一种新型卫星转发器测试系统设计与应用

侯卫国 周慧 满梓峰 柴源 赵源

(中国空间技术研究院通信卫星事业部, 北京 100094)



一种新型卫星转发器测试系统设计与应用

侯卫国 周慧 满梓峰 柴源 赵源

(中国空间技术研究院通信卫星事业部, 北京 100094)

从卫星转发器分系统测试项目特点出发，设计了一种新型转发器测试系统，首次将变频矢量校准、系统级测试夹具及去嵌入方法运用在卫星转发器测试中，旨在解决传统转发器测试系统测试准备效率和测试效率低下且无法进行相位特性测试等问题。此转发器测试系统在卫星转发器测试中进行了实际验证，实测结果表明：该转发器系统测试效率比传统测试系统平均提高了3倍以上，测试精度也优于传统转发器测试系统，在一定程度上加快了了卫星装配、总装和测试(AIT)的研制进度。

转发器测试；变频矢量校准；系统级测试夹具；去嵌入

1 引言

随着通信卫星平台技术的发展，搭载的转发器通信容量也越来越大，转发器研制过程中验证项目多达到上万个[1]。如何实现对多链路、大带宽通道的快速校准，如何实现对上万个验证项目的快速测试，如何实现对高精度幅度和相位、时延的精确测试，是大容量通信卫星自动化测试的关键技术之一[2]。

目前，国外主要从测试系统的测试模式和系统效率两个方面解决上述问题。如欧洲航天局(ESA)采用的西门子公司研发的伽利略有效载荷测试系统(GPTS)，其可以控制多套不同的转发器测试系统实现多颗卫星的转发器并行测试[3]，《简氏防务装备》公布的用于相控阵雷达系统的射频测试系统(RTS)，其测试效率比原系统提高10倍[4]。美国国防部(DoD)自动测试系统执行局(ATS EAO)发布的新一代自动化测试系统平台，实现了单个通信信道射频测试项目测试时间为秒级的能力[5]。而国内此类高效且并行管理的测试系统尚处于研究阶段，目前多采用分布式管理的测试系统。

本文从提高系统效率出发，对测试夹具、去嵌入、变频系统校准等方法进行整合和优化，并结合相应的仪器设备，设计出一种新型卫星转发器测试系统，解决了原系统精度低、系统测试效率低等问题。

2 系统设计方法

转发器测试主要包括扫频类、功率类、杂波分析类等测试项目[6]。本文设计的新型测试系统以矢量网络分析仪为核心，实现扫频类、功率类测试项目的快速测试；系统采用频谱分析仪对杂波类测试项目进行测试；另外，为实现大规模的自动化快速测试需求，需开关矩阵来实现地面测试系统与卫星转发器通道的自动切换。

通过对卫星转发器测试系统进行分析，得到在卫星转发器系统级测试中矢量变频校准、测试夹具、去嵌入方法的理论依据。同时介绍了采用梳状波发生器校准后提高变频系统群时延测量精度的方法，相比于传统转发器测试系统，新型转发器测试系统对多项测试误差进行修正，因此，新型测试系统在测试精度上也优于传统测试系统(图1)。

2.1 系统变频校准和测量

卫星转发器属于变频系统，测试系统采用变频校准和测量的方法。变频校准和测量的原理是，通过功率计对矢量源进行功率校准，然后对卫星转发器输入和输出链路以波束为单位同时进行校准，对变频系统进行测量时，输入链路和输出链路分别调取对应频段的校准数据，实现卫星转发器性能测试[7]。其关键点是对矢量源精度进行校准时，校准链路需要有足够的信噪比。

2.2 系统测试夹具和去嵌入

通过引入测试夹具，然后对测试夹具和被测件(DUT)卫星转发器进行整体测量，并通过对测试夹具独立测量或者通过建模的方式对测试夹具的特性进行分析，则可以从整体测量中通过去除夹具的效应，得到被测件的实际测试值。

转发器测试系统设计时，通过把卫星转发器测试系统中的开关矩阵和星地测试电缆链路作为测试夹具，并对测试夹具进行独立测量，对测试夹具的特性进行分析，采用修改校准参数的方法消除夹具影响，如图2所示。

图2 器件测试夹具和测试系统测试夹具Fig.2 Test fixture of component and system test

(1)

