通用航管二次雷達(dá)功放模塊自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)研制

劉新飛，李亞利，王 東，寧宇鵬，張 強(qiáng)

(中國人民解放軍95853部隊(duì)，北京 100076)

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通用航管二次雷達(dá)功放模塊自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)研制

劉新飛，李亞利，王 東，寧宇鵬，張 強(qiáng)

(中國人民解放軍95853部隊(duì)，北京 100076)

航管二次雷達(dá)的性能直接關(guān)系到航空飛行安全。高功率模塊的測(cè)試尤需謹(jǐn)慎；研制通用的航管二次雷達(dá)功放模塊自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)可提高保障能力，降低保障成本；系統(tǒng)采用PXIe、LXI/LAN、GPIB混合總線技術(shù)，以PXIe嵌入式PC控制器為控制中樞，以“測(cè)試盒組”為測(cè)試中樞，經(jīng)適配器實(shí)現(xiàn)PXIe板卡、儀表與被測(cè)單元的適配，實(shí)現(xiàn)多品類功放模塊的測(cè)試；文章從測(cè)試需求、儀表選擇、TPS開發(fā)平臺(tái)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面闡述了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，提出了基于頻譜分析儀的插入相位測(cè)試方法，并著重分析了系統(tǒng)在測(cè)試盒組、適配器和自動(dòng)校準(zhǔn)補(bǔ)償三方面的通用性設(shè)計(jì)；系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)大功率范圍的激勵(lì)、測(cè)試及校準(zhǔn)，省去對(duì)昂貴的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的配置，測(cè)試精度高，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

通用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)；二次雷達(dá)；功放模塊；校準(zhǔn)；PXIe

0 引言

航管二次雷達(dá)的性能直接關(guān)系到航空飛行安全。其發(fā)射機(jī)功率模塊長期工作于高功率、大電流狀態(tài)，易發(fā)故障。與中小功率模塊及數(shù)字電路的測(cè)試相比，大功率模塊的測(cè)試需尤其謹(jǐn)慎，否則容易引起模塊或儀表損毀,甚至危及人身安全，造成較大損失：模塊供電電壓普遍較高、電流普遍較大；在測(cè)試輸出功率時(shí)，需要連接大功率衰減器將其降至儀表測(cè)量范圍內(nèi)，對(duì)于多路輸出的情形，還需連接大功率負(fù)載吸收未測(cè)試通道的輸出功率；模塊所需激勵(lì)多為大功率，不能通過信號(hào)源簡(jiǎn)單得到，且功率應(yīng)在一定范圍內(nèi)；需要考慮模塊、衰減器、負(fù)載等的散熱需求[1]。

研制通用的航管二次雷達(dá)功放模塊自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，不僅可以盡量避免人工操作不慎導(dǎo)致的不必要損失，而且可以縮短測(cè)試及故障件修復(fù)時(shí)間，提高保障能力，降低保障成本。

1 測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)試需求

航管二次雷達(dá)發(fā)射機(jī)功率模塊工作頻率相同，測(cè)試項(xiàng)包括：供電通路(電阻、電流、電壓)、輸出功率、頻率(譜)、包絡(luò)形狀(脈寬、上升下降時(shí)間、頂降)、諧波、輸入反射損耗、插入相位及自檢/視頻信號(hào)等[2-3]。

系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)大電流狀態(tài)下的測(cè)試，提供從幾分貝毫瓦至近百瓦的較大范圍的輸出功率,并能較精確地測(cè)量從幾十瓦至幾千瓦的模塊輸出功率,以適應(yīng)不同模塊不同的測(cè)試維修需求。同時(shí)，應(yīng)盡量減少測(cè)試連線次數(shù)，減少人工干預(yù)。

1.2 儀表選擇

功放模塊自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的儀表選擇是否恰當(dāng)，直接影響到能否順利完成測(cè)試維修任務(wù)。遵循以下原則：

1)根據(jù)電壓、電流輸出能力配置適當(dāng)數(shù)量及規(guī)格的大功率程控直流電源和模塊式中低功率程控直流電源，電壓可編程,可變換極性,滿足紋波指標(biāo)，并具有限壓、限流功能;

2)根據(jù)測(cè)試及校準(zhǔn)的頻率及功率輸出需求選擇程控信號(hào)源，應(yīng)具備內(nèi)/外部脈沖調(diào)制功能；

3)根據(jù)測(cè)試調(diào)制、同步的需求選擇程控脈沖/序列發(fā)生器，能產(chǎn)生形式靈活、輸出電平及邊沿可控的脈沖序列，并具備足夠的通道數(shù)；

