基于高頻開關網絡的自動測試系統的設計與實現

,王鶴

(1.北京航天測控技術有限公司，北京 100041；2.航天東方紅衛星有限公司，北京 100094； 3.中國空間技術研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

隨著航天技術的發展，航天任務需求日益復雜且多樣化，有效載荷產品已達到批量化生產規模，同時衛星總體針對其載荷產品的處理和通信功能要求也越來越高，多端口微波組件得到了更廣泛的應用[1-2]。隨之而來的是產品測試強度的不斷增大，針對不同微波部件的測試儀器、測試手段也不盡相同[3]，在測試儀器測試通路有限的情況下，傳統人工測試模式需要測試人員全程隨測，每測一項指標就需要手動更換測試端口，一套多端口微波組件產品測試完成需要耗費幾個小時，更換數十次端口，同時由于不斷地更換端口，每次人工旋緊接頭時可能有偏差，導致同款產品間測試的一致性不高測量精度差，這種測試模式已遠遠不能滿足需求。因此，必須采用通用化集成度高的自動測試系統來完成龐大的測試任務[4-5]。

本文設計了適用于不同衛星載荷微波組件產品的高頻開關網絡，依托高頻開關網絡這一主要單元搭建的自動測試系統，可實現衛星載荷產品的全過程自動測試，解決傳統人工測試效率低且容易出錯的問題。

1 高頻開關網絡硬件設計

自主設計研發的高頻開關網絡是自動測試系統的重要組成部分。高頻開關網絡可以通過本地或上位機程序控制開關網絡中多個級聯同軸開關的通斷，實現被測件與測試儀器的聯通。由于所有被測件都是經由開關網絡提供的擴展鏈路與測試儀器相連通的，可以說高頻開關網絡性能指標的優劣直接關系到整個自動測試系統的測試精度，是整個系統的重難點[6]。因此如何在滿足實際測試需求的前提下，優化設計高頻開關網絡顯得尤為重要，在硬件部分將從鏈路、電路和結構三個方面予以優化。

1.1 高頻開關網絡鏈路設計

通過查閱相關文獻及實驗室驗證可知，插入損耗作為微波射頻方面的一個關鍵性能指標，其指標的好壞與射頻鏈路的長度是線性相關的。同一路射頻信號，如果實際通過的射頻開關級數越多，鏈路的物理長度越長，其相應的插入損耗等指標就會越大，整個鏈路的阻抗匹配性就會越差[7]。所以在高頻開關網絡的鏈路設計中要盡可能地減少開關級數，縮短射頻線纜的物理長度，優化整個開關網絡的鏈路設計，在保證被測產品的鏈路擴展需求的同時也可以降低整個自動測試系統的研制成本。

經過大量調研被測產品的需求[8]，自動測試系統設計了由5臺高頻矩陣開關組成的高頻開關網絡，可實現測試過程中8×72通道的鏈路擴展，滿足目前包括T/R組件、行波管放大器、正/負驅微波開關，相控陣天線等絕大部分微波組件產品的測試需求。根據所連接端口數量的不同允許最多同時測量4～8件微波組件產品，具體原理如圖1所示。

圖1 高頻開關網絡原理圖

由圖1可知，高頻開關網絡包含1臺定制型總矩陣和4臺6入18出分矩陣。定制型總矩陣由4個四選一開關(SP4T)和2個二選一(SPDT)開關構成，外部有IN1-IN4、OUT1-OUT4、J1-J4共計12個射頻接口。其中IN1-IN4連接測試儀器的激勵端，OUT1-OUT4連接測試儀器的響應端，J1-J4經過外部射頻線纜依次與4個6入18出分矩陣連接。4個分矩陣結構相同，均由4個六選一開關(SP6T)和1個四選一開關(SP4T)構成，前面板設計有6個射頻接口(IN1-IN6)，后面板設計有18個射頻接口(OUT1-OUT18)。5臺矩陣開關級聯而成一套高頻開關網絡，整體達到8×72通道擴展。需要特別提到的是，其中與總矩陣J2和J3端口相連接的分矩陣2和分矩陣3可通過兩個二選一開關的通斷實現激勵通道/響應通道的切換，從而使整個高頻開關網絡為被測產品提供最多54個激勵(或響應)通道，提高了高頻開關網絡的靈活性與適用性。采取這種“五合一”的模式搭建高頻開關網絡可以減少整體的體積重量，便于搬運轉移及滿足日常維護需要；另外由于矩陣開關設計為同時具備本地控制與程序控制兩種模式，當被測微波產品的測試端口數量需求較小時，整個高頻開關網絡可以拆分作為獨立的矩陣開關使用，應用方面更為靈活多變。

