基于多信号模型的相控阵天线测试性分析与改进

王青麾

摘  要：相控阵天线是相控阵导引头的重要部件，其结构复杂，故障分布位置多。针对相控阵天线结构复杂的特点，利用测试性建模分析软件TMAS建立了相控阵天线的多信号模型，并对其测试性进行分析评估。利用模型中测试点和测试项目的优化反馈结果，分析相控阵天线测试性设计的不足，提出改进方案。分析结果表明，改进后的天线测试性得到了显著提高。

关键词：测试性  相控阵天线  多信号模型  TMAS

中图分类号：TJ760                             文獻标识码：A                    文章编号：1674-098X（2020）12（b）-0242-03

Abstract： Phased array antenna is the kernel component of phased array seeker， which has complex construction and many fault locations. Aiming at complex construction of phased array antenna， built its Multi-signal Model used TMAS. And the testability of antenna is analyzed and evaluated. Combining with the feedback of the model test points and test items， analysis the shortage of testability， improved schemes is brought. The results of analyses show that the testability of the improved antenna is increased markedly.

Key Words： Testability; Phased array antenna; Multi-signal model; TMAS

为了满足与日俱增的国防军事需求，相控阵天线在军事上的应用越来越广泛。相控阵天线通常由几百至上万个天线阵元和相应的收发组件（T/R）组成，每一部相控阵都有独特的阵元排列方式和馈线结构，可能发生故障的位置分布多，且难以进行人工检测。当相控阵天线发生故障后，如何对故障的天线单元进行检测并快速定位和排除故障，迅速恢复相控阵天线的性能指标，是相控阵天线研究的重点和难点[1]。测试性是产品的重要设计特性，良好的测试性设计可以快速地实现故障检测和隔离。

本文基于多信号模型，建立了某型相控阵天线的测试性模型，并进行了测试性改进设计，显著提高了测试性指标。

1  多信号模型

多信号模型（Multi-signal Model）是由Som-nath Deb等人于1994年提出[2]，利用分层有向图表示被测对象的组成单元、测试以及被测对象性能特征之间的相关关系，是故障传播建模的一种建模方法，可应用于大型、复杂系统的测试性设计、故障模式影响及危害度分析、故障诊断、TPS开发等。

多信号模型通过将系统的功能函数特性以模块属性的形式表现出来，详细分析单元内各种功能故障模式，并将故障模式添加到单元中，形成信息流[3]。从信号的多维属性着手，识别系统中与单元相关的信号属性和测试检测到的信号属性，在二者之间建立关联关系。通过建立系统的多信号模型以及建模过程中同步开展的测试性设计，可以把专家对系统的理解和测试诊断经验简单直观地转换成专家知识，并以模型化的文件格式保存，同时方便系统模型和测试性设计的更改和优化。

由于模型中的信号之间是独立的，不会相互影响，更接近系统的物理结构，这使得多信号模型建模容易、模型的集成和验证都相对简单[4]，在美国航天飞机、倾旋翼飞机等复杂系统的测试诊断中得到广泛应用。基于该分析，利用TMAS软件平台，本文建立了相控阵天线的多信号流图模型，并对测试性的改进提出合理建议。

2  相控阵天线功能原理分析

相控阵天线是相控阵导引头的重要部件，其主要任务是：为雷达导引头搜索、探测、截获和跟踪目标实时提供有关目标的回波信息。某型相控阵天线功能原理框图如图1所示。驱动功放对激励信号进行放大，通过网络分配后进入各个T/R通道，经放大后由天线阵面的各个天线单元辐射出去[5-6]。目标反射的回波信号由各个天线单元接收进入T/R通道内输出到馈电网络，经和差运算后形成和差信号输出。波控组合在导引头信号处理机控制下进行数据解算，控制各通道的状态，并按照规定的时序实现相控阵天线接收与发射的校准等。

