某引進(jìn)雷達(dá)超寬帶數(shù)字移相器測(cè)試方法研究

■ 張代宏/軍藍(lán)科技集團(tuán)總公司

0 引言

移相器是相控陣?yán)走_(dá)實(shí)現(xiàn)波束掃描的重要器件，通過(guò)控制輻射單元的相位，改變天線方向圖最大值的指向，實(shí)現(xiàn)天線掃描。一部相控陣?yán)走_(dá)天線往往由上千塊移相器組成，移相器的性能和指標(biāo)決定了相控陣?yán)走_(dá)天線的整體性能，在很大程度上影響著雷達(dá)的抗干擾能力、靈敏度和精度等重要指標(biāo)。根據(jù)移相器相位是否可以連續(xù)變化，可分為數(shù)字移相器和模擬移相器。數(shù)字移相器只能根據(jù)特定值改變移相量，其相位只能逐步改變。移相器的位數(shù)越多，相位控制越精細(xì)，控制電路也越復(fù)雜。模擬移相器的相位可以連續(xù)改變。

本文對(duì)一種引進(jìn)型雷達(dá)超寬帶數(shù)字移相器的工作特性及其測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、主要技術(shù)性能和參數(shù)測(cè)試方法進(jìn)行詳細(xì)介紹，為維修工作提供參考。

1 超寬帶數(shù)字移相器工作原理

該型移相器為PIN 二極管移相器，是典型的數(shù)字移相器。該移相器共有6個(gè)PIN 二極管，每個(gè)二極管的相移量為45°。每?jī)蓚€(gè)二極管組成一對(duì)，第一對(duì)對(duì)應(yīng)的相移量為45°，第二對(duì)對(duì)應(yīng)的相移量為90°，第三對(duì)對(duì)應(yīng)的相移量為180°。當(dāng)二極管反向偏壓時(shí)，信號(hào)進(jìn)行相移，二極管正向偏壓信號(hào)不相移。

移相器控制圖如圖1 所示。

圖1 移相器控制圖

移相器兩端的輻射器為半波振子，用于接收和輻射超高頻信號(hào)。移相器的移相量由轉(zhuǎn)換器控制移相器中的6 個(gè)PIN 二極管來(lái)確定移相器的相移量。波控機(jī)輸出三位二進(jìn)制碼P1、P2、P3 送到移相器的轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器將P1、P2、P3 信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制二極管相移的控制信號(hào)，以此來(lái)確定移相器的移相量。例如，當(dāng)P3P2P1=“101”時(shí)，第一級(jí)45°、第二級(jí)0°、第三級(jí)180°，總移相量為225°。

移相器外部設(shè)有檢查電路，輸出邏輯電平“0”“1”來(lái)判斷轉(zhuǎn)換器工作是否正常，轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)也對(duì)應(yīng)著PIN 二極管的工作狀態(tài)。

2 測(cè)試系統(tǒng)工作原理

整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)由硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)組成。硬件包括時(shí)域測(cè)試設(shè)備、信號(hào)產(chǎn)生設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、天線測(cè)試平臺(tái)、計(jì)算機(jī)和附件，系統(tǒng)整體框圖如圖2 所示。

圖2 移相器測(cè)試系統(tǒng)框圖

2.1 測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)備

1）時(shí)域測(cè)試設(shè)備

時(shí)域測(cè)試設(shè)備產(chǎn)生超寬帶脈沖信號(hào)，并接收天線單元的回波信號(hào)，采集并變換為可分析的數(shù)據(jù)信息輸出到計(jì)算機(jī)。時(shí)域測(cè)試設(shè)備的組成框圖如圖3 所示。

圖3 時(shí)域測(cè)試設(shè)備組成框圖

超寬帶脈沖源產(chǎn)生的極窄脈沖為亞納秒級(jí)，由發(fā)射天線輸出。脈沖的上升時(shí)間為50ps，下降時(shí)間為60ps，寬度為150ps，為高斯激勵(lì)脈沖源，10dB 帶寬為DC ～7.5GHz。

2）超寬帶采樣設(shè)備

超寬帶采樣設(shè)備的功能是在采樣脈沖源的作用下，將接收信號(hào)等效變換為MHz 以下的信號(hào)，以便進(jìn)行采集和處理。

3）信號(hào)產(chǎn)生設(shè)備

信號(hào)產(chǎn)生設(shè)備主要為時(shí)域測(cè)試設(shè)備提供移相器測(cè)試用的S1、S2 控制信號(hào)和P1、P2、P3 相位碼及時(shí)鐘信號(hào)。信號(hào)產(chǎn)生設(shè)備可選用ArbStudio 1104D 多路可編程信號(hào)發(fā)生器，可產(chǎn)生4 路模擬、36 路數(shù)字信號(hào)。

4）數(shù)據(jù)采集設(shè)備

數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要用于對(duì)超寬帶采樣設(shè)備的輸出信號(hào)進(jìn)行采集，并對(duì)控制信號(hào)、移相碼和移相器檢查電路的輸出信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)?？蛇x用Agilent U2701 100MHz 雙通道示波器模塊，該模塊帶寬可達(dá)100MHz，采樣率為500Ms/s，通過(guò)USB 電纜進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)讀取。

2.2 測(cè)試系統(tǒng)軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)主要采用Labview 圖形化語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，主要功能模塊由流程控制檢測(cè)模塊、人機(jī)界面模塊、數(shù)據(jù)采集控制模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊等組成，如圖4 所示。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)軟件框圖

3 移相器控制及檢測(cè)原理

1）移相器故障自檢性能測(cè)試

該型移相器的核心部件是PIN 二極管，可通過(guò)檢測(cè)PIN 二極管工作是否正常來(lái)判斷移相器是否發(fā)生故障。在雷達(dá)上設(shè)計(jì)了專(zhuān)用檢測(cè)電路來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)并輸出故障信號(hào)。單獨(dú)對(duì)移相器進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可為轉(zhuǎn)換器提供移相器正常工作所需電源及相關(guān)控制信號(hào)，利用檢查電路來(lái)判斷移相器工作是否正常。

2）移相量測(cè)試

采用數(shù)據(jù)分析和對(duì)比測(cè)試的方法可進(jìn)行移相量測(cè)試。測(cè)試時(shí)，首先建立波形基準(zhǔn)，一般采集P1P2P3 為“000”時(shí)超寬帶采樣設(shè)備的輸出信號(hào)作為測(cè)試基準(zhǔn)信號(hào)；建立內(nèi)部基準(zhǔn)后，信號(hào)產(chǎn)生器在流程控制模塊的控制下產(chǎn)生001 ～111 的控制碼，測(cè)量超寬帶采樣設(shè)備的輸出信號(hào)，對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)和移相后波形進(jìn)行濾波、平均、FFT 運(yùn)算、加高斯窗等信號(hào)處理后，計(jì)算出移相器的實(shí)際移相值。

4 應(yīng)用情況

該測(cè)試系統(tǒng)已應(yīng)用于該型引進(jìn)雷達(dá)的移相器測(cè)試，可便捷、準(zhǔn)確地對(duì)移相器進(jìn)行檢測(cè)，大大提高了器件檢測(cè)效率。