一种通用性全自动阵列收发模块幅相测试系统及其测试方法与流程

本发明涉及基于相控阵列的雷达及通信技术领域，更具体涉及一种通用性全自动阵列收发模块幅相测试系统及其测试方法。

背景技术

有源相控阵天线是目前雷达和通信系统采用的主流天线形式，而当前的有源相控阵天线的性能主要依赖于tr组件或者集成了tr组件、波束控制、一级馈电网络、阵面电源的阵列收发模块。军用高性能相控阵雷达的规模较大，一部相控阵天线往往包含几十甚至上百个收发阵列模块，且因技术指标差异、体积限制等因素，不同有源相控阵天线的阵列收发模块的技术参数存在差异。

阵列收发模块是tr组件、馈电网络、波束控制和阵面电源的集成组件，有的阵列收发模块还集成了延迟放大组件、补偿放大模块，其具有对发射和接收链路的射频信号进行放大、衰减、移相、延迟等功能。集成后的阵列收发模块可能因内部器件间接触不良、电磁兼容、环境试验造成的内部器件失效以及模块射频链路设计缺陷引起的故障。对于复杂的雷达和通信系统，能够保证最终装机的是合格的阵列收发模块对于缩短整机的联调时间和最终交付产品的可靠性非常重要，因此阵列收发模块的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。阵列收发模块的测试系统应具有以下特点：

(1)具有通用性，能根据不同型号阵列收发模块的技术参数自动调节测试条件，避免测试系统的重复设计和出错率；

(2)测试过程全部由实时控制端全自动控制，无需人为干预，避免在大规模测试过程中引入人为操作导致的测试出错概率，提高测试结果的可靠性；

(3)需提供全面的测试功能，以适应不同阵列收发模块的测试需求；

(4)能准确的定位故障通道，可提供全面的测试数据以定位故障原因。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种全自动的、高效、可靠的全面幅相参数测量方法，以满足大批量测试的需求。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

一种通用性全自动阵列收发模块幅相测试系统，所述测试系统包括上位机显控端、实时控制分机、脉冲矢量网络分析仪、功率计、频谱仪、宽带增益控制模块、多通道选择开关以及衰减耦合模块；

所述上位机显控端用于提供显控界面，并向实时控制分机端下发测试指令，设置脉冲矢量网络分析仪、功率计以及频谱仪的工作参数，读取脉冲矢量网络分析仪、功率计以及频谱仪的测试数据、生成测试指标并提供故障定位信息；

所述实时控制分机根据测试指令设置待测阵列收发模块工作参数，设置宽带增益控制模块、衰减耦合模块和多通道选择开关的工作状态，向脉冲矢量网络分析仪、功率计、频谱仪以及待测阵列收发模块提供收发同步脉冲信号；

所述宽带增益控制模块用于补偿放大阵列收发模块在发射链路中的输入信号和衰减接收链路中的输出信号，根据实际需求调节到待测阵列收发模块总口的发射激励电平和到脉冲矢量网络分析仪的接收信号电平；

所述多通道选择开关用于将待测阵列收发模块的多个分口逐一切换至当前的测试链路，同时还用于进行阵列收发模块的功率测试；

所述衰减耦合模块根据待测阵列收发模块的技术参数，将信号输出到脉冲矢量网络分析仪、功率计以及频谱仪，并根据各仪表承受功率，调节到达各仪表输入端口的信号电平。

进一步地，所述上位机显控端包括人机交互接口、底层通信与控制模块、数据汇总模块以及仪表控制模块；所述人机交互接口在逻辑上连接底层通信与控制模块、数据汇总模块及仪表控制模块；所述仪表控制模块通过gpib卡连接脉冲矢量网络分析仪、功率计以及频谱仪并负责读取各仪表的测试数据；所述底层通信与控制模块连接实时控制分机。