(2)

利用式(2)得到相应的T参数矩阵分别为：TFixtureA，TFixtureB，TDUT。测试夹具和被测件得到的整体的特性为

ΤMeasurement=TFixtureATDUTTFixtureB

(3)

式中：ΤMeasurement表示测量的T参数值；TFixtureA，TFixtureB表示测试夹具的T参数；TDUT表示被测件的T参数。

如果已知测试夹具A和B的特性，那么通过矩阵运算性质，就可以得到

TDUT=TFixtureA-1TMeasurementTFixtureB-1

(4)

测量获得测试夹具A和B的双端口特性，就可以完成测试夹具的去嵌入，得到被测件的性能值[9-11]。需要注意的是，以上公式仅适用于测试夹具的插损S21≤20 dB。对于转发器测试系统，其测试夹具插损S21>20 dB，为保证算法的正确性，需修改测试夹具的校准参数为S11=0 dB，S22=0 dB。

2.3 多载波测量变频群时延

卫星转发器分系统属于变频系统，因此，其输入与输出端口的相位关系不能直接测量，因为这两个频率并不相等。同时，其相位特性不仅仅与其自身相关，还受到卫星本振源相位的影响。

目前变频系统的相位和群时延测试多采用比相法、参考混频器法等方法，上述方法的缺点是测试系统鉴相器引入的误差大，被测件本振不稳定时测量结果不稳定、测量速度低、多级变频时，结果不可预测等问题。

本文引入多载波测试变频群时延方法，可有效解决上述问题，在使用此方法前，需对仪器产生的载波进行校准，如图3所示，通过校准抑制不需要的杂波和镜像频率，以提高相位和群时延测试精度。多载波测试群时延原理如图4所示。

图3 多载波校准Fig.3 Multi-carrier calibrate

图4 多载波测量群时延原理Fig.4 Principle of group delay base on multi-carrier

频率为f1到fn(1,…,n，n∈N)的多载波信号输入被测件，由于被测件的相位响应产生相位偏移，Δf=f2-f1为频率差。则时延如下：

(5)

式中：Δφ为相位差；Δφout为输出多载波相位差，Δφin为输入多载波的相位差，因此，在输入和输出端分别测试多载波信号的相位差，取相邻载波的差值就可得到被测件产生的相位偏移。从而获得群时延τg。而卫星转发器本身的本振相位φLO不会影响群时延的测试结果[12]。同时，群时延测试时，多个载波同时产生，测试时间短，测试效率大大提高。

3 系统工程应用设计

转发器分系统性能验证包括增益特性、幅度特性、时延特性、相位特性等测试项目。新测试系统和原测试系统的校准及测试设备和测试方法如表1所示。

表1 原测试系统和新测试系统比较

3.1 测试系统校准

对于卫星的转发器分系统，其包含多个波束，一个波束中包含多路转发器通道(图5)。

根据第2.2节理论和建模分析，利用变频校准和测试夹具、去嵌入方法，以图5所示的开关矩阵信号注入口和信号输出口为分界面，对连接矢量网络分析仪的测试系统共用电缆进行变频校准，对作为测试夹具的开关矩阵和上下行星地连接电缆分别进行同频校准。上行星地连接电缆可通过上行波束切换开关切换形成以上行波束为单位的上行链路。下行星地连接电缆可通过下行波束切换开关切换形成以下行波束为单位的上下行链路。因此，可以以上行波束为单位进行上行链路同频校准，以下行波束为单位进行下行链路同频校准。对于m个互为交链的波束(m∈N)，则仅需进行m-2次同频校准。而采用传统方式校准时，则需(m-1)×(m/2)次。因而在校准次数上，新型测试系统的校准次数远低于传统测试系统校准次数。

图5 矢量网络分析仪变频校准和测试夹具校准流程Fig.5 Process of converter and fixture calibration

测试时，以通道为单位，把测试夹具的校准数据采用2.2节所述的测试夹具模型“嵌入”到变频校准数据中，通过2.2节所述去嵌入算法，利用自动化测试软件处理数据，形成测试时的每个通道的上行信号注入、下行信号接收校准数据。对转发器分系统某个通道进行测试时，切换开关矩阵上下行通路，与此转发器通道形成测试链路，调用与通道相关的波束中的校准数据即可对此通道进行测试。

