基于緊縮場暗室的相控陣天線快速測試系統設計研究

鐘洋，盧剛，王偉豪

（中電科蓉威電子技術有限公司，四川成都，610074）

0 引言

相控陣天線快速測試系統適用于相控陣天線緊縮場指標測試與通信終端測試，能夠高效的完成2GHz～40GHz（可擴展至110GHz）頻段內天線的指標測試功能。滿足傳統測試場功能，兼備相控陣天線測試針對性能功能：相控陣天線自動/手動方向圖測試、收發方向圖加權調試、幅度/相位方向圖測試、全域指向精度測試、相位中心測試、幅相校準測試、波束寬度測試、軸比測試、波束躍度測試、旁瓣抑制、遠副瓣抑制、P-1dB 點測試、EIRP、G/T、EVΜ 測試等測試。

同時系統采用分布式測試系統控制功能分散、操作管理集中的基本設計思想，使用多層分級，合作自治的結構形式，由過程控制和過程監控組成的以通信網絡為紐帶的多級系統，綜合了計算機技術、通訊技術及顯控技術等。

系統把計算機、儀器儀表和綜合控制技術融合在一起，配合專門開發的軟件，可以實現測試數據自動話采集及處理、工藝過程畫面顯示、參數超門限報警、故障報警和測試結果報表打印等功能。同時，系統設置有安全操作權限級別，既方便了管理，又使系統運行更加安全可靠。

在天線批量生產過程中，相同的產品需要測試任務雷同，制定完整的生產流程，能有效提高生產效率。

1 系統組成

本系統由反射面及饋源子系統、轉臺子系統、射頻子系統、控制子系統、軟件子系統、微波暗室子系統等組成。

圖1 測試系統組成框圖

■1.1 反射面及饋源子系統

反射面及饋源子系統主要由反射面、饋源、安裝支架等組成。

由于遠場天線測量的條件是要使天線表面的最大相位差達到22.5°，即要使待測天線的最小距離大于臨界值[1]。這個距離隨著天線運行頻率的上升而不斷增大。緊縮場測量技術就是在這個背景下提出來的一個應對高頻天線測量的解決方案。反射面及饋源的作用是在近距離內將饋源發出的球面波通過準直元件轉換為平面波，形成幅相分布特性近乎于理想的平面波照射區(靜區)特性，從而滿足遠場測試需求。

反射面及饋源產生平面波將聚集在平行波束內，對暗室內四個側壁的照射電平很低，進而降低系統了對暗室吸波性能的要求。

反射面及饋源子系統具有良好的保密特性，且不受外界氣候環境影響，既改善了測試條件，又能夠提高測試效率，可實現全天候測試[2]；反射面及饋源子系統工作頻率很寬，可以滿足2～110GHz 測試要求。

■1.2 轉臺子系統

轉臺子系統的是自動化測試系統的關鍵硬件之一，它的作用是安裝待測天線，能精確改變待測天線的方位或俯仰角度以滿足測試要求。

轉臺子系統包括：方位/俯仰/平移轉臺、轉臺控制器、控制電纜等。

天線轉臺傳動路線：電機→高精度蝸輪→轉臺主軸。

有三大特點：a.傳動鏈短；b.可滿足低速高精度要求；c.具有自鎖特性。

■1.3 射頻子系統

射頻子系統主要由矢量網絡分析儀、頻譜分析儀、矢量信號源、放大器、射頻開關、源天線、標準喇叭天線、射頻電纜組件等組成。

射頻子系統的作用：在控制子系統的控制下，在發射端提供給被測相控陣天線或反射面及饋源一定要求的射頻激勵信號；在接收端，接收和采集射頻信號；測試數據保存在儀表緩存內，隨后被控制子系統讀取進行后續處理；

