CN109307859B - 一种tr组件幅相特性快速微波测试系统 - Google Patents

一种tr组件幅相特性快速微波测试系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种TR组件幅相特性快速微波测试系统，采用变频器将TR组件的射频信号频率降低到中频，幅度检波和相位检波均在中频完成；包括：TR组件指令控制系统，矩阵开关系统，变频、中频检波以及采样电路，上位机和以太网通信控制系统，上位机控制系统工作以及数据检测和测试报表的生成，以太网通信用于自动化测试系统各个模块间指令和数据的传输。本发明通过矩阵开关系统将多个待测的TR组件的射频端口缩减至两个端口与测试电路连接，同时将射频信号变频到中频使测试更加快捷。

Description

一种TR组件幅相特性快速微波测试系统
技术领域
本发明涉及微波测试系统领域，特别涉及一种TR组件幅相特性快速微波测试系统，实现应用于相控阵雷达的TR组件幅相特性快速测试。
背景技术
微波功能模块的测试步骤繁琐，所需仪器、工装种类多，并且随着通信技术的提高，测试任务也随之发展，为应对多指标测试、大批量测试以及多种环境测试等新要求，业界开发了微波模块的自动化测试系统。微波模块自动化测试系统包含以下组件：(1)微波开关矩阵切换系统；(2)微波模块指令发送控制组件；(3)微波仪器、电源、控制器等测试测量仪器；(4)通信模块、上位机控制及数据处理系统。微波矩阵开关切换系统用于切换射频信号通路，为仪器和待测模块提供信号连接通路，测试系统要求一套测试仪器能够同时测试多个微波模块，因此采用微波矩阵开关系统和虚拟仪器技术可最大限度降低仪器台套数需求，降低测试系统成本并提高测试效率。当前微波模块往往具有较为复杂的外部控制接口，因此在测试时要求采用微波模块指令发送控制组件给模块发送命令以配合模块各种功能测试，该控制组件需根据待测的微波模块定制化设计，为该微波模块测试专用。仪器一般包含频谱仪、信号源、网络分析仪以及功率计等微波仪器，以及电源、示波器等通用仪器，由于仪器价格昂贵，仪器部分往往为整个测试系统成本最高的部分。通信模块和上位机控制及数据处理系统主要功能是为前三个组件提供以太网通信服务，控制各个组件工作并读取测试数据，并在计算机后台处理测试数据形成报表。
TR组件(射频收发组件：Transmitter and Receiver)为相控阵雷达的核心部件，有源相控阵雷达每个天线单元均配有一个TR组件，每个TR组件均可视为均有独立收发功能的雷达射频前端。单部有源相控阵雷达往往集合了数千个独立的TR组件，因而在雷达的生产中TR组件生产和测试的数量极大，同时单个TR组件需要测试指标多、需要处理的测试数据量大，这对自动化测试系统提出了严格的要求。大批量TR组件的测试和数据提取的速度和精度对相控阵雷达研发和生产的性能和进度具有重要支配作用。TR组件的主要性能指标为接收链路和发射链路的幅度和相位特性(简称幅相特性)，包括通道增益、数控衰减梯度值、数控移相梯度值以及不同温度下的幅相特性，幅相特性是TR组件在不同工作状态下链路的增益幅度和相位详细索引表，是后期相控阵雷达进行任意波束赋形基础，由于该表的数据量巨大，因此幅相特性的测试速度和测试精度对雷达的性能和研发生产进度具有巨大的影响。
关于TR组件的自动化测试系统的研究，国内外有大量的文献，如文献【1】：(李为玉.TR组件S参数自动测试软件的设计和应用.现代电子技术，2012 ,35(13)：123-125。)实现了一种TR组件S参数的自动化测试系统，可以对接收和发射链路在不同移相和衰减条件下自动测试，研究重点在于仪器编程、脉冲状态TR组件全自动化测试方法以及移相数据处理软件的设计。该方法已在有源相控阵天线的自动化测试上得到成功应用，具有准确方便快速等特点，在工程实践中取得了良好的效果。文献【2】(倪建丽，王文伟 .TR组件自动测试系统设计.应用研究，2012:74 .)