应用射频开关矩阵的多星测试平台设计

刘毕炎 张少坡 戴涧峰 赵川

(航天东方红卫星有限公司，北京 100094)

面对航天器快速发射的需要，批产卫星研制任务的不断的增多，对卫星的研制周期和可靠性提出了更高的要求[1]。传统的卫星串行测试方法测试时间长，而且资源利用率低，已经不能满足当前的需求。因此，迫切需要研究一种多星批量测试平台，可以同时支持多颗卫星的并行测试[2]。

当前，为了满足批产化测试的需求，国内外都通过各种手段优化测试流程、提高测试效率。美国制定了一套快速的总装、集成与测试(AIT)计划，并已经成功应用于美国“轨道通信”(Orbcomm)卫星和“全球星”(Globalstar)卫星。针对Orbcomm系统多星的密集测试和发射任务，美国通过删减测试项目和缩短测试流程等措施完成多星的测试[3-5]。为了达到Globalstar系统每周一颗的发射速度，美国抛弃了传统的AIT测试方法，仅对首发星进行完整的测试，后继星只进行简化的验收测试[6]。国内已开展过微纳星群的测试任务，但在研制计划上并行测试的卫星数量并不多。一般，采用并发测试和交替测试完成多星的快速测试，并发测试需要额外增加测试设备，且需要避免复杂的资源共享问题。交替测试是将卫星测试项目分为多个模块，让每个测试模块在时间上交错，以提高多星的测试效率。传统的批产化测试平台受限于设备资源和测试软件，并不具备多星并行测试的能力[7]。

本文针对传统测试方法效率低、设备占有率高、易出故障等缺点，提出了一种应用射频开关矩阵的多星测试平台设计。该设计具有周期短、成本低的特点，可以满足当前微纳卫星批产化测试的需求，并已经成功应用于卫星数传载荷分系统的并行测试中，可为后续微纳卫星的批产化测试提供技术支撑。

1 测试平台构成

数传载荷分系统的测试作为微纳卫星综合测试的重要环节之一，是确保卫星成功研制及在轨稳定运行的关键所在，测试平台的发展水平直接影响着卫星的研制进度和质量水平。当前的微纳卫星测试平台往往只能完成单颗微纳卫星数传载荷分系统的综合测试[8]，随着微纳卫星数量的增加，地面综合测试所需的人力成本和物力成本也随之提高，因此，建立批量、高效的综合测试平台，是卫星研制保障技术中的重要一环[9]。

应用射频开关矩阵的多星测试平台，由射频开关矩阵模块、测控测试模块、总控测试模块、数传载荷测试模块构成。其中：射频开关矩阵模块用于完成射频信号的切换。测控测试模块提供卫星与地面之间的信号传输通道，接收解调地面发送的遥控指令并送往星上各个分系统，对遥测数据流进行组帧和调制并下发给总控系统。总控测试模块通过批量测试软件完成指令的发送和遥测的接收，指令包括开关矩阵的切换指令和星上的指令，遥测包括开关矩阵的工作状态和星上的遥测。数传载荷测试模块包括下变频器和数传载荷地检设备，用于卫星有效载荷数据的下传、解码和分析。

图1为应用射频开关矩阵的多星测试平台测试时的信号链路。

以6颗卫星并行测试为例，数传载荷分系统仅需要采用一套数传载荷地检设备和一套下变频器，即可完成多星的数传载荷综合测试，射频开关矩阵输入端(IN_CH1～IN_CH6)与多星数传下行端口连接，数传载荷测试模块下变频器和射频开关矩阵模块输出端(OUT)连接。总控测试模块的多星批量测试软件通过服务通信模式来控制射频开关矩阵通道的选择，将射频端口切换至需要测试的卫星数传下行端口。因此，测试平台能够在一次加电条件下分时完成多颗卫星的数传载荷测试工作。

2 测试平台详细设计

2.1 射频开关矩阵选型

2.1.1 开关矩阵主要参数

射频开关矩阵是一种用来使某路通道的高频信号通过不同路径传输的设备，目前被广泛应用于航天器和地面基站的射频通路的自动切换。它能够使单一的信号路径变成多路径，使得多个测试可以在同样的设置下进行，不需要频繁地连接和断开电缆。

射频开关矩阵从工作原理上分为机电式开关和固态式开关两大类。机电开关是通过切换机械式接触来控制通道的选择。固态开关有场效应管(FET)和正-本征-负(PIN)二极管两大类。FET开关是创造一个通道(损耗层)，让电流从FET的漏极流向源极而形成开关状态。PIN二极管是由高掺杂的正极性(P)和负极性(N)电荷材料之间夹成的高阻介质组成的开关状态[10]。射频开关矩阵的性能指标和具体参数跟射频开关的内部结构有关，在选用开关矩阵型号时需要重点关注以下参数。

