馬勇+譚紅芳+肖韻

摘 要 毫米波固態(tài)功放由于頻段高，接口為波導，人工測試存在測試時間長，測試重復性差的問題，往往不能滿足批量檢測的需要。本系統(tǒng)以Visual C++為軟件平臺，通過GPIB接口總線實現(xiàn)工控機與測試儀器間的通訊、控制，設(shè)計專用的測試夾具，可一次實現(xiàn)8個固態(tài)功放的批量自動測試。該系統(tǒng)實現(xiàn)了通路校準數(shù)據(jù)管理、測試數(shù)據(jù)圖形化、表格化，大大提高了工作效率。

關(guān)鍵詞 固態(tài)功率放大器；SSPA；自動測試系統(tǒng)；批量測試

中圖分類號：TN722 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）20-0015-02

毫米波固態(tài)功放技術(shù)指標的測試，貫穿于固態(tài)功放研制、生產(chǎn)和維護各個階段。而固態(tài)功放需測試的技術(shù)指標繁多，采取傳統(tǒng)人工方法測試，往往需要1～2名工程師配合，同時操縱6～8臺儀器，功放接口為波導，頻繁拆卸測試電纜、更換測試接口，費時耗力。而測試時間過長，大功率器件在冷、熱狀態(tài)下的測試結(jié)果存在較大誤差。人為操作不當，會造成固態(tài)功放、甚至儀器設(shè)備的毀壞。

本文針對多個批量固態(tài)功放的同時測試，設(shè)計了專用的測試夾具，組建了自動測試系統(tǒng)。此系統(tǒng)基于Visual C++開發(fā)平臺，采用GPIB（IEEE 488.2）總線方式，實現(xiàn)工控機與測試儀器、毫米波夾具的通訊、控制，成功完成一次測試8個同類型固態(tài)功放的要求，并充分發(fā)揮計算機強大的數(shù)據(jù)處理能力，實現(xiàn)測試參數(shù)可視化、測試數(shù)據(jù)圖形化、表格化。相比傳統(tǒng)的人工測試，自動測試系統(tǒng)提高了工作效率、保證了測試過程安全、測試數(shù)據(jù)準確可靠，減少了大功率對測試人員的輻射，具有一定的通用性和可擴展性。

1 總體方案設(shè)計

毫米波固態(tài)功放自動測試系統(tǒng)的總體設(shè)計目的是用于毫米波固態(tài)功放的批量測試。該測試系統(tǒng)能一次測試8個同類型的固態(tài)功放，并完成以下技術(shù)指標的測試：輸出功率、增益、增益斜率、增益平坦度、三階交調(diào)、傳輸相位、輸入駐波比、漏極電壓值、功耗、調(diào)制電壓脈沖上升沿/下降沿、功率檢波信號的上升沿/下降沿等。

此自動測試系統(tǒng)由工控機（帶顯示器、鍵盤）、帶GPIB總線的毫米波臺式儀器、控制箱、毫米波夾具構(gòu)成?？紤]到大功率輻射問題，將需要人工操作或觀察的顯示器、鍵盤通過5米USB線與工控機相連，使操作人員處于相對安全區(qū)。

工控機是自動測試系統(tǒng)管理、功能調(diào)度及數(shù)據(jù)處理的核心。它配置有美國NI公司（美國國家儀器有限公司）生產(chǎn)的NI PCI-GPIB卡、PCI-6503卡，能完成對測試儀器、控制箱、夾具的控制和管理。工控機根據(jù)人機界面輸入的工作參數(shù)，確定被測功放工作類型，合理切換測試通道、配置測試儀器，設(shè)置測試儀器測試參數(shù)，完成整個測試過程。工控機內(nèi)配接有硬盤驅(qū)動器，可進行數(shù)據(jù)的存貯、輸出。

電源DH1765-2、電源6674A為被測功放供電。

任意波形發(fā)生器81150A、毫米波信號源E8257D為被測功放提供脈沖信號、連續(xù)波信號。

毫米波功率計1912A測量被測功放的輸出功率、功率檢波信號的上升沿/下降沿。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5244A測試被測功放的增益、增益斜率、增益平坦度、輸入駐波比、傳輸相位、三階交調(diào)。

