一種微波附件組合的設(shè)計與實現(xiàn)

劉恩凡

(空軍裝備部駐北京地區(qū)第二軍事代表室，北京 100074)

0 引言

微波附件組合的設(shè)計目的是用于配套某型通用自動測試平臺，結(jié)合平臺中的信號源、頻譜儀、功率計及各類模擬器等射頻儀器資源來實現(xiàn)射頻測量通道的資源擴展、大功率信號的衰減調(diào)理、微波功率合成等功能，以滿足被測試對象飛機系統(tǒng)中的微波射頻系統(tǒng)、部件等微波信號性能測試的測試需求。

微波附件組合具體功能要求如下：

1)組合內(nèi)部設(shè)置微波開關(guān)，程控方式實現(xiàn)多路獨立的射頻通道間的切換，便于射頻通道的擴展，同時可實現(xiàn)1～100 dB功率范圍1 dB步進的功率衰減；

2)實現(xiàn)測試中射頻信號輸出功率的固定或步進式衰減調(diào)理，改善激勵源和負載間的功率匹配功能；

3)對被測件輸出射頻端口提供大功率負載，在大功率放大器或者發(fā)射機的測量中，負載可以用來代替天線將載頻功率全部吸收，減少輻射影響；

4)如果被測對象UUT是接收機，通過定向器的耦合端可以向接收機注入一個鄰道干擾信號，再通過接在定向耦合器的直通端的綜合測試儀來測試接收機抗干擾性能；如果被測對象UUT是發(fā)射機，通過定向器的耦合端接測試儀或頻譜儀可以用于信號取樣和監(jiān)測；放大器互調(diào)測試時，耦合器可以用于兩路功率信號的合成，作為互調(diào)測量的功率源。

1 微波附件組合工作原理及總體設(shè)計方案

1.1 功能概述

微波附件組合由機箱、電源及濾波器，微波控制板及同軸電纜、液晶顯示屏、同軸電纜、面板轉(zhuǎn)接器及供電與通信接口等部分組成。通過優(yōu)化配置和設(shè)計，結(jié)合平臺中的信號源、頻譜儀、功率計及各類模擬器等射頻儀器資源來實現(xiàn)射頻測量通道的資源擴展、大功率信號的衰減調(diào)理、微波功率合成等功能，以滿足被測試對象中的微波射頻系統(tǒng)、部件等微波信號性能測試的測試需求。

1.2 總體方案設(shè)計

微波附件組合實物如圖1所示，微波附件組合由機箱內(nèi)器件(耦合器、功率放大器、可編程衰減器、負載、環(huán)行器、檢波器、開關(guān))、電源模塊/開關(guān)/功放/可編程衰減器控制模塊、液晶顯示模塊、同軸電纜、面板轉(zhuǎn)接器、電源濾波模塊、開關(guān)箱結(jié)構(gòu)件等部分組成。

圖1 微波附件組合實物圖

1.3 工作原理

由以太網(wǎng)接口傳輸?shù)奈⒉ǜ郊刂茢?shù)據(jù)(按照既定的通訊協(xié)議)，通過網(wǎng)口電路進行數(shù)據(jù)解析，再由微處理器發(fā)送控制數(shù)據(jù)。微處理器除完成網(wǎng)口通訊外，還將完成開關(guān)的邏輯控制功能。驅(qū)動電路將微處理器輸出的開關(guān)控制信號轉(zhuǎn)化為合適的電壓和驅(qū)動電流，進行開關(guān)和可編程衰減器和功率放大器的控制，實現(xiàn)需要的信號回路。電源模塊將外界輸入的220 V電源通過AC-DC變換成可滿足開關(guān)電路、控制電路工作需求的電平和電流。工作原理如圖2所示。

圖2 微波附件組合原理圖

微波附件組合主要組成如表1所示。

2 微波附件組合的硬件設(shè)計

2.1 微波附件組合控制電路

微波附件組合控制電路主要由核心控制板、繼電器控制板、液晶顯示屏、電源轉(zhuǎn)化電路等組成。在以X86架構(gòu)的核心板上運行WINDOWS操作系統(tǒng)，同時備有液晶顯示屏實時顯示操作控制功能，在核心板上安裝MicroWaveApp_V1.04軟件控制，從核心板上通過LAN口發(fā)送控制信號，