(1)在進行方向圖測試時，射頻信號的激勵和接收設備均為矢量網絡分析儀；

(2)在進行EIRP、G/T 指標測試時，需要額外用到頻譜分析儀；

(3)在進行EVΜ 測試時，需要用到頻譜分析儀和矢量信號源。

■1.4 控制子系統

控制子系統主要由測試時序控制器、開關控制器、控制電纜等組成。

控制子系統的作用：完成轉臺子系統、射頻子系統、相控陣天線波控系統的協同工作，完成高效的方向圖多任務測試和校準測試。

■1.5 軟件子系統

軟件子系統包括：遠場測試軟件、相控陣校準軟件、數據處理軟件等。

軟件子系統的作用：遠場測試軟件控制轉臺子系統按照既定的路線進行轉動，控制射頻子系統產生射頻激勵；從儀表中讀取和保存測試數據；相控陣校準軟件控制轉臺子系統、相控陣天線和射頻子系統，完成通道切換和校準數據的采集；數據處理軟件用于處理遠場方向圖數據，得到增益、副瓣、波束寬度等一系列遠場輻射性能參數。

■1.6 微波暗室子系統

微波暗室子系統包括：屏蔽主體、吸波材料、通風系統、照明系統、供電系統、消防系統、濾波系統等系統。微波暗室子系統的作用：提供一個近似無反射的理想電磁環境，降低各種反射和散射誤差地測試的影響。微波暗室模擬的是自由空間電磁環境，暗室的六面體全部粘貼吸波材料，并在主反射區粘貼比其它區域更高性能的吸波材料[3]。微波暗室建設的原則是在各個方向都沒有被反射的電磁波。靜區是根據被測天線的有效尺寸，頻率范圍，天線特性確定的重要指標，靜區內的電磁環境應符合被測天線測試的需要[4]。

2 工作模式

■2.1 相控陣天線方向圖測試

相控陣天線有源通道數量通常會達到成百上千，每個有源通道都有收/發態的控制，以及衰減碼和移相碼的控制，需要控制的數據量大[5]。本系統在傳統無源天線測試的基礎上，以測試時序控制器為核心，提供具有多頻點、多波束、多通道的測試系統，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，使得本系統具有較高的測試效率。

圖2 方向圖測試原理框圖

（1） 收發多波位多頻點方向圖自動測試

機械方位軸轉臺采用間斷運動方式，把運動軌跡分割成多段連續的軌跡，每次運動到間隔停頓點后停止運動，等待被測產品多個頻率、多個波位、多個通道的方向圖測量完成后繼續運動，此方式為自動方向圖測試，此方法一次可獲得多張方向圖信息，在測量多張方向圖時會節約相當多個轉臺運行時間，可用于批量生產時大量方向圖的測試任務。

接收測試時，通道可對和、方位差、俯仰差三個通道進行自動測試，而發射測試時，一般只對和通道進行測試。

（2） 全閉環方向圖測試

遠場方向圖測試根據不同的測試需求可分為：

①多頻點多波位多通道測試；

②單頻點多通道測試；

③增益包絡掃描測試；

④定點電掃測試；

⑤無源多頻點多通道測試模式。

其中多頻點多波位多通道測試單頻點多通道測試、增益包絡掃描測試、定點電掃測試適用于有源相控陣天線測試。單頻點多通道測試與無源多頻點多波位測試適用于無源天線測試。

針對方向圖測試的特性，多頻點多波位多通道測試、單頻點多通道測試、無源多頻點多通道測試需要兼顧高效率、高精度的要求，對系統做出了更高的要求；系統通過多功能控制盒、波控盒與矢量網絡分析儀的硬件交互實現測試鏈路硬件全閉環方式達到遠場方向圖高效率、高精度的測試。

■2.2 收發方向圖加權調試

方向圖測試過程中，使用校準數據，生成幅相補償數據，可得到初始的方向圖。若此時需要修改方向圖的指標，如副瓣指標不達標，則需要進行加權調試。

利用校準數據和測試的方向圖數據（幅度相位數據），通過算法軟件生成新的幅相補償數據，使用新生成的幅相補償數據重新測試方向圖后，判斷指標是否合格，如未合格，利用新測試的方向圖數據，再次生成幅相補償數據后測量方向圖，重復迭代，直至測試結果滿足指標要求即可。

