通用航管二次雷达功放模块自动测试系统研制

刘新飞，李亚利，王 东，宁宇鹏，张 强

(中国人民解放军95853部队，北京 100076)



通用航管二次雷达功放模块自动测试系统研制

刘新飞，李亚利，王 东，宁宇鹏，张 强

(中国人民解放军95853部队，北京 100076)

航管二次雷达的性能直接关系到航空飞行安全。高功率模块的测试尤需谨慎；研制通用的航管二次雷达功放模块自动测试系统可提高保障能力，降低保障成本；系统采用PXIe、LXI/LAN、GPIB混合总线技术，以PXIe嵌入式PC控制器为控制中枢，以“测试盒组”为测试中枢，经适配器实现PXIe板卡、仪表与被测单元的适配，实现多品类功放模块的测试；文章从测试需求、仪表选择、TPS开发平台、系统结构等方面阐述了系统总体设计，提出了基于频谱分析仪的插入相位测试方法，并着重分析了系统在测试盒组、适配器和自动校准补偿三方面的通用性设计；系统可实现大功率范围的激励、测试及校准，省去对昂贵的矢量网络分析仪的配置，测试精度高，经济效益显著。

通用自动测试系统；二次雷达；功放模块；校准；PXIe

0 引言

航管二次雷达的性能直接关系到航空飞行安全。其发射机功率模块长期工作于高功率、大电流状态，易发故障。与中小功率模块及数字电路的测试相比，大功率模块的测试需尤其谨慎，否则容易引起模块或仪表损毁,甚至危及人身安全，造成较大损失：模块供电电压普遍较高、电流普遍较大；在测试输出功率时，需要连接大功率衰减器将其降至仪表测量范围内，对于多路输出的情形，还需连接大功率负载吸收未测试通道的输出功率；模块所需激励多为大功率，不能通过信号源简单得到，且功率应在一定范围内；需要考虑模块、衰减器、负载等的散热需求[1]。

研制通用的航管二次雷达功放模块自动测试系统，不仅可以尽量避免人工操作不慎导致的不必要损失，而且可以缩短测试及故障件修复时间，提高保障能力，降低保障成本。

1 测试系统总体设计

1.1 测试需求

航管二次雷达发射机功率模块工作频率相同，测试项包括：供电通路(电阻、电流、电压)、输出功率、频率(谱)、包络形状(脉宽、上升下降时间、顶降)、谐波、输入反射损耗、插入相位及自检/视频信号等[2-3]。

系统应能实现大电流状态下的测试，提供从几分贝毫瓦至近百瓦的较大范围的输出功率,并能较精确地测量从几十瓦至几千瓦的模块输出功率,以适应不同模块不同的测试维修需求。同时，应尽量减少测试连线次数，减少人工干预。

1.2 仪表选择

功放模块自动测试系统的仪表选择是否恰当，直接影响到能否顺利完成测试维修任务。遵循以下原则：

1)根据电压、电流输出能力配置适当数量及规格的大功率程控直流电源和模块式中低功率程控直流电源，电压可编程,可变换极性,满足纹波指标，并具有限压、限流功能;

2)根据测试及校准的频率及功率输出需求选择程控信号源，应具备内/外部脉冲调制功能；

3)根据测试调制、同步的需求选择程控脉冲/序列发生器，能产生形式灵活、输出电平及边沿可控的脉冲序列，并具备足够的通道数；

4)根据频段、时间灵敏度和功率测量范围要求选择双通道程控峰值功率分析仪及探头。

5)选择耐大电流、高电压的矩阵开关、单刀双掷开关、可编程数字I/O、高密度数字I/O、数字多用表及符合带宽要求的多路复用射频开关等PXIe板卡，在建立测试通路的同时，满足通用、小型、高速、可扩展的需求。

1.3 TPS开发平台

选择自动测试系统开发软件ATEasy，其系统文件独立的架构及共享机制，使得一旦将仪表、板卡、日志输出、界面显示等底层驱动模块集成于内后，可供多个测试程序调用，操作便捷，复用性强，适于通用型测试系统的程序开发[3]。

1.4 系统结构

系统结构如图 1所示。采用PXIe、LXI/LAN、GPIB混合总线，以PXIe嵌入式PC控制器为测试程序集运行平台及控制中枢，以“测试盒组”为测试中枢，经适配器实现PXIe机箱板卡、仪表与被测单元的适配，完成测试。

