毫米波固態(tài)功率放大器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬勇+譚紅芳+肖韻

摘 要 毫米波固態(tài)功放由于頻段高，接口為波導(dǎo)，人工測(cè)試存在測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)試重復(fù)性差的問題，往往不能滿足批量檢測(cè)的需要。本系統(tǒng)以Visual C++為軟件平臺(tái)，通過GPIB接口總線實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與測(cè)試儀器間的通訊、控制，設(shè)計(jì)專用的測(cè)試夾具，可一次實(shí)現(xiàn)8個(gè)固態(tài)功放的批量自動(dòng)測(cè)試。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了通路校準(zhǔn)數(shù)據(jù)管理、測(cè)試數(shù)據(jù)圖形化、表格化，大大提高了工作效率。

關(guān)鍵詞 固態(tài)功率放大器；SSPA；自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)；批量測(cè)試

中圖分類號(hào)：TN722 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）20-0015-02

毫米波固態(tài)功放技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試，貫穿于固態(tài)功放研制、生產(chǎn)和維護(hù)各個(gè)階段。而固態(tài)功放需測(cè)試的技術(shù)指標(biāo)繁多，采取傳統(tǒng)人工方法測(cè)試，往往需要1～2名工程師配合，同時(shí)操縱6～8臺(tái)儀器，功放接口為波導(dǎo)，頻繁拆卸測(cè)試電纜、更換測(cè)試接口，費(fèi)時(shí)耗力。而測(cè)試時(shí)間過長(zhǎng)，大功率器件在冷、熱狀態(tài)下的測(cè)試結(jié)果存在較大誤差。人為操作不當(dāng)，會(huì)造成固態(tài)功放、甚至儀器設(shè)備的毀壞。

本文針對(duì)多個(gè)批量固態(tài)功放的同時(shí)測(cè)試，設(shè)計(jì)了專用的測(cè)試夾具，組建了自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。此系統(tǒng)基于Visual C++開發(fā)平臺(tái)，采用GPIB（IEEE 488.2）總線方式，實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與測(cè)試儀器、毫米波夾具的通訊、控制，成功完成一次測(cè)試8個(gè)同類型固態(tài)功放的要求，并充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，實(shí)現(xiàn)測(cè)試參數(shù)可視化、測(cè)試數(shù)據(jù)圖形化、表格化。相比傳統(tǒng)的人工測(cè)試，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)提高了工作效率、保證了測(cè)試過程安全、測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，減少了大功率對(duì)測(cè)試人員的輻射，具有一定的通用性和可擴(kuò)展性。

1 總體方案設(shè)計(jì)

毫米波固態(tài)功放自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)目的是用于毫米波固態(tài)功放的批量測(cè)試。該測(cè)試系統(tǒng)能一次測(cè)試8個(gè)同類型的固態(tài)功放，并完成以下技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試：輸出功率、增益、增益斜率、增益平坦度、三階交調(diào)、傳輸相位、輸入駐波比、漏極電壓值、功耗、調(diào)制電壓脈沖上升沿/下降沿、功率檢波信號(hào)的上升沿/下降沿等。

此自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)由工控機(jī)（帶顯示器、鍵盤）、帶GPIB總線的毫米波臺(tái)式儀器、控制箱、毫米波夾具構(gòu)成?？紤]到大功率輻射問題，將需要人工操作或觀察的顯示器、鍵盤通過5米USB線與工控機(jī)相連，使操作人員處于相對(duì)安全區(qū)。

工控機(jī)是自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)管理、功能調(diào)度及數(shù)據(jù)處理的核心。它配置有美國(guó)NI公司（美國(guó)國(guó)家儀器有限公司）生產(chǎn)的NI PCI-GPIB卡、PCI-6503卡，能完成對(duì)測(cè)試儀器、控制箱、夾具的控制和管理。工控機(jī)根據(jù)人機(jī)界面輸入的工作參數(shù)，確定被測(cè)功放工作類型，合理切換測(cè)試通道、配置測(cè)試儀器，設(shè)置測(cè)試儀器測(cè)試參數(shù)，完成整個(gè)測(cè)試過程。工控機(jī)內(nèi)配接有硬盤驅(qū)動(dòng)器，可進(jìn)行數(shù)據(jù)的存貯、輸出。