示波器DSO5032A測量被測功放的漏極電壓、調(diào)制電壓脈沖上升沿/下降沿。

控制箱是固態(tài)功放測試儀器與毫米波夾具之間的信號連接裝置，主要完成加電、調(diào)制電壓輸入、調(diào)制電壓測試、漏極電壓測試的通路切換功能。

毫米波夾具是控制箱與被測功放之間的信號連接裝置，可提供射頻鏈路路程切換和加電選通功能，同時提供可靈活調(diào)整安裝8個被測功放的測試平臺，并具備為被測功放散熱的功能。

固態(tài)功放自動測試系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 固態(tài)功放自動測試系統(tǒng)組成圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 射頻鏈路的設(shè)計

本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于射頻鏈路的設(shè)計，即毫米波夾具的設(shè)計。

圖2 固態(tài)功放自動測試系統(tǒng)射頻鏈路示意圖

射頻鏈路由被測功放、波導線、波導開關(guān)、四端口耦合器、測試電纜、測試儀器組成，如圖2所示。被測Ka波段的固態(tài)功放正常工作，輸入功率至少要到達+25dBm，就目前測試儀器的技術(shù)發(fā)展來說，無法實現(xiàn)。因為大多數(shù)微波信號源在Ka波段的功率輸出，最大只能在+19dBm左右。為解決這一矛盾，在測試輸出功率這類技術(shù)指標時，我們考慮在被測功放與信號源之間加上前置驅(qū)動放大器，為此，如圖2所示，在夾具上預留前置驅(qū)動放大器的位置。系統(tǒng)內(nèi)所需的波導開關(guān)、波導線最高工作頻率可達40GHz；輸入開關(guān)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的波導開關(guān)承受功率到1W；輸出網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的波導開關(guān)承受功率高達50W；測試電纜采用40GHz穩(wěn)幅、穩(wěn)相電纜；采用的定向耦合器實現(xiàn)平均功率50W信號的耦合，提供4個耦合端口，耦合度為40dB±3 dB，預留耦合端3、耦合端4，作為擴展功能使用。用戶可根據(jù)將來測試需要，連接至噪聲分析儀，測試噪聲系數(shù)等。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

固態(tài)功放自動測試系統(tǒng)主要由控制機柜和毫米波夾具組成，如圖1所示。

控制機柜使用高1800深800的標準19英寸機柜。機柜內(nèi)所有設(shè)備和儀器均采用底部托盤支撐和左右安裝耳固定的方式安裝，以保證機柜在移動和搬運過程中，不損壞設(shè)備和儀器，增加系統(tǒng)的可靠性。同時機柜正面空隙處均安裝盲板，從而使控制機柜的整體整潔、美觀。

毫米波夾具主要由夾具平臺和車載平臺組成。夾具平臺使用鋁合金材料，表面黑色陽極氧化處理工藝。夾具平臺為滿足不同尺寸功放的測試要求，將輸出開關(guān)網(wǎng)絡(luò)固定安裝，輸入開關(guān)網(wǎng)絡(luò)三自由度移動設(shè)計。被測功放通過夾具與波導線相連后，固定在輸出開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的對應端口，再分別調(diào)整輸入開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的X、Y、Z軸調(diào)向手柄，當波導與輸入開關(guān)網(wǎng)絡(luò)對應端口對其后，擰入全部螺釘將波導口固定即完成被測功放的安裝和固定，能滿足尺寸不同、大小不一的毫米波固態(tài)功放的安裝。車載平臺主要實現(xiàn)夾具平臺的安裝和搬運。車載平臺由矩形鋼和鋼板焊接而成，表面噴漆保護。車載平臺底部安裝有4個帶剎車的萬向腳輪，便于移動和固定。endprint

2.3 測試通路校準設(shè)計

系統(tǒng)軟件可為用戶提供校準向?qū)?，可根?jù)提示，用戶使用相應適配器、電纜，系統(tǒng)會自動切換鏈路開關(guān)，實現(xiàn)增益、傳輸相位、三階交調(diào)、駐波的“一鍵校準”。

對于功率輸出的損耗補償，系統(tǒng)軟件也做了補償提示，用戶根據(jù)提示，連接好電纜，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的損耗測試功能，自動測試毫米波夾具損耗，自動導入數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)軟件在測試過程中，自動讀取損耗值，修正輸出功率測試值。

2.4 輸出功率測試設(shè)計

輸出功率測試是固態(tài)功放測試時所關(guān)心的重要指標之一。人們通常關(guān)心P-1dB（1dB壓縮點輸出功率）、P-2dB、P-3dB、P-4dB、P-5dB、P-6dB；工程上常以P-3dB、P-5dB近似認為功放飽和功率，即Psat。系統(tǒng)搭建的硬件平臺可提供給這一指標的測試方法有兩套：信號源與功率計結(jié)合的方式、采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀直接測試的方式。經(jīng)過測試分析得出：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀功率輸出精度較低，功率掃描過程快速，存在毀壞被測功放的危險；而信號源輸出功率精度較高、可小步進變化，掃描功率全程可控。因此，本系統(tǒng)采取微波信號源與功率計相結(jié)合的方式進行測試。