表1 微波附件組合組成單元

從而輸出不同電壓電流給被控制器件開關(guān)/功放/可編程衰減器，從而實現(xiàn)外部想要的不同信號組合。核心控制板原理如圖3所示。

圖3 核心控制板原理框圖

控制板設(shè)計主要包括主處理ARM及外圍電路，控制電路模塊，電源及電壓監(jiān)控模塊，各個連接器及接口模塊。處理器需提供豐富的外部接口可以與PC通信，從而被靈活的控制應(yīng)用。另外需有豐富的I/O控制接口，可以通過控制電路對箱內(nèi)有源器件進行狀態(tài)切換。屏幕顯示功能則作為人性化設(shè)計，可以方便的觀測各個器件的工作狀態(tài)。電源模塊可最大程度上提供200 W功耗，5 V，12 V，15 V，28 V四種電壓輸出，其中5 V電壓可以控制其他路電源工作狀態(tài)，采用智能散熱。接口模塊則不僅可以提供前面板豐富的接口，還包括與其他設(shè)備做通信控制的100 M網(wǎng)口，和USB靈活使用。

2.2 微波附件組合射頻通道

微波附件組合系統(tǒng)射頻性能指標的實現(xiàn)主要通過核心器件-同軸線纜、面板轉(zhuǎn)接器的微波性能及其級聯(lián)方式?jīng)Q定。微波附件組合內(nèi)部射頻同軸電纜安裝結(jié)構(gòu)緊張，功率要求不高的器件采用半鋼086線纜。線纜結(jié)構(gòu)和材料如圖4所示。

圖4 半剛線纜結(jié)構(gòu)和材料

對功率要求高，彎折多結(jié)構(gòu)受限的器件，我們采用了應(yīng)力更低的柔性線纜如圖5。

圖5 柔性線纜結(jié)構(gòu)和材料

為保證盡量貼近各個器件微波性能要求，研制過程分為幾個研制階段，來不斷接近并滿足系統(tǒng)性能指標要求。

為保證實現(xiàn)微波附件組合各通道的微波性能要求，現(xiàn)各通道進行線纜配套設(shè)計。

2.2.1 SP6T微波開關(guān)

SP6T因為六個輸出接口直接太近了，需要匹配線纜探出機箱結(jié)構(gòu)方便客戶連接。此處要求外加線纜的插損盡量低，因此采用了能承載18G/25 W的柔性線纜，同時保證足夠低的插損(18G盡量保證在0.8 dB以內(nèi))，駐波盡量低于1.6(18G)。面板轉(zhuǎn)接器配置的是低損SMA-SMA的四孔法蘭轉(zhuǎn)接器。因為此處的指標要求比較高，集成測試中通過反復更換線纜和連接器達到貼近SP6T微波開關(guān)器件本身駐波和插損指標的目的。

2.2.2 SPDT微波開關(guān)

SPDT因為COM口和兩個通道之間的具體非常近，沒法同時直接連接SMA頭線纜。因此依然需要外配線纜。此處要求外加線纜的插損盡量低，因此采用了能承載18 G/25 W的柔性線纜，同時保證足夠低的插損(18 G盡量保證在0.8 dB以內(nèi))，駐波盡量低于1.5(18 G)。面板轉(zhuǎn)接器配置的是低損SMA-SMA的四孔法蘭轉(zhuǎn)接器。因為此處的指標要求比較高，集成測試中通過反復更換線纜和連接器達到貼近SPDT微波開關(guān)器件本身駐波和插損指標的目的。

2.2.3 同軸固定衰減器

同軸固定衰減器因為實際功率到了18 G/250 W，所以需要選型能承載高功率的線纜，同樣因為對衰減精度有要求，線纜的插損也是要求比較嚴格的。最后此處選擇了大功率線纜，保證駐波低于1.4(18 G)。同時因為大功率衰減器布置在機箱尾部，線纜走線較長，因此插損大概只能保證低于2.0 dB?？紤]輸入高功率的要求已經(jīng)超過了SMA的承載范圍，輸入端面板轉(zhuǎn)接器配的是高功率的N-N的四孔法蘭轉(zhuǎn)接器。但是為了節(jié)省空間，因為輸出端的功率比較小，輸出端配的是N-SMA的四孔法蘭轉(zhuǎn)接器。因為此處的指標要求比較高，器件本身衰減誤差就比較大，集成測試中通過反復更換線纜和連接器達到貼近固定衰減器本身衰減精度的目的。

2.2.4 程控衰減器

程控衰減器因為設(shè)計位置比較靠近前面板，而且功率比較低，所以線纜可以采用低損耗低功率的柔性線纜。此處考慮的主要指標保證衰減精度和駐波比，線纜大概滿足駐波比5 G內(nèi)低于1.3，插損低于1.0 dB即可。面板轉(zhuǎn)接器也用的是低損的N-SMA的四孔法蘭轉(zhuǎn)接器。

