基于紧缩场暗室的相控阵天线快速测试系统设计研究

2022-12-21钟洋卢刚王伟豪

电子制作 2022年23期

钟洋，卢刚，王伟豪

（中电科蓉威电子技术有限公司，四川成都，610074）

0 引言

相控阵天线快速测试系统适用于相控阵天线紧缩场指标测试与通信终端测试，能够高效的完成2GHz～40GHz（可扩展至110GHz）频段内天线的指标测试功能。满足传统测试场功能，兼备相控阵天线测试针对性能功能：相控阵天线自动/手动方向图测试、收发方向图加权调试、幅度/相位方向图测试、全域指向精度测试、相位中心测试、幅相校准测试、波束宽度测试、轴比测试、波束跃度测试、旁瓣抑制、远副瓣抑制、P-1dB 点测试、EIRP、G/T、EVΜ 测试等测试。

同时系统采用分布式测试系统控制功能分散、操作管理集中的基本设计思想，使用多层分级，合作自治的结构形式，由过程控制和过程监控组成的以通信网络为纽带的多级系统，综合了计算机技术、通讯技术及显控技术等。

系统把计算机、仪器仪表和综合控制技术融合在一起，配合专门开发的软件，可以实现测试数据自动话采集及处理、工艺过程画面显示、参数超门限报警、故障报警和测试结果报表打印等功能。同时，系统设置有安全操作权限级别，既方便了管理，又使系统运行更加安全可靠。

在天线批量生产过程中，相同的产品需要测试任务雷同，制定完整的生产流程，能有效提高生产效率。

1 系统组成

本系统由反射面及馈源子系统、转台子系统、射频子系统、控制子系统、软件子系统、微波暗室子系统等组成。

图1 测试系统组成框图

■1.1 反射面及馈源子系统

反射面及馈源子系统主要由反射面、馈源、安装支架等组成。

由于远场天线测量的条件是要使天线表面的最大相位差达到22.5°，即要使待测天线的最小距离大于临界值[1]。这个距离随着天线运行频率的上升而不断增大。紧缩场测量技术就是在这个背景下提出来的一个应对高频天线测量的解决方案。反射面及馈源的作用是在近距离内将馈源发出的球面波通过准直元件转换为平面波，形成幅相分布特性近乎于理想的平面波照射区(静区)特性，从而满足远场测试需求。

反射面及馈源产生平面波将聚集在平行波束内，对暗室内四个侧壁的照射电平很低，进而降低系统了对暗室吸波性能的要求。

反射面及馈源子系统具有良好的保密特性，且不受外界气候环境影响，既改善了测试条件，又能够提高测试效率，可实现全天候测试[2]；反射面及馈源子系统工作频率很宽，可以满足2～110GHz 测试要求。

■1.2 转台子系统

转台子系统的是自动化测试系统的关键硬件之一，它的作用是安装待测天线，能精确改变待测天线的方位或俯仰角度以满足测试要求。

转台子系统包括：方位/俯仰/平移转台、转台控制器、控制电缆等。

天线转台传动路线：电机→高精度蜗轮→转台主轴。

有三大特点：a.传动链短；b.可满足低速高精度要求；c.具有自锁特性。

■1.3 射频子系统

射频子系统主要由矢量网络分析仪、频谱分析仪、矢量信号源、放大器、射频开关、源天线、标准喇叭天线、射频电缆组件等组成。

射频子系统的作用：在控制子系统的控制下，在发射端提供给被测相控阵天线或反射面及馈源一定要求的射频激励信号；在接收端，接收和采集射频信号；测试数据保存在仪表缓存内，随后被控制子系统读取进行后续处理；

(1)在进行方向图测试时，射频信号的激励和接收设备均为矢量网络分析仪；

(2)在进行EIRP、G/T 指标测试时，需要额外用到频谱分析仪；

(3)在进行EVΜ 测试时，需要用到频谱分析仪和矢量信号源。

■1.4 控制子系统

控制子系统主要由测试时序控制器、开关控制器、控制电缆等组成。

控制子系统的作用：完成转台子系统、射频子系统、相控阵天线波控系统的协同工作，完成高效的方向图多任务测试和校准测试。

■1.5 软件子系统

软件子系统包括：远场测试软件、相控阵校准软件、数据处理软件等。

软件子系统的作用：远场测试软件控制转台子系统按照既定的路线进行转动，控制射频子系统产生射频激励；从仪表中读取和保存测试数据；相控阵校准软件控制转台子系统、相控阵天线和射频子系统，完成通道切换和校准数据的采集；数据处理软件用于处理远场方向图数据，得到增益、副瓣、波束宽度等一系列远场辐射性能参数。

■1.6 微波暗室子系统

微波暗室子系统包括：屏蔽主体、吸波材料、通风系统、照明系统、供电系统、消防系统、滤波系统等系统。微波暗室子系统的作用：提供一个近似无反射的理想电磁环境，降低各种反射和散射误差地测试的影响。微波暗室模拟的是自由空间电磁环境，暗室的六面体全部粘贴吸波材料，并在主反射区粘贴比其它区域更高性能的吸波材料[3]。微波暗室建设的原则是在各个方向都没有被反射的电磁波。静区是根据被测天线的有效尺寸，频率范围，天线特性确定的重要指标，静区内的电磁环境应符合被测天线测试的需要[4]。