介绍了一种全自动TR组件测试系统，该系统包括测试仪器、TR 组件控制器、开关矩阵、控制计算机、以太网通信等部件，测试时计算机通过以太网给TR组件控制器发送指令，控制器来配置TR组件的工作通道、占空比、衰减量、相移量等参数，开关矩阵用于联通射频通路，微波仪器用于发射和接收信号，最终由计算机读取仪器测试结果。系统采用成熟的以太网技术，代替传统GPIB总线技术，提高数据传输速度，采用COM编程方式，大大降低了软件的复杂性，简化系统软件设计，提高了系统的兼容性、易用性、通用性和开放性。文献【3】(吕杨，王团结，李兵，任鹏宇，肖秋 .多通道T/R组件自动测量系统设计及软件优化 .火控雷达技术，2017 ,46(4)：86-90 .)介绍了一种专用化TR组件多通道自动测试系统，该系统利用通用仪表、专用微波开关系统及适配器装置，基于虚拟仪器Labview软件编程技术组建而成，可同时进行二十路TR组件的脉冲测量，显著提高了测量效率，大量节约成本。文献【4】(高宝文，史爱国 .某产品TR组件发射机自动测试工装设计 .信息与电脑，2017 , 12：58-61)提出一种大规模TR组件的老练自动化测试系统，一次可连接测试80个TR组件，极大的提高了多频点大批量TR组件的测试效率。同时该系统可通过软件操作对测试需求进行自定义，测试数据可自动化保存和处理，并直接生成测试报告。
上述的测试系统具有如下不足：
上述自动化测试系统中均使用微波仪器，仪器较为昂贵且运行成本高，不适合 产线使用。
微波仪器难以兼顾测试速度和测试精度，开机需预热，单次扫描时间过长，且测试数据需多次平均，导致测试效率不高。
上述自动化测试系统需定期校准以维持一定的误差精度。
导致的原因：
上述自动化测试系统中均使用微波仪器进行射频信号的产生和测试，仪器较为昂贵且在产线等恶劣环境下需对仪器做外围防护，同时大批量多参数的TR测试占用大量仪器时间，因而该类自动化测试系统运行成本高。
微波仪器的响应时间为ms量级，为精确测试，常需要对测试结果进行数秒的平均运算，这极大的降低了测试效率，提高了运行成本。
微波仪器使用时往往需要开机预热半小时以保证测试结果稳定，不能够即时使用，降低工作效率。
自动化测试系统需提前校准方可使用，运行中还应定期校准以消除系统测试误差。
发明内容
针对现存技术存在的不足之处，本发明一种TR组件幅相特性快速微波测试系统。
本发明实现其技术目的技术方案是：一种TR组件幅相特性快速微波测试系统，采用变频器将TR组件的射频信号频率降低到中频，幅度检波和相位检波均在中频完成；包括：
(1)TR组件指令控制系统，它的作用是供电、同步脉冲输入以及控制TR工作状态；
(2)矩阵开关系统，将多个待测TR组件的射频端口缩减至两个端口与测试电路连接；
(3) 测试电路，用于完成射频信号的幅度和相位检测；；
(4)上位机和以太网通信控制系统，上位机控制系统工作以及数据检测和测试报表的生成，以太网通信用于测试系统中指令和数据的传输；
其中，测试电路包括发射通道、接收通道，在发射通道中，恒温晶振产生 70MHz 中频信号，第二功分器将该中频信号一分为二，一路上变频后经滤波和矩阵开关系统送往 TR组件，另一路与下变频的中频送往鉴相器完成比相测相位功能；接收通道由 TR 接收端开始，由 TR 组件、矩阵开关系统输出的射频信号经下变频至中频滤波后由第一功分器分为两路，一路接鉴相器用于鉴相，一路接对数检波器用于幅度检测，鉴相器和对数检波器的输出由 AD 转换器转换成数字信号供上位机使用。
本发明通过矩阵开关系统将多个待测的TR组件的射频端口缩减至两个端口与测试电路连接，同时将射频信号变频到中频使测试更加快捷。另外中频检测具有电路简单，易实现，动态范围大，成本低等优点，在RF频率比较高时一般要变频到中频进行幅相检测。
进一步的，上述的TR组件幅相特性快速微波测试系统中：所述的TR组件指令控制系统包括指令控制器，对应一个TR组件的一组指令控制器产生收发开关切换信号、同步发射信号以及多位衰减器控制电平和多位移相器控制电平。
进一步的，上述的TR组件幅相特性快速微波测试系统中：所述的矩阵开关系统实现信号路径的切换，将信号路径建立在测试电路和TR组件之间。