(1)频率范围。它是指射频开关矩阵可以适用的射频信号频率值的最大包络范围，在很大程度上由开关信号承载元件的使用材料和开关的设计决定。一般地，卫星系统通信的频段为2.0～26.5 GHz。

(2)插入损耗。它为射频开关矩阵处于导通状态时损耗的总功率，直接影响着射频系统的前端噪声系数，由于提高输出功率成本较高，在选型时都尽量选择低插入损耗的开关。机电式射频开关矩阵的插入损耗比较低，从低频时的0.1 dB到高频时的1.5 dB，而固态式射频开关矩阵的插入损耗值为0.5～5.0 dB。影响插入损耗的因素有使用材料、路径长度及触点磨损等，可用式(1)来计算插入损耗。

(1)

式中：Pout为输出功率；Pin为输入功率。

(3)隔离度。它是开路支路与闭合支路之间的衰减度，是衡量射频开关矩阵的重要参数，尤其在高频率下更是重要的参考指数。高隔离度可以降低其他信号对系统的干扰，确保系统具有更高的稳定性，可用式(2)来计算隔离度。

(2)

式中：Popen为开路支路负载功率；Pclose为闭合支路输入功率。

(4)切换速度。它为射频开关矩阵从断开状态到闭合状态所需要的实际时间，其上限高可达到微秒级，低可达到纳秒级。

(5)重复性。它是指射频开关矩阵的性能指标经过长期使用后变化的度量，作为系统部件使用时对系统的测量精度至关重要。

(6)使用寿命。它是指射频开关矩阵的最长使用时间，一般在定型之前需要进行大量的重复性试验，验证开关极限切换次数。较长的使用寿命可以降低测试的成本和预算约束。

不同类型开关矩阵的特性如表1所示。

表1 开关矩阵特性

2.1.2 开关矩阵选型

尽管固态射频开关在重复性、开关切换速度和使用寿命上更加有优势，开关矩阵所承受的射频信号需要达到尽可能宽的频率范围，这样才能适用于不同卫星、不同频率信道的测试。卫星测试中对射频开关矩阵的切换速度要求并不高，开关矩阵切换的次数也有限，综合考虑经济成本和测试的可靠性，本文选用的开关矩阵为雷迪埃(RADIALL)公司的R584F22250型单刀6掷机电式射频开关矩阵，接口为一种微型射频同轴连接器(SMA)标准化连接口，可以同时满足6颗卫星的并行测试。开关的具体参数包括：频率范围0～26.5 GHz；插入损耗0.7 dB；隔离度80 dB；切换速度15 ms。

图2为R584F22250型射频开关矩阵的实物图。其中：IN_CH1～IN_CH6为射频开关矩阵的输入端；OUT为射频开关矩阵的输出端。

图2 R584F22250型射频开关矩阵实物

2.1.3 开关矩阵测试

(1)结构可靠性设计。射频开关矩阵采用螺钉紧固的方式，固定于国家仪器公司专用测试设备定制的面板上，并采用弹簧垫圈加固防震。射频电缆在安装时需要用力矩扳手测力，保证射频开关矩阵接口处连接稳固，可以长时间正常工作[11]。

(2)信道可靠性测试。为了验证射频开关矩阵信道的可靠性，通过模拟信号源和频谱仪对开关的切换和链路通断进行可靠性验证。将信号源连接到射频开关矩阵的输入端IN_CH1，频谱仪连接到射频开关矩阵的输出端OUT，将射频开关矩阵端口切换至输入端IN_CH1，给信号源输出信号强度为0 dBm、频率为8 GHz的信号，记录频谱仪接收到的信号频率和强度。同样的，对输入端IN_CH2～IN_CH6进行相同的操作，分别记录频谱仪接收到的信号频率和强度。图3为开关矩阵测试的连接示意。测试结果表明：当输出信号强度为0 dBm、频率为8 GHz的信号时，减去电缆差损，开关矩阵的损耗约为1 dB，测试结果符合要求。对射频开关矩阵进行多次重复性切换，开关的稳定性好，链路信道稳定。表2为开关矩阵损耗的实测值。

图3 开关矩阵测试连接示意

表2 开关矩阵信号损耗实测值

2.2 自动测试技术

一般，测试人员可以通过射频开关矩阵自带的程序软件完成开关矩阵的手动切换，但是这种方式效率低，而且容易发生人为失误。射频开关矩阵作为一个独立的模块接入到卫星测试系统中，通过实现总控系统与射频开关矩阵的联通，测试人员就可以同时通过批量测试软件完成星上指令和开关矩阵指令的同步发送，实现自动化测试，从而进一步提高测试人员的工作效率。