2.2.5 功率放大器

功率放大器因為是脈沖功放，而且輸出功率最大只有5 W。所以此處選擇了低頻柔性線纜。柔性線纜保證駐波比低于1.2(1.3 G)，插損低于1.2 dB(1.3 G)。而且功放原廠沒有帶散熱片，在機箱中前部的結(jié)構(gòu)上為功放設(shè)計了散熱片結(jié)構(gòu)。相對應(yīng)的面板連接器選擇了低損N-SMA。

3 微波附件組合的軟件設(shè)計

3.1 操作界面

微波附件組合具備程控和本地兩種控制方式。程控通訊方式TCP/IP(IP:192.168.0.000)。如圖6微波附件組合控制界面所示，采用直觀式設(shè)計，根據(jù)控制器件的端口數(shù)設(shè)置按鈕。

圖6 微波附件組合控制界面

默認啟動時所有控制按鈕均為灰色。提前需要服務(wù)器和控制板建立LAN口通信。設(shè)置服務(wù)器地址為“192.168.0.000”，選擇面板上面的Set按鈕，連接服務(wù)器和控制板，連接成功后即可從MicroWaveApp_V1.04.exe圖形界面上控制被控器件了。

MWSW#1～ MWSW#4為四組SP6T微波開關(guān)，當選定的SP6T工作時，相應(yīng)開關(guān)的COM端口和通道端口變?yōu)榫G色按鈕，不選通的通道顯示紅色按鈕；MWSW#5和MWSW#6為兩組SPDT微波開關(guān)，當選定的SPDT工作時，相應(yīng)開關(guān)的COM端口和通道端口變?yōu)榫G色按鈕，不選通的通道顯示紅色按鈕；PRG_ATT#1為程控衰減器，選定其工作時，顯示ON綠色按鈕和衰減量，不工作時顯示OFF紅色按鈕；ATT40#1和ATT10#1為固定衰減器，MWLOAD#1 和MWLOAD#2為同軸負載，COUP#1和 COUP#2為耦合器，DET_WAV#1為檢波器，CIR#1 和CIR#2為環(huán)形器，AMP#1為功率放大器，當選定這些器件工作時，顯示ON綠色按鈕和衰減量，不工作時顯示OFF紅色按鈕。

為使用安全和方便，如果想重置所有設(shè)置的話，直接點擊“Reset”按鈕，所有控制器件就會恢復初始默認狀態(tài)，比如SPDT開關(guān)直接切到常開端2口，SP6T所有通道斷開，可編程衰減器衰減量設(shè)置為0，功放關(guān)斷不放大。

3.2 控制命令說明

開關(guān)矩陣上、下行通道中各微波開關(guān)各通道導通的控制協(xié)議如下：

格式命令字(1字節(jié))數(shù)據(jù)區(qū)(N字節(jié))

3.2.1 命令字0x01:

1)說明：控制多路繼電器及功放開關(guān)。

2)數(shù)據(jù)區(qū)長度：4字節(jié)。

3)數(shù)據(jù)區(qū)說明：每一位代表一路繼電器通斷。

(1)第0位控制SP6T1_1通斷，1為接通，0為斷開。(每個字節(jié)當中，0位為8bit的低位)。

(2)第1位控制SP6T1_2通斷，以此類推，第23位控制SP6T4_6通斷。

(3)第24、25位控制SP2T_1通斷，(24位為1、25位為0代表接通，24位為0、25位為1代表斷開)。

(4)第26、27位控制SP2T_2通斷，(26位為1、27位為0代表接通，26位為0、27位為1代表斷開)。

(5)第28位控制功放開關(guān)。

3.2.2 命令字0x02：

1)說明：設(shè)置程控衰減器輸出DB數(shù)值。

2)數(shù)據(jù)區(qū)長度：1字節(jié)。

3)數(shù)據(jù)區(qū)說明：該值應(yīng)小于等于103。

3.2.3 命令字0x03：

1)說明：設(shè)置ARM的IP和端口號。

2)數(shù)據(jù)區(qū)長度：6字節(jié)。

3)數(shù)據(jù)區(qū)說明：

(1)數(shù)據(jù)區(qū)前四個字節(jié)為IP地址。例如：172.16.1.24 為 AC 10 01 18。直接以.為分隔，每個數(shù)字單獨轉(zhuǎn)十六進制。

(2)后兩個字節(jié)為端口號，存儲模式為大端模式。

(3)例如：設(shè)置ARM地址為172.16.1.24：8080，發(fā)送的數(shù)據(jù)為03 AC 10 01 18 90 1F。最后的8080是直接數(shù)字轉(zhuǎn)成的1F90，反過來寫就是901F。

