微波测试系统中开关网络的设计与实现

2011-09-25

电讯技术 2011年3期

(北京航天飞行控制中心，北京 100094)

1 引言

地面站是卫星测控、通信系统的重要组成部分，其中的链路系统是微波信号传输、变换、放大过程的关键环节，其性能的好坏直接决定地面站完成业务的能力[1]。因此，地面站在建立、使用以及维护过程中，均需要对其链路系统的性能指标进行测试。

系统常用的微波测试项目包括信号电平、幅频响应、相位噪声等十余种[2]。在测试过程中，传统的接入方法是将测量仪表通过测试电缆与被测系统的各个测试点直接连接从而完成测试信号的注入和提取[3-4]。这种接入方法存在两个明显的缺点。其一，被测系统往往存在多个测试点，为了接入到这些测试点必须要经常更换测试电缆的连接位置，即便使用很多测试电缆亦不可避免，因为多数仪表对应不止一个测试点。频繁更换测试电缆的连接位置不仅费时费力(对位于天线上的测试点尤其明显)，而且对于传输高频率信号的测试电缆，这种反复的拆接以及由此引起的形变将会改变测试电缆的插入损耗，从而影响测量精度。其二，测试电缆在完成布线后其标校将会很困难且不易保证精度，特别是位于天线和射频机房之间的射频测试电缆，不仅距离长而且传输的信号频率高。

本文提出了一种新的测试信号接入方法，设计了一个由数个同轴转换开关和测试电缆组成的开关网络，在测试过程中仪表通过开关网络接入到被测系统，解决了传统接入方法存在的问题。

2 开关网络的结构设计

如图1所示，开关网络由位于天线HUB箱内的开关单元(HSU)、射频机房内的开关单元(RSU)和主控机房内的开关单元(ISU)三部分组成。

图1 开关网络的结构及在测试系统中的位置Fig.1 Structure of switch network and testing system

2.1 射频测试电缆的标校

HSU的结构如图2所示。

图2 HSU的结构Fig.2 Structure of HSU

图1及图2中：Ca1、Ca2、Ca3为3根射频测试电缆，每根电缆的一端接在HSU相关位置上，另一端接到射频机房内的RSU相关位置上；P1、P2、P3为3个测试连接点，可接到图1中位于天线HUB内的3个测试点上；S1、S2、S3为3个射频同轴开关，每个开关有0和1两个位置，对应两种连接方式。

(1)通过图2中3个开关的适当切换可实现Ca1、Ca2、Ca3 3根测试电缆之间的环接。

设HSU的开关向量：

SHSU=(S1,S2,S3)

(1)

S=(1,0,x)时，可实现Ca1与Ca2的环接(x表示任意位置)，记作Ca1+Ca2；同理：

S=(1,1,1)，→Ca1+Ca3；

S=(0,0,0)，→Ca2+Ca3。

(2)3根测试电缆可以方便实现标校。

可以在RF Room内配置仪表，当Ca1+Ca2时，从Ca1或Ca2一端注入测试信号(设电平为din)，从Ca2或Ca1端接收信号(电平为dout)。则令

f1=dout-din

(2)

f1就是Ca1和Ca2级联在一起的衰减值。同理，可得Ca1+Ca3和 Ca2+Ca3的结果，这样可得到一个方程组：

(3)

解此方程组就可得到Ca1、Ca2、Ca3各自的衰减值，从而可以方便地实现测试电缆的标校。

2.2 测试信号的接入

整个开关网络的状态可用一个统一的开关向量表示：

S=(S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8,S9)

(4)

向量S的不同取值对应不同的测试信号接入路径，如表1所示。

表1 信号接入路径表Table 1 Signal access circuit

由此可以看出，通过开关网络不仅可以实现对被测系统多个测试点的接入(如图1所示)，而且还可以实现多路径的接入(如表1所示)。

3 开关网络的硬件设计与实现

以HSU为例给出其硬件设计结构图，如图3所示。

图3 HSU的硬件结构Fig.3 Hardware structure of HSU

其它两部分开关单元RSU及ISU与之类似，只是开关数量不同。本系统选用的开关为微波同轴转换开关，其原理见图4，开关有0和1两种状态。J1、J2、J3、J4为微波信号线，A、B为控制线，D、E为状态线，C接24V电源，F接地。

图4 微波同轴转换开关结构Fig.4 Coaxial switch structure

控制方法如下，当开关处于状态0时，控制线A为悬空0 V，控制线B为悬空24 V，状态线D为接地低电平，状态线E为悬空高电平。给控制线B一个大于20 ms的接地脉冲，此时开关变为状态1，控制线A为悬空24 V，控制线B为悬空0 V，状态线D为悬空高电平，状态线E为接地低电平。反之亦然。需要注意的是，控制开关时控制线A或B的接地电阻必须小于50 Ω，开关才能正常动作。

开关控制器采用研华公司的一款型号为ADAM6052的基于Ethernet的数据采集和控制模块。设计参数如下：

(1)I/O类型：8 DI/ 8 DO；

(2)数字输入：

干接点：逻辑0：接地，逻辑1：开路；

湿接点：逻辑0：+3V(最大)，逻辑1：+10～30 V直流；

(3)数字输出：源类型：24 V DC，1 A；

(4)隔离电压：2 000 V DC；

(5)电源要求：未调理+10～30 V；

(6)功耗：2 W。

单元采用24 V开关电源驱动。以上部件可封装在一个小型机箱内，各开关控制器通过交换机连接到站内局域网(LAN)中，可由任意接入到LAN的计算机控制[5]。图1亦展示了这种基于LAN的连接结构。