相控阵天线自动化测试研究与实现

李 冰 赖光霁 任超群 张振华 张 彬



相控阵天线自动化测试研究与实现

李 冰 赖光霁 任超群 张振华 张 彬

（北京遥测技术研究所，北京 100076）

针对相控阵天线需要测试的通道数量大，工作模式多，需要一种高效快捷的测试方法解决相控阵天线批产测试问题。该方法将相控阵天线、暗室近场测试系统、上位机结合在一起，通过上位机协同控制，测试中不需要人为操作。经实际测试验证，此相控阵天线自动化测试的方法，提高天线测试效率，缩短测试时间，满足实际工作的需要。

相控阵天线；自动化测试；相控阵测试盒；多波位测试

1 引言

随着有源相控阵雷达的发展，相控阵天线的应用越来越广泛。而一部相控阵雷达通常有包含成百上千个T/R组件，如果采用人工方式测量相控阵雷达天线需要花费很长的时间，往往成为相控阵天线批产的瓶颈。在相控阵雷达研制与生产过程中，T/R组件和相控阵天线的自动测试技术越来越成为影响产品研制和生产进度及质量的关键性因素。为了在满足测试精度的情况下尽可能提高测试效率，缩短天线测试时间，对相控阵雷达天线的自动测试技术进行了研究。

2 基本原理

首先分析相控阵天线的测试需求，由于相控阵天线内部的T/R组件、功分网络、天线面板在生产加工中工艺不易控制，天线组装完成后各通道的功率、频谱、幅相会存在一定的不一致性，需要通过校相保证相位分布峰峰值不超过10°，并且各通道功率值从内向外服从泰勒分布。幅相校正首先要获得相控阵天线的实际指标，需要对整个阵面或者部分阵面的各个频点、各个波位进行近场方向图测试，这就对相控阵雷达的天线测试手段和效率提出了很高要求。

相控阵天线的测试分为两个部分：单通道测试、阵面测量；测试模式包括发射阵测试（脉冲）和接收阵测试模式。其中阵面测试按阵面规模分为子阵测试和全阵测试，按步骤分为幅相校准和其他波位测量[1]。

3 硬件系统组成

为了满足相控阵天线多个通道测试的需要，设计一个相控阵雷达天线的测试系统。通过上位机实施控制，将有源相控阵天线、暗室的矢量网络分析仪、信号源等组成一个有机的系统，实现相控阵天线的自动测试，同时实现远程可视化和数据存储及处理。系统通过以太网将上位机与暗室近场测试系统中的矢网、相控阵天线组成一个局域网，利用上位机软件控制暗室近场测试系统中的矢网，并读取矢网的测试数据；上位机亦可通过局域网对相控阵天线中的波控器发送控制指令。通过上位机软件将暗室近场测试系统、相控阵天线（含波控、相控阵测试盒、电源等）和上位机形成了一个具备天线测试和数据实时处理的相控阵天线自动测试系统。该系统利用计算机强大的数据处理能力，较好地解决有源相控阵天线故障诊断、暗室近场测试和天线幅相校正问题。基于以太网的测试系统组成框图如图1所示。

图1 基于以太网的自动测试系统组成框图

图1中的相控阵天线可以是一个一维或者二维的相控阵天线，内含相控阵M×N通道的阵列天线、波束控制器、相控阵天线测试盒、电源、信号源等设备。其中由测试盒完成天线波控器与上位机的通信，由波控器完成内部控制。运行在上位机上的软件包含控制软件和调试分析软件，主要完成相控阵天线和测试设备控制、波控码传输和存储处理、结果显示等。暗室的近场测试系统是测试设备，自动测试系统连接的是暗室系统中的脉冲矢量网络分析仪。