4)根據(jù)頻段、時(shí)間靈敏度和功率測(cè)量范圍要求選擇雙通道程控峰值功率分析儀及探頭。

5)選擇耐大電流、高電壓的矩陣開關(guān)、單刀雙擲開關(guān)、可編程數(shù)字I/O、高密度數(shù)字I/O、數(shù)字多用表及符合帶寬要求的多路復(fù)用射頻開關(guān)等PXIe板卡，在建立測(cè)試通路的同時(shí)，滿足通用、小型、高速、可擴(kuò)展的需求。

1.3 TPS開發(fā)平臺(tái)

選擇自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)軟件ATEasy，其系統(tǒng)文件獨(dú)立的架構(gòu)及共享機(jī)制，使得一旦將儀表、板卡、日志輸出、界面顯示等底層驅(qū)動(dòng)模塊集成于內(nèi)后，可供多個(gè)測(cè)試程序調(diào)用，操作便捷，復(fù)用性強(qiáng)，適于通用型測(cè)試系統(tǒng)的程序開發(fā)[3]。

1.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1所示。采用PXIe、LXI/LAN、GPIB混合總線，以PXIe嵌入式PC控制器為測(cè)試程序集運(yùn)行平臺(tái)及控制中樞，以“測(cè)試盒組”為測(cè)試中樞，經(jīng)適配器實(shí)現(xiàn)PXIe機(jī)箱板卡、儀表與被測(cè)單元的適配，完成測(cè)試。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.5 基于頻譜分析儀的插入相位測(cè)試

系統(tǒng)利用同頻的兩路射頻信號(hào)于0度功率合成器合成、相位相反時(shí)輸出功率最小的原理,控制合成器一路輸入信號(hào)進(jìn)行相位掃描，并將頻譜分析儀跨度置零，測(cè)量合成器輸出功率，通過尋找功率最低點(diǎn)實(shí)現(xiàn)測(cè)量插入相位的功能,可省去測(cè)試臺(tái)對(duì)昂貴的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的固定配置，降低研制成本。

2 測(cè)試盒組的通用性設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)現(xiàn)

“測(cè)試盒組”為系統(tǒng)核心組件，其框圖如圖 2所示(虛線框外)。該“測(cè)試盒組”可實(shí)現(xiàn)功率分析儀、頻譜分析儀同步測(cè)量，完成除供電通路、自檢/視頻信號(hào)外的所有指標(biāo)測(cè)試，包括插入相位和輸入反射損耗。

圖2 “測(cè)試盒組”框圖

測(cè)試盒1提供了J4、J5兩路射頻激勵(lì)輸出端口及J6、J7兩路被測(cè)模塊輸出接入端口；200瓦功率輸出的功放PA1、連續(xù)可調(diào)的高功率衰減器AT4、高功率衰減器AT2的端口引出，及一系列射頻開關(guān)的使用，確保了系統(tǒng)大功率范圍的激勵(lì)輸出及輸出測(cè)量。其中，開關(guān)SW2、SW3可分別實(shí)現(xiàn)兩路輸入、兩路輸出測(cè)試通道與負(fù)載通道的切換，開關(guān)SW1、SW4可實(shí)現(xiàn)中低功率激勵(lì)通道與高功率激勵(lì)通道的切換，開關(guān)SW8、SW9與SW1、SW4聯(lián)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功率通道的功率觀測(cè)，開關(guān)SW5可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入功率、輸出功率及到達(dá)功率合成器PD2的功率的觀測(cè)。測(cè)試盒的輸入、輸出通道分別接隔離器及環(huán)行器，可減少未接被測(cè)件、接錯(cuò)端口等誤操作導(dǎo)致的損壞。

而功率分配器PD1、功率合成器PD2，移相器組PHS1..3，耦合器DC1、DC3，開關(guān)SW7、SW5，低插入相位可調(diào)衰減器AT1、AT5等硬件設(shè)計(jì)，結(jié)合軟件算法，可實(shí)現(xiàn)測(cè)試插入相位功能；雙向耦合器結(jié)合功率分析儀可實(shí)現(xiàn)輸入反射損耗測(cè)試。

圖2虛線框內(nèi)為測(cè)試某輔助功放模塊的連接圖。該模塊有J1～J3、J2～J4兩路放大通路，輸入功率近50 dBm，輸出功率兩千瓦。

2.2 注意事項(xiàng)

進(jìn)行盒內(nèi)器件及線纜選型時(shí)應(yīng)留有較大裕量，使得在校準(zhǔn)、測(cè)量激勵(lì)和輸出時(shí)，即使通過異常功率也不損壞測(cè)試盒、儀表及探頭；功放PA1應(yīng)獨(dú)立供電并設(shè)計(jì)良好的散熱通道以提高其壽命；測(cè)試盒組應(yīng)具有足夠的指示燈以實(shí)時(shí)監(jiān)控電源及開關(guān)狀態(tài)。

