雷达高功率固态功放组件自动测试系统设计

2022-11-11张启帆

无线互联科技 2022年16期

关键词：衰减器高功率自动测试

郭辉，张启帆，桂磊

(中国船舶集团公司第七二四研究所，江苏南京 211153)

0 引言

雷达发射系统是现代雷达的重要组成部分，而功放组件又是发射系统的核心关键单元。通常一部雷达有着几十或上百只功放组件，而雷达的性能极大取决于功放组件的各类测试指标，这就决定了功放组件的测试工作极为关键且准确性要求较高。

近年来，随着第三代半导体的迅速发展，以氮化镓(GaN)材料为基础的功率管逐步应用于雷达中。基于此器件设计而成的高功率固态功放组件，性能优越，可靠性高，但同时诸多测试指标也带来了配试设备种类较多、测试步骤烦琐等一系列测试困难。

功放组件的测试指标主要包括：输出峰值功率、相位、高频信号特征、输出脉冲包络等；一只组件还需要根据要求选取不同频点重复上述指标测试。所以组件的手动测试需要大量的重复工作，本文为解决这一难题，通过软硬件协同搭建了一套可视化自动测试系统。该系统极大提高了科研装备生产研制效率。

1 自动测试系统原理简介

有别于普通雷达组件，高功率功放组件的测试环境更为复杂，所以当前在进行组件测试时，通常采用手动搭建测试平台的方式。由于组件工作要求的激励功率高，所以测试时需要配备额外的驱动源，并在每次测试前对驱动源进行功率校准，从而保证给组件提供的输入激励为额定值。而不同的雷达工作在不同频率范围，这就决定了普通驱动源并不能通用于不同型功放组件。此外，高功率功放组件的输出峰值功率高、工作电流较大，所以配试设备需要包含大功率衰减器、大功率开关电源、水冷机柜等多种专用设备。这些需求极大地加大了手动测试时测试平台的搭建难度和测试过程的烦琐程度。

本文针对以上高功率组件测试时各项需求难点进行研究，并结合一些通用测试平台的设计经验，设计了一款自动化测试系统，测试系统原理图如图1所示。

图1 自动测试系统架构

系统由硬件测试资源和测试软件组成，各类配试单元和测试工装集成在一个专用硬件平台上，通过软件实现工控机对各类仪表、驱动源、待测组件等模块的控制和信息反馈。工控机通过LAN口连接仪表和驱动源，可在测试开始前自动进行参数校准和激励信号校准。测试开始后根据上位机命令自动选择仪表测试项目及测试结果读取。工控机通过CAN总线接口与待测功放组件进行数据交互，可实现组件开关机操作。同时还可将组件各项工作参数实时显示在上位机软件上，以便于测试人员及时判断组件工作状态是否正常。系统中配备的控制中枢是实现不同测试仪表通道切换的核心部件，它接收工控机的指令，根据需要进行的测试指标自动选择对应仪表。

2 系统设计及实现

2.1 硬件构成

为兼顾高功率固态功放组件自动测试系统对实用性、散热性、电磁兼容性、安全性等方面的要求，系统所有硬件整体置于一个一体化测试机柜内，其外形如图2所示。

图2 测试机柜

测试机柜由一个高柜和一个矮柜组成，高柜中主要摆放各类通用仪器仪表，矮柜中摆放工控机和专用配试设备。两个机柜间通过定位稍连接，运输时可分拆；机柜底部安装滑轮，方便移动。机柜顶部还设计有散热单元，保证测试系统长期运行时的散热性能。

