基于高频开关网络的自动测试系统的设计与实现

2020-03-09王鹤

计算机测量与控制 2020年2期

,王鹤

(1.北京航天测控技术有限公司，北京 100041；2.航天东方红卫星有限公司，北京 100094； 3.中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

随着航天技术的发展，航天任务需求日益复杂且多样化，有效载荷产品已达到批量化生产规模，同时卫星总体针对其载荷产品的处理和通信功能要求也越来越高，多端口微波组件得到了更广泛的应用[1-2]。随之而来的是产品测试强度的不断增大，针对不同微波部件的测试仪器、测试手段也不尽相同[3]，在测试仪器测试通路有限的情况下，传统人工测试模式需要测试人员全程随测，每测一项指标就需要手动更换测试端口，一套多端口微波组件产品测试完成需要耗费几个小时，更换数十次端口，同时由于不断地更换端口，每次人工旋紧接头时可能有偏差，导致同款产品间测试的一致性不高测量精度差，这种测试模式已远远不能满足需求。因此，必须采用通用化集成度高的自动测试系统来完成庞大的测试任务[4-5]。

本文设计了适用于不同卫星载荷微波组件产品的高频开关网络，依托高频开关网络这一主要单元搭建的自动测试系统，可实现卫星载荷产品的全过程自动测试，解决传统人工测试效率低且容易出错的问题。

1 高频开关网络硬件设计

自主设计研发的高频开关网络是自动测试系统的重要组成部分。高频开关网络可以通过本地或上位机程序控制开关网络中多个级联同轴开关的通断，实现被测件与测试仪器的联通。由于所有被测件都是经由开关网络提供的扩展链路与测试仪器相连通的，可以说高频开关网络性能指标的优劣直接关系到整个自动测试系统的测试精度，是整个系统的重难点[6]。因此如何在满足实际测试需求的前提下，优化设计高频开关网络显得尤为重要，在硬件部分将从链路、电路和结构三个方面予以优化。

1.1 高频开关网络链路设计

通过查阅相关文献及实验室验证可知，插入损耗作为微波射频方面的一个关键性能指标，其指标的好坏与射频链路的长度是线性相关的。同一路射频信号，如果实际通过的射频开关级数越多，链路的物理长度越长，其相应的插入损耗等指标就会越大，整个链路的阻抗匹配性就会越差[7]。所以在高频开关网络的链路设计中要尽可能地减少开关级数，缩短射频线缆的物理长度，优化整个开关网络的链路设计，在保证被测产品的链路扩展需求的同时也可以降低整个自动测试系统的研制成本。

经过大量调研被测产品的需求[8]，自动测试系统设计了由5台高频矩阵开关组成的高频开关网络，可实现测试过程中8×72通道的链路扩展，满足目前包括T/R组件、行波管放大器、正/负驱微波开关，相控阵天线等绝大部分微波组件产品的测试需求。根据所连接端口数量的不同允许最多同时测量4～8件微波组件产品，具体原理如图1所示。

图1 高频开关网络原理图

由图1可知，高频开关网络包含1台定制型总矩阵和4台6入18出分矩阵。定制型总矩阵由4个四选一开关(SP4T)和2个二选一(SPDT)开关构成，外部有IN1-IN4、OUT1-OUT4、J1-J4共计12个射频接口。其中IN1-IN4连接测试仪器的激励端，OUT1-OUT4连接测试仪器的响应端，J1-J4经过外部射频线缆依次与4个6入18出分矩阵连接。4个分矩阵结构相同，均由4个六选一开关(SP6T)和1个四选一开关(SP4T)构成，前面板设计有6个射频接口(IN1-IN6)，后面板设计有18个射频接口(OUT1-OUT18)。5台矩阵开关级联而成一套高频开关网络，整体达到8×72通道扩展。需要特别提到的是，其中与总矩阵J2和J3端口相连接的分矩阵2和分矩阵3可通过两个二选一开关的通断实现激励通道/响应通道的切换，从而使整个高频开关网络为被测产品提供最多54个激励(或响应)通道，提高了高频开关网络的灵活性与适用性。采取这种“五合一”的模式搭建高频开关网络可以减少整体的体积重量，便于搬运转移及满足日常维护需要；另外由于矩阵开关设计为同时具备本地控制与程序控制两种模式，当被测微波产品的测试端口数量需求较小时，整个高频开关网络可以拆分作为独立的矩阵开关使用，应用方面更为灵活多变。

