茹東生，周鵬，陶東香，閆婕妤

（1.海軍航空工程學(xué)院青島分院，山東青島 266041；2.海軍司令部第四部，北京 100161）

機(jī)載電子設(shè)備ATE微波控制器設(shè)計(jì)與研制

茹東生1，周鵬1，陶東香1，閆婕妤2

（1.海軍航空工程學(xué)院青島分院，山東青島 266041；2.海軍司令部第四部，北京 100161）

為實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載電子設(shè)備ATE各種射頻線路的自動(dòng)控制與連接，設(shè)計(jì)研制一套數(shù)字I/O控制的機(jī)載電子設(shè)備ATE微波控制器。簡(jiǎn)要介紹ATE微波控制器總體設(shè)計(jì)方案，根據(jù)ATE微波控制器射頻控制的實(shí)際需求，闡述微波控制器硬件結(jié)構(gòu)和調(diào)理電路，詳細(xì)舉例說(shuō)明軟件控制編碼設(shè)計(jì)方法。實(shí)踐表明：該微波控制器射頻傳輸損耗小，微波開(kāi)關(guān)切換精準(zhǔn)可靠，滿足ATE系統(tǒng)對(duì)微波控制器射頻儀器資源與被測(cè)射頻設(shè)備射頻連接的具體需求。

射頻測(cè)試；自動(dòng)測(cè)試設(shè)備；射頻控制；微波開(kāi)關(guān)；被測(cè)設(shè)備

0 引言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)載電子設(shè)備數(shù)字化、集成化程度越來(lái)越高，設(shè)備功能、性能快速提升，設(shè)備信號(hào)的頻率和占用帶寬也在逐漸提高和展寬。當(dāng)前大型機(jī)載電子設(shè)備的測(cè)試與故障診斷系統(tǒng)采用較多的是ATE[1]。按ATE測(cè)試信號(hào)頻率高低不同，ATE測(cè)試包括低頻測(cè)試、視頻測(cè)試、高頻測(cè)試、射頻測(cè)試等。這些測(cè)試在不同頻率段測(cè)試手段和方法差異很大。由于受到射頻信號(hào)傳輸衰減和自動(dòng)轉(zhuǎn)接可靠性等因素的影響，射頻測(cè)試一直是ATE系統(tǒng)整體性能測(cè)試的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。

射頻測(cè)試時(shí)一項(xiàng)關(guān)鍵性的工作是用測(cè)試電纜將測(cè)試儀器和測(cè)試資源連接起來(lái)。傳統(tǒng)的射頻接線方法是直接連接，完成測(cè)試信號(hào)的注入或提取[2]。這種連接僅限于測(cè)試資源極少且測(cè)試資源與被測(cè)儀器之間是一對(duì)一不變的連接方式。然而由于被測(cè)設(shè)備種類、型號(hào)眾多，要用ATE有限的測(cè)試資源實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)設(shè)備的射頻性能測(cè)試，如果采用傳統(tǒng)直接連接的方法，必須經(jīng)常拆卸大量測(cè)試射頻電纜。這種頻繁拆卸測(cè)試射頻電纜的方法不僅會(huì)影響電纜的使用壽命[3]，甚至造成一些測(cè)試儀器射頻輸入/輸出頭的接觸不良，會(huì)影響ATE測(cè)量精度，繼而造成故障診斷的誤判。本文設(shè)計(jì)一種微波控制器，使得被測(cè)射頻設(shè)備與測(cè)試資源通過(guò)程控的方式自動(dòng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的自動(dòng)切換。

1 微波控制器的總體設(shè)計(jì)和硬件組成

1.1 微波控制器的總體設(shè)計(jì)

為提高ATE射頻測(cè)試的靈活性和穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了一種基于VXI儀器數(shù)字I/O控制的微波控制器。微波控制器工作原理方框圖如圖1所示。圖1中，ATE的核心是工控機(jī)[4]，負(fù)責(zé)ATE系統(tǒng)軟件測(cè)試與控制。為了保證測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用于特殊測(cè)試環(huán)境的能力，工控機(jī)采用定制的研華加固筆記本，由內(nèi)部接口卡完成對(duì)ATE系統(tǒng)各種VXI模塊儀器的控制。VXI機(jī)箱采用13槽C尺寸VXI主機(jī)箱1261B，工控機(jī)與VXI零槽控制器E8491B之間通過(guò)IEEE1394-VXI總線進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)工控機(jī)對(duì)VXI各種模塊的程控。數(shù)字I/O模塊采用VM1548-3型數(shù)字I/O模塊，置于機(jī)箱第4槽，通過(guò)VMIP接口實(shí)現(xiàn)數(shù)字I/O模塊與VXI機(jī)箱連接和控制。