3 適配器的通用性設(shè)計(jì)

3.1 建立供電及信號(hào)通路

適配器完成在供電及供電通路測(cè)試、控制或調(diào)制信號(hào)輸出、自檢/視頻信號(hào)采集等方面被測(cè)模塊與測(cè)試系統(tǒng)的適配，并具備ID檢測(cè)功能。系統(tǒng)豐富的測(cè)試資源，包括示波器通道、脈沖序列產(chǎn)生通道，以及PXIe機(jī)箱內(nèi)雙刀雙擲矩陣開關(guān)、單刀單擲開關(guān)、單刀雙擲開關(guān)、RF多路復(fù)用器、高密度數(shù)字I/O、電壓可編程I/O和多用表等，按高于測(cè)試需求的原則被引至18槽位的VPC通用接口(GPI)上，而適配器通過18槽位的VPC接口(ITA)與其對(duì)接，經(jīng)電源轉(zhuǎn)接板及信號(hào)轉(zhuǎn)接板，將充足的供電、控制及調(diào)制信號(hào)輸出、信號(hào)采集等通路引至前面板單個(gè)接口，根據(jù)被測(cè)模塊接口關(guān)系制作不同的線纜，即可建立系統(tǒng)與被測(cè)模塊的供電及信號(hào)通路。

系統(tǒng)的測(cè)試資源可擴(kuò)展并易于引至VPC接口；在前面板預(yù)留接口以適應(yīng)特殊測(cè)試需求；亦或制作不同的適配器，均可滿足不同測(cè)試對(duì)象的供電及測(cè)試通路需求。

3.2 供電通路測(cè)試

供電通路測(cè)試在模塊測(cè)試早期進(jìn)行，以盡早發(fā)現(xiàn)異常，防止因短路等故障帶來的損毀，并確保后續(xù)正常的測(cè)試條件。通過多種開關(guān)改變電路拓?fù)?，?shí)現(xiàn)供電電路與數(shù)字多用表的串、并連接，即可實(shí)現(xiàn)模塊電阻、電流和電壓的自動(dòng)測(cè)試。

圖 3所示為供電通路電流測(cè)試示意圖。對(duì)于在數(shù)字多用表耐電流范圍內(nèi)的大電流通路，當(dāng)超過矩陣開關(guān)的耐電流能力時(shí)，可將大電流通路分為兩個(gè)通道并聯(lián)，占用矩陣開關(guān)兩路通道資源，并改變S2-5、S2-6開關(guān)置位實(shí)現(xiàn)測(cè)試。

圖3 供電通路電流測(cè)試示意圖

測(cè)試電阻的電路可通過改變圖 3中開關(guān)S3-5、S3-6、S2-1、S2-2、S3-1、S3-2的置位獲得，再改變開關(guān)S1-1的置位即得電壓測(cè)試電路。

4 自動(dòng)校準(zhǔn)補(bǔ)償設(shè)計(jì)

4.1 校準(zhǔn)的兩種思路

高功率模塊的校準(zhǔn)尤為重要，差3 dB功率就差一半。對(duì)于激勵(lì)而言，功率大容易損毀模塊，小則可能致使輸出無法滿足指標(biāo)。對(duì)于輸出而言，若不校準(zhǔn)，誤差較大的測(cè)量值將誤導(dǎo)維修測(cè)試人員操作，造成雷達(dá)性能大打折扣，或損毀后級(jí)模塊等問題。

校準(zhǔn)有兩種思路。一是求“整”: 以通路為單位進(jìn)行校準(zhǔn)，在儀表的能力范圍內(nèi)，獲得滿足被測(cè)模塊所需輸入功率的源的輸出功率，以及輸出通路的總衰減量。二是化“整”為“零”：將系統(tǒng)測(cè)試通路按線纜、測(cè)試盒內(nèi)接口間通路分類，依次校準(zhǔn)各線纜及測(cè)試盒內(nèi)接口間通路的插損/增益后，根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行整合，計(jì)算輸入、輸出通路的插損/增益。

兩種思路各有優(yōu)缺點(diǎn)。前者直觀，但被測(cè)模塊種類增多則顯繁瑣，且對(duì)于通用測(cè)試系統(tǒng)而言，易出現(xiàn)功率較高或較低，處于功率探頭測(cè)試相對(duì)不準(zhǔn)確的區(qū)域；后者在被測(cè)模塊種類多時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯，每次校準(zhǔn)都能處于探頭測(cè)量較為準(zhǔn)確的區(qū)域，但插損值隨功率稍有波動(dòng)。