进一步地，所述实时控制分机包括上位机通信模块、强实时控制器、光模块以及i/o控制接口，上位机通信模块同时连接上位机显控端以及强实时控制器，强实时控制器同时连接光模块和i/o控制接口，实时控制分机通过光通信模块和i/o控制接口连接待测阵列收发模块、宽带增益控制模块、衰减耦合模块和多通道选择开关的控制与通信接口，通过i/o控制接口连接脉冲矢量网络分析仪、功率计以及频谱仪的仪表同步接口。

进一步地，所述宽带增益控制模块包括3个端口，1个端口与矢网连接，另两个端口与待测阵列收发模块连接，所述宽带增益控制模块内部包括2个单刀7路选择开关、6个不同频段的低噪声放大器、1个宽带数控衰减器和1个单刀双掷开关，宽带增益控制模块根据待测阵列收发模块的工作频率将信号流切换到相应的低噪声放大器支路并调节宽带数控衰减器的衰减值，以适应不同待测阵列收发模块的工作频段和激励/接收信号电平。

进一步地，所述宽带增益控制模块内部包括干路和7个支路：与矢网连接的端口所在路为干路，所述干路经单刀7路选择开关连接至7个支路，其中6个支路配置不同频段的低噪声放大器，此外还有一个用于接收链路的直通支路；各支路再由单刀7路选择开关与干路连接，并由宽带数控衰减器以及单刀双掷开关连接至与待测阵列收发模块相连的两个端口，所述单刀双掷开关根据信号流向切换到待测阵列收发模块的激励或接收总口。

进一步地，所述多通道选择开关为宽带大功率吸收式开关。

进一步地，所述多通道选择开关为吸收式单刀32掷同轴开关。

进一步地，所述衰减耦合器模块包括宽带数控衰减器、高频和低频段定向耦合器、带固定衰减的双路选择开关、1：4宽带开关功分器构成，所述宽带数控衰减器和带固定衰减的双路选择开关调节多通道选择开关总口到脉冲矢网的信号电平，并由高频和低频段定向耦合器和功分器将信号耦合输出给功率计和频谱仪。

本发明还保护所述的一种通用性全自动阵列收发模块幅相测试系统的测试方法，包括发射测试和接收测试，发射测试时，脉冲矢量网络分析仪输出信号经宽带增益控制模块、待测阵列收发模块、多通道选择开关、衰减耦合模块至脉冲矢量网络分析仪、功率计以及频谱仪输入端口；

接收测试时，脉冲矢量网络分析仪输出信号经衰减耦合模块、多通道选择开关、待测阵列收发模块、宽带增益控制模块至脉冲矢量网络分析仪输入端口

进一步地，所述发射测试或接收测试的具体过程包括：

输出功率测试：逐次启动待测阵列收发模块各发射通道，逐点扫描工作频带，读取各频点功率计数据，得各频点输出功率实测值；

发射/接收态带内平坦度测试：逐次启动各发射/接收通道并设置为基态工作，存储基态幅度数据并计算带内任意瞬时带宽的幅度极大与极小之差的1/2，并取其均方根最大值，即为最终的带内平坦度；

发射/接收通道间幅相不一致性测试：逐次启动阵列收发模块各通道的发射/接收状态，并设置阵列收发模块工作于基态，归一化1通道相位并以其幅相为参考，其他通道幅相值与之做差并取均方根，得到通道间幅相不一致性；

发射/接收移相精度测试：逐次使能各发射/接收通道，并归一化其基态相位，逐次设置各通道移相态并存储相位数据，各通道所有频点移相态相位与理论移相值做差即为移相偏差，各通道所有频点移相偏差均方根的极大值即为移相精度；

接收衰减精度测试：逐次使能各接收通道，存储基态幅度数据，逐次设置各通道衰减态并存储幅度数据，各通道所有频点衰减态幅度与基态幅度之差，再与理论衰减值做差，即为移相偏差，所有通道移相偏差均方根的极大值即为衰减精度；

