郭 輝，張啟帆，桂 磊

(中國船舶集團(tuán)公司第七二四研究所，江蘇 南京 211153)

0 引言

雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)是現(xiàn)代雷達(dá)的重要組成部分，而功放組件又是發(fā)射系統(tǒng)的核心關(guān)鍵單元。通常一部雷達(dá)有著幾十或上百只功放組件，而雷達(dá)的性能極大取決于功放組件的各類測試指標(biāo)，這就決定了功放組件的測試工作極為關(guān)鍵且準(zhǔn)確性要求較高。

近年來，隨著第三代半導(dǎo)體的迅速發(fā)展，以氮化鎵(GaN)材料為基礎(chǔ)的功率管逐步應(yīng)用于雷達(dá)中?；诖似骷O(shè)計(jì)而成的高功率固態(tài)功放組件，性能優(yōu)越，可靠性高，但同時(shí)諸多測試指標(biāo)也帶來了配試設(shè)備種類較多、測試步驟煩瑣等一系列測試?yán)щy。

功放組件的測試指標(biāo)主要包括：輸出峰值功率、相位、高頻信號特征、輸出脈沖包絡(luò)等；一只組件還需要根據(jù)要求選取不同頻點(diǎn)重復(fù)上述指標(biāo)測試。所以組件的手動(dòng)測試需要大量的重復(fù)工作，本文為解決這一難題，通過軟硬件協(xié)同搭建了一套可視化自動(dòng)測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)極大提高了科研裝備生產(chǎn)研制效率。

1 自動(dòng)測試系統(tǒng)原理簡介

有別于普通雷達(dá)組件，高功率功放組件的測試環(huán)境更為復(fù)雜，所以當(dāng)前在進(jìn)行組件測試時(shí)，通常采用手動(dòng)搭建測試平臺的方式。由于組件工作要求的激勵(lì)功率高，所以測試時(shí)需要配備額外的驅(qū)動(dòng)源，并在每次測試前對驅(qū)動(dòng)源進(jìn)行功率校準(zhǔn)，從而保證給組件提供的輸入激勵(lì)為額定值。而不同的雷達(dá)工作在不同頻率范圍，這就決定了普通驅(qū)動(dòng)源并不能通用于不同型功放組件。此外，高功率功放組件的輸出峰值功率高、工作電流較大，所以配試設(shè)備需要包含大功率衰減器、大功率開關(guān)電源、水冷機(jī)柜等多種專用設(shè)備。這些需求極大地加大了手動(dòng)測試時(shí)測試平臺的搭建難度和測試過程的煩瑣程度。

本文針對以上高功率組件測試時(shí)各項(xiàng)需求難點(diǎn)進(jìn)行研究，并結(jié)合一些通用測試平臺的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一款自動(dòng)化測試系統(tǒng)，測試系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)測試系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)由硬件測試資源和測試軟件組成，各類配試單元和測試工裝集成在一個(gè)專用硬件平臺上，通過軟件實(shí)現(xiàn)工控機(jī)對各類儀表、驅(qū)動(dòng)源、待測組件等模塊的控制和信息反饋。工控機(jī)通過LAN口連接儀表和驅(qū)動(dòng)源，可在測試開始前自動(dòng)進(jìn)行參數(shù)校準(zhǔn)和激勵(lì)信號校準(zhǔn)。測試開始后根據(jù)上位機(jī)命令自動(dòng)選擇儀表測試項(xiàng)目及測試結(jié)果讀取。工控機(jī)通過CAN總線接口與待測功放組件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，可實(shí)現(xiàn)組件開關(guān)機(jī)操作。同時(shí)還可將組件各項(xiàng)工作參數(shù)實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)軟件上，以便于測試人員及時(shí)判斷組件工作狀態(tài)是否正常。系統(tǒng)中配備的控制中樞是實(shí)現(xiàn)不同測試儀表通道切換的核心部件，它接收工控機(jī)的指令，根據(jù)需要進(jìn)行的測試指標(biāo)自動(dòng)選擇對應(yīng)儀表。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件構(gòu)成

為兼顧高功率固態(tài)功放組件自動(dòng)測試系統(tǒng)對實(shí)用性、散熱性、電磁兼容性、安全性等方面的要求，系統(tǒng)所有硬件整體置于一個(gè)一體化測試機(jī)柜內(nèi)，其外形如圖2所示。

圖2 測試機(jī)柜

測試機(jī)柜由一個(gè)高柜和一個(gè)矮柜組成，高柜中主要擺放各類通用儀器儀表，矮柜中擺放工控機(jī)和專用配試設(shè)備。兩個(gè)機(jī)柜間通過定位稍連接，運(yùn)輸時(shí)可分拆；機(jī)柜底部安裝滑輪，方便移動(dòng)。機(jī)柜頂部還設(shè)計(jì)有散熱單元，保證測試系統(tǒng)長期運(yùn)行時(shí)的散熱性能。