另一个决定高频开关网络指标好坏的方面是机箱内部射频开关及级联射频电缆的选型。

目前主流射频开关分为机械式同轴微波开关与固态电子式微波开关。固态电子式微波开关具有造价低，体积小，切换速度快等特点，同时由于内部没有切换的部件，因此使用寿命更长。但其缺点也很明显，频率覆盖的范围不够宽，自身的插入损耗较大(40 GHz时超过-5 dB)，不适于对性能指标要求较高的应用场合。

与固态电子式微波开关相比，机械式同轴微波开关频率覆盖范围足够宽且具有良好的稳定性，静电作用反应对其基本没有影响，自身的插入损耗远小于固态微波开关，通常能做到40 GHz时不大于-2 dB，通道间切换也可达到ms级，是高频开关网络设计中的首选开关类型。市场上能够提供该类型开关的厂商包括美国的Keysight公司、Dow-Key公司、Pasternack公司，法国雷迪埃公司，德国Narda公司等，国内也有很多生产企业，包括航天科技集团504所，中电科技集团41所等等。综合考虑成本及开关指标问题，本设计采用法国雷迪埃公司的产品，具体指标如表1所示。

表1 射频开关指标

机箱内部可采用的射频电缆分为柔性线缆、半柔性线缆及半刚性线缆。考虑到半刚性同轴线缆易于定型，其高强度的外导体在提供良好屏蔽特性的同时，也能很好地保证线缆结构尺寸的稳定性，便于机箱内部的走线布局。本设计选取指标优异的进口半刚性同轴线缆作为内部射频开关间的级联射频电缆。

端口驻波调试：矩阵开关微波接口处的级联形式为2.92型面板转接器+半刚电缆+微波开关。以40 GHz为例，其中2.92型面板转接器驻波接近为1.00，半刚电缆驻波为1.15，射频开关驻波为1.70(二选一开关和多选一开关标称值为1.90、2.20，实测1.70)，可见驻波主要取决于射频开关。此外各微波元器件级联时的失配状态也在一定程度上影响到驻波指标。可采取的措施是，在线缆布局设计中尽量减小级联和避免电缆的弯折，还需注意弯折的角度，以减小微波传输的不连续性对驻波的恶化；确保单根电缆的驻波控制在1.2以内(40 GHz时)；另外在通道调试时，针对同批次多级开关驻波曲线基本一致，导致驻波累加的问题，对级联电缆进行驻波曲线仿真设计，通过电缆对链路进行匹配，使电缆和开关的驻波高点不重合，确保通道驻波指标满足要求。

各通道插入损耗调试：微波元器件的插入损耗指标是随着频率的增加逐渐恶化的。从表1可知，在40 GHz时，四选一开关和六选一开关的损耗为1.10 dB，二选一开关的损耗为0.80 dB,2.92型面板转接器损耗为0.5 dB，半刚同轴电缆损耗为2.75 dB(电缆损耗为3.5 dB/m，矩阵内预计电缆长度为50 cm，考虑到电缆接头损耗在1 dB左右)，连接造成的失配损耗为0.4 dB，这样各通道插入损耗可以控制在8 dB以内。

幅度相位一致性调试：矩阵开关的幅度相位一致性主要受各射频开关和射频电缆幅相一致性的制约。在机箱内线缆布局设计中，需要注意结构的对称性，使每条线缆具有相同的物理长度，通过等长设计和通道电缆补偿来保证指标。本设计选用的射频电缆在全频带内的幅频特性较好，可以保证相同规格的电缆之间，在全频带内同一频点处的幅相接近。另外，所选用的各射频开关之间以及同一开关不同通道间的幅频特性较好，由开关引起的幅度不一致性可通过批量电缆筛选的方式予以补偿。