電源DH1765-2、電源6674A為被測(cè)功放供電。

任意波形發(fā)生器81150A、毫米波信號(hào)源E8257D為被測(cè)功放提供脈沖信號(hào)、連續(xù)波信號(hào)。

毫米波功率計(jì)1912A測(cè)量被測(cè)功放的輸出功率、功率檢波信號(hào)的上升沿/下降沿。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5244A測(cè)試被測(cè)功放的增益、增益斜率、增益平坦度、輸入駐波比、傳輸相位、三階交調(diào)。

示波器DSO5032A測(cè)量被測(cè)功放的漏極電壓、調(diào)制電壓脈沖上升沿/下降沿。

控制箱是固態(tài)功放測(cè)試儀器與毫米波夾具之間的信號(hào)連接裝置，主要完成加電、調(diào)制電壓輸入、調(diào)制電壓測(cè)試、漏極電壓測(cè)試的通路切換功能。

毫米波夾具是控制箱與被測(cè)功放之間的信號(hào)連接裝置，可提供射頻鏈路路程切換和加電選通功能，同時(shí)提供可靈活調(diào)整安裝8個(gè)被測(cè)功放的測(cè)試平臺(tái)，并具備為被測(cè)功放散熱的功能。

固態(tài)功放自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 固態(tài)功放自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)組成圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 射頻鏈路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于射頻鏈路的設(shè)計(jì)，即毫米波夾具的設(shè)計(jì)。

圖2 固態(tài)功放自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)射頻鏈路示意圖

射頻鏈路由被測(cè)功放、波導(dǎo)線、波導(dǎo)開關(guān)、四端口耦合器、測(cè)試電纜、測(cè)試儀器組成，如圖2所示。被測(cè)Ka波段的固態(tài)功放正常工作，輸入功率至少要到達(dá)+25dBm，就目前測(cè)試儀器的技術(shù)發(fā)展來說，無法實(shí)現(xiàn)。因?yàn)榇蠖鄶?shù)微波信號(hào)源在Ka波段的功率輸出，最大只能在+19dBm左右。為解決這一矛盾，在測(cè)試輸出功率這類技術(shù)指標(biāo)時(shí)，我們考慮在被測(cè)功放與信號(hào)源之間加上前置驅(qū)動(dòng)放大器，為此，如圖2所示，在夾具上預(yù)留前置驅(qū)動(dòng)放大器的位置。系統(tǒng)內(nèi)所需的波導(dǎo)開關(guān)、波導(dǎo)線最高工作頻率可達(dá)40GHz；輸入開關(guān)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的波導(dǎo)開關(guān)承受功率到1W；輸出網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的波導(dǎo)開關(guān)承受功率高達(dá)50W；測(cè)試電纜采用40GHz穩(wěn)幅、穩(wěn)相電纜；采用的定向耦合器實(shí)現(xiàn)平均功率50W信號(hào)的耦合，提供4個(gè)耦合端口，耦合度為40dB±3 dB，預(yù)留耦合端3、耦合端4，作為擴(kuò)展功能使用。用戶可根據(jù)將來測(cè)試需要，連接至噪聲分析儀，測(cè)試噪聲系數(shù)等。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

固態(tài)功放自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)主要由控制機(jī)柜和毫米波夾具組成，如圖1所示。

控制機(jī)柜使用高1800深800的標(biāo)準(zhǔn)19英寸機(jī)柜。機(jī)柜內(nèi)所有設(shè)備和儀器均采用底部托盤支撐和左右安裝耳固定的方式安裝，以保證機(jī)柜在移動(dòng)和搬運(yùn)過程中，不損壞設(shè)備和儀器，增加系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)機(jī)柜正面空隙處均安裝盲板，從而使控制機(jī)柜的整體整潔、美觀。