另一個決定高頻開關網絡指標好壞的方面是機箱內部射頻開關及級聯射頻電纜的選型。

目前主流射頻開關分為機械式同軸微波開關與固態電子式微波開關。固態電子式微波開關具有造價低，體積小，切換速度快等特點，同時由于內部沒有切換的部件，因此使用壽命更長。但其缺點也很明顯，頻率覆蓋的范圍不夠寬，自身的插入損耗較大(40 GHz時超過-5 dB)，不適于對性能指標要求較高的應用場合。

與固態電子式微波開關相比，機械式同軸微波開關頻率覆蓋范圍足夠寬且具有良好的穩定性，靜電作用反應對其基本沒有影響，自身的插入損耗遠小于固態微波開關，通常能做到40 GHz時不大于-2 dB，通道間切換也可達到ms級，是高頻開關網絡設計中的首選開關類型。市場上能夠提供該類型開關的廠商包括美國的Keysight公司、Dow-Key公司、Pasternack公司，法國雷迪埃公司，德國Narda公司等，國內也有很多生產企業，包括航天科技集團504所，中電科技集團41所等等。綜合考慮成本及開關指標問題，本設計采用法國雷迪埃公司的產品，具體指標如表1所示。

表1 射頻開關指標

機箱內部可采用的射頻電纜分為柔性線纜、半柔性線纜及半剛性線纜。考慮到半剛性同軸線纜易于定型，其高強度的外導體在提供良好屏蔽特性的同時，也能很好地保證線纜結構尺寸的穩定性，便于機箱內部的走線布局。本設計選取指標優異的進口半剛性同軸線纜作為內部射頻開關間的級聯射頻電纜。

端口駐波調試：矩陣開關微波接口處的級聯形式為2.92型面板轉接器+半剛電纜+微波開關。以40 GHz為例，其中2.92型面板轉接器駐波接近為1.00，半剛電纜駐波為1.15，射頻開關駐波為1.70(二選一開關和多選一開關標稱值為1.90、2.20，實測1.70)，可見駐波主要取決于射頻開關。此外各微波元器件級聯時的失配狀態也在一定程度上影響到駐波指標。可采取的措施是，在線纜布局設計中盡量減小級聯和避免電纜的彎折，還需注意彎折的角度，以減小微波傳輸的不連續性對駐波的惡化；確保單根電纜的駐波控制在1.2以內(40 GHz時)；另外在通道調試時，針對同批次多級開關駐波曲線基本一致，導致駐波累加的問題，對級聯電纜進行駐波曲線仿真設計，通過電纜對鏈路進行匹配，使電纜和開關的駐波高點不重合，確保通道駐波指標滿足要求。

各通道插入損耗調試： 微波元器件的插入損耗指標是隨著頻率的增加逐漸惡化的。從表1可知，在40 GHz時，四選一開關和六選一開關的損耗為1.10 dB，二選一開關的損耗為0.80 dB,2.92型面板轉接器損耗為0.5 dB，半剛同軸電纜損耗為2.75 dB(電纜損耗為3.5 dB/m，矩陣內預計電纜長度為50 cm，考慮到電纜接頭損耗在1 dB左右)，連接造成的失配損耗為0.4 dB，這樣各通道插入損耗可以控制在8 dB以內。

幅度相位一致性調試：矩陣開關的幅度相位一致性主要受各射頻開關和射頻電纜幅相一致性的制約。在機箱內線纜布局設計中，需要注意結構的對稱性，使每條線纜具有相同的物理長度，通過等長設計和通道電纜補償來保證指標。本設計選用的射頻電纜在全頻帶內的幅頻特性較好，可以保證相同規格的電纜之間，在全頻帶內同一頻點處的幅相接近。另外，所選用的各射頻開關之間以及同一開關不同通道間的幅頻特性較好，由開關引起的幅度不一致性可通過批量電纜篩選的方式予以補償。