经过指标调试后，预计高频开关网络能够达到以下性能指标：

工作频段：DC～40 GHz；

最大承受功率：不大于2 W；

各端口驻波比：DC～26.5 GHz时不大于1.7;

26.5～40 GHz时不大于2.0；

各通道插入损耗：不大于9 dB；

通道间幅度一致性：≤±1.0 dB；

通道间相位一致性：≤±40°；

通道间隔离度：≥50 dB。

1.2 高频开关网络电路设计

高频开关网络的电路控制主要包括系统主控计算机核心板和射频开关继电控制板两部分。主控计算机核心板选用了市面上主流厂商研扬科技的产品，该产品具有体积小巧，接口资源丰富等优点，可以提供4个RS232 串行接口、两个 USB3.0接口、一个LAN局域网口、一个CRT显示端口、一个LVDS显示端口等，满足系统需求。

射频开关继电控制板为自主设计研发产品，以ATMEL的AT91SAM7X256 ARM处理器[9]和Altera的EPM7256SRI208-10 CPLD处理器[10]为主要架构，配合MAX485接口、CAN接口等单元，可以对开关矩阵箱中各个射频开关进行快速切换，从而形成多路组合开关协同工作。继电控制板需要5 V和24 V两路供电，其中5 V提供给各芯片电路，24 V为包括六选一开关、四选一开关和二选一开关三种类型的射频开关提供驱动供电。为了满足多型开关矩阵机箱的开关控制，控制板能够为最多6个SPDT矩阵开关和12个SP4T/SP6T矩阵开关提供供电及控制信号，具体原理如图2所示。

图2 继电控制板原理

实际工作过程中，通过前面板的触摸显示屏或程控选择相应的切通通道，主控核心板中安装的控制软件将切换命令解析为每一个射频开关的控制指令，经由RS232串行口与继电器控制板进行串行通信发送控制信号。继电器控制板接收到控制指令后，驱动电路将该指令令转化为合适的电压和驱动电流，进行开关控制，从而实现多路微波信号传输切换，控制矩阵开关射频通道不同链路的选择。

1.3 高频开关网络结构设计

单台高频矩阵开关的组成包括多端口微波开关、半刚性同轴电缆、转接器、数据及电源连接器、矩阵开关控制电路、矩阵电源稳压电路、开关箱结构件等部分，考虑到以后可能的扩展需求，将微波开关通道、开关控制电路及电源稳压电路分别进行模块化设计和集成，依次规划为电源区、控制区和开关链路区。所有矩阵开关机箱采用电磁兼容模式，全铝合金材质能够屏蔽外界信号的干扰，机箱散热通过安装在机箱内部的电风扇进行散热。成品为标准的4U高19英寸上架结构，尺寸420 mm(长)×450 mm(宽)×170 mm(高)。

2 高频开关网络软件设计

高频开关网络的控制软件在WINDOWS操作系统环境下采用Visio Studio 2010编译软件进行开发，具体控制软件流程如图3所示。按照图3，采用C++语言进行源代码编写工作，经过调试及编译仿真，生成可执行程序(*.exe格式)。设备上电后，自动运行控制软件，软件首先对各射频开关发出复位指令完成系统初始化，等待接收本地控制指令或上位机程序控制指令，收到控制指令后，以通道链路概念为核心，控制软件将其解析为各射频开关的切换命令，通过串口发送给继电控制板，由控制板控制链路中的多个微波开关按信号方向和工作先后顺序切换实现通道控制完成通道切换。

图3 高频开关网络控制软件流程图

软件具备远程控制和本地控制两种模式，远程控制优先；本地控制支持触摸屏控制方式，控制界面可实时显示开关切换次数，总矩阵控制软件本地控制界面如图4所示。

图4 高频开关网络控制软件界面图(总矩阵)

