基于多信號模型的相控陣天線測試性分析與改進

王青麾

摘? 要：相控陣天線是相控陣導(dǎo)引頭的重要部件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障分布位置多。針對相控陣天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點，利用測試性建模分析軟件TMAS建立了相控陣天線的多信號模型，并對其測試性進行分析評估。利用模型中測試點和測試項目的優(yōu)化反饋結(jié)果，分析相控陣天線測試性設(shè)計的不足，提出改進方案。分析結(jié)果表明，改進后的天線測試性得到了顯著提高。

關(guān)鍵詞：測試性? 相控陣天線? 多信號模型? TMAS

中圖分類號：TJ760? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）12（b）-0242-03

Abstract： Phased array antenna is the kernel component of phased array seeker， which has complex construction and many fault locations. Aiming at complex construction of phased array antenna， built its Multi-signal Model used TMAS. And the testability of antenna is analyzed and evaluated. Combining with the feedback of the model test points and test items， analysis the shortage of testability， improved schemes is brought. The results of analyses show that the testability of the improved antenna is increased markedly.

Key Words： Testability; Phased array antenna; Multi-signal model; TMAS

為了滿足與日俱增的國防軍事需求，相控陣天線在軍事上的應(yīng)用越來越廣泛。相控陣天線通常由幾百至上萬個天線陣元和相應(yīng)的收發(fā)組件（T/R）組成，每一部相控陣都有獨特的陣元排列方式和饋線結(jié)構(gòu)，可能發(fā)生故障的位置分布多，且難以進行人工檢測。當(dāng)相控陣天線發(fā)生故障后，如何對故障的天線單元進行檢測并快速定位和排除故障，迅速恢復(fù)相控陣天線的性能指標，是相控陣天線研究的重點和難點[1]。測試性是產(chǎn)品的重要設(shè)計特性，良好的測試性設(shè)計可以快速地實現(xiàn)故障檢測和隔離。

本文基于多信號模型，建立了某型相控陣天線的測試性模型，并進行了測試性改進設(shè)計，顯著提高了測試性指標。

1? 多信號模型

多信號模型（Multi-signal Model）是由Som-nath Deb等人于1994年提出[2]，利用分層有向圖表示被測對象的組成單元、測試以及被測對象性能特征之間的相關(guān)關(guān)系，是故障傳播建模的一種建模方法，可應(yīng)用于大型、復(fù)雜系統(tǒng)的測試性設(shè)計、故障模式影響及危害度分析、故障診斷、TPS開發(fā)等。

多信號模型通過將系統(tǒng)的功能函數(shù)特性以模塊屬性的形式表現(xiàn)出來，詳細分析單元內(nèi)各種功能故障模式，并將故障模式添加到單元中，形成信息流[3]。從信號的多維屬性著手，識別系統(tǒng)中與單元相關(guān)的信號屬性和測試檢測到的信號屬性，在二者之間建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。通過建立系統(tǒng)的多信號模型以及建模過程中同步開展的測試性設(shè)計，可以把專家對系統(tǒng)的理解和測試診斷經(jīng)驗簡單直觀地轉(zhuǎn)換成專家知識，并以模型化的文件格式保存，同時方便系統(tǒng)模型和測試性設(shè)計的更改和優(yōu)化。

由于模型中的信號之間是獨立的，不會相互影響，更接近系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)，這使得多信號模型建模容易、模型的集成和驗證都相對簡單[4]，在美國航天飛機、傾旋翼飛機等復(fù)雜系統(tǒng)的測試診斷中得到廣泛應(yīng)用?；谠摲治觯肨MAS軟件平臺，本文建立了相控陣天線的多信號流圖模型，并對測試性的改進提出合理建議。

2? 相控陣天線功能原理分析

相控陣天線是相控陣導(dǎo)引頭的重要部件，其主要任務(wù)是：為雷達導(dǎo)引頭搜索、探測、截獲和跟蹤目標實時提供有關(guān)目標的回波信息。某型相控陣天線功能原理框圖如圖1所示。驅(qū)動功放對激勵信號進行放大，通過網(wǎng)絡(luò)分配后進入各個T/R通道，經(jīng)放大后由天線陣面的各個天線單元輻射出去[5-6]。目標反射的回波信號由各個天線單元接收進入T/R通道內(nèi)輸出到饋電網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)和差運算后形成和差信號輸出。波控組合在導(dǎo)引頭信號處理機控制下進行數(shù)據(jù)解算，控制各通道的狀態(tài)，并按照規(guī)定的時序?qū)崿F(xiàn)相控陣天線接收與發(fā)射的校準等。