相控阵天线由天线阵面、天线电源、波控组合、T/R组件、驱动功放、波导转换、校准组合、馈电网络、和差器共9个部分组成。

3  相控阵天线测试性建模与分析

3.1 相控阵天线建模数据分析

基于多信号模型的测试性建模数据分析分别从系统组成分析、故障模式分析和测试分析3个方面来开展工作。

（1）系统组成分析。

根据相控阵天线的组成结构，从上到下逐层进行分解，分解的最低层次根据产品的实际复杂程度以及测试隔离的需求确定，对一些故障发生概率极低的组成单元或结构件可以进行忽略处理。相控阵天线本身结构复杂，尤其是天线阵面有上千个天线阵单元以及配套的多条收发通道，逐个进行分解工作量太大。本文中将天线阵整个看做一个整体;多条收发通道看作一条，再根据收发通道完成的不同的功能进行分解。最终天线一共分解为5层共50个组成单元，分解的最低层次是功能电路级。

（2）故障模式分析。

基于天线FMECA报告的分析结果，以及产品研制过程中真实发生的故障[7]，对天线每一个最底层组成单元进行故障模式分析，形成故障模式清单，最终确定故障模式222个。

（3）测试项目分析。

分析梳理天线生产线交付测试时的测试流程及测试项目，形成測试项目清单。生产线上天线交付测试有200多项，其中有一些测试项目为了指标验证的需求，需要在不同的发射（接收）角度进行测试，测试内容相同，可以把这类测试项目进行简化，最终形成测试项目28个。

3.2 基于模型的测试性分析改进

用TMAS软件建立天线的多信号模型，进行测试性分析，得到表1所示结果。

其中，故障检测率为74.3243%，故障隔离率为83.0303%，显然，天线的故障检测能力偏弱。要提高天线的故障检测隔离能力，最直接有效的方法就是增加测试点，以消减其中的不可测故障。同时综合考虑添加测试的难易、费用、对天线本身带来的影响等等，分析这条传递路径上可以添加测试点的位置，在模型中的相应进行修改，之后执行仿真分析，如果不满足要求，继续改进。

查看天线模型分析结果数据可知，天线存在57个不可测故障，主要集中在波控组合和天线电源两个单元上。通过软件中的DFT追踪模式，可以查看每一条不可测故障的信号传递路径。最终确定增加电源断电测试、波控自检测试两个测试点，对改进后的模型进行分析后的结果如表2所示。

从表2、表3中可以知道，改进后的天线故障检测率得到较大提高，说明增加的测试是合理的。

4  结语

具有良好测试性的系统可以提供良好的性能监控、故障检测和隔离能力，可以大大减少故障检测和隔离的时间，从而进一步缩短维修时间，降低对维修人员的技术要求，提高系统的可靠性、维修性和可用性。本文在多信号模型的基础上，详细分析了某型相控阵天线的结构、故障和测试，运用TMAS软件建立了天线的多信号模型，对天线的测试性进行了分析与评估，提出了改进方案并进行了分析和对比。分析结果表明，改进后的系统测试性得到较大的提高，为系统设计及改进提供了理论根据。

参考文献

[1] 曹俊峰，倪向东.有源相控阵雷达天线测试实现与优化[J].火控雷达技术，2015，44（1）：99-102.

[2] 廖恒.基于多信号模型的系统可测性设计分析研究与实现[D].成都：电子科技大学，2016.

[3] 姜晨，宋帆.机载装备测试性模型设计与优化[J].测控技术，2019，38（12）：77-82.

[4] 张贞.电子系统测试性设计优化方法研究[D].成都：电子科技大学，2017.

[5] 郑巧珍，黄飞，王佳，等.多通道相控阵雷达导引头技术概述[J].航空兵器，2016（6）：40-43.

[6] 张天水，杨丽娜，张文涛，等.弹载超宽带小型化阵列天线单元及阵列设计[J].航空兵器， 2018（4）：89-94.

[7]姜梅.面向测试性的FMECA方法研究[J].测控技术，2018（37）：1-4.