进一步的，上述的TR组件幅相特性快速微波测试系统中：所述的矩阵开关系统由至少两个单刀四掷开关和单刀双掷开关组合，实现多选一开关组合。
进一步的，上述的TR组件幅相特性快速微波测试系统中：所述的变频器包括将射频频率信号下变频至70MHz的中频信号的下频器和将70MHz中频信号上变频到射频信号的上变频器。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细地说明。
附图说明
图1为本发明实施例1微波测试系统总体框图。
图2为本发明实施例1微波测试系统中指令控制系统框图。
图3为本发明实施例1微波测试系统中矩阵开关连线示意图。
图4为本发明实施例1微波测试系统中矩阵开关发射链路连线示意图。
图5为本发明实施例1微波测试系统中矩阵开关接收链路连线示意图。
图6为本发明实施例1微波测试系统中矩阵开关系统外形图。
图7为本发明实施例1微波测试系统中变频、中频检波以及采样电路。
图8为本发明实施例1微波测试系统中上位机工作流程。
具体实施方式
本实施例是一种TR组件S参数自动化测试系统，它的主要任务是测试TR组件在多种工作情况下(包含各个工作温度、各个衰减值设定、各个移相值设定情况)S参数的幅度和相位。TR组件的工作温度范围一般为-40～70℃，为保证精度，需每隔10℃测试，这样有12个温度测试点；TR组件的衰减器和移相器多为6bit，即有64个不同衰减值以及64个不同移相值。因此一个TR完整的测试数据包含接收和发射两个通道共12x64x64x2个数据，总测试量巨大，即便采用先进的虚拟仪器自动化测试，其时间开销和测试成本也是十分巨大的。微波测试仪器的响应时间为ms量级，频谱仪和网络分析仪除了响应时间开销之外还要数据多次平均以达到较高的测试精度，因此完成一次精确测试常需要0 .1秒以上，这样完成一个TR组建的测试需要时间开销为2 .7小时，由于测试系统采用虚拟仪器技术，真实仪器只有一套，一次性测试多个TR组件时仪器无法复用，因而测试花费时间很长，测试效率很低。
为最大限度降低S参数测试的时间花销，本发明放弃使用微波仪器转而采用对数幅度检波器和鉴相器电路来实现TR组件的S参数测试。采用变频器将射频信号频率降低70MHz中频，幅度检波和相位检波均在中频完成，中频电路的响应时间在数十纳秒量级，检波结果经模数转换后传输给处理器，完成一次S参数的测试预计花费时间为10us，这样完成一个TR组件完整测试需花时间为1秒。另外由于中频电路成本低，自动化测试系统可引入多路中频测试电路，这样同一时间可以并行测试多个TR组件，极大的提高了测试效率。
本实施例的TR组件幅相特性快速微波测试系统包含以下部分：(1)TR组件指令控制系统，它的作用是供电、同步脉冲输入以及控制TR工作状态，例如收发开关、衰减数字控制位和移相数字控制位等，这个模块定制化较强，电气和物理接口必须与待测TR组件兼容；(2)矩阵开关系统，将多个待测TR组件的射频端口缩减至两个端口与测试电路连接；(3)变频、中频检波以及采样电路，用于完成射频信号的幅度和相位检测；(4)上位机和以太网通信控制系统，上位机控制系统工作以及数据检测和测试报表的生成，以太网通信用于自动化测试系统各个模块间指令和数据的传输。自动化测试系统组成框图如图1所示。
其中，TR组件指令控制系统如图2所示，其功能是为TR组件提供供电和控制信号，例如收发开关切换信号(T/R)、同步发射信号(PTT)以及多位衰减器控制电平(A0～A5)和多位移相器控制电平(F0～F5)。每一组指令控制器对应一个TR组件，测试多个TR组件也需要多个独立的指令控制器。
