基于矩阵选通TR组件幅相的测试方法与流程

本发明涉及一种有源相控阵雷达TR组件幅相的测试方法，具体涉及对相控阵中关键设备—TR组件及其相关馈电网络进行测试的方法。

背景技术：

TR组件是相控阵雷达有源分布阵列天线的核心部件，其性能直接决定了整个雷达系统的性能。一部相控阵雷达通常具有成百上千个TR组件，如采用人工测试或校准TR组件需要花费很长的时间。在相控阵雷达研制与生产过程中，TR组件和有源相控阵的自动测试技术是影响产品研制和生产进度及产品质量的关键技术之一。由于相控阵天线性能与单元幅相一致性密切相关，而单元幅相又由与之相连的TR组件和馈电支路决定，因此TR组件和馈电支路幅相一致性、准确性至关重要。随着雷达环境温度、湿度等的变化，以及雷达使用年限的增加，可能出现馈线插损增加、连接器松动、结构件变形，尤其相控阵天线核心源器件—TR组件，由于其为有源设备，更易发生增益下降、移相超差、幅度不受控、功放管损坏等故障，这些变化均会使天线辐射单元幅相受到影响，造成天线方向图畸变，波束指向精度、天线增益、波宽、副瓣电平等指标超差，天线性能下降，严重时可能导致天线功能丧失，雷达不能探测目标。综上所述，相控阵天线的TR组件和馈电支路必须定期测试和校准，及时校正幅相误差、定位和排除故障，以确保雷达全寿命周期性能优良。

相控阵天线TR组件和馈电支路的测试和校准可通过远场或近场测试完成。但在远场测试时，被测天线必须架设在远场(对S波段，天线口径3米，远场条件为≥196m)，测试场地必须开阔，四周无高大建筑和强发射体，以免多路径影响测试。同时测试需要信号源、频谱仪、经纬仪等诸多测量设备，必须由专业人员进行。显然远场测试对场地、设备、人员要求均较高，测试需耗费较大人力物力，装备使用单位在定期维护中不可能采用该方法。若采用近场测试，首先需要拥有微波暗室和相应测试设备，微波暗室建设成本很高，暗室测试也需要相应的专业人员，使用单位几乎没有使用该方法的可能。远场或近场测试只适合工厂级测试和校准，无法应用于装备全寿命周期测试。

近年来，针对相控阵天线的日常测试与校准受到广泛关注，其中关于如何便捷的测试和校准天线，保障天线全寿命周期性能成为相控阵雷达技术研究热点之一。间接测量法通过检测发射功率消耗、功放管温度、移相器驱动电流、保险丝状态等来间接判断TR组件和馈电支路状态，该方法具有一定适用性，能发现天线出现的严重故障，但该方法不能反应天 线单元幅相变化的具体量值，不能准确评估天线性能下降程度，不能生成校正数据并重新校准幅相。空馈测试法是在雷达外部架设一个辅助天线进行空间馈电，通过测试相控阵天线各单元接收到信号幅度、相位，定位出故障单元，校正单元幅相误差，从而达到确保天线性能目的。该方法对辅助天线与被测天线相对位置要求十分严格(与波长相关)，适用于固定安装的相控阵雷达检测和校准，对车载式相控阵雷达不适用，同时该方法要求雷达附近电磁环境良好，否则测试将受到影响。正交馈电法采用天线内部功分网络同时耦合测试信号至所有被测单元，测试信号采用正交编码波形，信号处理通过对测试信号复乘加运算，分离计算出各被测单元幅相信息，该方法虽不外接设备，但信号产生和处理复杂，而且当故障单元数较多时，测试准确度大大降低，甚至无任何参考意义。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的不足和限制，提供一种方法简单有效、操作简便快捷、测试准确可信、不受外部环境影响，能够准确定位故障单元、校准单元幅相误差，保障相控阵天线全寿命周期性能的一种矩阵选通的TR组件幅相测试法。

实现本发明的技术解决方案是，一种基于矩阵选通TR组件幅相的测试法，其特征在于包括如下步骤：在相控阵雷达天线中加装接收测试信号的多路矩阵开关，由雷达内部的频率源产生两路测试信号一路通过放大功分器输入与TR组件相连的馈电网络，另一路通过矩阵开关被测通路，注入被测TR组件和馈电支路；TR组件受控于与雷达终端计算机相连的波控器，经波控器通过控制总线控制上述矩阵开关选通被测通路，按雷达终端计算机TR组件接收幅相测试指令程序，对被测TR组件和馈电支路进行逐位移相、调幅和变频，将幅相调整和变频信息被叠加在测试信号上，叠加被测单元信息的测试信号被送至与之相连的接收机中，接收机将输入信号下变频和放大后送给与之相连的信号处理机，信号处理机通过数字信号处理，将解算出测试信号上搭载的被测幅相信息送至雷达终端计算机，对实测幅相值与理论幅相值进行比较，判断TR组件及馈电支路是否正常，获取具体的移相和调幅误差，以此循环,完成所有TR组件及对应馈电网络的测试，给出TR组件及相应馈电支路状态信息及天线各辐射单元幅相一致性的信息。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

