机载有源相控阵雷达天线测试系统设计

马强

（南京国睿防务系统有限公司 江苏省南京市 210039）

目前机载雷达已经逐步采用有源相控阵体制，天线阵面也随之发生改变。有源相控阵天线阵面较以往体制天线，调试、测试过程复杂，任务量巨大。随着机载多型有源相控阵雷达进入批量生产阶段，原有的天线测试系统已经无法满足阵面的生产和测试，急需高效、先进的测试设备。机载有源相控阵雷达天线测试系统，能适用天线阵面测试的不同场景，满足天线在近场、中场以及环境试验条件下对天线的调试、校准与测试。

1 机载有源相控阵雷达天线测试需求

由于机载有源相控阵雷达天线内部的T/R组件成百上千个，生产及安装过程中难免存在质量问题及装配问题；零部件功分网络、天线辐射组件在生产及加工中工艺也较难控制；天线阵面在组装完成后，各个通道的功率、频谱、相位均会存在一定的不一致性。为了完成天线阵面控制链路检查及信号链路打通，为了获得天线阵面幅相校正参数，为了测试天线阵面的实际指标，都对机载有源相控阵雷达天线测试手段和效率提出了很高的要求。

机载有源相控阵雷达天线测试系统，通过主控计算机实施控制，将天线阵面、测试仪表、伺服控制、数据处理、外围设备等组成一个有机的系统，实现天线阵面的自动化测试。通过测试任务打包，自动发送指令，阵面及伺服响应，完成天线阵面的性能测试，同时实现远程可视化和测试数据存储及处理。

2 机载有源相控阵雷达天线测试系统功能

该机载有源相控阵雷达天线测试系统在设计之初就充分借鉴前续产品的测试经验，考虑兼容不同类型的相控阵天线控制和测试，在软件和硬件方面，设计了对相控阵天线极化方式、内外时序控制、测试步进等的兼容。当更换待测试有源相控阵天线阵面时，只需要修改软件对应的测试参数、配置文件及调整测试任务，即可适应不同类型、不同通道数的天线阵面的自动化测试。

机载有源相控阵雷达天线测试系统主要具备功能如下：

（1）具备测试天线控制，发射、接收通道功能；

（2）具备测试天线波束扫描功能；

（3）具备发射通道、接收通道幅相中场修正功能；

（4）具备中场、近场测试接收、发射波瓣功能；

（5）具备内监测数据录取功能；

（6）兼顾适应阵面验收、环境试验、拷机等工作模式。

3 机载有源相控阵雷达天线测试系统的组成

机载有源相控阵雷达天线测试系统包括四个主要部分，分别是测试主控单元、阵面控制与数据处理单元、伺服控制单元以及测试辅助设备组成。测试系统具体组成如表1所示。测试主控单元负责实现整个测试系统的协调控制并提供人机接口，作为测试系统的信息中枢，完成测试流水控制、测试任务下发，测试数据存储及分析等工作；阵面控制与数据处理单元主要负责被测天线的状态控制与测试数据采集，提供测试所需的信号源、时序控制等；伺服控制单元则负责实现扫描架探头的移动控制，根据下发的测试任务，完成整个阵面或者单线的测试探头驻留；测试辅助设备则为天线的测试提供电源、冷却等工作环境，并将实时工作参数回传给测试主控计算机，具备当保障条件出现问题时，自动对被测阵面进行保护并报警。

表1：机载有源相控阵雷达天线测试系统

3.1 测试主控单元

测试主控单元整合为机柜模式，依托测试系统软件，提供人机接口，通过网络数据交换，实现所有测试功能的自动控制，存储并计算显示测试结果。功放主要用于对测试信号的放大匹配，根据测试需求，一般接收采用级联低噪声放大器，发射采用高增益功率放大器。网络交换机将主控计算机、天线阵面、矢量网络分析仪、伺服控制等组建成一个局域网，完成控制、数据等的交互工作。