矩阵开关系统如图3、4、5、6所示，该矩阵开关系统实现信号路径的切换，将信号路径建立在测试仪器和测试点之间，使得测试可以自动化进行，不必人员手工接线，提升自动测试系统的测试效率，以及测试数据的可靠性。开关矩阵最大的优点是可拓展性，对于包含多种测试项目或多模块测试中，开关矩阵结构可以最大程度的保障系统混合性，由于信号通路的高度复用性，极大的降低测试所需要仪器的台套数。如图3所示结构可同时测试4个TR组件，每个TR组件的天线端(发射功率输出端兼接收功率输入端)定义为A端口、射频端(发射的激励端兼接收的输出端)定义为B端口，通过两个单刀四掷开关(SP4T)将4个TR组件共8个端口缩减为两个端口，接下来的4个单刀双掷开关(SPDT)，形成2x2矩阵，完成信号路径的导向作用，1号TR组件(对应接口为T1_A和T1_B)发射链路测试时信号走线和开关状态如图4所示，接收链路测试时信号走线和开关状态如图5所示。图3所示矩阵开关系统可一次性测试4个TR组件，将该矩阵开关系统堆叠复制N个即可以同时测试4N个TR组件。图6为本发明所使用的矩阵开关系统。如图6所示，在一块矩阵开关模块上，有多个SP4T射频开关11和多个SPDT射频开关12，在SP4T射频开关11周围设置有开关状态指示灯13，开关状态指示灯13指示SP4T射频开关11单刀四掷开关开关状态，在矩阵开关模块边上还设置容易拿的把手14。
中频信号70MHz由恒温晶振产生，第二功分器1－3将该中频信号一分为二，一路上变频后(RF_IN)经滤波和矩阵开关系统送往TR组件，另一路与下变频的中频送往鉴相器1－4完成比相测相位功能。鉴相器输出的是直流电压，其电压值与两路信号的相位差成比例关系，检出电压值再查表即可以得到两路信号相位差。
接收回来的射频信号(RF_OUT)经下变频至中频滤波后由第一功分器1－2功分两路，一路接鉴相器1－4用于鉴相，一路接对数检波器1－1用于幅度检测。本振1－8产生的本振信号(LO)采用内置锁相环完成，锁相环参考频率采用70MHz晶振，确保频率完全相参。鉴相器1－4和对数检波器1－1的输出由AD转换器1－5转换成数字信号供上位机使用。
中频信号的幅度检测采用AD8362，该芯片工作于50Hz～3 .8GHz，动态范围65dB，最小可检测信号低至-55dBm。鉴相芯片采用AD8302，该芯片最高可工作于2 .7GHz，动态范围 60dB，最小可检测信号低至-60dBm，相位检波灵敏度为10mV/度，单个AD8302相位检测范围为180°，采用正交信号双路AD8302即可拓展为360°鉴相。AD转换器芯片采用AD7298，该芯片为8通道12bit高速模数转换器，采样时钟为1MHz，单次数据转换(即TR参数测试)仅需1微秒。图7所示电路与图3所示矩阵开关系统配合可一次测试4个TR组件，将两部分系统堆叠复制N个即可以同时测试4N个TR组件。
如图7所示，发射通道由恒温晶振产生的70MHz的中频开始，通过第二功分器1－3分成两路，一路就是上面所说的用于检测的，与接收通道中下频率器输出的接收中频信号送往鉴相器1－4完成比相测相位功能，另一路经由上变频器上变频至射频，如图1和图7所示，上变频器包括第一中频带通滤波器1－9、第一混频器1－6和第一射频带通滤波器1－10最后由TR发射。接收通道由TR接收端开始，通过下变频器下变频到中频进行测试，下变频器与上变频器一样，选由第二射频带通滤波器1－12滤波后，再由第二混频器1－7与本振1－8产生的本振信号(LO)混频后，再经第二中频带通滤波器1－11滤波后，对中频信号进行检测。
上位机的工作流程如图8所示，在后台主导整个测试过程的进行，由于采用远程以太网技术，上位机可以在远离现场实现指令控制和数据回读。其工作流程如图8所示，首先根据当前测试TR的序号和具体的测试条款配置指令控制系统，给待测TR加电、设置收发开关、设置同步脉冲以及设置衰减器和移相器；其次配置矩阵开关；第三读取图6的中频信号的幅度和相位检测数据；最后将幅度和相位检测的12bit数字信号分别解算出当前通道当前状态的幅度值和相位值并记录，一个完整的TR组件幅相数据表包含12x64x64x2＝98304个数据。有源相控阵天线在波瓣图赋形时即根据当前需要的衰减值和相位值并参考当前TR组件温度读取幅相数据索引表来设置各个衰减bit和移相bit。