相控阵测试盒作为一个桥梁将整个系统结合在一起。用于相控阵天线的测试控制，并且在单通道测试时需要兼顾对单个阵元的控制测试能力，主要功能包括：

a. 透明传输上位机到波控器的控制命令，仅改变波特率，上位机到相控阵测试盒的波特率为115200bps，相控阵测试盒到天线波控器的波特率为500K；

b. 解析主控上位机的控制指令，按照相控阵天线波控器的接口要求将控制数据送往波控器，进行相控阵的移相和衰减控制；

c. 接收波控器采集到的相控阵天线状态数据，并编帧送往上位机；

d. 脉冲发射测试时接收矢网的内部同步参考信号；

e. 相控阵天线多波位测试时，用于存储天线扫描架输出的16位并行数据与天线波控器FLASH存储的对应波位的波控码的地址映射。以及扫描架的16位并行数据到查找表的地址译码。

4 软件系统设计

该相控阵天线测试系统在设计之初就充分考虑兼容多种不同类型的相控阵天线控制和测试的方案。在软件和硬件方面，对二维相控阵天线、全极化相控阵天线、无源相控阵天线的兼容，以及对暗室近场测试系统和相控阵天线的内外时序的兼容、控制协议的兼容都做了充分的考虑，当待测相控阵天线更换时，只需要修改软件对应的测试参数及波控器的配置文件，即可适应不同类型、不同通道数的相控阵天线的自动化测试。

软件按层级可分两个部分，分别是上位机测试分析软件和下位机波控软件。上位机软件主要负责人机交互命令的控制与实现、天线幅相测试的实现、测试数据实时分析处理及分类存储，以及结果的直观显示等。下位机波控软件用于控制天线的工作状态和各个通道的单开控制、置波控码等。

上位机测试分析软件主要包括测试控制模块和调试分析模块：

a. 测试控制模块：系统状态与工作参数设置、测试设备（矢网）参数设置、暗室近场测量、天线单通道测试、天线阵面测试、数据存储处理、结果显示等。其工作流程图如图2所示。

图2 上位机软件测试控制模块工作流程

b. 调试分析模块：根据单通道测试的结果完成各个通道移相器和衰减器的性能判断；根据单通道测试的基态数据生成第一次幅相校准数据；对比判断校准后的实测数据与目标数据生成下次的幅相校准数据，其中判断依据包括波束指向偏差、各通道初相的均方根等；显示结果，包括幅相分布于目标幅相数据的对比等。调试分析软件的工作流程图如图3所示。

图3 上位机软件调试分析模块工作流程

5 测试系统功能

天线自动测试系统主要有三个功能：单通道功能测试；阵面幅相校准；其它波位测量。各功能的具体工作过程如下：

单通道功能测试。相控阵天线阵面的幅相校准首先要对其天线阵面的单个通道进行幅相校正，保证单通道测试时各通道达到幅相一致；另外，在相控阵天线的故障检测中，也需要进行单通道测试，确定各个通道是否工作正常。测试中，暗室近场系统矢网的1端口连接在标准喇叭天线上，2端口连接在待测天线上，脉冲发射时测量矢网的S12参数，接收时测量矢网的S21参数，即可得到通道的幅相特性[2]。其工作时序如图4所示。

图4 系统工作时序

图5 单开测试流程图

测试中，首先初始化矢网和波控器，上位机将天线的工作模式设置为单开测试模式，即仅有一个通道工作，其它都处于待机状态，并使各通道的T/R组件处于基态（移相和衰减都为0），设置完成后，波控器返回给上位机操作完成的消息。矢网测量此时的S21（或S12）参数，上位机通过GPIB总线或以太网从矢网中读取S21（或S12）参数保存，完成一次测量。然后依次开启该通道的每一位移相器与衰减器，重复之前的测试操作，直到完成该通道的测试。之后再依次完成阵面其它通道的测量，将各个通道、各位移相器（衰减器）的S21（S12）都保存在一个文件中。通过分析软件，查看各个通道的各个指标，包括增益、相移和衰减是否工作正常。其工作的流程图如图5所示。

图6 阵面幅相校准工作流程图

天线阵面幅相校准。天线阵面幅相校准是将整个天线作为一个整体通过某种校正方法，通过对实测数据与目标数据的对比分析，反复迭代并调整，直到天线阵面的幅相特性指标满足要求为止。