圖3 方向圖加權調試流程

■2.3 相控陣天線校準測試

有源相控陣天線由多個單元組成，每個單元上包含天線單元、收發開關、低噪聲放大器、移相器、可變增益放大器等多個電路單元。受供電、工作環境、元器件老化等多方面因素影響，相控陣天線的各單元上的幅度和相位會發生變化，因此在使用有源相控陣天線時，需通過內校準或外校準手段對其進行校準。其中外校準把天線單元連同有源通道一起校準，效果最佳，被廣泛應用。

全閉環校準觸發步驟如下：

(1)遠場校準前提前預置天線通道狀態至波控盒；

(2)通過多功能控制盒的復位信號觸發波控盒，波控盒接收到復位信號后根據預置的天線通道狀態矩陣依次下發天線通道狀態指令；

(3)波控盒下發天線通道狀態指令后反饋LDAC 同步信號至多功能控制盒；

(4)多功能控制盒接收到LDAC 同步信號輸出觸發同步信號至矢量網絡分析儀外部觸發信號接口；

(5)天線通道狀態矩陣輸出完畢后，系統采集天線所有通道的測試頻點的幅度相位值。

多通道天線、DBF 有源相控陣天線存在通道一致性問題，并且陣元間存在互耦的情況，可在遠場條件下進行單通道加電，通過去耦合算法，對所測陣元兩種相位態測量數據處理，消去耦合參量，從而得到全陣各通道無互耦的幅相數據。

通過校準流程，測試軟件采集到每個單元單獨輻射的幅度相位信息，而后可以通過計算轉換為碼值，提供給波控作補碼使用。

■2.4 EIRP 指標測試

有源相控陣天線的一個重要性能指標是EIRP（Equivalent Isotropic Radiated Power,等效全向輻射功率）,其定義是天線增益和發射功率的乘積。對常規天線系統的EIRP 指標測試方法是分別測出天線增益和射頻通道的發射功率，按定義計算出EIRP值。但是對于有源相控陣天線,天線陣面和射頻通道的T/R 組件是集成在起的,事實上很難分開測量相控陣天線陣面的增益和T/R 組件的發射功率。為此,采用遠場直接法測量有源相控陣天線EIRP，結合既往工程實例,該方法是切實可行的,可在實際工程測量應用[6]。

有源相控陣天線EIRP 測量的原理方框圖如圖4 所示。圖中標準天線通常采用標準增益喇叭或標準波導探頭，其增益精確已知。

圖4 遠場法測相控陣天線EIRP 原理框圖

由EIRP 的定義可知：

式中：P為天線發射功率；G為天線發射增益。

遠場直接法測量有源相控陣天線EIRP 方法是利用頻譜分析儀測量出被測相控陣天線的發射EIRP，經自由空間衰減后，由標準增益天線所接收到的功率大小，利用電磁波自由空間傳播方程來確定被測天線的EIRP 值。采用分貝值表示的頻譜分析儀測量信號功率電平為：

式中：Pmea為頻譜儀測量的信號功率電平（單位：dBm）；EIRP為有源相控陣天線的發射EIRP（單位：dBm）；GS為標準天線增益（單位：dBi）；LRF為標準天線和頻譜儀之間射頻線纜的插入損耗（單位：dB）；LP為電磁波自由空間傳輸損耗（單位：dB）：

由上可得被測有源相控陣天線的發射EIRP值為：

若被測天線的極化特性是圓極化，利用上式測量出待測天線圓極化長軸方向的EIRP值，然后加上極化損耗即為被測天線的發射EIRP值。被測天線的軸比為AR（單位：dB），則計算極化損失Lpol為：