由于系统中含有微波矩阵开关、连接线缆以及射频有源电路，系统自身的温飘和老化会给TR组件测试引入误差，因此有必要采用实时校准电路。方法是在图3中采用已知幅相特性的射频模块(最简单的射频模块为标准传输线)替换一个TR组件，由于该射频模块幅相特性已知，即可利用其幅相测试数据校准系统的误差，带来的代价是减少一个TR组件测试位。
本实施例的快速微波测试系统具有如下特点：
采用射频集成电路产生微波信号并对微波信号进行幅度和相位测试，
不再使用昂贵的微波仪器；
将射频信号变频到中频信号进行幅相检测；变频、滤波和放大这些都是线性变换，不影响(改变)信号的性质，射频和中频幅度变化可用链路增益表征，相位也由链路的相位表征，因此检波无论放在RF还是IF，扣除测试链路的增益和相位即可以得到同样的结果。
中频信号进行幅相检测单次测量时间为10微秒，测试速度快；
幅度测试采用对数检波器，动态范围达65dB；
相位检测采用鉴相器，动态范围达60dB；
采用12bit高速模数转换器，具有足够高速度和精度；
测试系统预留一路自校准通道，用于测试系统的实时校准。
该关键技术与现有技术不同之处：
测试系统采用采用射频集成电路代替昂贵的射频仪器，降低了系统搭建成本和运行成本；
射频集成电路可封装在功能模块内，成本低、耐各种恶劣使用环境、可即插即用。
射频集成电路响应时间为微秒量级，测试结果通过高速AD采样生成测试数据时间仅为数微秒，因而相比于射频仪器测试速度快。
测试系统预留一路自校准通道，用于测试系统的实时校准。
本实施例采用以太网交换技术远程控制批量TR组件的幅相数据测试，设备不包含昂贵的射频仪器，采用矩阵开关和幅相测试电路实现了TR组件的自动化、高速、高精度测量，大大提高了测试效率，降低了测试系统自身的采购成本和运行成本。本发明将每个TR组件的单温全部S参数测试仅需1秒，每个最小系统可同时测试4个TR组件，由于系统可堆叠复制，原则上没有测试TR数量的限制。另外本发明还采用了系统内实时校准功能，可实时消除系统测试误差。

Claims (5)

1.一种TR组件幅相特性快速微波测试系统，其特征在于：采用变频器将TR组件的射频信号频率降低到中频，幅度检波和相位检波均在中频完成；包括：
(1)TR组件指令控制系统，它的作用是供电、同步脉冲输入以及控制TR工作状态；
(2)矩阵开关系统，将多个待测TR组件的射频端口缩减至两个端口与测试电路连接；
(3) 测试电路，用于完成射频信号的幅度和相位检测；
(4)上位机和以太网通信控制系统，上位机控制系统工作以及数据检测和测试报表的生成，以太网通信用于测试系统中指令和数据的传输；
其中，测试电路包括发射通道、接收通道，在发射通道中，恒温晶振产生 70MHz 中频信号，第二功分器将该中频信号一分为二，一路上变频后经滤波和矩阵开关系统送往 TR 组件，另一路与下变频的中频送往鉴相器完成比相测相位功能；接收通道由 TR 接收端开始，由 TR 组件、矩阵开关系统输出的射频信号经下变频至中频滤波后由第一功分器分为两路，一路接鉴相器用于鉴相，一路接对数检波器用于幅度检测，鉴相器和对数检波器的输出由 AD 转换器转换成数字信号供上位机使用。
2.根据权利要求1所述的TR组件幅相特性快速微波测试系统，其特征在于：所述的TR组件指令控制系统包括指令控制器，对应一个TR组件的一组指令控制器产生收发开关切换信号、同步发射信号以及多位衰减器控制电平和多位移相器控制电平。
3.根据权利要求1所述的TR组件幅相特性快速微波测试系统，其特征在于：所述的矩阵开关系统实现信号路径的切换，将信号路径建立在测试电路和TR组件之间。
4.根据权利要求3所述的TR组件幅相特性快速微波测试系统，其特征在于：所述的矩阵开关系统由至少两个单刀四掷开关和单刀双掷开关组合，实现多选一开关组合。
5.根据权利要求1所述的TR组件幅相特性快速微波测试系统，其特征在于：所述的变频器包括将射频信号下变频至70MHz的中频信号的下频器和将70MHz中频信号上变频到射频信号的上变频器。
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