R584F22250型射频开关矩阵提供了设备控制通用接口给个人计算机(PC)端，PC端要精确实现对射频开关矩阵的控制，通过虚拟仪器软件架构(VISA)结构向射频开关矩阵发送可编程仪器标准命令(SCPI)；射频开关矩阵通过通信接口接收到PC端发送的指令后，将SCPI指令翻译为射频开关矩阵可以读取的信息；射频开关矩阵根据相应的信息完成相应的动作[12]。多星批量测试软件可以通过TCP/IP协议实现与驱动程序之间的通信，TCP/IP是目前开放性好、使用频率较高的通信协议,它构成包括文件传输协议(FTP)和超文本传输协议(HTTP)等很多应用程序层的因特网协议基础，也可以用于制定用户自己的协议。图4为射频开关矩阵与测试平台之间的通信示意。

注：USB为通用串行总线；GPIB为通用接口总线。

2.3 批量测试技术

完整的多星测试平台应支持多颗卫星指令的同时发送，且卫星之间的测试各自独立、互不干扰。多星批量测试软件采用智能批量测试技术，通过构建模块化、开放式的结构，各功能模块的运行和模块间的协作都由软件系统自身进行统一管理和调度，软件主要包含如下模块。

(1)测试界面模块：给测试人员提供友好、易用、直观、图形化的界面显示。界面直观地展示了测试过程中卫星的遥测参数和开关矩阵参数信息，测试人员通过测试界面模块与软件其他功能模块进行交互。

(2)多星维护和管理模块：能够同时维护和管理多颗卫星的参数信息，具备多星集中维护和单星差异化修改的能力。

(3)并行执行模块：能够支待多颗卫星的并行自动化执行能力，各卫星之间互不干扰，并可以分别为不同的卫星指定各自的测试序列。

(4)报警提示模块：对于测试执行过程中出现的故障、异常等情况进行实时的声光报警，并将具体故障信息推送给测试人员。

智能批量测试软件能够适应多星并行测试的需求，软件可以同时完成多颗卫星星上指令和地面开关矩阵控制指令的发送，使当前卫星综合测试的能力由多人1星提升为1人多星，极大降低测试的人力成本。

2.4 平台可靠性设计

在实际测试过程中，当卫星数传数据下传完毕后，开关矩阵需要通过批量测试软件发送指令进行端口切换，若指令未成功发送或者发送错误极易造成测试中断，进而影响卫星的测试进度。应用射频开关矩阵的多星测试平台对测试的可靠性进行设计，采用智能监视、指令前判、指令后判等方法提高测试的可靠性。

(1)智能监视。测试平台可以获取射频开关矩阵参数信息，并对射频开关矩阵当前的端口位置进行智能监视。若没有指令发送而射频开关矩阵端口位置发生了变化，平台会报警并提示给测试人员。

(2)指令前判及指令后判。软件协议定义了两类开关矩阵位置切换指令——获取开关矩阵指令和释放开关矩阵指令。在发送获取开关矩阵指令之前，平台软件会判断射频开关矩阵当前的位置是否处于空档，若判读成功，射频开关矩阵才会产生切换动作。在发送获取开关矩阵指令之后，平台软件会判断射频开关矩阵的位置是否切换至相应的端口，若判读成功，测试才能继续执行。释放开关矩阵指令只对当前位置的端口释放有效，指令成功发送后射频开关矩阵会切换至空档，指令后判通过后测试才能正常执行。指令的具体信息如表3所示。

表3 指令具体信息

3 测试平台应用

以卫星单个有效载荷模式测试为例。单颗卫星完成数传载荷分系统的测试需要进行如下测试项目：卫星加电、数传载荷启动、有效载荷执行任务、数传下传数据、数传载荷关机、卫星断电。一般的有效载荷执行任务时间比较长，约占单颗卫星测试时间的40%。采用传统的测试平台在对多颗卫星进行批量测试时，不仅无法缩减有效载荷执行任务的时间，还要额外增加更换测试电缆的时间，电缆的频繁更换会提高接口的故障率，降低卫星测试的可靠性。多星测试平台能够并行完成多颗卫星的大部分测试工作，而且无需对卫星进行电缆更换操作。以6颗卫星的单个有效载荷模式测试为例，采用多星测试平台，仅用100 min即可完成所有的测试任务，总测试时间相比于传统平台减少了230 min，测试效率提高约200%，具体测试时间如表4所示。

表4 单个有效载荷模式测试时间统计

4 结束语

针对当前批产卫星测试周期短、资源设备紧张的特点，本文设计了一种应用射频开关矩阵的多星测试平台，可以同时并行完成多颗微纳卫星的批量测试。多星测试平台能够提升测试的效率和可靠性，降低因电缆频繁更换引起的卫星故障风险。该平台已经成功应用于微纳卫星的批量化测试，达到了很好的效果，可为后续微纳卫星的批产化测试提供技术支撑。