一種相控陣天線自動化測試系統設計

喬興旺 陶成忠 王春艷

（中國電子科技集團公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230088）

1 引言

隨著相控陣天線技術的發展，相控陣系統的規模越來越大，各種模式和功能越來越復雜，有源通道數量越來越多，一部相控陣雷達的有源通道數量會達到成百上千，每個有源通道都有收/發態的控制，以及衰減碼值和移相碼值的控制，需要控制的數據量大，如何快速測試提高效率，是產品研制過程中的關鍵問題。

一般在進行暗室近場測試過程中，往往需要很長的時間進行調試，即占用寶貴的暗室資源，又浪費人力物力，有時暗室的測試進度甚至成為制約交付進度的關鍵點[1～3]。本文針對暗室測試系統，設計一種多頻點、多波束測試系統，從硬件接口和軟件接口進行設計，給出測試過程中的關鍵控制點和工作流程，從而快速實現系統的搭建，提高暗室測試效率。

2 測試系統原理與組成

相控陣天線的性能測試，一般在暗室環境下使用平面近場測試系統進行，通過與天線頻率相同的已知射頻特性探頭，在距離被測天線3～10個波長的平面，按照一定的規律進行運動，通過測試天線在已知平面內的幅度、相位特性，再經過數學計算變換得出天線的遠場方向圖，從而獲得相控陣天線的性能[4～6]。

近場性能測試時，射頻探頭按照一定的運行軌跡進行采樣，在進行采樣時近場測試設備會送出時序控制信號，相控陣天線嚴格按照時序信號進行射頻收發控制，實現對天線的近場測試。為了實現暗室近場多頻點、多波束測試，需要增加波控模塊，將暗室測試設備與相控陣天線進行互聯，實現自動化的測試。相控陣天線自動化測試主要包含上位機和波控模塊等部分組成，系統框圖如圖1所示。

2.1 暗室近場測試系統

暗室近場測試系統作為標準測試設備，主要包含近場測試設備（RTC）、采樣架及探頭等組成，在近場測試時，近場測試設備是整個測試過程的控制中樞。在RTC控制界面中設置控制參數，包含測試頻率點、波位數、掃描順序等參數，待測天線完成測試打碼和布相準備后開始測試，RTC控制采樣架按照設置的參數進行運動，在運動路線上的固定位置進行射頻信號的采集和記錄，完成測試后對測試數據進行反演，獲得口徑場分布及遠場方向圖數據。

2.2 上位機

上位機作為自動化測試系統的主控計算機，是測試系統信息中樞，通過上位機軟件界面設置測試參數，如接收模式、發射模式、單通道測試、多波束測試、開始和結束測試等，同時通過軟件計算獲取不同波束的碼值信息（包括移相碼、衰減碼和延時碼等），按照格式定義生成多波束的碼值表，在開始測試前將多個測試波束數據通過網絡協議傳輸給波控模塊，完成波束信息的計算和傳送。同時向上位機回復整個系統是否準備好的狀態信息，并對整個相控陣天線的測試狀態進行監視，包括監測電源的狀態、工作溫度等信息，將監測信息進行記錄，用于數據分析和問題診斷等，上位機軟件可以基于VB環境下進行開發[7]。

圖1：相控陣天線自動化測試系統框圖

圖2：系統時序信號

2.3 波控模塊

波控模塊是天線近場自動化測試的核心，也是近場系統與相控陣天線的紐帶，最主要功能就是要產生精確的時序信號，依據RTC產生的時序產生天線的時序控制信號，控制陣面進行波束收發，同時與RTC進行硬件同步信號回復，時序如圖2所示。

其中t1、t2、t3在RTC界面進行設置，一般要求采樣位置的時間

波控模塊還需將接收來自主控計算機的波束碼值數據傳輸給天線控制單元，完成對測試波束打碼和布相，同時采集來自陣面天線的回饋信號，送給上位機進行監控和記錄。

表1：多波束測試列表

3 工作流程

在進行方向圖測試時，一般分為兩個流程，單通道測試和多波束測試，具體測試流程如下：

3.1 單通道測試流程

單通道測試是對有源通道進行的基態測試，由于成百上千的有源組件在生產過程會導致幅相特性不一致，所以要測試所有通道的初始幅度和相位，通過組件內部的移相器和衰減器將通道幅相特性補平。

無論是單通道測試還是多波束測試，近場測試系統探頭的運動方向是確定的，一般是從圖1陣面中的A點運動到D點。在進行單通道測試時，各通道按照順序依次打開，進行接收或發射測試，并將該通道的移相、衰減置為零態，其它通道處于既不發射也不接收的狀態，全陣面測試完成后，通過計算獲得基準碼值。

3.2 多波束測試流程

多波束測試是對全陣面進行近場測試，根據基準碼值和測試的波束信息，方位向和距離向波束不同的掃描角度或不同加權系數的方向圖信息計算獲得每個通道的移相碼值和衰減碼值，通過近場測試系統一次完成接收狀態（或發射狀態）的多個頻點、多個波束進行測試。測試時頻率與波束的切換順序如表1所示，每個測試點先進行波束切換后進行頻率切換。

以N個頻點和M個波束的方向圖測試為例，天線陣面水平方向設置X個測試點，垂直方向設置Y個測試點，探頭按照垂直方向進行采集。近場測試在每個測試點都會按頻率和波束號依次發觸發脈沖給波控模塊，波控模塊收到脈沖根據預設好的波束1～波束M進行切換，每切換一次波束后提供脈沖同步信號給陣面天線，當循環M次后RTC進入下一頻率點進行測試，循環Y次一列結束，后面測試流程與第一列相同，每列采樣數據總數S1=M×N×Y，整個天線陣面采樣數據總數S2=M×N×Y×X。

整個測試過程的主控設備是RTC，所有波位和時序的調度是以RTC給出的時序為基準，軟件流程實現的過程如下：

（1）在RTC的操作界面上進行時序、頻點、波位數的設置，同時設置好采集數據的文件名稱和存儲路徑，準備開始測試；

（2）同時主控計算機將波位表的碼值數據傳送給波控模塊，完成測試前準備，完成測試準備；

（3）RTC首先進行自檢，RTC向波控模塊發送自檢信號；

（4）上位機反饋軟件和硬件已準備好的信號，并將第一組波位碼值數據打入相控陣天線，保證采集的第1組數據即第1個波控的控制參數，此操作是保證天線與暗室同步性的關鍵過程；

（5）RTC收到待測系統準備好信號后，將頻率計數和波位計數清零，開始運動到第一個測試位置開始測試，發送第1個波位時序信號；

（6）波控模塊根據RTC的時序信號控制陣面進行發射/接收測試，每個測試點先循環波位，再循環頻率點，測試完成1個測試點后，進入下一測試位置點，直至測試完成1行或1列的所有點；

（7）在進行下1行或下1列測試時，近場測試系統重復e、f過程，直至完成整個陣面的測試，形成近場測試數據文件。

4 結束語

在暗室的近場測試是檢驗整個相控陣雷達系統性能的最有效方法，通過搭建上位機和波控模塊組合的自動化測試系統，完成對多波束的波位調度和相控陣天線時序的精確控制，從而實現對相控陣天線多頻點、多波束測試，該測試系統經過實際應用驗證方案可行，大大提高暗室測試效率。