相控陣天線由天線陣面、天線電源、波控組合、T/R組件、驅(qū)動功放、波導(dǎo)轉(zhuǎn)換、校準組合、饋電網(wǎng)絡(luò)、和差器共9個部分組成。

3? 相控陣天線測試性建模與分析

3.1 相控陣天線建模數(shù)據(jù)分析

基于多信號模型的測試性建模數(shù)據(jù)分析分別從系統(tǒng)組成分析、故障模式分析和測試分析3個方面來開展工作。

（1）系統(tǒng)組成分析。

根據(jù)相控陣天線的組成結(jié)構(gòu)，從上到下逐層進行分解，分解的最低層次根據(jù)產(chǎn)品的實際復(fù)雜程度以及測試隔離的需求確定，對一些故障發(fā)生概率極低的組成單元或結(jié)構(gòu)件可以進行忽略處理。相控陣天線本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是天線陣面有上千個天線陣單元以及配套的多條收發(fā)通道，逐個進行分解工作量太大。本文中將天線陣整個看做一個整體;多條收發(fā)通道看作一條，再根據(jù)收發(fā)通道完成的不同的功能進行分解。最終天線一共分解為5層共50個組成單元，分解的最低層次是功能電路級。

（2）故障模式分析。

基于天線FMECA報告的分析結(jié)果，以及產(chǎn)品研制過程中真實發(fā)生的故障[7]，對天線每一個最底層組成單元進行故障模式分析，形成故障模式清單，最終確定故障模式222個。

（3）測試項目分析。

分析梳理天線生產(chǎn)線交付測試時的測試流程及測試項目，形成測試項目清單。生產(chǎn)線上天線交付測試有200多項，其中有一些測試項目為了指標驗證的需求，需要在不同的發(fā)射（接收）角度進行測試，測試內(nèi)容相同，可以把這類測試項目進行簡化，最終形成測試項目28個。

3.2 基于模型的測試性分析改進

用TMAS軟件建立天線的多信號模型，進行測試性分析，得到表1所示結(jié)果。

其中，故障檢測率為74.3243%，故障隔離率為83.0303%，顯然，天線的故障檢測能力偏弱。要提高天線的故障檢測隔離能力，最直接有效的方法就是增加測試點，以消減其中的不可測故障。同時綜合考慮添加測試的難易、費用、對天線本身帶來的影響等等，分析這條傳遞路徑上可以添加測試點的位置，在模型中的相應(yīng)進行修改，之后執(zhí)行仿真分析，如果不滿足要求，繼續(xù)改進。

查看天線模型分析結(jié)果數(shù)據(jù)可知，天線存在57個不可測故障，主要集中在波控組合和天線電源兩個單元上。通過軟件中的DFT追蹤模式，可以查看每一條不可測故障的信號傳遞路徑。最終確定增加電源斷電測試、波控自檢測試兩個測試點，對改進后的模型進行分析后的結(jié)果如表2所示。

從表2、表3中可以知道，改進后的天線故障檢測率得到較大提高，說明增加的測試是合理的。

4? 結(jié)語

具有良好測試性的系統(tǒng)可以提供良好的性能監(jiān)控、故障檢測和隔離能力，可以大大減少故障檢測和隔離的時間，從而進一步縮短維修時間，降低對維修人員的技術(shù)要求，提高系統(tǒng)的可靠性、維修性和可用性。本文在多信號模型的基礎(chǔ)上，詳細分析了某型相控陣天線的結(jié)構(gòu)、故障和測試，運用TMAS軟件建立了天線的多信號模型，對天線的測試性進行了分析與評估，提出了改進方案并進行了分析和對比。分析結(jié)果表明，改進后的系統(tǒng)測試性得到較大的提高，為系統(tǒng)設(shè)計及改進提供了理論根據(jù)。

參考文獻

[1] 曹俊峰，倪向東.有源相控陣雷達天線測試實現(xiàn)與優(yōu)化[J].火控雷達技術(shù)，2015，44（1）：99-102.

[2] 廖恒.基于多信號模型的系統(tǒng)可測性設(shè)計分析研究與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2016.

[3] 姜晨，宋帆.機載裝備測試性模型設(shè)計與優(yōu)化[J].測控技術(shù)，2019，38（12）：77-82.

[4] 張貞.電子系統(tǒng)測試性設(shè)計優(yōu)化方法研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2017.

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