发射/接收移相幅度调制：按照移相精度的测试方法，但额外存储各通道的基态和移相态幅度数据，各通道所有频点移相态与其基态幅度偏差的均方根的极大值即为移相幅度调制；

接收衰减相位调制：按照接收衰减精度的测试方法，但额外归一化各通道基态相位并存储各衰减态相位数据，各通道所有频点衰减态相位均方根的极大值即为衰减相位调制。

本发明相比现有技术具有以下优点：

1)本发明系通用性全自动测试系统，其硬件部分的宽带增益控制和衰减耦合模块可满足0.02～18ghz频段的测试工作，调节测试仪表到待测阵列收发模块输入端，以及待测阵列收发模块输出端到仪表输入端的信号电平，因此，配合相应的测试夹具和工装，该测试系统可适应不同工作频带、不同工作条件和不同集成规模的收发阵列模块的测试工作，避免测试系统的重复设计和出错概率，测试过程无需人为操作，属于全自动测试装置，其相对人工测试或半自动测试系统，在大批量模块测试时具有较高的测试效率和可靠性，且装置中的增益控制模块和多通道选择开关采用分立的模块化集成模式，发生故障时易替换和维护；

2)本发明所系测试系统硬件部分的多通道选择开关内置大功率吸收式负载，其可完成待测阵列收发模块的功率测试(所有通道全工作在发射模式)，这对于宽带大功率阵列收发模块较有意义。

附图说明

图1为本发明实施例所述测试装置的结构框图；

图2为本发明实施例所述测试装置中宽带增益控制模块原理示意图；

图3为是本发明实施例所述测试装置中多路选择开关的原理示意图；

图4本发明实施例所述测试装置中衰减耦合模块的原理示意图。

其中：1、上位机显控端；11、人机交互界面；12、底层通信与控制模块；13、仪表控制模块；14、数据汇总模块；2、实时控制分机端；21、上位机通信模块；22、强实时控制器；23、光通信模块；24、i/o控制模块；3、脉冲矢量网络分析仪；4、功率计；5、频谱仪；6、宽带增益控制模块；7、多通道选择开关；8、衰减耦合模块；81、宽带衰减器mgc；82、高频宽带定向耦合器；83、低频宽带定向耦合器；84、带固定衰减支路的双路选择开关；85、1：4宽带开关功分器；9、待测阵列收发模块；91、总口；92、通信控制端口；93、多通道分口。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，硬件系统包括上位机显控端1、实时控制分机端2、脉冲矢量网络分析仪3、功率计4、频谱仪5、宽带增益控制模块6、多通道选择开关7、衰减耦合模块8以及待测阵列收发模块9。

其中，上位机显控端1包括人机交互界面11、底层通信与控制模块12、仪表控制模块13、数据汇总模块14，所述仪表控制模块13分别通过gpib卡或usb转gpib模块连接脉冲矢量分析仪3、功率计4以及频谱仪5，所述底层通信与控制模块12连接实时控制分机端2，所述人机交互界面11提供人机交互接口，向实时控制分机端2下发测试指令，通过gpib卡设置脉冲矢量网络分析仪3、功率计4、频谱仪5的工作参数，读取脉冲矢量网络分析仪3、功率计4以及频谱仪5的测试数据、生成测试指标并提供故障定位信息。

所述实时控制分机端2根据测试指令设置待测阵列收发模块9、宽带增益控制模块6、衰减耦合模块8的工作参数，控制多通道选择开关7切换到待测阵列收发模块9的目标测试分口对应的通道，为待测阵列收发模块9和脉冲矢量网络分析仪3、功率计4以及频谱仪5提供脉冲同步信号，建立脉冲矢量网络分析仪3、功率计4以及频谱仪5和待测阵列收发模块9间的同步关系。

所述实时控制分机端2包括上位机通信模块21、强实时控制器22、光通信模块23、i/o控制模块24；所述实时控制分机端2通过光通信模块23和i/o控制模块24设置待测阵列收发模块9、宽带增益控制模块6和衰减耦合模块8、多通道选择开关7的工作状态。此后，实时控制分机2开始向脉冲矢量网络分析仪3、功率计4以及频谱仪5和上位机显控端1的底层通信与控制模块12发送同步信号，显控端1的仪表控制模块13同步读取脉冲矢量网络分析仪3、功率计4以及频谱仪5的测试数据。

