数字T/R组件自动化测试系统设计方法

王玉辉,辛传祯,尚文明,赵海涛

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153)

数字T/R组件自动化测试系统设计方法

王玉辉,辛传祯,尚文明,赵海涛

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153)

摘要：针对某种数字T/R组件的批量测试需求,提出了一种自动化测试系统的设计方法,简要介绍了其设计原理和组成,并综合考虑测量精度和工作效率的因素,设计了较灵活的校准策略及测试方式。设计的测试系统已用于组件的调测,大大缩短了组件的调测周期,有效提高了组件的调测效率。

关键词:数字阵列雷达；数字T/R组件；自动测试系统

0引言

数字阵列雷达( Digital Array Radar ) 因具有大的动态范围、同时多波束、多功能、可编程副瓣及零点抑制等优点成为相控阵雷达的一个重要发展方向。目前,数字阵列雷达已经从概念研究、关键技术研究发展到了实验系统研究和工程化应用阶段[1]。作为核心部件,数字T/R组件在阵列雷达中的数量少则几十上百,多则成千上万,其性能指标直接影响着雷达系统性能。与传统组件相比,数字组件内部除了包含移相、衰减、功放、限幅与低噪放、频率转换与滤波等模块外还增加了模数转换、数模转换、信号产生、通道补偿与幅相修正、波束合成及通讯控制等多种模块。其频率跨度从射频到中频乃至数字基带,组成和控制更复杂,模拟通道特性和数字处理性能交织在一起,待测试指标更多,难度更大[2-3]。面对这种情况,研究对应自动测试系统的设计方法,对降低设计、调试、测试人员的工作强度,缩短研制、调试、测试周期,提高测试精度,提高生产效率具有重要意义。

本文结合某型数字T/R组件的调测需求,提出了一种数字T/R组件自动测试系统设计方法,并通过软硬件构架完成了对应测试系统的设计。该方法主要是利用计算机通过采集控制卡实现与数字T/R组件的交互控制,通过网络实现对测试仪表、信号转接中枢(开关矩阵)的控制,将仪表设备集成为一体,实现了信号通路的自动切换、仪表测试参数的自动设置。同时,利用采集控制卡和网络接口分别读取组件数字中频采样数据、仪表测试数据并通过自动分析和处理得到最终测试结果,实现了接收增益、收发隔离度、动态范围、输入输出驻波、移相精度、衰减精度、噪声系数、带外抑制、发射输出功率、发射波形参数、发射频谱质量、收发各状态组件工作电流、通道间幅相一致性等参数的组件通道全功能指标自动化测试,达到了减少人工干预、减少出错概率、提高测试效率的目的。

1系统设计及原理

测试系统在设计上分为硬件资源和测试软件,其系统框图如图1所示。为满足组件的互换性要求,引入参考组件作为组件间幅相一致性参数测试的基准。为满足测试系统测量精度要求,设计了系统通道损耗等系统校准功能,实现了单次校准多次测量。为满足对测试数据统计和查询的需求,设计了数据处理系统,实现了对测试数据根据门限值进行判断并以数据库文件保存,实现了标准测试数据报表的自动生成。

1.1　硬件设计

T/R组件自动测试系统硬件组成(如图1所示)主要包含矢量网络分析仪、示波器、信号源、频谱仪、直流程控电源等测试仪表和采集控制卡、信号转接中枢、主控计算机、路由器等其他辅助设备。

图1　T/R组件自动化测试系统框图

脉冲矢量网络分析仪主要完成发射驻波、发射移相精度、发射通道幅相一致性等指标的测试。频谱仪主要完成发射通路的频谱参数、功率参数测试。示波器主要完成发射包络参数测试。程控直流电源提供噪声源和被测件的工作电源并记录各状态的工作电流。主控计算机主要完成被测组件、参考组件和仪器设备的程控、状态和参数的设置及测试数据和结果的读取与分析。采集控制卡(具备PCIE和光纤接口)主要给被测组件、参考组件提供触发信号,实现组件收发状态和参数控制,通过光纤接口采集接收通道测试数据,并提供外触发同步测试仪表。