4 微波附件組合的故障分析與排故

在微波附件組合使用期間可能出現(xiàn)的故障分析和簡要處理如下。

4.1 風扇故障

如果機箱加電后尾部三個風扇不轉(zhuǎn)，需檢查后面板的“0/1”按鈕是否撥到1，前面板開關(guān)按鈕是否已經(jīng)按亮，如果都滿足但是風扇還不轉(zhuǎn)，可能是風扇供電線斷了，需要返修。

4.2 顯示屏故障

機箱加電啟動后，無論有沒有控制信號輸入，前面板的顯示屏就應(yīng)該高亮顯示每個被控器件的狀態(tài)。如果機箱確認加電，控制板的綠燈亮而顯示屏無顯示，需要檢查顯示屏到控制板的接線是否正確插入。如果已經(jīng)控制板的接線正確插入后顯示屏依然無顯示，需要返修。

4.3 可編程衰減器切換衰減量故障

機箱加電啟動后，可編程衰減器從控制軟件無法正常切換衰減量：

確認當前的服務(wù)器和控制板的IP，保證LAN口通信狀態(tài)正常。

如果通信狀態(tài)正常，控制軟件面板操作切換命令后可編程衰減器依然無法正常切換衰減量。檢查可編程衰減器和控制板的連線接口有沒有松動。

如果連線接口依然沒有松動，可以啟動網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手等工具，控制命令直接輸入底層命令讓可編程衰減器切換衰減量，如果可以聽到正常的開關(guān)切換聲，則控制軟件故障。如果還是衰減量還是不能切換，則控制板故障，需返修。

同理，如果可編程衰減器控制外部程序出現(xiàn)問題，也可以用控制軟件來排除故障。

4.4 功率放大器故障

機箱加電啟動后，功率放大器不工作。

首先斷掉輸入信號，確認當前的輸入信號滿足：5%～90%的方波，0.9～1.3 GHz。輸出信號加合適負載或者外部通路(不空置)。

檢查功率放大器和控制板的連線接口有沒有松動，功率放大器和前面板連接線纜有沒有松動。

如果控制線和射頻連接線的連線接口都沒有松動，功放還是不能正常工作，則控制板故障，需返修。

5 微波附件組合的實驗結(jié)果與分析

微波附件組合性能指標驗收按照表2進行測試。

表2 檢查試驗項目

5.1 微波開關(guān)SP6T性能測試

該項測試是為了驗證SP6T微波開關(guān)MWSW#1～MWSW#4的微波性能是否滿足指標要求。通過網(wǎng)絡(luò)分析儀來完成插入損耗測試、隔離度測試和駐波比測試。

1)電壓駐波比測試：在網(wǎng)絡(luò)分析儀的S11和S22測試界面分別設(shè)置兩個Marker點自動搜索7 kHz～1 GHz和1～18 GHz兩個頻段內(nèi)的最大值，分別讀取兩個頻段S11和S22駐波值最大值。

2)插入損耗測試：在S21測試界面設(shè)置兩個Marker點自動搜索7 kHz～1 GHz和1～18 GHz兩個頻段內(nèi)的最小值，分別讀取兩個頻段內(nèi)的最小值。

3)隔離度測試：上位機MAP軟件操作控制界面，切換到微波開關(guān)下一個端口通道，設(shè)置合適的Scale值，打開Avgerage選項設(shè)置平均值為30，等結(jié)果穩(wěn)定后再讀數(shù)。在S21測試界面設(shè)置兩個Marker點自動搜索7 kHz～1 GHz和1～18 GHz兩個頻段內(nèi)的最大值，分別讀取兩個頻段S21的最大值。

4)測試記錄見表3。

SP6T微波開關(guān)MWSW#1～MWSW#4的微波性能均滿足技術(shù)指標要求。

表3 微波開關(guān)SP6T性能測試表

5.2 微波開關(guān)SPDT性能測試

該項測試是為了驗證SPDT微波開關(guān)MWSW#5～MWSW#6的微波性能是否滿足指標要求。通過網(wǎng)絡(luò)分析儀來完成插入損耗測試、隔離度測試和駐波比測試。

1)電壓駐波比測試：在網(wǎng)絡(luò)分析儀的S11和S22測試界面分別設(shè)置兩個Marker點自動搜索7 kHz～1 GHz和1～18 GHz兩個頻段內(nèi)的最大值，分別讀取兩個頻段S11和S22駐波值最大值。

2)插入損耗測試：在S21測試界面設(shè)置兩個Marker點自動搜索7 kHz～1 GHz和1～18 GHz兩個頻段內(nèi)的最小值，分別讀取兩個頻段內(nèi)的最小值。