3.2 阵面控制与数据处理单元

阵面控制与数据处理单元，为天线测试提供激励信号、全机定时基准信号、本振和时钟参考信号；完成射频信号接收放大、射频采样、数据打包、数字信号预处理等功能；通过接收系统状态字完成定时控制、信息输出功能；完成信号处理数据交换等功能。阵面控制与数据处理单元结构布局如图1所示。

图1：阵面控制与数据处理单元

3.3 伺服控制单元

伺服控制单元包括伺服控制机柜、探头和扫描架等。主要用于天线近场测试，通过网口完成扫描参数设置、位置信息实时回送，通过通讯端口发送到位触发脉冲，实现对扫描测试探头的精确控制，通过探头的位移，来完成天线的测试扫描范围和路径。

3.4 测试辅助设备

测试辅助设备包括为被测天线阵面和处理单元供电的直流稳压电源，为被测天线和处理单元提供冷却的液冷源，以及支持固定被测天线和测试设备的各种支架。

3.4.1 电源

在对天线进行近场和中场测试时，可以直接用大功率直流稳压电源供电。供电可参考各型天线接收、发射电源需求阵面控制与数据处理单元采用高压直流仪表电源供电。在对天线进行考机测试时，天线需满功率全阵面辐射，功耗较大，必要时可采用对应的雷达电源单元进行供电。

3.4.2 测试支架

测试时，被测天线安装在天线支架上，放置在扫描探头对面。另一个支架固定安放阵面控制与数据处理单元及电源单元，天线暗室测试时放置在天线后面，环境试验时放置在环境试验箱外面。

3.4.3 液冷源

天线测试时被测天线和处理单元、电源单元都需要冷却散热。考虑到不同场景的运用，需要一台小型的液冷源提供冷却，必要时要满足高温液冷需求。

4 机载有源相控阵天线测试系统工作流程

机载有源相控阵天线按调试测试场景可分为中场、近场，测试流程主要又分为调试、校准、测试、考机及验收等。在每个阶段分别要对天线的接收和发射通道进行测试。天线测试具体原理框图如图2所示。

图2：天线阵面测试原理框图

4.1 天线阵面中场测试

天线阵面中场测试前，要先完成阵面状态确认，检查阵面供电信号、控制信号流向正常，完成上下行射频信号链路检查。完成阵面子阵ID及T/R组件ID烧写和回读确认，完成组件MN值烧写和回读确认。

中场调试时，通过系统模拟产生雷达定时及控制信号，在阵面安装完T/R后，可进行內监测收发链路测试，根据组件安装的用户位置，设置需要测试的T/R通道，通过观察矢网，可以直观地显示相应通道的幅度与相位变化。在阵面安装完辐射单元后，可进行中场喇叭收发链路测试，依次打开单个通道或者打开一定区域的通道，完成接收和发射通道状态检测。

测试系统运行时，软件可设置起始通道与通道数量，可设置单次或者循环发送数据，可通过直接观察矢网测试结果或利用数据处理软件打开所测数据文件判断组件或相应子阵是否正常工作。软件对幅度和相位分别判读，通过颜色差异显示，测试结果如图3、图4所示，能比较直观地反映阵面所有通道工作状态,有助于阵面异常点排查及剔除。

图3：天线阵面组件幅度测试图

在保证阵面的完好性的前提下，可以开始进行整个阵面的幅相校正工作。将整个阵面作为一个整体，通过光学标校，采集到中场喇叭相对于阵面的相对位置，通过单个通道测试的结果，提取各通道处于基态时候的幅相分布参数，通过测试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，生成需要校准的波控码，完成整个阵面的一次校准。再依据方向图各项性能及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。

4.2 天线阵面近场测试

测试系统具备天线多任务快速化测试功能，在近场测试过程中，扫描架进行单次扫描就可以实现多个频率、多个波束和多个通道的测试，扫描架扫描全阵面一次，系统就能完成对天线模拟接收和、差、保护通道的性能测试。

