;
(3)在進(jìn)行EVΜ 測(cè)試時(shí),需要用到頻譜分析儀和矢量信號(hào)源。
控制子系統(tǒng)主要由測(cè)試時(shí)序控制器、開(kāi)關(guān)控制器、控制電纜等組成。
控制子系統(tǒng)的作用:完成轉(zhuǎn)臺(tái)子系統(tǒng)、射頻子系統(tǒng)、相控陣天線波控系統(tǒng)的協(xié)同工作,完成高效的方向圖多任務(wù)測(cè)試和校準(zhǔn)測(cè)試。
軟件子系統(tǒng)包括:遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試軟件、相控陣校準(zhǔn)軟件、數(shù)據(jù)處理軟件等。
軟件子系統(tǒng)的作用:遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試軟件控制轉(zhuǎn)臺(tái)子系統(tǒng)按照既定的路線進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng),控制射頻子系統(tǒng)產(chǎn)生射頻激勵(lì);從儀表中讀取和保存測(cè)試數(shù)據(jù);相控陣校準(zhǔn)軟件控制轉(zhuǎn)臺(tái)子系統(tǒng)、相控陣天線和射頻子系統(tǒng),完成通道切換和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的采集;數(shù)據(jù)處理軟件用于處理遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖數(shù)據(jù),得到增益、副瓣、波束寬度等一系列遠(yuǎn)場(chǎng)輻射性能參數(shù)。
微波暗室子系統(tǒng)包括:屏蔽主體、吸波材料、通風(fēng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、濾波系統(tǒng)等系統(tǒng)。微波暗室子系統(tǒng)的作用:提供一個(gè)近似無(wú)反射的理想電磁環(huán)境,降低各種反射和散射誤差地測(cè)試的影響。微波暗室模擬的是自由空間電磁環(huán)境,暗室的六面體全部粘貼吸波材料,并在主反射區(qū)粘貼比其它區(qū)域更高性能的吸波材料[3]。微波暗室建設(shè)的原則是在各個(gè)方向都沒(méi)有被反射的電磁波。靜區(qū)是根據(jù)被測(cè)天線的有效尺寸,頻率范圍,天線特性確定的重要指標(biāo),靜區(qū)內(nèi)的電磁環(huán)境應(yīng)符合被測(cè)天線測(cè)試的需要[4]。
相控陣天線有源通道數(shù)量通常會(huì)達(dá)到成百上千,每個(gè)有源通道都有收/發(fā)態(tài)的控制,以及衰減碼和移相碼的控制,需要控制的數(shù)據(jù)量大[5]。本系統(tǒng)在傳統(tǒng)無(wú)源天線測(cè)試的基礎(chǔ)上,以測(cè)試時(shí)序控制器為核心,提供具有多頻點(diǎn)、多波束、多通道的測(cè)試系統(tǒng),從硬件接口和軟件接口進(jìn)行設(shè)計(jì),給出測(cè)試過(guò)程中的關(guān)鍵控制點(diǎn)和工作流程,使得本系統(tǒng)具有較高的測(cè)試效率。
圖2 方向圖測(cè)試原理框圖
(1) 收發(fā)多波位多頻點(diǎn)方向圖自動(dòng)測(cè)試
機(jī)械方位軸轉(zhuǎn)臺(tái)采用間斷運(yùn)動(dòng)方式,把運(yùn)動(dòng)軌跡分割成多段連續(xù)的軌跡,每次運(yùn)動(dòng)到間隔停頓點(diǎn)后停止運(yùn)動(dòng),等待被測(cè)產(chǎn)品多個(gè)頻率、多個(gè)波位、多個(gè)通道的方向圖測(cè)量完成后繼續(xù)運(yùn)動(dòng),此方式為自動(dòng)方向圖測(cè)試,此方法一次可獲得多張方向圖信息,在測(cè)量多張方向圖時(shí)會(huì)節(jié)約相當(dāng)多個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行時(shí)間,可用于批量生產(chǎn)時(shí)大量方向圖的測(cè)試任務(wù)。
接收測(cè)試時(shí),通道可對(duì)和、方位差、俯仰差三個(gè)通道進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試,而發(fā)射測(cè)試時(shí),一般只對(duì)和通道進(jìn)行測(cè)試。
(2) 全閉環(huán)方向圖測(cè)試
遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖測(cè)試根據(jù)不同的測(cè)試需求可分為:
①多頻點(diǎn)多波位多通道測(cè)試;
②單頻點(diǎn)多通道測(cè)試;
③增益包絡(luò)掃描測(cè)試;
④定點(diǎn)電掃測(cè)試;
⑤無(wú)源多頻點(diǎn)多通道測(cè)試模式。
其中多頻點(diǎn)多波位多通道測(cè)試單頻點(diǎn)多通道測(cè)試、增益包絡(luò)掃描測(cè)試、定點(diǎn)電掃測(cè)試適用于有源相控陣天線測(cè)試。單頻點(diǎn)多通道測(cè)試與無(wú)源多頻點(diǎn)多波位測(cè)試適用于無(wú)源天線測(cè)試。
針對(duì)方向圖測(cè)試的特性,多頻點(diǎn)多波位多通道測(cè)試、單頻點(diǎn)多通道測(cè)試、無(wú)源多頻點(diǎn)多通道測(cè)試需要兼顧高效率、高精度的要求,對(duì)系統(tǒng)做出了更高的要求;系統(tǒng)通過(guò)多功能控制盒、波控盒與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的硬件交互實(shí)現(xiàn)測(cè)試鏈路硬件全閉環(huán)方式達(dá)到遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖高效率、高精度的測(cè)試。
方向圖測(cè)試過(guò)程中,使用校準(zhǔn)數(shù)據(jù),生成幅相補(bǔ)償數(shù)據(jù),可得到初始的方向圖。若此時(shí)需要修改方向圖的指標(biāo),如副瓣指標(biāo)不達(dá)標(biāo),則需要進(jìn)行加權(quán)調(diào)試。
利用校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和測(cè)試的方向圖數(shù)據(jù)(幅度相位數(shù)據(jù)),通過(guò)算法軟件生成新的幅相補(bǔ)償數(shù)據(jù),使用新生成的幅相補(bǔ)償數(shù)據(jù)重新測(cè)試方向圖后,判斷指標(biāo)是否合格,如未合格,利用新測(cè)試的方向圖數(shù)據(jù),再次生成幅相補(bǔ)償數(shù)據(jù)后測(cè)量方向圖,重復(fù)迭代,直至測(cè)試結(jié)果滿足指標(biāo)要求即可。
圖3 方向圖加權(quán)調(diào)試流程
有源相控陣天線由多個(gè)單元組成,每個(gè)單元上包含天線單元、收發(fā)開(kāi)關(guān)、低噪聲放大器、移相器、可變?cè)鲆娣糯笃鞯榷鄠€(gè)電路單元。受供電、工作環(huán)境、元器件老化等多方面因素影響,相控陣天線的各單元上的幅度和相位會(huì)發(fā)生變化,因此在使用有源相控陣天線時(shí),需通過(guò)內(nèi)校準(zhǔn)或外校準(zhǔn)手段對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。其中外校準(zhǔn)把天線單元連同有源通道一起校準(zhǔn),效果最佳,被廣泛應(yīng)用。
全閉環(huán)校準(zhǔn)觸發(fā)步驟如下:
(1)遠(yuǎn)場(chǎng)校準(zhǔn)前提前預(yù)置天線通道狀態(tài)至波控盒;
(2)通過(guò)多功能控制盒的復(fù)位信號(hào)觸發(fā)波控盒,波控盒接收到復(fù)位信號(hào)后根據(jù)預(yù)置的天線通道狀態(tài)矩陣依次下發(fā)天線通道狀態(tài)指令;
(3)波控盒下發(fā)天線通道狀態(tài)指令后反饋LDAC 同步信號(hào)至多功能控制盒;
(4)多功能控制盒接收到LDAC 同步信號(hào)輸出觸發(fā)同步信號(hào)至矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀外部觸發(fā)信號(hào)接口;
(5)天線通道狀態(tài)矩陣輸出完畢后,系統(tǒng)采集天線所有通道的測(cè)試頻點(diǎn)的幅度相位值。
多通道天線、DBF 有源相控陣天線存在通道一致性問(wèn)題,并且陣元間存在互耦的情況,可在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下進(jìn)行單通道加電,通過(guò)去耦合算法,對(duì)所測(cè)陣元兩種相位態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)處理,消去耦合參量,從而得到全陣各通道無(wú)互耦的幅相數(shù)據(jù)。