由以上分析可知，新型测试系统在校准次数上远低于传统校准方式。因此，除了在精度方面的优势外，其在校准效率上也大大提高。

3.2 测试项目实施

转发器测试时，原系统采用自动化测试软件分别对信号源、频谱仪、功率计、示波器等测试仪器进行参数设置，自动化软件需协调信号源和频谱仪、功率计、示波器等信号接收仪器协同工作，在仪器间切换时，需设置延迟时间以保证测试指令能有效执行，因此，其测试效率相对较低，

新系统采用矢量网络分析仪为核心测试仪器，基于矢量网络分析仪具有信号收发一体的快速处理能力，信号扫描和分析能力大大提高，频谱仪和矢量网络分析仪的扫描时间对比如表2所示，新型测试系统自动化测试软件仅需对矢量网络分析仪设置扫描频率、功率等参数，即可实现对转发器测试项目的快速测试，测试效率相比于原系统大大提高。

表2 原测试系统和新测试系统信号扫描和处理时间

4 实测结果分析

对转发器测试系统进行校准和对被测件进行测试的时间对比如图6所示。由图6(a)可知，新测试系统的校准时间远低于原测试系统校准时间，其校准效率是原测试系统的6倍，由图6(b)可知，通过对增益特性、幅频特性、带外抑制、群时延特性等转发器测试项目的测试时间对比，新测试系统测试效率大幅提高，为原测试系统效率的8倍。但在真实卫星测试中，增益特性等项目需采集对应遥测数据，受限于卫星遥测下传速率，测试系统测试效率会有所降低，综合所有测试项目和校准效率，其综合测试效率提高3倍以上。

图6 校准、测试时间对比Fig.6 Comparison in calibration time and test time

以转发器通道为测试对象，使用原测试系统和新设计得测试系统分别对被测件进行增益曲线、幅度、时延特性等的测试，其对比如图7所示，由图7(a)，图7(b)，图7(c)对比和分析可知，对于增益特性、幅频特性、带外抑制特性等测试项目，新测试系统与原测试系统测量精度一致。而对于群时延特性，如图7(d)所示，原测试系统时延在带内抖动较明显，原因是原测试系统未校准，系统引入的误差较大，而新测试系统精度在通信带内测试结果抖动较小，更接近单机数据，原因是系统经多载波校准后引入的误差小，因此，相比较而言，新测试系统比原测试系统精度更高。

图7 新测试系统和原测试系统测试结果比对Fig.7 Measured values of amplitude frequency response and group delay

5 结论

通过测试系统校准时间、测试时间、测试结果的对比和分析，新测试系统综合测试效率提高3倍以上，在一定程度上加快了卫星AIT研制进度。新设计的测试系统在幅度、时延等测试精度方面也等同或者优于传统转发器测试系统，并且新设计的测试系统还解决了相位测量等问题。结合未来通信卫星转发器分系统越来越复杂，多波束合成技术和相控阵技术在卫星上使用等特点，利用本文设计的测试系统解决了测试准备效率、测试效率、测试精度以及相位测试等问题，同时此系统结合自动化技术，形成了自动化的测试系统。因此在卫星转发器大规模测试中具备了工程应用的能力，此项技术在在研卫星转发器测试中已得到实际应用，具有未来推广应用的前景。

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(编辑：张小琳)

Design and Application of a Novel Testing System for Satellite Transponder

HOU Weiguo ZHOU Hui MAN Zifeng CHAI Yuan ZHAO Yuan

(Institute of Telecommunication Satellite, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China)

Considering to the characteristics of satellite transponder, a novel test system is presented with theoretical analysis and experimental verification, which is the first time to apply the method of differ-frequency vector calibration, system-level test fixture and de-embedding theory. The measured results demonstrate that the average test efficiency is improved by three times than that of traditional test system, and the measurement precision is also improved. The novel test system proves to be effective in applications and has a great extension value.

transponder test; differ-frequency vector calibration; system-level test fixture; de-embedding

2014-11-13；

2015-06-29

国家重大航天工程

侯卫国，男，工程师，从事通信有效载荷测试系统研发和测试工作。Email：houweiguo88@163.com。

TN98

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.04.020