如图2所示，所述宽带增益控制模块6包括3个端口a、b、c，1个端口a一端与矢网连接，另两个端口b、c的一端分别与待测阵列收发模块9连接，所述宽带增益控制模块6内部包括2个单刀7路选择开关、6个不同频段的低噪声放大器lna、1个宽带数控衰减器mgc和1个单刀双掷开关，其中，1个单刀7路选择开关的动端连接a端口的另一端，该单刀7路选择开关7个不动端中的6个不动端依次连接有6个不同频段的低噪声放大器lna，各所述lna的输出端分别连接另一个单刀7路选择开关的不动端，所述另一个单刀7路选择开关的动端连接有1个宽带数控衰减器mgc，所述mgc的输出端连接1个单刀双掷开关的动端，所述1个单刀双掷开关的不动端分别连接b和c两个端口，所述6路lna和mgc适用不同待测阵列收发模块的工作频段和激励/接收信号电平，各所述lna分别位于不同的支路，所述宽带数控衰减器mgc位于干路，所述宽带增益控制模块6根据待测阵列收发模块9的工作频率将信号流切换到相应的lna支路并调节宽带数控衰减器的衰减值，所述单刀双掷开关根据信号流向切换到待测阵列收发模块的激励或接收总口。各lna的主要技术参数如下：

宽带数控衰减器mgc性能指标：工作频率0～18ghz，最大衰减30db，衰减步进1db，衰减精度1db，承受功率2w(连续波)。

发射链路测试时，两个单刀7路开关选通相应频段的lna至信号链路中，矢网输出信号经单刀7路开关、lna、单刀7路开关、宽带数控衰减器mgc，再经单刀双掷开关送至待测阵列收发模块的激励总口；接收链路测试时，两个单刀7路开关选通直通支路，则阵列收发模块输出信号经单刀双掷开关、宽带mgc、2个单刀7路开关输送至矢网。

硬件系统中的多通道选择开关7为吸收式单刀32掷同轴开关，其结构如图3所示，每一路吸收式负载可承受30w连续波，开关速度20ms，内部有风机进行主动散热，空气流量25m³/min。测试时，实时控制分机端2根据当前的测试通道将相应的分口开关闭合，其他路的分口开关接负载。

测试硬件部分中的衰减耦合模块8的结构如图4所示，其由5部分构成：宽带衰减器81、高频宽带定向耦合器82、低频宽带定向耦合器83、带固定衰减支路的双路选择开关84、1：4宽带开关功分器85。宽带衰减器81、高频宽带定向耦合器82、低频宽带定向耦合器83、带固定衰减支路的双路选择开关84顺序连接，1：4宽带开关功分器85通过开关分别连接高频宽带定向耦合器82、低频宽带定向耦合器83。

其中，宽带衰减器81、高频宽带定向耦合器82、低频宽带定向耦合器83和带固定衰减支路的双路选择开关84均可承受30w的连续波；宽带衰减器81衰减范围0～30db，衰减步进5db；高频宽带定向耦合器82、低频宽带定向耦合器83工作频率分别为2～18ghz和0.02～2ghz，耦合度均为20db；带固定衰减支路的双路选择开关84的衰减支路含有20db的固定衰减。

所述宽带衰减器81和带固定衰减的双路选择开关调节多通道选择开关84总口到脉冲矢网的信号电平，并由对应频段选择高频宽带定向耦合器82或低频宽带定向耦合器83和1：4宽带开关功分器85将信号耦合输出给功率计4和频谱仪5。

发射测试时，根据待测阵列收发模块9输出功率和矢网、频谱仪5、功率计4的承受功率设定宽带衰减器81的衰减值，根据测试频段将1：4宽带开关功分器85切换到对应频段的定向耦合器支路(高频宽带定向耦合器82或低频宽带定向耦合器83)，功分后的信号接入频谱仪5和功率计4，不用的端口接匹配负载，带固定衰减支路的双路选择开关84切换到衰减器支路；接收测试时，带固定衰减支路的双路选择开关84切换到非衰减支路，宽带衰减器81的衰减值置0。