圖1 微波控制器工作原理方框圖

微波控制器由調(diào)理電路、開(kāi)關(guān)電源、微波開(kāi)關(guān)組、各種微波測(cè)試資源及被測(cè)設(shè)備公共射頻端口和其相應(yīng)的各種射頻線纜組成。微波控制器采取軟件控制的方式實(shí)現(xiàn)被測(cè)設(shè)備射頻公共端口（COM）和測(cè)量?jī)x器之間進(jìn)行快速的自動(dòng)通路切換和組合。

1.2 微波控制器的重要硬件組成

微波控制器通過(guò)VM1548實(shí)現(xiàn)軟件對(duì)控制器硬件電路的自動(dòng)控制。VM1548-3是VXI公司的一款高性能TTL數(shù)字I/O模塊，具有高數(shù)據(jù)通過(guò)率和靈活控制的特點(diǎn)。該模塊具有J200、J201和J202三個(gè)68針的數(shù)字I/O接線端口。其中J200、J201端口共96路數(shù)字I/O連接到ATE的陣列接口ICA，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)ATE外接測(cè)試設(shè)備的控制。J202端口的48路數(shù)字I/O用于實(shí)現(xiàn)對(duì)微波控制器的程控。J202端口具有6組8位輸入/輸出端口，每組8位端口可配置為輸入或輸出。模塊供電為+5V/2.06A及-5.2V/0.5A，VXI機(jī)箱內(nèi)部的冷卻裝置可以完成模塊工作時(shí)的有效散熱。數(shù)據(jù)輸出特征是Vout（高電平）＞3.1V/15mA； Vout（低電平）＜0.55V/64mA。這個(gè)數(shù)據(jù)輸出特征表明，若直接用數(shù)字I/O的高電平驅(qū)動(dòng)微波開(kāi)關(guān)或繼電器開(kāi)關(guān)，必須考慮其驅(qū)動(dòng)電流的負(fù)荷承受能力[5-6]，否則，可能造成數(shù)字I/O模塊的損壞。

微波控制器硬件組成框圖如圖2所示。在數(shù)字I/O的控制下，微波控制器通過(guò)微波開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)射頻端口的自動(dòng)切換[7]。微波開(kāi)關(guān)應(yīng)選擇隔離度大、插入損耗小、可靠性高的同軸開(kāi)關(guān)[8]。圖2中，微波開(kāi)關(guān)K1和K2為上海華湘的SHX-801001-F-S單刀雙擲同軸開(kāi)關(guān)，該微波同軸開(kāi)關(guān)的主要優(yōu)點(diǎn)是允許通過(guò)的微波功率較大，適用于26.5GHz以下射頻信號(hào)的傳輸。Agilent同軸開(kāi)關(guān)插損小于0.6 dB，相鄰?fù)ǖ栏綦x度大于35 dB，駐波比在使用頻段小于1.8，具有500萬(wàn)次以上的高可靠性通斷操作，采用16英寸扁平電纜和DIP連接器24V供電，適用頻率DC～50GHz，動(dòng)作速度快（20ms含接觸時(shí)間），克服了一般同軸開(kāi)關(guān)切換慢的問(wèn)題[9]。因此微波控制器在信號(hào)切換的主要通道上選用性能更為優(yōu)越的Agilent射頻單極性多端同軸開(kāi)關(guān)，用以保證射頻測(cè)量的精度。Agilent同軸開(kāi)關(guān)中K3為8767型單刀四擲同軸開(kāi)關(guān)，K4、K5、K6為8766型單刀三擲同軸開(kāi)關(guān)。Agilent射頻同軸開(kāi)關(guān)存在射頻信號(hào)功率耐受性較差的缺點(diǎn)，其最大射頻輸入平均功率小于1W，峰值功率小于100W（10ms脈寬），因此，在微波測(cè)試時(shí)需要與華湘的微波同軸開(kāi)關(guān)相配合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。在較大功率的射頻信號(hào)測(cè)量時(shí)，設(shè)計(jì)有一個(gè)250W的30 dB射頻衰減器，對(duì)信號(hào)的功率進(jìn)行衰減，用于保護(hù)后面的Agilent同軸開(kāi)關(guān)和測(cè)試資源儀器。

圖2 微波開(kāi)關(guān)射頻電纜連接示意圖

ATE射頻測(cè)試儀器包括電臺(tái)模擬器、雷達(dá)綜測(cè)儀、射頻信號(hào)源、射頻功率計(jì)、頻譜分析儀5種測(cè)試資源，預(yù)留3個(gè)被測(cè)各種機(jī)載電子設(shè)備公共射頻測(cè)試口COM1、COM2、COM3。因此，實(shí)際使用時(shí)，微波控制器通過(guò)對(duì)K1～K5微波同軸開(kāi)關(guān)的程控，依據(jù)測(cè)試設(shè)備射頻測(cè)試需求，用射頻電纜將電臺(tái)模擬器等5種射頻測(cè)試資源分別與各種電子設(shè)備公共射頻測(cè)試口切換連接。

