一种基于LXI总线的TR组件S参数自动测试系统的设计

江晓竹，樊 晶，张金良，施永飞，张英浩

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

一种基于LXI总线的TR组件S参数自动测试系统的设计

江晓竹，樊 晶，张金良，施永飞，张英浩

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

针对有源相控阵雷达天线中TR组件S参数测试工作量大、控制信号繁琐且测试结果需要大量分析处理的特点，设计了一种基于LXI总线的TR组件S参数自动测试系统。重点阐述了单次校准多次测量技术、开关矩阵设计、LXI总线仪表通讯等关键技术。该测试系统具有快速高效、可靠性高、使用方便灵活的特点，能够满足TR组件的测试要求。

TR组件；S参数；自动测试； LXI总线

0 引 言

有源相控阵雷达是当今世界雷达研制与发展的主流，其中TR组件是有源相控阵雷达的核心部件。它的体积、重量、性能、质量、成本、可靠性等指标直接影响雷达相应的整机指标。按照用途不同，一部有源相控阵雷达有少则数百个、多则上万个TR组件。每个TR组件均有数十个微波参数需要测量，若采用手工测试的方法，必然要耗费大量人力、物力和时间，也无法保证测量结果的一致性[1]。同时，针对一般TR组件自动测试系统或测试系统集成开发服务的技术现状，其TR组件自动测试系统主要针对TR组件的通用测试要求开发，无法满足多品种TR组件测试要求。因此，必须自主研制开发TR组件自动测试系统。

1 测试系统构成

1.1 测试系统硬件构成

根据被测TR组件性能指标特点以及所要求的S参数测量精度，设计的该测试系统硬件包括控制计算机、测试仪表(矢量网络分析仪)、TR组件控制板、开关矩阵、交换机以及相关连接附件。系统基于局域网(LAN)，通过控制计算机可对任何部件进行访问和控制。系统组成框图如图1所示。

图1 TR组件S参数硬件组成框图

作为整个测试系统的中枢神经，控制计算机与测试仪器、TR组件控制板和开关矩阵进行通讯，完成系统控制指令下达、数据采集交换处理和最终的测试结果输出等任务。TR组件控制板与开关矩阵配合，完成切换TR组件的工作状态，并切换当前的测试通道。

1.2 测试系统软件设计

根据系统要求，测试软件主要完成以下功能：

(1) 测试仪表远程操控功能：完成对仪表的远程参数设置、数据读取的功能；

(2) 被测件状态操控功能：完成对被测件控制板及开关矩阵发送基于UDP协议的操控命令，实现对被测件工作通道、衰减量、移相量等参数的控制；

(3) 数据分析处理功能：完成对测试原始数据的二次处理功能，并根据指标进行合格判定；

(4) 测试数据存储功能：完成对测试的最终结果进行自动保存。

2 关键技术分析

2.1 单次校准多次测量技术

TR组件S参数的测试主要包括通道的端口驻波及正向反向传输特性的4个参数。通过这4个参数的测试结果可以分析测得的指标有输入/输出端口驻波、通道间增益一致性、单通道增益控制精度、通道间相位一致性、单通道相位控制精度、全移相态幅度变化和全衰减态相位变化。

本文中的自动测试系统采用了单次校准多次测量(SCMM)技术，在测试开始时手动进行全二端口校准，单次扫描可以同时完成S11、S22、S21、S12这4个参数的测试。网络测量中所涉及的系统误差与信号泄漏、信号反射和频率响应有关，共有12项误差。二端口校准考虑了所有主要的系统误差源，能够根据开路器、短路器和负载的校准结果对12个误差项进行修正[2]，从而给出最精确的结果。校准连接图如图2所示。校准端口为开关矩阵接入到被测件的端口，保证测试数据真实反映被测件的情况。校准时控制开关矩阵依次切换到系统实测时所涉及的所有通道，对每个通道一一进行校准。每校准完一个通道将校准数据保存，以便后续测试的调用。校准完毕后将被测件接入测试系统，进行自动测试。只要系统不断电，无需再对系统进行校准，大大减少了测试时间。

图2 校准连接框图

2.2 开关矩阵的设计

自动测试系统的建立，在硬件方面，除了要根据测试任务的要求进行可程控测试仪器的选择，还需要通过开关矩阵及测试电缆转接头等将被测件与测试仪器有机结合起来，形成测试通路，其中开关矩阵用来实现仪表各接口与被测件通道的自动切换功能。当选择对TR组件某个通道某个指标进行测试时，计算机对开关矩阵发送控制命令，导通所需测量通道。根据实际被测TR组件为8通道的特点，并考虑今后扩展测试系统实现TR组件S参数以外的指标测试功能，设计的开关矩阵内部原理如图3所示。