毫米波夾具主要由夾具平臺(tái)和車載平臺(tái)組成。夾具平臺(tái)使用鋁合金材料，表面黑色陽(yáng)極氧化處理工藝。夾具平臺(tái)為滿足不同尺寸功放的測(cè)試要求，將輸出開關(guān)網(wǎng)絡(luò)固定安裝，輸入開關(guān)網(wǎng)絡(luò)三自由度移動(dòng)設(shè)計(jì)。被測(cè)功放通過夾具與波導(dǎo)線相連后，固定在輸出開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的對(duì)應(yīng)端口，再分別調(diào)整輸入開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的X、Y、Z軸調(diào)向手柄，當(dāng)波導(dǎo)與輸入開關(guān)網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)端口對(duì)其后，擰入全部螺釘將波導(dǎo)口固定即完成被測(cè)功放的安裝和固定，能滿足尺寸不同、大小不一的毫米波固態(tài)功放的安裝。車載平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)夾具平臺(tái)的安裝和搬運(yùn)。車載平臺(tái)由矩形鋼和鋼板焊接而成，表面噴漆保護(hù)。車載平臺(tái)底部安裝有4個(gè)帶剎車的萬向腳輪，便于移動(dòng)和固定。endprint

2.3 測(cè)試通路校準(zhǔn)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件可為用戶提供校準(zhǔn)向?qū)В筛鶕?jù)提示，用戶使用相應(yīng)適配器、電纜，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換鏈路開關(guān)，實(shí)現(xiàn)增益、傳輸相位、三階交調(diào)、駐波的“一鍵校準(zhǔn)”。

對(duì)于功率輸出的損耗補(bǔ)償，系統(tǒng)軟件也做了補(bǔ)償提示，用戶根據(jù)提示，連接好電纜，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的損耗測(cè)試功能，自動(dòng)測(cè)試毫米波夾具損耗，自動(dòng)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)軟件在測(cè)試過程中，自動(dòng)讀取損耗值，修正輸出功率測(cè)試值。

2.4 輸出功率測(cè)試設(shè)計(jì)

輸出功率測(cè)試是固態(tài)功放測(cè)試時(shí)所關(guān)心的重要指標(biāo)之一。人們通常關(guān)心P-1dB（1dB壓縮點(diǎn)輸出功率）、P-2dB、P-3dB、P-4dB、P-5dB、P-6dB；工程上常以P-3dB、P-5dB近似認(rèn)為功放飽和功率，即Psat。系統(tǒng)搭建的硬件平臺(tái)可提供給這一指標(biāo)的測(cè)試方法有兩套：信號(hào)源與功率計(jì)結(jié)合的方式、采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀直接測(cè)試的方式。經(jīng)過測(cè)試分析得出：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀功率輸出精度較低，功率掃描過程快速，存在毀壞被測(cè)功放的危險(xiǎn)；而信號(hào)源輸出功率精度較高、可小步進(jìn)變化，掃描功率全程可控。因此，本系統(tǒng)采取微波信號(hào)源與功率計(jì)相結(jié)合的方式進(jìn)行測(cè)試。

首先，手動(dòng)填入被測(cè)固放工作參數(shù)、系統(tǒng)讀取功率范圍，點(diǎn)擊測(cè)試后，系統(tǒng)自動(dòng)控制信號(hào)源輸出，以10dB為步進(jìn)增大輸出功率，同時(shí)檢測(cè)功率計(jì)讀數(shù)。當(dāng)功率計(jì)讀數(shù)大于或等于-30dBm時(shí)，以設(shè)置的輸出功率參考值減去功率計(jì)讀數(shù)，信號(hào)源的輸出功率值加上得到的差值，這樣可快速到達(dá)被測(cè)功放的輸出功率參考值。

以測(cè)試P-1dB為例，信號(hào)源以2dB為步進(jìn)增大輸出功率，若增益絕對(duì)值在（0.9dB，1.1dB）內(nèi)，將功率計(jì)讀數(shù)加上損耗值，即得到P-1dB；若增益絕對(duì)值大于1.1dB，信號(hào)源回退2dB，采取1dB為步進(jìn)增大輸出功率，若增益絕對(duì)值在（0.9dB，1.1dB）內(nèi)，得到P-1dB；若增益絕對(duì)值大于1.1dB，信號(hào)源回退1dB，采取0.1dB為步進(jìn)增大輸出功率，若增益絕對(duì)值在（0.9dB，1.1dB）內(nèi)，得到P-1dB；可將誤差控制到±1dB。