由于测试主控计算机通过串口发送测试命令的最高速率只能达到115200bps，通过这种方式完成整个阵面的测试，更新速度慢，效率较低。该测试系统通过将测试任务先下发至阵面控制与数据处理单元，通过422总线完成与阵面波控的通讯，传输速率提高至500k，极大地提高了测试效率。

4.2.1 天线阵面接收状态测试

天线接收通道的测试，由主控计算机下发测试任务，将各个波位对应的波控序列传送给阵面控制与数据处理单元，当伺服扫描架运行到约定位置后，通过回传编码查找到对应的映射地址，启动测试任务，完成相控阵天线阵面在该位置的性能测试，重复这些操作，完成整个阵面的全状态接收测试。

接收测试时系统具体工作流程如下：

（1）预先通过测试计算机上的软件界面将所有测试任务信息分别发送给伺服计算机和测试处理板，测试处理板将所有对应的控制指令包存在缓存中，等待测试任务启动。

（2）扫描探头每到一个测试位置点，给测试处理板发一个外触发脉冲，测试处理板将预存的所有指令包发送给天线。

（3）天线将探头辐射的射频信号接收下来，分为和、差通道送接收通道进行A/D采样，再送给信号处理模块进行FFT转换，结果送给测试处理板。

（4）测试处理板将收到的测试数据进行数据处理，并上传给测试主控计算机进行计算和存储。

（5）以此循环，探头完成对所有测试点的扫描，完成全阵面的测试，最终得到整个天线接收通道的测试结果。

4.2.2 天线阵面发射状态测试

天线发射通道的测试，主要通过矢量网络分析仪来实现，测试时频率源输出信号推动天线发射输出大功率脉冲信号。同时功分一路激励信号作为矢量网络分析仪的参考信号。扫描探头接收到天线辐射的信号后，将信号送给矢量网络分析仪与参考信号对比测试得到幅相数据。测试时矢量网络分析仪要与综合频率源相参，同时需要脉冲定时同步。

发射测试时系统具体工作流程如下：

（1）预先通过网络测试计算机上的软件界面将所有测试任务信息分别发送给伺服计算机和测试处理板，测试处理板将所有对应的控制指令包存在缓存中，等待测试任务启动；

（2）扫描探头每到一个测试位置点给测试处理板发一个外触发脉冲，测试处理板将预存的所有指令包发送给天线；

（3）探头将天线辐射的射频信号接收下来，送给矢量网络分析仪；

（4）矢量网络分析仪将待测信号与参考信号做比较得到幅相参数，测试主控计算机通过网络将矢量网络分析仪的测试数据取回进行计算和存储；

（5）以此循环，探头完成对所有测试点的扫描，完成全阵面的测试，最终得到整个天线发射通道的测试结果。

5 机载有源相控阵天线测试系统数据处理

考虑到测试效率的问题，该测试系统采取数据采集与数据处理分离的方案，数据采集的编程环境主要有visual Basic for Windows、 Microsoft visual Stdio 2008等，数据处理编程环境为MATLAB语言。测试软件主要用于阵面通道测试，验证待测天线所有收发通道的性能，对每个通道进行全状态测试，包括接收状态的负载态、接收态以及发射状态的移相态，并在界面上显示部分测试结果，方便测试数据的判读。

测试系统测试数据结果均为测试通道合成后与参考通道的矢量比值，再做FFT，计算出返回幅度最大点的I、Q，同时回合成波束值及差波束值。程序解析下传任务流水标记、循环标记、触发标记、时间标记、波束标记等用于测试数据错位判断。通过数据解析后的天线阵面波瓣图如图5所示，左图为理论仿真图，右图为实测图,通过对比，系统测试结果还是比较理想的。

图5：天线阵面波瓣图理论和测试对比

6 结语

该测试系统的设计，能较大程度自动完成天线阵面的调试与测试工作，已经在多型机载有源相控阵天线的测试中得到了使用。该系统功能强大，运行稳定，实用性强，减少了测试人员的工作量，提高了测试效率。并能有效的减少人工测试可能产生的误操作，提高测试结果的准确度。