3)隔離度測試：上位機MAP軟件操作控制界面，切換到微波開關(guān)下一個端口通道，設(shè)置合適的Scale值，打開Avgerage選項設(shè)置平均值為30，等結(jié)果穩(wěn)定后再讀數(shù)。在S21測試界面設(shè)置兩個Marker點自動搜索7 kHz～1 GHz和1～18 GHz兩個頻段內(nèi)的最大值，分別讀取兩個頻段S21的最大值。

4)測試記錄見表4。

表4 微波開關(guān)SPDT性能測試表

SPDT微波開關(guān)MWSW#5～MWSW#6的微波性能均滿足技術(shù)指標要求。

5.3 同軸固定衰減器微波性能測試

該項測試是為了驗證微波附件組合同軸固定衰減器ATT40#1和ATT10#1的微波性能是否滿足指標要求。通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來完成衰減量和駐波比測試。

1)駐波比測試：在駐波S11測試界面設(shè)置Marker點自動搜索7 kHz～18 GHz頻段內(nèi)的最大值，讀取S11駐波值最大值。

2)衰減量和精度測試：測試時將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀PORT1和PORT2的測試線纜分別接到ATT40#1的RFIN端口和RFOUT端口，在插損S21測試界面設(shè)置兩個Marker點自動搜索7 kHz～18 GHz頻段內(nèi)的最大值和最小值，分別讀取并記錄整個頻段內(nèi)S21最大值和最小值，并計算插損精度(即插損值|S21|絕對值與40 dB的相對差值)。

3)測試記錄見表5。

表5 同軸固定衰減器性能測試表

同軸固定衰減器ATT40#1和ATT10#1的微波性能均滿足技術(shù)指標要求。

5.4 程控衰減器微波性能測試

該項測試是為了驗證微波附件組合程控衰減器PRG_ATT#1的微波性能是否滿足指標要求。通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來完成衰減精度和駐波比。

1)衰減量和衰減精度測試：在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上分別讀取7 kHz～5 GHz整個頻段內(nèi)S21插損最大值和最小值，計算插損精度(即插損值絕對值|S21|與0 dB的相對差值)。

2)駐波比測試：測試時將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀PORT1和PORT2的測試線纜分別接到PRG_ATT#1的RFIN端口和RFOUT端口，在MAP控制顯示界面上設(shè)置該通道，分別設(shè)置PRG_ATT衰減量為0 dB、1 dB、2 dB、4 dB、8 dB。駐波S11測試界面設(shè)置Marker點自動搜索7 kHz～5 GHz頻段內(nèi)的最大值。

3)測試記錄見表6。

程控衰減器PRG_ATT#1的微波性能滿足技術(shù)指標要求。

5.5 功率放大器性能測試

該項測試是為了驗證微波附件組合功率放大器AMP#1的微波性能是否滿足指標要求。功率放大器最主要的指標是核查輸出功率。將信號源輸出連接到功率放大器上，功率放大器輸出通過30 dB固定衰減器連接到頻譜儀上。

1)輸出功率測試。將設(shè)備連接好以后，信號源測試界面設(shè)置輸出頻率1.1 GHz，通過頻譜儀測試當前衰減器和電纜通道的插損并記錄。然后信號源測試界面設(shè)置，輸出功率-9 dBm,選擇“Pulse ON”，然后設(shè)置“Pulse Width”為80 μs，“Pulse Period”為40 μs。在上位機MAP軟件操作控制界面上設(shè)置AMP#1為從OFF切換到ON狀態(tài)，打開選擇“RF ON”、“MOD ON”按鈕輸出脈沖射頻功率。然后在頻譜儀上讀出此時的最大功放輸出功率值，補上衰減器和線纜的通道插入損耗即為最終的功放輸出功率。

表6 程控衰減器性能測試表

2)測試記錄見表7。

表7 功率放大器性能測試表

功率放大器AMP#1的微波性能滿足技術(shù)指標要求。

6 結(jié)束語

本文詳細介紹了微波附件組合，滿足被測試對象飛機系統(tǒng)中的微波射頻系統(tǒng)、部件等微波信號性能測試的測試需求。微波附件組合在微波射頻領(lǐng)域具有重要的實際意義。

該微波附件組合使用簡便，可以結(jié)合平臺中的信號源、頻譜儀、功率計及各類模擬器等射頻儀器資源來實現(xiàn)射頻測量通道的資源擴展、大功率信號的衰減調(diào)理、微波功率合成等功能。在遇到故障時能夠快速、準確的進行定位分析，節(jié)省了維護的時間，提高了工作效率。