通過(guò)校準(zhǔn)流程,測(cè)試軟件采集到每個(gè)單元單獨(dú)輻射的幅度相位信息,而后可以通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換為碼值,提供給波控作補(bǔ)碼使用。
有源相控陣天線的一個(gè)重要性能指標(biāo)是EIRP(Equivalent Isotropic Radiated Power,等效全向輻射功率),其定義是天線增益和發(fā)射功率的乘積。對(duì)常規(guī)天線系統(tǒng)的EIRP 指標(biāo)測(cè)試方法是分別測(cè)出天線增益和射頻通道的發(fā)射功率,按定義計(jì)算出EIRP值。但是對(duì)于有源相控陣天線,天線陣面和射頻通道的T/R 組件是集成在起的,事實(shí)上很難分開(kāi)測(cè)量相控陣天線陣面的增益和T/R 組件的發(fā)射功率。為此,采用遠(yuǎn)場(chǎng)直接法測(cè)量有源相控陣天線EIRP,結(jié)合既往工程實(shí)例,該方法是切實(shí)可行的,可在實(shí)際工程測(cè)量應(yīng)用[6]。
有源相控陣天線EIRP 測(cè)量的原理方框圖如圖4 所示。圖中標(biāo)準(zhǔn)天線通常采用標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭或標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)探頭,其增益精確已知。
圖4 遠(yuǎn)場(chǎng)法測(cè)相控陣天線EIRP 原理框圖
由EIRP 的定義可知:
式中:P為天線發(fā)射功率;G為天線發(fā)射增益。
遠(yuǎn)場(chǎng)直接法測(cè)量有源相控陣天線EIRP 方法是利用頻譜分析儀測(cè)量出被測(cè)相控陣天線的發(fā)射EIRP,經(jīng)自由空間衰減后,由標(biāo)準(zhǔn)增益天線所接收到的功率大小,利用電磁波自由空間傳播方程來(lái)確定被測(cè)天線的EIRP 值。采用分貝值表示的頻譜分析儀測(cè)量信號(hào)功率電平為:
式中:Pmea為頻譜儀測(cè)量的信號(hào)功率電平(單位:dBm);EIRP為有源相控陣天線的發(fā)射EIRP(單位:dBm);GS為標(biāo)準(zhǔn)天線增益(單位:dBi);LRF為標(biāo)準(zhǔn)天線和頻譜儀之間射頻線纜的插入損耗(單位:dB);LP為電磁波自由空間傳輸損耗(單位:dB):
由上可得被測(cè)有源相控陣天線的發(fā)射EIRP值為:
若被測(cè)天線的極化特性是圓極化,利用上式測(cè)量出待測(cè)天線圓極化長(zhǎng)軸方向的EIRP值,然后加上極化損耗即為被測(cè)天線的發(fā)射EIRP值。被測(cè)天線的軸比為AR(單位:dB),則計(jì)算極化損失Lpol為:
以絕對(duì)法測(cè)試G/T 來(lái)計(jì)算[7]:
C:頻譜儀測(cè)量的載波功率,為信號(hào)源開(kāi)啟時(shí)頻譜儀接收到的信號(hào)功率;
N:頻譜儀測(cè)量的噪聲功率,為信號(hào)源沒(méi)開(kāi)啟時(shí)頻譜儀的噪聲功率;
LP:自由空間的傳播損耗;
B:接收機(jī)的噪聲帶寬,等于頻譜儀分辨帶寬RBW 的1.2倍;
Pt:標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線的發(fā)射功率,單位為dBW;
GS:標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線的增益。
圖5 G/T 測(cè)試框圖
180°范圍內(nèi),9 頻點(diǎn)5 波位方向圖測(cè)試時(shí)間(從測(cè)試開(kāi)始到結(jié)束):
(1)在IFBW =1kHz 時(shí),儀表單頻點(diǎn)單次測(cè)量時(shí)間約為1.3ms;
(2)基于硬件RTC 波束切換同步時(shí)間約為200us,在不考慮整機(jī)反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)的情況下單次波束切換為200us;
(3)以列表模式設(shè)置同頻率下不同波束設(shè)置為同一表段內(nèi),矢網(wǎng)單次可設(shè)置不少于200 個(gè)段表;
(4)9 個(gè)頻點(diǎn)共計(jì)生成9 個(gè)不同的段表,每個(gè)段表內(nèi)涵蓋5 個(gè)波位即5 個(gè)觸發(fā)點(diǎn);
(5)上位機(jī)系統(tǒng)在一個(gè)角度點(diǎn)位僅需讀取一次儀表參數(shù),即系統(tǒng)在同一角度位置將9 個(gè)頻點(diǎn)和5 個(gè)波位數(shù)據(jù)一次讀取,網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)長(zhǎng)加儀表讀取時(shí)長(zhǎng)約為30ms;