3 实验结果与分析

对搭建好的高频开关网络进行实验验证测试，测试所需台式仪器为是德科技生产的矢量网络分析仪N5244B及配套测试电缆一组。矢量网络分析仪上电校准后，按图5所示与被测矩阵开关连接，依次设置测量参数S11、S22测量前后面板的端口驻波比，S21测量通道插入损耗，S12测量幅度相位一致性(以IN-1～OUT1通道为基准将S12参数中幅度相位数值归一化)。通过前面板触摸显示屏手动控制矩阵开关的通道切换，得到每个通路的测试截图如图6所示。对全部测试截图中数据进行整理，得到实验结果，以6入18出分矩阵1为例节选部分实验测试数据详如表2所示。

图5 高频开关网络测试连接图

图6 高频开关网络实验验证测试截图

通道端口驻波比(前面板/后面板)DC～26.5GHz26.5～40GHz通道插入损耗/dB相位一致性/(°)幅度一致性/dBIN-1～OUT-11.61/1.681.77/1.827.300.010IN-1～OUT-21.57/1.551.80/1.827.3713.090.06IN-1～OUT-31.61/1.651.84/1.957.587.71-0.25IN-1～OUT-41.55/1.531.84/1.857.4914.850.04IN-1～OUT-51.58/1.621.82/1.837.3112.80.09IN-1～OUT-61.57/1.591.82/1.877.5815.8-0.15IN-1～OUT-71.59/1.571.81/1.937.3520.49-0.01…………IN-6～OUT-161.62/1.631.84/1.897.4517.180.06IN-6～OUT-171.62/1.631.85/1.887.4512.670.03IN-6～OUT-181.60/1.581.80/1.937.3210.340.11

从表2可见，高频开关网络整体性能指标良好，端口驻波比、各通道插入损耗及通道间幅度相位一致性的实验测试数据能够满足1节中预期的指标要求。当其应用于自动测试系统中时，可以最小限度的降低由于使用开关网络扩展测试通道而对被测产品测试数据产生的影响。实验测试数据证明整个高频开关网络设计与实现过程中选取的射频开关与射频电缆之间的匹配性较好，指标调试方法合理，可应用于后续类似矩阵开关的设计生产中。

4 高频开关网络的系统应用

高频开关网络自动测试系统由高频开关网络和围绕它的系统应用组成，主要包括工控计算机、激励及测试仪器、提供遥控遥测信号的指令驱动设备等。本系统配备的台式仪器为是德科技生产的信号源E8257D、矢量网络分析仪N5244B、频谱仪N9030A、频率计53149A及功率计N1914A，整体结构如图7所示。

图7 高频开关网络自动测试系统组成及结构

使用自动测试系统进行测试工作时，测试人员首先根据被测微波组件的测试需求在系统搭载的自研软件平台上编辑相应的测试流程，选定测试项目，工控计算机通过LAN或GPIB的通信方式对各仪器设备发送程控指令，依托高频开关网络提供的通路扩展实现对多端口微波组件产品的自动测试。自动测试系统具备如驻波、谐杂波抑制、增益、带内响应、带外增益、幅相一致性、增益稳定度、噪声系数、相位噪声、非线性特性(P-1)等相关参数的测试能力，同时可利用矢网自校准功能，对多个通道进行自动切换，实现多通道S参数的自动和循环测试，自动测试系统测试结果如图8所示。现以图7中测试8入8出的上变频器和相控阵天线端子的插入损耗为例进行说明。

输入激励信号流向：矢量网络分析仪激励端口(port1)发出激励信号，信号通过开关接口IN-2进入定制型主矩阵，主矩阵输入端切换至J-1，信号进入6入18出分矩阵1，分矩阵依次切换1-8输出通道，信号分别流入被测上变频器的8路输入端予以激励。

输出响应信号流向：激励信号进入上变频器产生8路响应信号，信号流入分矩阵3，矩阵依次切换1-8输出通道，主矩阵输出端切换至J-3，8路响应信号依次经由J-3、OUT-1进入矢量网络分析仪响应端口(port2)进行分析，软件平台自动读取矢网S21参数得到被测上变频器对应各通路的插入损耗值。