經過指標調試后，預計高頻開關網絡能夠達到以下性能指標：

工作頻段：DC～40 GHz；

最大承受功率：不大于2 W；

各端口駐波比：DC～26.5 GHz時不大于1.7;

26.5～40 GHz時不大于2.0；

各通道插入損耗：不大于9 dB；

通道間幅度一致性：≤±1.0 dB；

通道間相位一致性：≤±40°；

通道間隔離度：≥50 dB。

1.2 高頻開關網絡電路設計

高頻開關網絡的電路控制主要包括系統主控計算機核心板和射頻開關繼電控制板兩部分。主控計算機核心板選用了市面上主流廠商研揚科技的產品，該產品具有體積小巧，接口資源豐富等優點，可以提供4個RS232 串行接口、兩個 USB3.0接口、一個LAN局域網口、一個CRT顯示端口、一個LVDS顯示端口等，滿足系統需求。

射頻開關繼電控制板為自主設計研發產品，以ATMEL的AT91SAM7X256 ARM處理器[9]和Altera的EPM7256SRI208-10 CPLD處理器[10]為主要架構，配合MAX485接口、CAN接口等單元，可以對開關矩陣箱中各個射頻開關進行快速切換，從而形成多路組合開關協同工作。繼電控制板需要5 V和24 V兩路供電，其中5 V提供給各芯片電路，24 V為包括六選一開關、四選一開關和二選一開關三種類型的射頻開關提供驅動供電。為了滿足多型開關矩陣機箱的開關控制，控制板能夠為最多6個SPDT矩陣開關和12個SP4T/SP6T矩陣開關提供供電及控制信號，具體原理如圖2所示。

圖2 繼電控制板原理

實際工作過程中，通過前面板的觸摸顯示屏或程控選擇相應的切通通道，主控核心板中安裝的控制軟件將切換命令解析為每一個射頻開關的控制指令，經由RS232串行口與繼電器控制板進行串行通信發送控制信號。繼電器控制板接收到控制指令后，驅動電路將該指令令轉化為合適的電壓和驅動電流，進行開關控制，從而實現多路微波信號傳輸切換，控制矩陣開關射頻通道不同鏈路的選擇。

1.3 高頻開關網絡結構設計

單臺高頻矩陣開關的組成包括多端口微波開關、半剛性同軸電纜、轉接器、數據及電源連接器、矩陣開關控制電路、矩陣電源穩壓電路、開關箱結構件等部分，考慮到以后可能的擴展需求，將微波開關通道、開關控制電路及電源穩壓電路分別進行模塊化設計和集成，依次規劃為電源區、控制區和開關鏈路區。所有矩陣開關機箱采用電磁兼容模式，全鋁合金材質能夠屏蔽外界信號的干擾，機箱散熱通過安裝在機箱內部的電風扇進行散熱。成品為標準的4U高19英寸上架結構，尺寸420 mm(長)×450 mm(寬)×170 mm(高)。

2 高頻開關網絡軟件設計

高頻開關網絡的控制軟件在WINDOWS操作系統環境下采用Visio Studio 2010編譯軟件進行開發，具體控制軟件流程如圖3所示。按照圖3，采用C++語言進行源代碼編寫工作，經過調試及編譯仿真，生成可執行程序(*.exe格式)。設備上電后，自動運行控制軟件，軟件首先對各射頻開關發出復位指令完成系統初始化，等待接收本地控制指令或上位機程序控制指令，收到控制指令后，以通道鏈路概念為核心，控制軟件將其解析為各射頻開關的切換命令，通過串口發送給繼電控制板，由控制板控制鏈路中的多個微波開關按信號方向和工作先后順序切換實現通道控制完成通道切換。

圖3 高頻開關網絡控制軟件流程圖

軟件具備遠程控制和本地控制兩種模式，遠程控制優先；本地控制支持觸摸屏控制方式，控制界面可實時顯示開關切換次數，總矩陣控制軟件本地控制界面如圖4所示。

圖4 高頻開關網絡控制軟件界面圖(總矩陣)

3 實驗結果與分析

對搭建好的高頻開關網絡進行實驗驗證測試，測試所需臺式儀器為是德科技生產的矢量網絡分析儀N5244B及配套測試電纜一組。矢量網絡分析儀上電校準后，按圖5所示與被測矩陣開關連接，依次設置測量參數S11、S22測量前后面板的端口駐波比，S21測量通道插入損耗，S12測量幅度相位一致性(以IN-1～OUT1通道為基準將S12參數中幅度相位數值歸一化)。通過前面板觸摸顯示屏手動控制矩陣開關的通道切換，得到每個通路的測試截圖如圖6所示。對全部測試截圖中數據進行整理，得到實驗結果，以6入18出分矩陣1為例節選部分實驗測試數據詳如表2所示。