1.3 典型調(diào)理電路設(shè)計(jì)

上海華湘的SHX-801001-F-S單刀雙擲同軸開(kāi)關(guān)采用TTL高電平驅(qū)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)電流僅為0.18mA，因此無(wú)需調(diào)理電路，直接采用數(shù)字I/O驅(qū)動(dòng)即可。Agilent同軸開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電流大于10mA，且需要低電平控制，因此對(duì)Agilent同軸開(kāi)關(guān)需要設(shè)計(jì)調(diào)理電路進(jìn)行控制，每路輸出的數(shù)字I/O線應(yīng)對(duì)應(yīng)一個(gè)調(diào)理電路。調(diào)理電路的典型應(yīng)用電路如圖3所示。

圖3 調(diào)理電路典型應(yīng)用電路

圖3中R1為3.3kΩ，R2為2.2kΩ，T1為2SD668，D1為IN4148。這種調(diào)理電路完成控制信號(hào)的高低電平轉(zhuǎn)換，增強(qiáng)了Agilent開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)降低了對(duì)數(shù)字I/O的驅(qū)動(dòng)需求，數(shù)字I/O模塊的使用安全性、可靠性得到提高。

2 微波開(kāi)關(guān)的軟件控制編碼設(shè)計(jì)

來(lái)自VM1548模塊的第3個(gè)端口J202對(duì)微波控制器各同軸開(kāi)關(guān)進(jìn)行編碼控制。J202共有6組數(shù)字I/O，每組包括DATA x.0～DATA x.7及I/O控制針和一個(gè)外接時(shí)鐘CLK控制針。Agilent 8766、8767射頻同軸開(kāi)關(guān)和上海華湘的SHX-801001-F-S單刀雙擲同軸開(kāi)關(guān)組組合的微波控制器需要一系列的正確電平驅(qū)動(dòng)，才能完成某一測(cè)試儀器到某一COM端的射頻連接。因此需要對(duì)每一種連接進(jìn)行正確的軟件控制編碼設(shè)計(jì)。上海華湘單刀雙擲同軸開(kāi)關(guān)控制比較簡(jiǎn)單，圖2中，當(dāng)在K1、K2控制端加TTL高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)動(dòng)作，其公共端與NO端相連，否則與NC端相連。Agilent 8766、8767射頻同軸開(kāi)關(guān)則端口控制比較復(fù)雜，其端口選擇控制如表1所示。

需要注意的是Agilent 8766、8767射頻同軸開(kāi)關(guān)帶有記憶功能，因此為了防止對(duì)微波開(kāi)關(guān)的誤操作，在測(cè)試前應(yīng)對(duì)Agilent 8766、8767射頻同軸開(kāi)關(guān)進(jìn)行復(fù)位操作。控制Agilent 8766、8767射頻同軸開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)來(lái)自調(diào)理電路。上海華湘單刀雙擲同軸開(kāi)關(guān)不是調(diào)理電路控制而是數(shù)字I/O直接驅(qū)動(dòng)的，因此K1、K2開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)數(shù)字I/O針需要與控制調(diào)理電路的數(shù)字I/O針統(tǒng)一進(jìn)行軟件控制編碼設(shè)計(jì)。以電臺(tái)模擬器不經(jīng)30 dB衰減與COM1相連為例，說(shuō)明微波開(kāi)關(guān)的軟件控制編碼設(shè)計(jì)方法。圖2中，射頻信號(hào)傳輸流程是電臺(tái)模擬器→K3（2）→K2（NO）→K1（NO）→COM1。用到的開(kāi)關(guān)包括K1、K2、K3。假設(shè)這3個(gè)開(kāi)關(guān)使用J202的一通道的8位數(shù)字I/O，其中K1為GPR1_Data0，K2為GPR1_Data1，K3共有GPR1_Data2～GPR1_Data7的6根控制線，則GPR1的軟件控制編碼為11011010，其他數(shù)字I/O的通道可以恢復(fù)默認(rèn)值10101010。以上控制編碼按照被測(cè)設(shè)備的測(cè)試任務(wù)通過(guò)Atlas語(yǔ)言打包編寫在控制軟件中實(shí)現(xiàn)對(duì)微波控制器的程控。