2 工作模式

■2.1 相控阵天线方向图测试

相控阵天线有源通道数量通常会达到成百上千，每个有源通道都有收/发态的控制，以及衰减码和移相码的控制，需要控制的数据量大[5]。本系统在传统无源天线测试的基础上，以测试时序控制器为核心，提供具有多频点、多波束、多通道的测试系统，从硬件接口和软件接口进行设计，给出测试过程中的关键控制点和工作流程，使得本系统具有较高的测试效率。

图2 方向图测试原理框图

（1）收发多波位多频点方向图自动测试

机械方位轴转台采用间断运动方式，把运动轨迹分割成多段连续的轨迹，每次运动到间隔停顿点后停止运动，等待被测产品多个频率、多个波位、多个通道的方向图测量完成后继续运动，此方式为自动方向图测试，此方法一次可获得多张方向图信息，在测量多张方向图时会节约相当多个转台运行时间，可用于批量生产时大量方向图的测试任务。

接收测试时，通道可对和、方位差、俯仰差三个通道进行自动测试，而发射测试时，一般只对和通道进行测试。

（2）全闭环方向图测试

远场方向图测试根据不同的测试需求可分为：

①多频点多波位多通道测试；

②单频点多通道测试；

③增益包络扫描测试；

④定点电扫测试；

⑤无源多频点多通道测试模式。

其中多频点多波位多通道测试单频点多通道测试、增益包络扫描测试、定点电扫测试适用于有源相控阵天线测试。单频点多通道测试与无源多频点多波位测试适用于无源天线测试。

针对方向图测试的特性，多频点多波位多通道测试、单频点多通道测试、无源多频点多通道测试需要兼顾高效率、高精度的要求，对系统做出了更高的要求；系统通过多功能控制盒、波控盒与矢量网络分析仪的硬件交互实现测试链路硬件全闭环方式达到远场方向图高效率、高精度的测试。

■2.2 收发方向图加权调试

方向图测试过程中，使用校准数据，生成幅相补偿数据，可得到初始的方向图。若此时需要修改方向图的指标，如副瓣指标不达标，则需要进行加权调试。

利用校准数据和测试的方向图数据（幅度相位数据），通过算法软件生成新的幅相补偿数据，使用新生成的幅相补偿数据重新测试方向图后，判断指标是否合格，如未合格，利用新测试的方向图数据，再次生成幅相补偿数据后测量方向图，重复迭代，直至测试结果满足指标要求即可。

图3 方向图加权调试流程

■2.3 相控阵天线校准测试

有源相控阵天线由多个单元组成，每个单元上包含天线单元、收发开关、低噪声放大器、移相器、可变增益放大器等多个电路单元。受供电、工作环境、元器件老化等多方面因素影响，相控阵天线的各单元上的幅度和相位会发生变化，因此在使用有源相控阵天线时，需通过内校准或外校准手段对其进行校准。其中外校准把天线单元连同有源通道一起校准，效果最佳，被广泛应用。

全闭环校准触发步骤如下：

(1)远场校准前提前预置天线通道状态至波控盒；

(2)通过多功能控制盒的复位信号触发波控盒，波控盒接收到复位信号后根据预置的天线通道状态矩阵依次下发天线通道状态指令；

(3)波控盒下发天线通道状态指令后反馈LDAC 同步信号至多功能控制盒；

(4)多功能控制盒接收到LDAC 同步信号输出触发同步信号至矢量网络分析仪外部触发信号接口；

(5)天线通道状态矩阵输出完毕后，系统采集天线所有通道的测试频点的幅度相位值。

多通道天线、DBF 有源相控阵天线存在通道一致性问题，并且阵元间存在互耦的情况，可在远场条件下进行单通道加电，通过去耦合算法，对所测阵元两种相位态测量数据处理，消去耦合参量，从而得到全阵各通道无互耦的幅相数据。

通过校准流程，测试软件采集到每个单元单独辐射的幅度相位信息，而后可以通过计算转换为码值，提供给波控作补码使用。

■2.4 EIRP 指标测试

有源相控阵天线的一个重要性能指标是EIRP（Equivalent Isotropic Radiated Power,等效全向辐射功率）,其定义是天线增益和发射功率的乘积。对常规天线系统的EIRP 指标测试方法是分别测出天线增益和射频通道的发射功率，按定义计算出EIRP值。但是对于有源相控阵天线,天线阵面和射频通道的T/R 组件是集成在起的,事实上很难分开测量相控阵天线阵面的增益和T/R 组件的发射功率。为此,采用远场直接法测量有源相控阵天线EIRP，结合既往工程实例,该方法是切实可行的,可在实际工程测量应用[6]。

有源相控阵天线EIRP 测量的原理方框图如图4 所示。图中标准天线通常采用标准增益喇叭或标准波导探头，其增益精确已知。