硬件測試平臺的搭建兼顧了系統(tǒng)的開放性和靈活性，同時(shí)為了系統(tǒng)方便二次開發(fā)，進(jìn)行架構(gòu)時(shí)允許用戶根據(jù)不同的測試需求，靈活地配置硬件資源。

2.1.1 通用配試儀表及設(shè)備

結(jié)合功放組件的輸出峰值功率、高頻信號特征、脈沖包絡(luò)、相位等測試需求，系統(tǒng)集成了一系列通用測試儀表及設(shè)備，如表1所示。

表1 通用儀表及設(shè)備清單

系統(tǒng)中的儀表及設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1) 信號源：根據(jù)測試對頻率、占空比等參數(shù)的需求，提供不同形式的原始激勵(lì)信號。

(2) 功率計(jì)：讀取待測件輸出峰值功率，并顯示輸出波形外觀。

(3) 頻譜儀：用于測試待測件輸出信號高頻信號特征，包括諧波、雜散、噪聲等頻域內(nèi)參數(shù)。

(4) 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀：可在測試待測件相位時(shí)替代功率計(jì)提供激勵(lì)信號，并讀取相位測試結(jié)果。

(5) 示波器：用于測試待測件輸出信號脈沖包絡(luò)，包括上升/下降沿、脈沖精度、頂降等。

(6) 數(shù)字TTL產(chǎn)生板：根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的操控命令產(chǎn)生一路或多路TTL信號，對信號源、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、驅(qū)動(dòng)源、待測件等進(jìn)行射頻和電源調(diào)制。

(7) 數(shù)控開關(guān)電源：其中小功率開關(guān)電源用于給功放組件內(nèi)部數(shù)字電路供電，大功率開關(guān)電源提供功組件工作所需的大電流。

2.1.2 驅(qū)動(dòng)源設(shè)計(jì)

雷達(dá)設(shè)備一般工作于不同的頻率范圍，這就使得一般的驅(qū)動(dòng)源并不能適用于不同的雷達(dá)功放組件。為了避免這一問題，自動(dòng)系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)了一種寬帶儀表功放充當(dāng)驅(qū)動(dòng)源，該設(shè)備覆蓋了L/S/C/X這4種常見的雷達(dá)工作頻段，同時(shí)輸出功率線性可調(diào)，從而最大程度地保障了自動(dòng)測試系統(tǒng)的通用性。寬帶儀表功放的外形如圖3所示。

圖3 寬帶儀表功放原理

儀表功放正面配置液晶觸控顯示屏和物理按鍵，所有的人機(jī)交互動(dòng)作均可通過此觸控屏實(shí)現(xiàn)，物理按鍵作為備份操控選項(xiàng)。

測試系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)向儀表功放傳送操控命令，數(shù)字TTL產(chǎn)生板通過BNC接口直接將調(diào)制信號送至儀表功放的檢波電路。儀表功放可根據(jù)操控命令選擇對應(yīng)的頻率通道，并根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測電路進(jìn)行實(shí)時(shí)故障保護(hù)；保護(hù)的門限閾值、參數(shù)選項(xiàng)均可通過觸控面板進(jìn)行設(shè)置，從而保障了整個(gè)測試系統(tǒng)的靈活配置。

2.1.3 控制中樞設(shè)計(jì)

在控制中樞內(nèi)部，配備了大功率功放組件測試所需的各類型專用衰減器，可用于輸出峰值功率、輸入功率耦合檢測等不同測試場景。此外，中樞內(nèi)部主要由各種繼電器開關(guān)、射頻開關(guān)、大功率衰減器、射頻電纜及接口組成，它是整個(gè)自動(dòng)測試系統(tǒng)的核心樞紐。

測試系統(tǒng)由多種儀器儀表及配試單元組成，它們的接口種類各不相同，如不對接口進(jìn)行統(tǒng)一配置，會給后續(xù)維護(hù)保養(yǎng)及功能擴(kuò)展造成很大的困擾。所以，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，將各個(gè)單元的接口通過定制電纜及轉(zhuǎn)接頭，全部連接至控制中樞；控制中樞內(nèi)部通過各個(gè)繼電器開關(guān)和射頻選通開關(guān)實(shí)現(xiàn)接口間切換，測試時(shí)，根據(jù)不同測試項(xiàng)，上位機(jī)調(diào)用不同儀表并通過控制中樞實(shí)現(xiàn)測試單元間通路閉合。