1)方法简单有效。本发明在相控阵雷达天线中加装接收测试信号的多路矩阵开关，充分利用雷达自身已有频率源，测试过程通过雷达终端计算机自动控制，测试结果以图形显示和声光提示，并以数据和日志文件方式进行记录。只需通过雷达终端界面点击测试按钮即可完成，操作简单方便，对人员要求低，减少了测试人员的工作量。

2)操作简便快捷。由于测试设备全部由雷达机内设备完成，不需外接任何设备，操作简便快捷。同时测试设备除矩阵开关外，其余设备均为雷达自身具有设备，几乎不增加装备成本。

3)不受外部环境影响。由于测试信号产生、被测组件选择、测试处理均在雷达内部自动进行，不受外部电磁环境、场地等影响，可以全天时全天候进行，特别适合装备使用单位进行日常检查维护。

4)测试准确可信。本发明通过矩阵开关被测通路，将测试信号注入被测TR组件和馈电支路，测试准确可信。每个测试状态采用多次重复测试，求取平均，加上雷达信号处理高精度幅相计算，测试结果准确，相位误差小于0.5度，幅度误差小于0.1dB，完全满足天线性能维护、故障定位和参数校正要求。

5)能够准确定位故障单元、校准单元幅相误差，保障相控阵天线全寿命周期性能。本发明采用TR组件受控于与雷达终端计算机相连的波控器，波控器控制上述矩阵开关选通被测通路，按雷达终端计算机TR组件接收幅相测试指令程序，对被测TR组件和馈电支路进行逐位移相、调幅和变频，将幅相调整和变频信息被叠加在测试信号上，能够准确定位故障单元、校准单元幅相误差，保障了相控阵天线全寿命周期性能。

采用本发明可以大大减少有源相控阵天线研制和生产的周期。可广泛应用于相控阵天线自检和校正。

附图说明

图1是本发明的矩阵选通TR组件接收幅相测试原理框图。

图2是本发明的矩阵选通TR组件接收幅相测试时序图。

图3是本发明的矩阵选通TR组件接收幅相测试结果。

图4是本发明的矩阵选通TR组件发射幅相测试原理框图。

图5是本发明的矩阵选通TR组件移相精度测试结果。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，先在相控阵雷达天线中加装多路矩阵开关。再由雷达内部频率源产生测试信号，测试信号被送至矩阵开关输入端，波控器控制矩阵开关选通被测通路，测试信号经该通路注入被测TR组件和馈电支路，TR组件受波控控制，按程序进行逐位移相、调幅和变频，幅相调整和变频信息被叠加在测试信号上，叠加被测单元信息的测试信号并被送至与之相连的接收机中，接收机将输入信号下变频和放大后送给与之相连的信号处理机。信号处理机通过数字信号处理，解算出测试信号上搭载的被测幅相信息，该信息最后被 送至雷达终端计算机。雷达终端计算机将实测幅相值与理论幅相值比较即可获知该TR组件及馈电支路是否正常，并获得具体的移相和调幅误差。以此循环可完所有TR组件及对应馈电网络的测试，从而给出TR组件及相应馈电支路状态信息，及天线各辐射单元幅相一致性等。

雷达终端计算机在判断TR组件及馈电支路是否正常中，若某个TR组件或馈电支路移相或调幅不受控或严重超差，则判定该TR组件或馈电支路故障，并给出相应声光提示信息，并以数据和日志文件方式进行记录。若移相或调幅有一定误差，但未超出允许范围，则终端计算机自动生成校正参数，可通过修改波控器零相数据，实现幅相补偿，从而保证天线性能良好。若误差微小，不影响天线性能，则不作任何调整，并给出性能良好信息。

相控阵雷达天线测试和校正系统硬件主要由雷达自身具有的设备和专门增加的开关矩阵构成，其中雷达自身设备包括频率源、接收机、信号处理机、波控器和雷达终端计算机。频率源负责产生测试信号，TR组件和馈电支路对测试信号作为被测对象，测试过程中对输入的测试信号进行幅相调制，接收机负责对调制后的信号进行变频放大，信号处理机负责解调信号，波控器负责测试协同控制，终端计算机负责测试结果处理和人机交互。

雷达终端计算机通过TR组件幅相测试软件程序，在硬件平台下，可以通过编写不同测试程序，进行多项分类测试，如天线TR组件发射幅相测试、天线TR组件接收幅相测试、TR组件移相精度测试和TR组件幅度控制精度测试等。为确保相控天线性能优良，TR组件幅相测试软件程序对相控阵TR组件和馈电支路进行深入诊断测试，准确定位故障、获取幅相偏差和生成校正参数。