图1 系统框图

1.5 基于频谱分析仪的插入相位测试

系统利用同频的两路射频信号于0度功率合成器合成、相位相反时输出功率最小的原理,控制合成器一路输入信号进行相位扫描，并将频谱分析仪跨度置零，测量合成器输出功率，通过寻找功率最低点实现测量插入相位的功能,可省去测试台对昂贵的矢量网络分析仪的固定配置，降低研制成本。

2 测试盒组的通用性设计

2.1 实现

“测试盒组”为系统核心组件，其框图如图 2所示(虚线框外)。该“测试盒组”可实现功率分析仪、频谱分析仪同步测量，完成除供电通路、自检/视频信号外的所有指标测试，包括插入相位和输入反射损耗。

图2 “测试盒组”框图

测试盒1提供了J4、J5两路射频激励输出端口及J6、J7两路被测模块输出接入端口；200瓦功率输出的功放PA1、连续可调的高功率衰减器AT4、高功率衰减器AT2的端口引出，及一系列射频开关的使用，确保了系统大功率范围的激励输出及输出测量。其中，开关SW2、SW3可分别实现两路输入、两路输出测试通道与负载通道的切换，开关SW1、SW4可实现中低功率激励通道与高功率激励通道的切换，开关SW8、SW9与SW1、SW4联动，可实现两个功率通道的功率观测，开关SW5可实现对输入功率、输出功率及到达功率合成器PD2的功率的观测。测试盒的输入、输出通道分别接隔离器及环行器，可减少未接被测件、接错端口等误操作导致的损坏。

而功率分配器PD1、功率合成器PD2，移相器组PHS1..3，耦合器DC1、DC3，开关SW7、SW5，低插入相位可调衰减器AT1、AT5等硬件设计，结合软件算法，可实现测试插入相位功能；双向耦合器结合功率分析仪可实现输入反射损耗测试。

图2虚线框内为测试某辅助功放模块的连接图。该模块有J1～J3、J2～J4两路放大通路，输入功率近50 dBm，输出功率两千瓦。

2.2 注意事项

进行盒内器件及线缆选型时应留有较大裕量，使得在校准、测量激励和输出时，即使通过异常功率也不损坏测试盒、仪表及探头；功放PA1应独立供电并设计良好的散热通道以提高其寿命；测试盒组应具有足够的指示灯以实时监控电源及开关状态。

3 适配器的通用性设计

3.1 建立供电及信号通路

适配器完成在供电及供电通路测试、控制或调制信号输出、自检/视频信号采集等方面被测模块与测试系统的适配，并具备ID检测功能。系统丰富的测试资源，包括示波器通道、脉冲序列产生通道，以及PXIe机箱内双刀双掷矩阵开关、单刀单掷开关、单刀双掷开关、RF多路复用器、高密度数字I/O、电压可编程I/O和多用表等，按高于测试需求的原则被引至18槽位的VPC通用接口(GPI)上，而适配器通过18槽位的VPC接口(ITA)与其对接，经电源转接板及信号转接板，将充足的供电、控制及调制信号输出、信号采集等通路引至前面板单个接口，根据被测模块接口关系制作不同的线缆，即可建立系统与被测模块的供电及信号通路。

系统的测试资源可扩展并易于引至VPC接口；在前面板预留接口以适应特殊测试需求；亦或制作不同的适配器，均可满足不同测试对象的供电及测试通路需求。

3.2 供电通路测试

供电通路测试在模块测试早期进行，以尽早发现异常，防止因短路等故障带来的损毁，并确保后续正常的测试条件。通过多种开关改变电路拓扑，实现供电电路与数字多用表的串、并连接，即可实现模块电阻、电流和电压的自动测试。

图 3所示为供电通路电流测试示意图。对于在数字多用表耐电流范围内的大电流通路，当超过矩阵开关的耐电流能力时，可将大电流通路分为两个通道并联，占用矩阵开关两路通道资源，并改变S2-5、S2-6开关置位实现测试。

图3 供电通路电流测试示意图

测试电阻的电路可通过改变图 3中开关S3-5、S3-6、S2-1、S2-2、S3-1、S3-2的置位获得，再改变开关S1-1的置位即得电压测试电路。

4 自动校准补偿设计

4.1 校准的两种思路

高功率模块的校准尤为重要，差3 dB功率就差一半。对于激励而言，功率大容易损毁模块，小则可能致使输出无法满足指标。对于输出而言，若不校准，误差较大的测量值将误导维修测试人员操作，造成雷达性能大打折扣，或损毁后级模块等问题。