首先根据阵列单通道测试的结果，提取各通道处于基态时候的幅相分布参数，通过上位机软件计算出天线阵面每个通道需要补偿的幅度码和相位码，得到需要校准的波控码，完成整阵面/部分阵面的第一次校准。然后依据方向图各项性能、阵面各通道幅相分布等判别依据，判断校准结果是否满足调试目标，若不满足则继续进行迭代修正，直到获得最终的幅相初始误差文件。幅相校准工作的流程图如图6所示。

多波位测试。完成以上工作以后，取得初始幅相误差文件，再对相控阵天线的所有波位进行一次遍历性的测试（见图7）。由于上位机发送的最高速率只能达到115200bps，通过上位机发送波控码的方式遍历相控阵天线的所有波位，更新速度慢，效率低，而相控阵测试盒与波控器的422接口通信速率可以达到500K，通过将波控码存储到波控器的FLASH中，通过天线扫描架输出的16位并行码查找波控码的方式实现所有波位的遍历测试，可以大大提高测试效率，具体实现方法如下：

a. 上位机首先将各波位对应的波控序列表下发到相控阵测试盒，存储在编码-波控序列表模块中，上位机同时将波位映射地址对应的波控码存储在相控阵天线波控器的FLASH存储中。

b. 当探针的机械扫描架移动到对应波位时会输出一个并行编码到相控阵测试盒。

c. 相控阵测试盒接收到并行编码后，通过并行输入模块译码后发送到编码-波控序列表模块，通过查找表的方式，对应波控码存储在相控阵天线FLASH中的映射地址，并通过422差分发送给相控阵天线。

d. 相控阵天线接收到对应波位映射地址，从FLASH存储中读取相应的波控码并执行，完成相控阵天线的波束指向，暗室测试系统记录下天线的相应指标。

e. 探针的机械扫描架移动到下一个波位，重复上述操作，直至所有的波位遍历完成。

f. 将测得的数据通过上位机软件的解析处理，解算出各波位的波束指向偏差。若其它波位波束指向偏差较大，则需要继续进行以上的校准过程。

图7 多波位测试原理框图

6 结束语

为了将整个系统结合在一起，需要相控阵测试盒作为一个桥梁。相控阵天线测试盒用于相控阵天线的测试控制，并且在单通道测试时需要兼顾对单个阵元的控制测试能力，主要功能包括：

a. 透明传输上位机到波控器的控制命令，仅改变波特率，上位机到相控阵测试盒的波特率为115200bps，相控阵测试盒到天线波控器的波特率为500K。

b. 解析主控上位机的控制指令，按照相控阵天线波控器的接口要求将控制数据送往波控器，进行相控阵的移相和衰减控制；

c. 接收波控器采集到的相控阵天线状态数据，并编帧送往上位机；

d. 发射测试时的接收矢网的内部同步参考信号

e. 相控阵天线多波位测试时，用于存储天线扫描架输出的16位并行数据与天线波控器FLASH存储的对应波位的波控码的地址映射，以及扫描架的16位并行数据到查找表的地址译码。

1 张光义，赵玉杰. 相控阵雷达技术[D]. 北京：电子工业出版社，2006

2 Agilent technologies. Agilent PNA Series Network Analyzer User’s and Programming Guide. http://www.agilent.com. cn. 2008

Research and Implementation of Phased Array Antenna Automatic Test

Li Bing Lai Guangji Ren Chaoqun Zhang Zhenhua Zhang Bin

(Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076)

The phased array antenna has a large number of channels and working modes. In order to meet the needs of the batch production of phased array antenna, an efficient and fast test method is needed to solve the phased array antenna batch test problem. This method combines phased array antenna, near field test system in darkroom, and host computer organically, and does not need manual operation in the test. For verification test, the method of automatic test of phased array antenna improves the antenna test efficiency, shortens the test time and meets the actual needs of the work.

phased array antenna；automatic test；phased array test box；multi beam position testing

李冰（1986），硕士，雷达信号处理及设计专业；研究方向：相控阵天线波控设计。

2017-07-11