所述待测阵列收发模块9包括总口91、通信控制端口92和多通道分口93，所述总口91连接宽带增益控制模块6，所述通信控制端口92分别连接光通信模块23和i/o控制模块24，所述多通道分口93连接多通道选择开关7。

本实施例的测试硬件系统的工作过程包括发射测试和接收测试，发射测试时，链路信号流向为脉冲矢量网络分析仪3的p1端口→宽带增益控制模块6→待测阵列收发模块9→多通道选择开关7→衰减耦合模块8→脉冲矢量网络分析仪3的p2端口，接收测试时，链路信号流向与发射测试相反。

测试流程如下：

通过人机交互界面11启动测试系统后，上位机显控端1根据测试指令和参数设置测试仪表(包括矢量网络分析仪信号流向、工作频带、同步模式，频谱仪中心频率、扫宽、扫描时间、rbw、vbw以及功率计的相关参数)和实时控制分机端2(包括增益控制、信号流向、工作频带、占空比、脉冲重复频率、待测通道数量)，实时控制分机端2通过光通信模块23和i/o控制模块24设置待测阵列收发模块9、宽带增益控制模块6和衰减耦合模块8、多通道选择开关7的工作状态。此后，实时控制分机2开始向脉冲矢量网络分析仪3、功率计4以及频谱仪5和上位机显控端1的底层通信与控制模块12发送同步信号，显控端1的仪表控制模块13同步读取脉冲矢量网络分析仪3、功率计4以及频谱仪5的测试数据。

本实施例的一种通用性全自动阵列收发模块幅相测试系统的测试方法包括以下几项内容：

(1)输出功率测试：发射测试状态下，逐次启动各发射通道，逐点扫描整个工作频带，并读取功率计数据，则各频点输出功率为其中为x频点y通道输出功率实测值。

(2)发射和接收态的带内平坦度及通道间幅相不一致性测试，其分为如下几步：

a)多通道选择开关切换到阵列收发模块的第1个测试通道并启动该通道的发射/接收状态，设置阵列收发模块工作于基态，即0衰减、0移相，归一化矢网的相位并记录s21幅相数据；

b)在a)状态下，多通道开关依次切换到其余分口，启动对应的通道并设置其为基态，记录该通道的s21幅相数据；

c)循环步骤b)，直至所有通道测试完毕；

d)带内平坦度为其中为通道y任意瞬时带宽幅度平坦度的均方根：

e)通道间相位不一致性为其中为x频点所有通道相位值的极大和极小；

f)通道间幅度不一致性为其中为x频点所有通道的幅值与基态幅值之差的极大和极小。

(3)发射和接收态的移相精度和移相幅度调制：

a)多通道选择开关切换到阵列收发模块的第1个测试通道并启动该通道的发射/接收状态，设置阵列收发模块工作于基态，归一化矢网的相位并记录矢网此时的s21幅度数据；

b)逐次设置该通的移相值，并记录各移相态下矢网的s21幅相数据；

c)切换测试通道并重复步骤b)，直至所有通道测试完毕；

d)移相精度为其中为x频点y通道的所有实测移相值与理论移相值之差的均方根。

e)移相幅度调制为其中为x频点y通道的所有移相态幅度与基态幅度之差的均方根。

(4)接收态的衰减精度和衰减相位调制：

a)多通道选择开关切换到阵列收发模块的第1个测试通道并启动该通道的接收状态，设置阵列收发模块工作于基态，归一化矢网的相位并记录矢网此时的s21幅度数据；

b)逐次设置该通的衰减值，并记录各衰减态下矢网的s21幅相数据；

c)切换测试通道并重复步骤b)，直至所有通道测试完毕；

d)衰减精度为其中为y通道x频点的所有衰减实测值与理论值之差的均方根。

e)衰减相位调制为其中为y通道x频点的所有衰减态相位值的均方根。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。