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用方法二。建立校準(zhǔn)表格如圖 4所示，分為線纜、測(cè)試盒1、信號(hào)源、可調(diào)衰減器、激勵(lì)器五大條目，條目下細(xì)分為若干校準(zhǔn)通道[5]。每個(gè)表格記錄一種被測(cè)模塊的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，縱向格式相同。為不同的輸入、輸出測(cè)試通路設(shè)定配置號(hào)，通過批注對(duì)校準(zhǔn)項(xiàng)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，并將校準(zhǔn)種類及校準(zhǔn)參數(shù)記入批注供程序使用。

圖4 校準(zhǔn)表格示意圖

信號(hào)源校準(zhǔn)分為平坦度校準(zhǔn)和線性度校準(zhǔn)(如圖 5所示)，分別解決對(duì)于同一輸出功率設(shè)置，信號(hào)源實(shí)際輸出因頻點(diǎn)而不同，以及信號(hào)源輸出功率進(jìn)入非線性區(qū)的問題。經(jīng)測(cè)試，對(duì)于某型標(biāo)定最大30 dBm輸出功率的信號(hào)源，在頻點(diǎn)1 GHz處可設(shè)置最大輸出25 dBm，但實(shí)際輸出僅24.4 dBm。通過補(bǔ)償，可使到達(dá)被測(cè)模塊輸入端的功率符合要求。

圖5 源的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)示意圖

4.3 實(shí)現(xiàn)

校準(zhǔn)時(shí)，單次連接即完成工作簿中同一通道所有頻點(diǎn)的校準(zhǔn)，并更新工作簿中所有對(duì)應(yīng)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。為防止人為誤操作，校準(zhǔn)完畢后，數(shù)據(jù)會(huì)另存為二進(jìn)制格式，供程序使用。測(cè)試時(shí)，程序自動(dòng)根據(jù)配置號(hào)對(duì)輸入、輸出通路的插損、增益求和，分別補(bǔ)償至信號(hào)源的輸出功率和功率分析儀所測(cè)功率值中。

5 小結(jié)

某型航管二次雷達(dá)功放模塊自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)目前已成功實(shí)現(xiàn)兩型共計(jì)六種功放模塊的自動(dòng)程序開發(fā)及測(cè)試,可提供調(diào)試環(huán)境，并成功修復(fù)多種功放模塊。該系統(tǒng)的通用性設(shè)計(jì)及可擴(kuò)展性，使得其具備多型號(hào)的保障能力；所使用的基于頻譜分析儀測(cè)量插入相位的技術(shù)，可以省去系統(tǒng)對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的配置，軍事、經(jīng)濟(jì)效益顯著。

[1] 李立功，等，現(xiàn)代電子測(cè)試技術(shù)：信息化武器裝備的質(zhì)量衛(wèi)士(第二版)[M].北京:國防工業(yè)出版社，2008

[2]張 尉,二次雷達(dá)原理[M].北京:國防工業(yè)出版社，2007

[3]鄭 新,李文輝,潘厚忠，等.雷達(dá)發(fā)射機(jī)技術(shù)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社,2008

[4]劉新飛,王 東,基于ATEasy的某雷達(dá)射頻模塊自動(dòng)測(cè)試程序開發(fā)[J] .北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2010.24(3)：10-13

[5]劉新飛,劉世華,王 東,雷達(dá)射頻測(cè)試自動(dòng)校準(zhǔn)融合技術(shù)[J].中國科技成果.2013,7： 53-55

Development of General Automatic Test System for Power Amplifier Modules of Secondary Radar

Liu Xinfei，Li Yali，Wang Dong，Ning Yupeng, Zhang Qiang

(Unit 95853，Beijing 100076, China)

Performance of secondary radar has intimate relationship with safe flights. Special attentions are needed while testing high power modules. Developing general automatic test system for power amplifier modules of secondary radar can raise maintenance abilities and reduce maintenance costs. The system is able to test many kinds of power amplifier modules based on mixed PXIe, LXI/LAN and GPIB buses. It uses PXIe embedded PC as control center, uses the ‘test boxes’ as testing center, and realizes adaptations between UUT and PXIe cards and instruments through adaptor. This paper states general system designs from aspects of test requirements, choice of instruments, TPS developing environment and system structures, brings forward a testing method of insertion phase based on spectrum analyser, and analyses general designs on test boxes, adaptor and automatic calibration compensation. The system can realize wide power range of stimulation, test and calibration, reduce configuration of expensive vector network analyser, and has high test precisions and notable economic benefits.

general automatic test system; secondary radar; power amplifier modules; calibration; PXIe

2016-03-23；

2016-04-18。

劉新飛(1981-)，女，湖南湘鄉(xiāng)人，碩士，工程師，主要從事自動(dòng)測(cè)試及系統(tǒng)研制、測(cè)試性設(shè)計(jì)方向的研究。

1671-4598(2016)09-0047-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.013

TP273

A