(6)基于以上內(nèi)容匯總可知,單角度位置時(shí)間開(kāi)銷為:(1.3+0.2)×5×9+30=97.5ms;
(7)180 度范圍內(nèi)步進(jìn)間隔0.1°需要1801 個(gè)采樣點(diǎn),總時(shí)間開(kāi)銷為:1801×97.5/1000=176s。
4GHz 工作帶寬、頻點(diǎn)個(gè)數(shù)≥64 個(gè)、通道個(gè)數(shù)≥800 個(gè)、單極化單次校準(zhǔn)時(shí)間,以下是速度評(píng)估計(jì)算:
(1)在IFBW=1kHz 時(shí),儀表單頻點(diǎn)單次測(cè)量時(shí)間約為1.3ms;
(2)基于硬件RTC 波束切換同步時(shí)間約為200μs,在不考慮整機(jī)反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)的情況下單次波束切換為200μs;
(3)以列表模式設(shè)置同頻率下不同波束設(shè)置為同一表段內(nèi),矢網(wǎng)單次可設(shè)置不少于200 個(gè)段表;
(4)64 個(gè)頻點(diǎn)共計(jì)生成64 個(gè)不同的段表,每個(gè)段表內(nèi)涵蓋800 個(gè)通道即800 個(gè)觸發(fā)點(diǎn);
(5)上位機(jī)系統(tǒng)在一個(gè)角度點(diǎn)位僅需讀取一次儀表參數(shù),即系統(tǒng)在同一角度位置將64 個(gè)頻點(diǎn)和800 個(gè)波位數(shù)據(jù)一次讀取,網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)長(zhǎng)加儀表讀取時(shí)長(zhǎng)約為50~100ms;
(6)基于以上內(nèi)容匯總可知,單角度位置時(shí)間開(kāi)銷為:(1.3+0.2)×64×800+100 =76900ms ≈77s。
單個(gè)剖面、180°范圍內(nèi)、9 個(gè)頻點(diǎn)、9 個(gè)波位方向圖測(cè)試時(shí)間(包含測(cè)試狀態(tài)切換、數(shù)據(jù)采集和傳輸、滿足測(cè)試步進(jìn)0.1°要求):
(1)在IFBW=1kHz 時(shí),儀表單頻點(diǎn)單次測(cè)量時(shí)間約為1.3ms;
(2)基于測(cè)試時(shí)序控制器(RTC)波束切換同步時(shí)間約為200μs,在不考慮整機(jī)反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)的情況下單次波束切換為200μs;
(3)以列表模式設(shè)置同頻率下不同波束設(shè)置為同一表段內(nèi),矢網(wǎng)單次可設(shè)置不少于200 個(gè)段表;
(4)9 個(gè)頻點(diǎn)共計(jì)生成9 個(gè)不同的段表,每個(gè)段表內(nèi)涵蓋9 個(gè)波位即9 個(gè)觸發(fā)點(diǎn);
(5)上位機(jī)系統(tǒng)在一個(gè)角度點(diǎn)位僅需讀取一次儀表參數(shù),即系統(tǒng)在同一角度位置將9 個(gè)頻點(diǎn)和9 個(gè)波位數(shù)據(jù)一次讀取,該數(shù)據(jù)量較小,網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)長(zhǎng)加儀表讀取時(shí)長(zhǎng)約為50ms;
(6)基于以上內(nèi)容匯總可知,單角度位置時(shí)間開(kāi)銷為:(1.3+0.2)×9×9+50 =171.5ms;
(7)180 度范圍內(nèi)步進(jìn)間隔0.1°需要1801 個(gè)采樣點(diǎn),總時(shí)間開(kāi)銷為:1801×171.5/1000=309s。
通過(guò)對(duì)基于緊縮場(chǎng)暗室的相控陣天線快速測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究,分析了相控陣天線校準(zhǔn)原理,介紹了本系統(tǒng)的具體組成及各種工作模式,并對(duì)測(cè)試效率進(jìn)行了評(píng)估,證明了該套基于緊縮場(chǎng)暗室的相控陣天線快速測(cè)試系統(tǒng)可以解決此前相控陣天線測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)、成本高的問(wèn)題,為相控陣天線及終端廠家解提高生產(chǎn)測(cè)試能力。