校准有两种思路。一是求“整”: 以通路为单位进行校准，在仪表的能力范围内，获得满足被测模块所需输入功率的源的输出功率，以及输出通路的总衰减量。二是化“整”为“零”：将系统测试通路按线缆、测试盒内接口间通路分类，依次校准各线缆及测试盒内接口间通路的插损/增益后，根据实际需要进行整合，计算输入、输出通路的插损/增益。

两种思路各有优缺点。前者直观，但被测模块种类增多则显繁琐，且对于通用测试系统而言，易出现功率较高或较低，处于功率探头测试相对不准确的区域；后者在被测模块种类多时优势明显，每次校准都能处于探头测量较为准确的区域，但插损值随功率稍有波动。

4.2 结构设计

系统采用方法二。建立校准表格如图 4所示，分为线缆、测试盒1、信号源、可调衰减器、激励器五大条目，条目下细分为若干校准通道[5]。每个表格记录一种被测模块的校准数据，纵向格式相同。为不同的输入、输出测试通路设定配置号，通过批注对校准项进行标识，并将校准种类及校准参数记入批注供程序使用。

图4 校准表格示意图

信号源校准分为平坦度校准和线性度校准(如图 5所示)，分别解决对于同一输出功率设置，信号源实际输出因频点而不同，以及信号源输出功率进入非线性区的问题。经测试，对于某型标定最大30 dBm输出功率的信号源，在频点1 GHz处可设置最大输出25 dBm，但实际输出仅24.4 dBm。通过补偿，可使到达被测模块输入端的功率符合要求。

图5 源的校准数据示意图

4.3 实现

校准时，单次连接即完成工作簿中同一通道所有频点的校准，并更新工作簿中所有对应的校准数据。为防止人为误操作，校准完毕后，数据会另存为二进制格式，供程序使用。测试时，程序自动根据配置号对输入、输出通路的插损、增益求和，分别补偿至信号源的输出功率和功率分析仪所测功率值中。

5 小结

某型航管二次雷达功放模块自动测试系统目前已成功实现两型共计六种功放模块的自动程序开发及测试,可提供调试环境，并成功修复多种功放模块。该系统的通用性设计及可扩展性，使得其具备多型号的保障能力；所使用的基于频谱分析仪测量插入相位的技术，可以省去系统对矢量网络分析仪的配置，军事、经济效益显著。

[1] 李立功，等，现代电子测试技术：信息化武器装备的质量卫士(第二版)[M].北京:国防工业出版社，2008

[2]张 尉,二次雷达原理[M].北京:国防工业出版社，2007

[3]郑 新,李文辉,潘厚忠，等.雷达发射机技术[M]. 北京：电子工业出版社,2008

[4]刘新飞,王 东,基于ATEasy的某雷达射频模块自动测试程序开发[J] .北京联合大学学报(自然科学版).2010.24(3)：10-13

[5]刘新飞,刘世华,王 东,雷达射频测试自动校准融合技术[J].中国科技成果.2013,7： 53-55

Development of General Automatic Test System for Power Amplifier Modules of Secondary Radar

Liu Xinfei，Li Yali，Wang Dong，Ning Yupeng, Zhang Qiang

(Unit 95853，Beijing 100076, China)

Performance of secondary radar has intimate relationship with safe flights. Special attentions are needed while testing high power modules. Developing general automatic test system for power amplifier modules of secondary radar can raise maintenance abilities and reduce maintenance costs. The system is able to test many kinds of power amplifier modules based on mixed PXIe, LXI/LAN and GPIB buses. It uses PXIe embedded PC as control center, uses the ‘test boxes’ as testing center, and realizes adaptations between UUT and PXIe cards and instruments through adaptor. This paper states general system designs from aspects of test requirements, choice of instruments, TPS developing environment and system structures, brings forward a testing method of insertion phase based on spectrum analyser, and analyses general designs on test boxes, adaptor and automatic calibration compensation. The system can realize wide power range of stimulation, test and calibration, reduce configuration of expensive vector network analyser, and has high test precisions and notable economic benefits.

general automatic test system; secondary radar; power amplifier modules; calibration; PXIe

2016-03-23；

2016-04-18。

刘新飞(1981-)，女，湖南湘乡人，硕士，工程师，主要从事自动测试及系统研制、测试性设计方向的研究。

1671-4598(2016)09-0047-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.013

TP273

A