硬件测试平台的搭建兼顾了系统的开放性和灵活性，同时为了系统方便二次开发，进行架构时允许用户根据不同的测试需求，灵活地配置硬件资源。

2.1.1 通用配试仪表及设备

结合功放组件的输出峰值功率、高频信号特征、脉冲包络、相位等测试需求，系统集成了一系列通用测试仪表及设备，如表1所示。

表1 通用仪表及设备清单

系统中的仪表及设备主要实现以下功能：

(1) 信号源：根据测试对频率、占空比等参数的需求，提供不同形式的原始激励信号。

(2) 功率计：读取待测件输出峰值功率，并显示输出波形外观。

(3) 频谱仪：用于测试待测件输出信号高频信号特征，包括谐波、杂散、噪声等频域内参数。

(4) 矢量网络分析仪：可在测试待测件相位时替代功率计提供激励信号，并读取相位测试结果。

(5) 示波器：用于测试待测件输出信号脉冲包络，包括上升/下降沿、脉冲精度、顶降等。

(6) 数字TTL产生板：根据上位机发送的操控命令产生一路或多路TTL信号，对信号源、矢量网络分析仪、驱动源、待测件等进行射频和电源调制。

(7) 数控开关电源：其中小功率开关电源用于给功放组件内部数字电路供电，大功率开关电源提供功组件工作所需的大电流。

2.1.2 驱动源设计

雷达设备一般工作于不同的频率范围，这就使得一般的驱动源并不能适用于不同的雷达功放组件。为了避免这一问题，自动系统专门设计了一种宽带仪表功放充当驱动源，该设备覆盖了L/S/C/X这4种常见的雷达工作频段，同时输出功率线性可调，从而最大程度地保障了自动测试系统的通用性。宽带仪表功放的外形如图3所示。

图3 宽带仪表功放原理

仪表功放正面配置液晶触控显示屏和物理按键，所有的人机交互动作均可通过此触控屏实现，物理按键作为备份操控选项。

测试系统运行时，上位机通过网络向仪表功放传送操控命令，数字TTL产生板通过BNC接口直接将调制信号送至仪表功放的检波电路。仪表功放可根据操控命令选择对应的频率通道，并根据状态监测电路进行实时故障保护；保护的门限阈值、参数选项均可通过触控面板进行设置，从而保障了整个测试系统的灵活配置。

2.1.3 控制中枢设计

在控制中枢内部，配备了大功率功放组件测试所需的各类型专用衰减器，可用于输出峰值功率、输入功率耦合检测等不同测试场景。此外，中枢内部主要由各种继电器开关、射频开关、大功率衰减器、射频电缆及接口组成，它是整个自动测试系统的核心枢纽。

测试系统由多种仪器仪表及配试单元组成，它们的接口种类各不相同，如不对接口进行统一配置，会给后续维护保养及功能扩展造成很大的困扰。所以，在进行系统设计时，将各个单元的接口通过定制电缆及转接头，全部连接至控制中枢；控制中枢内部通过各个继电器开关和射频选通开关实现接口间切换，测试时，根据不同测试项，上位机调用不同仪表并通过控制中枢实现测试单元间通路闭合。

除了上述各个链接模块，控制中枢内部还加装了各种型号的射频衰减器。本文的测试系统是针对高功率发射组件，该类型组件的输出功率通常高出测试仪表额定测量值几个数量级。为了防止仪表输入过载造成的设备损毁，在通道切换开关前加装射频衰减器达到保护后端负载的目的。

2.2 软件功能实现

自动测试系统的软件位于工控机中，基于Matlab软件，完成了测试系统上位机的开发。对于测试软件的基本功能有几点要求：(1)具备对功放组件的自动测试功能；(2)具备测试指标、质量数据的全覆盖；(3)可根据需求选择全功能、全参数或者部分功能、部分参数的测试；(4)可对仪器的资源信息进行更新及其在线情况进行自检；(5)测试过程中可根据设定的门限值对测试数据进行符合性自动判断，并对测试结果进行“符合”与“不符合”区别显示；(6)可同步本地存储数据并按要求给出输出报表。测试软件采用模块化设计思路，并为系统的二次开发提供软件编程接口，软件框架如图4所示。

图4 软件平台框架

射频系统的测试通常需要较高的精度，所以每次测试前都需要排除测试系统可能引进的各类误差。根据对功放组件测试项的分析，测试系统主要开发了功率插损校准和基准相位校准。

功率插损校准通过调用功率计和信号源，测试出通路中电缆、接头及衰减器等带来的不同频点的功率损耗，并将该组数据保存在软件数据库中；在功放组件测试完成后，系统在生成测试报表时会自动调用该组数据，并将数据补偿至测试结果，从而保证每次测试精确度。

通常一部雷达装配有数十只功放组件，这就要求组件间相位高度一致，而不同批次生产的组件也要求具有通用性，所以测试系统需要具有固化的基准相位。本系统在硬件上配备了一个无源接头作为基准器件，系统通过软件调用矢量网络分析仪对该器件进行相位测试，并将测试结果保存至数据库；在功放组件测试时，将矢量网络分析仪的相位参数和基准器件测试结果进行归一化处理，从而固化了基准相位参数。

开始测试后，自动测试软件实时采集被测组件的电性能指标、当前测试环境数据、被测件所处的技术状态等信息，上位机显示界面将当前测试数据、现场状态信息、视频监控信息输出至信息显示屏，实验过程中所有的数据均实时存储至集群式服务器，服务器能够提供快速的数据分析服务。测试软件的运行流程如图5所示。