一种相控阵天线自动化测试系统设计

乔兴旺 陶成忠 王春艳

（中国电子科技集团公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230088）

1 引言

随着相控阵天线技术的发展，相控阵系统的规模越来越大，各种模式和功能越来越复杂，有源通道数量越来越多，一部相控阵雷达的有源通道数量会达到成百上千，每个有源通道都有收/发态的控制，以及衰减码值和移相码值的控制，需要控制的数据量大，如何快速测试提高效率，是产品研制过程中的关键问题。

一般在进行暗室近场测试过程中，往往需要很长的时间进行调试，即占用宝贵的暗室资源，又浪费人力物力，有时暗室的测试进度甚至成为制约交付进度的关键点[1～3]。本文针对暗室测试系统，设计一种多频点、多波束测试系统，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，从而快速实现系统的搭建，提高暗室测试效率。

2 测试系统原理与组成

相控阵天线的性能测试，一般在暗室环境下使用平面近场测试系统进行，通过与天线频率相同的已知射频特性探头，在距离被测天线3～10个波长的平面，按照一定的规律进行运动，通过测试天线在已知平面内的幅度、相位特性，再经过数学计算变换得出天线的远场方向图，从而获得相控阵天线的性能[4～6]。

近场性能测试时，射频探头按照一定的运行轨迹进行采样，在进行采样时近场测试设备会送出时序控制信号，相控阵天线严格按照时序信号进行射频收发控制，实现对天线的近场测试。为了实现暗室近场多频点、多波束测试，需要增加波控模块，将暗室测试设备与相控阵天线进行互联，实现自动化的测试。相控阵天线自动化测试主要包含上位机和波控模块等部分组成，系统框图如图1所示。

2.1 暗室近场测试系统

暗室近场测试系统作为标准测试设备，主要包含近场测试设备（RTC）、采样架及探头等组成，在近场测试时，近场测试设备是整个测试过程的控制中枢。在RTC控制界面中设置控制参数，包含测试频率点、波位数、扫描顺序等参数，待测天线完成测试打码和布相准备后开始测试，RTC控制采样架按照设置的参数进行运动，在运动路线上的固定位置进行射频信号的采集和记录，完成测试后对测试数据进行反演，获得口径场分布及远场方向图数据。

2.2 上位机

上位机作为自动化测试系统的主控计算机，是测试系统信息中枢，通过上位机软件界面设置测试参数，如接收模式、发射模式、单通道测试、多波束测试、开始和结束测试等，同时通过软件计算获取不同波束的码值信息（包括移相码、衰减码和延时码等），按照格式定义生成多波束的码值表，在开始测试前将多个测试波束数据通过网络协议传输给波控模块，完成波束信息的计算和传送。同时向上位机回复整个系统是否准备好的状态信息，并对整个相控阵天线的测试状态进行监视，包括监测电源的状态、工作温度等信息，将监测信息进行记录，用于数据分析和问题诊断等，上位机软件可以基于VB环境下进行开发[7]。

图1：相控阵天线自动化测试系统框图

图2：系统时序信号

2.3 波控模块

波控模块是天线近场自动化测试的核心，也是近场系统与相控阵天线的纽带，最主要功能就是要产生精确的时序信号，依据RTC产生的时序产生天线的时序控制信号，控制阵面进行波束收发，同时与RTC进行硬件同步信号回复，时序如图2所示。

其中t1、t2、t3在RTC界面进行设置，一般要求采样位置的时间

波控模块还需将接收来自主控计算机的波束码值数据传输给天线控制单元，完成对测试波束打码和布相，同时采集来自阵面天线的回馈信号，送给上位机进行监控和记录。

表1：多波束测试列表

3 工作流程

在进行方向图测试时，一般分为两个流程，单通道测试和多波束测试，具体测试流程如下：

3.1 单通道测试流程

单通道测试是对有源通道进行的基态测试，由于成百上千的有源组件在生产过程会导致幅相特性不一致，所以要测试所有通道的初始幅度和相位，通过组件内部的移相器和衰减器将通道幅相特性补平。

无论是单通道测试还是多波束测试，近场测试系统探头的运动方向是确定的，一般是从图1阵面中的A点运动到D点。在进行单通道测试时，各通道按照顺序依次打开，进行接收或发射测试，并将该通道的移相、衰减置为零态，其它通道处于既不发射也不接收的状态，全阵面测试完成后，通过计算获得基准码值。

3.2 多波束测试流程

多波束测试是对全阵面进行近场测试，根据基准码值和测试的波束信息，方位向和距离向波束不同的扫描角度或不同加权系数的方向图信息计算获得每个通道的移相码值和衰减码值，通过近场测试系统一次完成接收状态（或发射状态）的多个频点、多个波束进行测试。测试时频率与波束的切换顺序如表1所示，每个测试点先进行波束切换后进行频率切换。

以N个频点和M个波束的方向图测试为例，天线阵面水平方向设置X个测试点，垂直方向设置Y个测试点，探头按照垂直方向进行采集。近场测试在每个测试点都会按频率和波束号依次发触发脉冲给波控模块，波控模块收到脉冲根据预设好的波束1～波束M进行切换，每切换一次波束后提供脉冲同步信号给阵面天线，当循环M次后RTC进入下一频率点进行测试，循环Y次一列结束，后面测试流程与第一列相同，每列采样数据总数S1=M×N×Y，整个天线阵面采样数据总数S2=M×N×Y×X。

整个测试过程的主控设备是RTC，所有波位和时序的调度是以RTC给出的时序为基准，软件流程实现的过程如下：

（1）在RTC的操作界面上进行时序、频点、波位数的设置，同时设置好采集数据的文件名称和存储路径，准备开始测试；

（2）同时主控计算机将波位表的码值数据传送给波控模块，完成测试前准备，完成测试准备；

（3）RTC首先进行自检，RTC向波控模块发送自检信号；

（4）上位机反馈软件和硬件已准备好的信号，并将第一组波位码值数据打入相控阵天线，保证采集的第1组数据即第1个波控的控制参数，此操作是保证天线与暗室同步性的关键过程；

（5）RTC收到待测系统准备好信号后，将频率计数和波位计数清零，开始运动到第一个测试位置开始测试，发送第1个波位时序信号；

（6）波控模块根据RTC的时序信号控制阵面进行发射/接收测试，每个测试点先循环波位，再循环频率点，测试完成1个测试点后，进入下一测试位置点，直至测试完成1行或1列的所有点；

（7）在进行下1行或下1列测试时，近场测试系统重复e、f过程，直至完成整个阵面的测试，形成近场测试数据文件。

4 结束语

在暗室的近场测试是检验整个相控阵雷达系统性能的最有效方法，通过搭建上位机和波控模块组合的自动化测试系统，完成对多波束的波位调度和相控阵天线时序的精确控制，从而实现对相控阵天线多频点、多波束测试，该测试系统经过实际应用验证方案可行，大大提高暗室测试效率。