表1 微波開(kāi)關(guān)射頻端口選擇控制表1）

3 微波控制器調(diào)試與測(cè)試結(jié)果

在結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)上，將電源控制器內(nèi)部分成兩個(gè)區(qū)，一個(gè)是包括K1～K6的微波開(kāi)關(guān)區(qū)（前半部分），另一個(gè)則是開(kāi)關(guān)電源和調(diào)理電路區(qū)（后半部分）。射頻電纜采用定制的半剛性射頻電纜。這種安裝設(shè)計(jì)具有拆裝維護(hù)方便、射頻傳輸效率高和抗干擾性能好的優(yōu)點(diǎn)。安裝后可以利用開(kāi)關(guān)電源上的+5V和地對(duì)開(kāi)關(guān)電源按照控制編碼進(jìn)行逐端口和線路的控制調(diào)試。調(diào)試過(guò)程可以采用萬(wàn)用表測(cè)線路導(dǎo)通的方式進(jìn)行。調(diào)試中在未加控制時(shí)，COM1和雷達(dá)綜測(cè)儀對(duì)地電阻只有50.2Ω，原因是接有的30dB衰減器匹配負(fù)載阻值是50.2Ω。其他微波開(kāi)關(guān)線路在控制編碼的要求的電平控制下進(jìn)行不同接口的轉(zhuǎn)換操作，并通過(guò)萬(wàn)用表檢驗(yàn)其導(dǎo)通情況。實(shí)測(cè)各路的導(dǎo)通電阻阻值均為0Ω，符合設(shè)計(jì)要求。調(diào)理電路單路輸入電流1.95mA，大大低于單路數(shù)字I/O的15mA輸出能力值，降低了對(duì)數(shù)字I/O的驅(qū)動(dòng)需求，數(shù)字I/O模塊的使用安全性、可靠性得到提高。同時(shí)，調(diào)理電路提供的微波開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電流最大可達(dá)130mA，完全滿足Agilent微波開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)。Agilent微波開(kāi)關(guān)不同端口的接通轉(zhuǎn)換時(shí)間在ms級(jí)，滿足系統(tǒng)對(duì)微波開(kāi)關(guān)動(dòng)作精準(zhǔn)及快捷的要求。在手動(dòng)調(diào)試通過(guò)后，通過(guò)工控機(jī)對(duì)數(shù)字I/O的程控檢驗(yàn)與手動(dòng)調(diào)試的控制效果相同。調(diào)試結(jié)果表明，微波控制器能夠在預(yù)定的編碼控制下，正確完成各種微波開(kāi)關(guān)的通斷控制，完全滿足自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)微波控制器的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)ATE數(shù)字I/O模塊輸出特點(diǎn)及微波控制器射頻信號(hào)和資源切換連接的具體需求，合理選擇兩種型號(hào)的Agilent微波開(kāi)關(guān)和一種華湘微波開(kāi)關(guān)，選擇定制的射頻衰減器和射頻電纜，可以保證按照預(yù)定方案精準(zhǔn)控制微波開(kāi)關(guān)的通斷，同時(shí)保證微波控制器總體插入損耗和駐波比等指標(biāo)控制在合理且明確的范圍內(nèi)。文章設(shè)計(jì)各種射頻線路連接方法靈活多樣，可以滿足測(cè)試資源與被測(cè)機(jī)載電子設(shè)備射頻端口自動(dòng)連接要求，極大地提高射頻測(cè)試效率。微波控制器的設(shè)計(jì)方案還可以很容易地移植到PLC控制的系統(tǒng)中[10]，同樣可以完成微波控制器的程控任務(wù)，具有很強(qiáng)的設(shè)計(jì)使用靈活性和推廣應(yīng)用前景。

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Design and development of ATE m icrowave controller for airborne electronic equipment

RU Dong-sheng1，ZHOU Peng1，TAO Dong-xiang1，YAN Jie-yu2
（1.Qingdao Branch，Navy Aeronautical Engineering College，Qingdao 266041，China；
2.No.4 Branch，Navy Commander Department，Beijing 100161，China）

In order to realize the automatic control and connection of various RF circuit of airborne electronic equipment ATE，an ATE microwave controller of airborne electronic equipment controlled by digital I/O is designed.According to the actual demand of RF controlling by ATE microwave controller，the ATE microwave design scheme of the controller is briefly introduced，the hardware structure and conditioning circuit of the microwave controller is elaborated，and the coding design method of software control is detailed illustrated.The practical results show that the RF transmission loss of microwave controller is small，the operation of the microwave switches acts precisely and reliably，the specific connection needs of the ATE system has been fully met for microwave controller RF equipment resources and measured RF equipment.

RF measurement；ATE；RF controlling；microwave switch；measured equipment

TP206+.3；TN62；TP271+.4；V243

A

1674-5124（2013）03-0070-03

2012-05-25；

：2012-07-14

茹東生（1967-），男，山西臨汾市人，副教授，碩士，研究方向?yàn)槔走_(dá)設(shè)備教學(xué)與電子技術(shù)應(yīng)用。