P-2dB、P-3dB、P-4dB、P-5dB、P-6dB測(cè)試方法同上所述，此方法快速可行，每一項(xiàng)壓縮點(diǎn)所需時(shí)間嚴(yán)格把控在10s內(nèi)。

2.5 三階交調(diào)測(cè)試設(shè)計(jì)

按傳統(tǒng)測(cè)試方法測(cè)試三階交調(diào)這一指標(biāo)時(shí)，需要兩臺(tái)信號(hào)源、3dB合成器、一臺(tái)頻譜儀，連接特別麻煩，測(cè)試步驟繁多。因此，本系統(tǒng)采用Agilent公司生產(chǎn)的新型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5244A，它內(nèi)置有兩個(gè)高質(zhì)量的激勵(lì)源和寬帶合路器，能有效滿足快速測(cè)試三階交調(diào)的需要。

首先，手動(dòng)填入被測(cè)固放工作參數(shù)、系統(tǒng)讀取頻率范圍，雙音頻率間隔，點(diǎn)擊測(cè)試后，系統(tǒng)自動(dòng)控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。矢網(wǎng)調(diào)用相應(yīng)校準(zhǔn)文件，使得矢網(wǎng)工作在Swept IMD狀態(tài)，選中Sweep fc，矢網(wǎng)固定雙音激勵(lì)信號(hào)的中心頻率和功率，掃描兩個(gè)單音信號(hào)的間隔，設(shè)置顯示IMD圖像軌跡，最后，運(yùn)用MARKER功能，獲取相關(guān)頻點(diǎn)下的IMD值。此方法簡(jiǎn)單，易于操作。

2.6 軟件設(shè)計(jì)

固態(tài)功放自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件運(yùn)行環(huán)境為：Visual C++、數(shù)據(jù)庫(kù)：Microsoft Office Access 2003、辦公處理軟件：Microsoft Office2000。

此軟件根據(jù)用戶輸入的測(cè)試需求，控制測(cè)試儀器進(jìn)行測(cè)試。最后采集并處理測(cè)試數(shù)據(jù)。它主要包括用戶管理模塊、測(cè)試條件輸入管理模塊、測(cè)試程序調(diào)用模塊、測(cè)試執(zhí)行生成模塊、測(cè)試數(shù)據(jù)管理模塊、資源配置管理模塊。

用戶管理模塊提供用戶身份的確認(rèn)；測(cè)試條件輸入管理模塊提供圖形化的界面，由用戶填入測(cè)試需求；測(cè)試程序調(diào)用模塊結(jié)合測(cè)試條件輸入模塊生成需要的測(cè)試程序文件；測(cè)試執(zhí)行生成模塊根據(jù)用戶選擇的測(cè)試項(xiàng)目、自動(dòng)測(cè)試，在測(cè)試過程中，可暫停、繼續(xù)、取消測(cè)試任務(wù)；測(cè)試數(shù)據(jù)管理模指使用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)管理測(cè)試任務(wù)、存貯測(cè)試數(shù)據(jù)；資源配置管理模塊實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備的添加、刪除、更換，編輯、修改儀器的GPIB地址信息等功能。

3 結(jié)束語(yǔ)

本測(cè)試系統(tǒng)對(duì)所有配置的測(cè)試儀器進(jìn)行了程控，并將控制箱、毫米波夾具的插入損耗進(jìn)行了修正，使得測(cè)試結(jié)果真實(shí)，可靠。現(xiàn)已研制成功，并正式投入使用。在以后的測(cè)試中，系統(tǒng)可根據(jù)用戶需求，不斷完善，升級(jí)，滿足未來測(cè)試發(fā)展的需要。

參考文獻(xiàn)

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