信号转接中枢是自动测试实现的关键,主要功能是根据测试项建立相应的激励通道和测试通道,提供系统测试用的微波通路和微波信号的功率分配。系统中激励信号和仪表的测试端口均连接到信号转接中枢,被测件的RF测试端口、时钟及本振也连接到该设备。信号通路的建立是主控计算机通过网络控制信号转接中枢中的微波开关矩阵通断并在此基础上选择适当的功分器完成的。信号转接中枢是以系统各个测试项框图中的信号通路为基础,在其上优化、整合、设计,得到信号转接中枢结构。考虑到组件工作带宽、通道隔离度及耐功率等因素,微波开关矩阵中选用机械电磁开关。

在完成硬件配置的基础上,综合考虑仪表设备的控制响应时间、数据传输时间,通过软件设计解决系统的同步控制问题,使系统在主控计算机的控制下有序地进行命令、数据的传递和交换而不发生冲突混乱,最大效率地实现仪器的功能,使系统在确保准确度的情况下获得尽可能快捷的测量速度。

1.2　软件设计

测试系统软件以通用化为设计方向,并使其具备一定的灵活性和扩展性；通过数据库建立并维护测试资源、管理并调度测试项目,同时实现存储并管理原始测试数据。

测试系统软件基于WINDOWS平台,采用Microsoft Visual C++.NET作为开发工具,结合Measurement Studio for .NET进行仪器控制。采用Microsoft Access 2000作为数据库开发工具,可保证海量数据的存储和检索。

图2　测试系统软件组成框图

测试系统软件组成如图2所示,分为测试系统管理、测试资源管理、测试执行、测试数据管理、测试开发等5个部分。

测试资源管理包含仪器资源管理和信号通路配置。仪器资源管理具备仪器型号选择、端口信息配置与测试驱动程序管理等功能,可将仪器设备硬件资源与仪器设备驱动库等软件资源进行映射关联。信号通路配置是针对各个测试项信号转接中枢中信号通道的通断及未使用通道的端接匹配。

测试执行包含系统自检和测试任务运行。系统自检用于确认当前测试系统状态。测试任务运行是测试主过程,包括测试参数配置。测试参数配置主要提供被测件测试条件、仪器参数设置等信息的配置管理,配置完成后可自动进行驱动控制、数据采集、校准补偿、数据显示与存储。

1.3　系统校准设计

测试系统中引入了大量的电缆、衰减器、开关等。测量时,为保证测量精度必须进行系统校准。为取得最大测试准确度,针对不同的测试项目采取相应的校准方法。在系统校准策略上综合考虑测量精度和效率因素:

(1) 校准和补偿

用于测量、保存并调用校准数据,对系统引入的系统差进行补偿。为确保测量精度,系统需定期进行全端口的全性能校准,并将数据保存到校准文件中。在使用过程中需要高精度测量的情况下要实时进行全端口校准,在测量精度要求不高的情况下则可以调用系统以前的校准文件进行指标、功能的测试。

(2) 校准验证

在系统每次开机后确认校准状态及校准文件是否有效,并决策是否进行重新校准。这样就可实现单次校准多次测量,兼顾了测试的精度和效率。

在开关动作的设计上,尽可能减少开关次数,以减小开关重复性的影响。另外,在结构设计上,确保系统通风良好,以减小因温度引起的不确定因素的影响。

1.3.1　幅相测试校准设计

系统在进行幅相测试时,采用校准面延伸并结合系统差修正技术进行校准,直接在与被测件连接的测试端口进行校准。在高准确度要求下,采用矢网全二端口校准的方法,以提高仪器测试准确度,并减小失配的影响。在普通准确度的要求下,采用直通校准的方法。