参阅图1-3。TR组件接收幅相测试时，雷达终端计算机发出开始测试命令，波控器和信号处理机接到指令后，即进入“TR组件接收幅相测试”模式，波控器控制天线内装频率源、矩阵开关、TR组件等进入对应测试状态。频率源产生M个脉宽为20μs、重频为3.2KHz、相对PRF前沿延时100μs、频率分别由变换至的常规脉冲串信号，并从接收幅相测试端口输出。该信号被送至矩阵开关输入端，矩阵开关受波控器控制选通1号端口输出测试信号，其余输出端口处于断开状态。其中，1号端口输出的测试信号通过1号TR组件与天线单元间定向耦合器注入TR组件接收支路。在波控器的控制下，TR组件选通接收通路，并以脉冲周期为节拍按M个频率同步置接收零状态(移相器和衰减器均置为初始状态)。TR组件输入的测试信号经组件内部R组件放大、零状态移相、零状态衰减后输出，输出信号传输至与之相连的馈电网络，馈电网络从∑口输出已叠加被测幅相信息的扫频脉冲串信号，送至与之相连的接收机，接收机同样以脉冲周期为节拍，频率分别由变换至，将M个待测 脉冲变频为30MHz中频信号，同时脉冲信号被放大至峰峰值1V左右。M个脉冲被送至与之相连的信号处理机，信号处理机经数字下变频，正交鉴相后，对M个与PRF前沿延时110μs距离单元求取幅度和相位，最后将结果发送给终端计算机，至此完成一个TR组件及馈电支路的幅相测试。以此类推，循环N次可以完成对所有TR组件及其接收支路的幅相测试。

最后终端计算机将N×M个测试数据汇总列表及图形显示，相位表格首行表头为M个频点，表格最左列表头为组件编号，表格单元格内显示测量数据。同时测试数据与出厂时计算机中存储的N×M零状态数据比较，求出相位差△φ、幅度差△A。若相位差绝对值|△φ|≤5.625，则判定相位正常，与出厂状态一致，并在相位差表格绿色标注；若22.5°≤|△φ|＜5.625，则判定相位超差，并在相位差表格黄色标注，同时生成相位修正代码；若|△φ|＞22.5°，则判定故障，并在相位差表格红色标注，同时发出声光告警。相位表格与之类似，分别显示N个组件的M个个频点幅度信息，并进行相应判断和处理。

参阅如图4。TR组件发射幅相测试时，雷达计算机发出开始测试命令，波控器和信号处理机接到指令后即进入“TR组件发射幅相测试”模式。频率源产生M个脉宽为20μs、重频为3.2KHz、脉冲与PRF前沿对齐、频率分别由变换至的常规脉冲串信号，并从发射测试端口输出。该信号被送至放大功分器后，被分配给每个TR组件。在波控器的控制下，TR组件选通被测发射通路，其余TR组件置为负载状态，并以脉冲周期为节拍按M个频率同步置发射零状态，此时，移相器和衰减器均置为初始状态。输出信号传输至与天线单元相连的定向耦合器端口，该信号被送至矩阵开关对应端口，在波控器的控制下，矩阵开关选通1号端口，信号经环形器传输至接收机发射幅相测试端口。后续处理与TR组件接收幅相测试类似，差别仅在于信号处理计算幅相时取延时10μs的距离单元位置(发射主脉冲)。

参阅如图5。在TR组件移相器测试中，TR组件移相器测试与接收幅相测试类似，差别在于TR组件不再置接收零状态，而是分别控制移相器移相状态为：0°、11.25°、22.5°、45°、90°、180°，雷达终端计算机以各组件0°移相进行归一化处理，分别计算出每个组件5种标称移相对应的实际移相量，并以表格形式进行显示。表格单元格内显示测量数据，表格行表头为5种标称移相，表格列表头为组件编号。同样设定一定的合格判据，当误差处在合格范围之内，单元格底色显示为绿色，表明该状态(组件号、移相状态)工作正常；当误差处在超差范围之内，对应单元格底色以黄色显示，表明天线可降额工作；当误差处在故障范围之内，表格底色以红色显示，表明应立即更换故障组件，消除故障。

按本发明给出的测试方法，还可拓展多项测试，为了获取高的测试精度，实际测试 时，一种待测状态可进行多次测试，然后对测试结果求平均值，这样获得的测试结果非常准确，几乎可以达到示波器等测量仪表精度水平。以某型相控阵雷达实际情况看，完成一次天线所有TR组件测试时间均在45秒以下，十分快速、便捷。

相控阵雷达定期测试和校正时，通过测试结果可定为故障组件。将测试生成的校正参数发往波控器，替换其内部存储的发射零状态数据、接收零状态数据、补偿波束扫描数据等，还可以到达修正幅相误差，保证单元幅相、提高波束指向精度，确保天线性能的目的。本发明对装备全寿命周期维护十分有益。