根据目前TR组件主流的指标参数，该开关矩阵中预留了多个可扩展的仪表接口，分别预留给被测件的两个测试方向端口，能够满足后续扩展测试系统进行TR组件全指标自动测试的需求，另外还预留了多个对接到被测件的备用端口。所有射频开关均采用机械开关并内置负载，每次切换完毕后开关切换到负载端，以保护测试仪表。射频电缆均采用稳幅稳相电缆。开关采用的继电器开关，使用寿命在500万次以上。开关切换时间为20 ms、插损在0.3 dB左右，能够满足测试的实际使用需求。

图3 开关矩阵原理框图

2.3 LXI总线仪表通讯技术

LXI全称为LAN-based eXtensions for Instrumentation(局域网的仪器扩展)。它是Agilent公司和VXI科技公司共同合作于2004年9月在美国加州提出的一种新型仪器接口规范。基于著名的工业标准以太网技术，扩展了仪器需要的语言、命令、协议等内容，构成了一种适用于自动测试系统的新一代模块化仪器平台标准[3]。

LXI总线具有以下几个优点：

(1) LXI总线基于技术非常成熟的以太网，其错误检测、故障定位、长距离互联、高通讯数据率、树状拓扑结构等比现有计算机的并行和串行总线优越得多。以太网的基础设施非常普及，价格便宜，由此建立的系统可以既保证技术安全又降低了成本。

(2) LXI可应用标准的Windows操作系统，可以利用通用的软件如C/C++、Visual Basic、LabVIEW和VEE等进行系统编程。

(3) LXI提供分布式测试方式，LXI设备可以分布在任何地方，从任何地方进行访问。

本系统所用仪表兼容LXI总线技术，以局域网代替传统GPIB总线技术，提高了数据传输速度，提高了系统的兼容性、易用性和开放性。

3 系统的实现

本测试系统已进行了工程化实际测试。以64移相态、16衰减态的8通道TR组件为例，单个组件的下行通道S参数实测时间加数据处理时间为8 min左右，测试完成后即可得到测试结果，测试效率较手动测试大大提高。测试标明，该系统简单实用，根据需要可扩展功能，对提高效率和减少人为事故，提高系统对产品性能分析等有着十分现实的意义。图4为测试系统实物照片。

图4 测试系统实物图

4 结束语

本系统利用高性能矢量网络分析仪，结合LXI总线技术并基于网络连接，用一台交换机将多个测试硬件接入系统中，平台搭建简单灵活。微波开关矩阵的设计提高了系统的兼容性和可扩展性，为今后构建TR组件全指标的测试系统预留了足够的硬件接口。实践证明，该测试系统稳定、可靠、高效，能够满足多通道TR组件S参数自动测试要求。该测试系统研制过程中积累的经验为今后构建功能更为强大的TR组件自动测试系统奠定了良好的技术基础。

[1] 胡明春，周志鹏，严伟.相控阵雷达收发组件技术[M].北京：国防工业出版社，2010.7：273-274.

[2] 蒋晓红.T/R组件自动测试技术研究和实现[D].工学硕士论文，2007.11：28-30.

[3] 孙振，王学奇，王勇.LXI总线及其关键技术分析[J].中国仪器仪表，2006(3).

An automatic test system of S parameters of TR modules based on LXI bus

JIANG Xiao-zhu, FAN Jing, ZHANG Jin-liang, SHI Yong-fei, ZHANG Ying-hao

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

The test of the S parameters of TR modules in active phased-array radar antennas involves lots of work, complicated control signals, and enormous analysis and processing of test results. Therefore, an automatic test system of the S parameters of TR modules based on the LXI bus is designed with an emphasis on some key technologies such as the single calibration multiple measurement (SCMM), switch matrix design, and LXI bus instrument communication. The convenient and flexible test system can satisfy the test requirements of TR modules, featuring high speed, efficiency and reliability.

TR module; S parameters; automatic test; LXI bus

2013-12-26；

2014-01-12

江晓竹(1983-)，女，工程师，研究方向：自动测试技术；樊晶(1980-)，男，工程师，研究方向：模拟电路；张金良(1981-)，男，工程师，研究方向：T/R组件技术；施永飞(1979-)男，工程师，硕士，研究方向：雷达接收机；张英浩(1981-)男，高级工程师，博士，研究方向：微波电路及系统。

TP306

A

1009-0401(2014)02-0062-04