1.3.2　噪声系数测试校准设计

在噪声系数的测试校准设计中采取了损耗补偿技术,对被测件前端的损耗分别进行补偿,保证自动测试时噪声系数准确可靠。

2系统测试流程

数字T/R组件测试项目多,过程复杂,其典型流程如图3所示。

图3　系统测试流程图

限于篇幅,本文仅以接收通道幅相一致性测试为例说明测试过程:首先是测试信息配置,选择接收通道幅相一致性作为测试项目；测试开始,主控计算机按照本测试项的配置信息通过网络控制信号转接中枢建立与组件、仪表的连接通路如图4所示,测试激励信号二功分后接参考件XP1口和被测件XP1口,对未使用端口进行端接匹配；同时控制信号源提供组件的本振及射频激励信号,主控计算机发出组件状态控制信号,采集控制卡转发给被测组件和参考件,使两个组件均处于接收状态；然后采集控制卡发出采集控制脉冲,控制两个组件同时采集测试激励信号,并转换为数字基带信号(I、Q数据)通过光纤输出,通过采集控制卡存储在主控计算机中；再运行数据处理软件,得出目前通道该频点的接收通道一致性指标的测试结果。

幅相分析算法如下:

信号包络

瞬时相位

图4　接收通道幅相一致性测试原理框图

3系统对比验证

由于对比验证的测试内容较多,仅列出某通道幅相对比测试的手动和自动测试结果,如表1～4所示。

从上述幅相自动与手动测试结果的对比表中可以看出,自动化测试系统在进行系统校准后引入的系统误差很小。

表1　发射通道相位对比测试结果

表2　发射通道峰值功率对比测试结果

表3　接收通道相位对比测试结果

表4　接收通道幅值对比测试结果

4结束语

采用计算机通过采集控制卡实现与数字T/R组件的交互,通过网络实现对测试仪表通讯、对信号转接中枢的控制,将仪表设备集成为一体的数字T/R组件自动化测试系统设计方法,应用于某型数字T/R组件测试系统的设计中,解决了批量组件测试参数多、测试量巨大的问题。测试准确度与测试系统选用的仪表基本一致,能够很好地满足相控阵系统需求。原本需要测试人员24 h完成的工作,现在只需要计算机8 min即可完成,并且输出的数据文件可以直接进行后续的数据处理,直至生成测试报告.这大大提高了测试效率,减少了测试人员的工作量,加快了组件测试的进度。

参考文献:

[1]吴曼青.数字阵列雷达及其进展[J].中国电子科学研究院学报,2006(1):11-16.

[2]盛永鑫.T/R组件自动测试系统[J] .国外电子测量技术,2006,25(11):38-40.

[3]蒋晓红,李为玉,石慧.T/R组件自动测试系统的研制[J].测控技术,2008,27(2):11-12.

Design of an automatic test system for digital T/R modules

WANG Yu-hui,XIN Chuan-zhen,SHANG Wen-ming, ZHAO Hai-tao

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

Abstract:In view of the test requirements of numerous digital T/R modules, an automatic test system is designed. The principle and composition of the test system are briefly introduced, and with measurement precision and working efficiency taken into consideration, the flexible calibration strategy and test method are designed. The test system designed has been used for the debugging and testing of the digital T/R modules, greatly shortening the period and effectively improving the efficiency.

Keywords:digital array radar; digital T/R module; automatic test system

中图分类号:TP29

文献标志码:A

文章编号:1009-0401(2015)04-0060-04

作者简介:王玉辉(1978-),男,高级工程师,硕士,研究方向:T/R组件及数字相控阵；辛传祯 (1986-),男,工程师,硕士,研究方向:T/R组件；尚文明 (1986-),男,助理工程师,硕士,研究方向:测试系统；赵海涛 (1985-),男,工程师,研究方向:T/R组件和测试系统。

收稿日期:2015-04-03；修回日期:2015-05-22