除了上述各個(gè)鏈接模塊，控制中樞內(nèi)部還加裝了各種型號的射頻衰減器。本文的測試系統(tǒng)是針對高功率發(fā)射組件，該類型組件的輸出功率通常高出測試儀表額定測量值幾個(gè)數(shù)量級。為了防止儀表輸入過載造成的設(shè)備損毀，在通道切換開關(guān)前加裝射頻衰減器達(dá)到保護(hù)后端負(fù)載的目的。

2.2 軟件功能實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)測試系統(tǒng)的軟件位于工控機(jī)中，基于Matlab軟件，完成了測試系統(tǒng)上位機(jī)的開發(fā)。對于測試軟件的基本功能有幾點(diǎn)要求：(1)具備對功放組件的自動(dòng)測試功能；(2)具備測試指標(biāo)、質(zhì)量數(shù)據(jù)的全覆蓋；(3)可根據(jù)需求選擇全功能、全參數(shù)或者部分功能、部分參數(shù)的測試；(4)可對儀器的資源信息進(jìn)行更新及其在線情況進(jìn)行自檢；(5)測試過程中可根據(jù)設(shè)定的門限值對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行符合性自動(dòng)判斷，并對測試結(jié)果進(jìn)行“符合”與“不符合”區(qū)別顯示；(6)可同步本地存儲數(shù)據(jù)并按要求給出輸出報(bào)表。測試軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思路，并為系統(tǒng)的二次開發(fā)提供軟件編程接口，軟件框架如圖4所示。

圖4 軟件平臺框架

射頻系統(tǒng)的測試通常需要較高的精度，所以每次測試前都需要排除測試系統(tǒng)可能引進(jìn)的各類誤差。根據(jù)對功放組件測試項(xiàng)的分析，測試系統(tǒng)主要開發(fā)了功率插損校準(zhǔn)和基準(zhǔn)相位校準(zhǔn)。

功率插損校準(zhǔn)通過調(diào)用功率計(jì)和信號源，測試出通路中電纜、接頭及衰減器等帶來的不同頻點(diǎn)的功率損耗，并將該組數(shù)據(jù)保存在軟件數(shù)據(jù)庫中；在功放組件測試完成后，系統(tǒng)在生成測試報(bào)表時(shí)會自動(dòng)調(diào)用該組數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)補(bǔ)償至測試結(jié)果，從而保證每次測試精確度。

通常一部雷達(dá)裝配有數(shù)十只功放組件，這就要求組件間相位高度一致，而不同批次生產(chǎn)的組件也要求具有通用性，所以測試系統(tǒng)需要具有固化的基準(zhǔn)相位。本系統(tǒng)在硬件上配備了一個(gè)無源接頭作為基準(zhǔn)器件，系統(tǒng)通過軟件調(diào)用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對該器件進(jìn)行相位測試，并將測試結(jié)果保存至數(shù)據(jù)庫；在功放組件測試時(shí)，將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的相位參數(shù)和基準(zhǔn)器件測試結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，從而固化了基準(zhǔn)相位參數(shù)。

開始測試后，自動(dòng)測試軟件實(shí)時(shí)采集被測組件的電性能指標(biāo)、當(dāng)前測試環(huán)境數(shù)據(jù)、被測件所處的技術(shù)狀態(tài)等信息，上位機(jī)顯示界面將當(dāng)前測試數(shù)據(jù)、現(xiàn)場狀態(tài)信息、視頻監(jiān)控信息輸出至信息顯示屏，實(shí)驗(yàn)過程中所有的數(shù)據(jù)均實(shí)時(shí)存儲至集群式服務(wù)器，服務(wù)器能夠提供快速的數(shù)據(jù)分析服務(wù)。測試軟件的運(yùn)行流程如圖5所示。

圖5 軟件運(yùn)行流程

3 應(yīng)用驗(yàn)證

系統(tǒng)構(gòu)建完成后，將某型號雷達(dá)的固態(tài)功放組件運(yùn)行于自動(dòng)測試系統(tǒng)，以驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性及準(zhǔn)確性。本文隨機(jī)選取一只組件進(jìn)行部分測試參數(shù)的手、自動(dòng)測試對比，結(jié)果如表2和表3所示。

表3 脈沖寬度測試對比

表中可以看出手/自動(dòng)測試結(jié)果基本一致，誤差滿足系統(tǒng)預(yù)設(shè)定指標(biāo)。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一款高功率固態(tài)功放組件自動(dòng)測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以兼容多波段雷達(dá)測試需求。經(jīng)過在某型號雷達(dá)上的長期使用對比，可將一只功放組件的測試時(shí)間從半小時(shí)縮短至五分鐘。這一提升大大簡化了調(diào)測工作的煩瑣程度，同時(shí)提升了測試準(zhǔn)確性，避免了人為的操作失誤，對裝備研制生產(chǎn)具有重大意義。