■2.5 G/T 指標測試

以絕對法測試G/T 來計算[7]：

C：頻譜儀測量的載波功率，為信號源開啟時頻譜儀接收到的信號功率；

N：頻譜儀測量的噪聲功率，為信號源沒開啟時頻譜儀的噪聲功率；

LP：自由空間的傳播損耗；

B：接收機的噪聲帶寬，等于頻譜儀分辨帶寬RBW 的1.2倍；

Pt：標準增益喇叭天線的發射功率，單位為dBW；

GS：標準增益喇叭天線的增益。

圖5 G/T 測試框圖

3 效率評估

■3.1 相控陣天線快速測試

180°范圍內，9 頻點5 波位方向圖測試時間（從測試開始到結束）：

(1)在IFBW =1kHz 時，儀表單頻點單次測量時間約為1.3ms；

(2)基于硬件RTC 波束切換同步時間約為200us，在不考慮整機反應時長的情況下單次波束切換為200us；

(3)以列表模式設置同頻率下不同波束設置為同一表段內，矢網單次可設置不少于200 個段表；

(4)9 個頻點共計生成9 個不同的段表，每個段表內涵蓋5 個波位即5 個觸發點；

(5)上位機系統在一個角度點位僅需讀取一次儀表參數，即系統在同一角度位置將9 個頻點和5 個波位數據一次讀取，網絡通信時長加儀表讀取時長約為30ms；

(6)基于以上內容匯總可知，單角度位置時間開銷為：（1.3+0.2）×5×9+30=97.5ms；

(7)180 度范圍內步進間隔0.1°需要1801 個采樣點，總時間開銷為：1801×97.5/1000=176s。

■3.2 快速校準時間

4GHz 工作帶寬、頻點個數≥64 個、通道個數≥800 個、單極化單次校準時間，以下是速度評估計算：

(1)在IFBW=1kHz 時，儀表單頻點單次測量時間約為1.3ms；

(2)基于硬件RTC 波束切換同步時間約為200μs，在不考慮整機反應時長的情況下單次波束切換為200μs；

(3)以列表模式設置同頻率下不同波束設置為同一表段內，矢網單次可設置不少于200 個段表；

(4)64 個頻點共計生成64 個不同的段表，每個段表內涵蓋800 個通道即800 個觸發點；

(5)上位機系統在一個角度點位僅需讀取一次儀表參數，即系統在同一角度位置將64 個頻點和800 個波位數據一次讀取，網絡通信時長加儀表讀取時長約為50～100ms；

(6)基于以上內容匯總可知，單角度位置時間開銷為：（1.3+0.2）×64×800+100 =76900ms ≈77s。

■3.3 快速方向圖測試時間

單個剖面、180°范圍內、9 個頻點、9 個波位方向圖測試時間（包含測試狀態切換、數據采集和傳輸、滿足測試步進0.1°要求）：

(1)在IFBW=1kHz 時，儀表單頻點單次測量時間約為1.3ms；

(2)基于測試時序控制器（RTC）波束切換同步時間約為200μs，在不考慮整機反應時長的情況下單次波束切換為200μs；

(3)以列表模式設置同頻率下不同波束設置為同一表段內，矢網單次可設置不少于200 個段表；

(4)9 個頻點共計生成9 個不同的段表，每個段表內涵蓋9 個波位即9 個觸發點；

(5)上位機系統在一個角度點位僅需讀取一次儀表參數，即系統在同一角度位置將9 個頻點和9 個波位數據一次讀取，該數據量較小，網絡通信時長加儀表讀取時長約為50ms；

(6)基于以上內容匯總可知，單角度位置時間開銷為：（1.3+0.2）×9×9+50 =171.5ms；

(7)180 度范圍內步進間隔0.1°需要1801 個采樣點，總時間開銷為：1801×171.5/1000=309s。

4 結論

通過對基于緊縮場暗室的相控陣天線快速測試系統設計的研究，分析了相控陣天線校準原理，介紹了本系統的具體組成及各種工作模式，并對測試效率進行了評估，證明了該套基于緊縮場暗室的相控陣天線快速測試系統可以解決此前相控陣天線測試時間長、成本高的問題，為相控陣天線及終端廠家解提高生產測試能力。