首先，手動填入被測固放工作參數(shù)、系統(tǒng)讀取功率范圍，點擊測試后，系統(tǒng)自動控制信號源輸出，以10dB為步進增大輸出功率，同時檢測功率計讀數(shù)。當功率計讀數(shù)大于或等于-30dBm時，以設(shè)置的輸出功率參考值減去功率計讀數(shù)，信號源的輸出功率值加上得到的差值，這樣可快速到達被測功放的輸出功率參考值。

以測試P-1dB為例，信號源以2dB為步進增大輸出功率，若增益絕對值在（0.9dB，1.1dB）內(nèi)，將功率計讀數(shù)加上損耗值，即得到P-1dB；若增益絕對值大于1.1dB，信號源回退2dB，采取1dB為步進增大輸出功率，若增益絕對值在（0.9dB，1.1dB）內(nèi)，得到P-1dB；若增益絕對值大于1.1dB，信號源回退1dB，采取0.1dB為步進增大輸出功率，若增益絕對值在（0.9dB，1.1dB）內(nèi)，得到P-1dB；可將誤差控制到±1dB。

P-2dB、P-3dB、P-4dB、P-5dB、P-6dB測試方法同上所述，此方法快速可行，每一項壓縮點所需時間嚴格把控在10s內(nèi)。

2.5 三階交調(diào)測試設(shè)計

按傳統(tǒng)測試方法測試三階交調(diào)這一指標時，需要兩臺信號源、3dB合成器、一臺頻譜儀，連接特別麻煩，測試步驟繁多。因此，本系統(tǒng)采用Agilent公司生產(chǎn)的新型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5244A，它內(nèi)置有兩個高質(zhì)量的激勵源和寬帶合路器，能有效滿足快速測試三階交調(diào)的需要。

首先，手動填入被測固放工作參數(shù)、系統(tǒng)讀取頻率范圍，雙音頻率間隔，點擊測試后，系統(tǒng)自動控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。矢網(wǎng)調(diào)用相應校準文件，使得矢網(wǎng)工作在Swept IMD狀態(tài)，選中Sweep fc，矢網(wǎng)固定雙音激勵信號的中心頻率和功率，掃描兩個單音信號的間隔，設(shè)置顯示IMD圖像軌跡，最后，運用MARKER功能，獲取相關(guān)頻點下的IMD值。此方法簡單，易于操作。

2.6 軟件設(shè)計

固態(tài)功放自動測試系統(tǒng)軟件運行環(huán)境為：Visual C++、數(shù)據(jù)庫：Microsoft Office Access 2003、辦公處理軟件：Microsoft Office2000。

此軟件根據(jù)用戶輸入的測試需求，控制測試儀器進行測試。最后采集并處理測試數(shù)據(jù)。它主要包括用戶管理模塊、測試條件輸入管理模塊、測試程序調(diào)用模塊、測試執(zhí)行生成模塊、測試數(shù)據(jù)管理模塊、資源配置管理模塊。

用戶管理模塊提供用戶身份的確認；測試條件輸入管理模塊提供圖形化的界面，由用戶填入測試需求；測試程序調(diào)用模塊結(jié)合測試條件輸入模塊生成需要的測試程序文件；測試執(zhí)行生成模塊根據(jù)用戶選擇的測試項目、自動測試，在測試過程中，可暫停、繼續(xù)、取消測試任務(wù)；測試數(shù)據(jù)管理模指使用數(shù)據(jù)庫技術(shù)管理測試任務(wù)、存貯測試數(shù)據(jù)；資源配置管理模塊實現(xiàn)儀器設(shè)備的添加、刪除、更換，編輯、修改儀器的GPIB地址信息等功能。

3 結(jié)束語

本測試系統(tǒng)對所有配置的測試儀器進行了程控，并將控制箱、毫米波夾具的插入損耗進行了修正，使得測試結(jié)果真實，可靠?，F(xiàn)已研制成功，并正式投入使用。在以后的測試中，系統(tǒng)可根據(jù)用戶需求，不斷完善，升級，滿足未來測試發(fā)展的需要。

參考文獻

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