圖5 高頻開關網絡測試連接圖

圖6 高頻開關網絡實驗驗證測試截圖

通道端口駐波比(前面板/后面板)DC～26.5GHz26.5～40GHz通道插入損耗/dB相位一致性/(°)幅度一致性/dBIN-1～OUT-11.61/1.681.77/1.827.300.010IN-1～OUT-21.57/1.551.80/1.827.3713.090.06IN-1～OUT-31.61/1.651.84/1.957.587.71-0.25IN-1～OUT-41.55/1.531.84/1.857.4914.850.04IN-1～OUT-51.58/1.621.82/1.837.3112.80.09IN-1～OUT-61.57/1.591.82/1.877.5815.8-0.15IN-1～OUT-71.59/1.571.81/1.937.3520.49-0.01…………IN-6～OUT-161.62/1.631.84/1.897.4517.180.06IN-6～OUT-171.62/1.631.85/1.887.4512.670.03IN-6～OUT-181.60/1.581.80/1.937.3210.340.11

從表2可見，高頻開關網絡整體性能指標良好，端口駐波比、各通道插入損耗及通道間幅度相位一致性的實驗測試數據能夠滿足1節中預期的指標要求。當其應用于自動測試系統中時，可以最小限度的降低由于使用開關網絡擴展測試通道而對被測產品測試數據產生的影響。實驗測試數據證明整個高頻開關網絡設計與實現過程中選取的射頻開關與射頻電纜之間的匹配性較好，指標調試方法合理，可應用于后續類似矩陣開關的設計生產中。

4 高頻開關網絡的系統應用

高頻開關網絡自動測試系統由高頻開關網絡和圍繞它的系統應用組成，主要包括工控計算機、激勵及測試儀器、提供遙控遙測信號的指令驅動設備等。本系統配備的臺式儀器為是德科技生產的信號源E8257D、矢量網絡分析儀N5244B、頻譜儀N9030A、頻率計53149A及功率計N1914A，整體結構如圖7所示。

圖7 高頻開關網絡自動測試系統組成及結構

使用自動測試系統進行測試工作時，測試人員首先根據被測微波組件的測試需求在系統搭載的自研軟件平臺上編輯相應的測試流程，選定測試項目，工控計算機通過LAN或GPIB的通信方式對各儀器設備發送程控指令，依托高頻開關網絡提供的通路擴展實現對多端口微波組件產品的自動測試。自動測試系統具備如駐波、諧雜波抑制、增益、帶內響應、帶外增益、幅相一致性、增益穩定度、噪聲系數、相位噪聲、非線性特性(P-1)等相關參數的測試能力，同時可利用矢網自校準功能，對多個通道進行自動切換，實現多通道S參數的自動和循環測試，自動測試系統測試結果如圖8所示。現以圖7中測試8入8出的上變頻器和相控陣天線端子的插入損耗為例進行說明。

輸入激勵信號流向：矢量網絡分析儀激勵端口(port1)發出激勵信號，信號通過開關接口IN-2進入定制型主矩陣，主矩陣輸入端切換至J-1，信號進入6入18出分矩陣1，分矩陣依次切換1-8輸出通道，信號分別流入被測上變頻器的8路輸入端予以激勵。

輸出響應信號流向：激勵信號進入上變頻器產生8路響應信號，信號流入分矩陣3，矩陣依次切換1-8輸出通道，主矩陣輸出端切換至J-3，8路響應信號依次經由J-3、OUT-1進入矢量網絡分析儀響應端口(port2)進行分析，軟件平臺自動讀取矢網S21參數得到被測上變頻器對應各通路的插入損耗值。

圖8 自動測試系統測試結果

5 結束語

本文設計了一種依托高頻開關網絡的自動測試系統，能夠適配目前大多數微波組件產品的測試需求，解決了不同衛星載荷微波組件產品測試的通用性問題，提高了工作效率和人員利用率。目前已有多套自動測試系統投入使用，市場反應良好，應用前景廣闊。