呂　楊　王團結(jié)　李　兵　任鵬宇　肖　秋

(西安電子工程研究所　西安　710100)

0　簡介

雷達相控陣天線具有幾十甚至數(shù)百個T/R組件。T/R組件包含微波開關(guān)、功率放大器、低噪聲放大器、移相器、電源，饋電網(wǎng)絡(luò)等部分，結(jié)構(gòu)和電路功能較為復(fù)雜，其性能對整個雷達的技戰(zhàn)術(shù)指標都會有重大影響，是相控陣雷達的關(guān)鍵部分。傳統(tǒng)的T/R組件測試采用人工進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，手工記錄測量數(shù)據(jù)，測量過程特別復(fù)雜，更由于頻點多、參數(shù)多、數(shù)量多導(dǎo)致測試量巨大的現(xiàn)實問題。

本文采用通用儀表，配合微波開關(guān)系統(tǒng)及必要的適配器接口，節(jié)約大量成本，建立適合雷達T/R組件的測試方法和自動測試軟件，達到了高效簡化測試、降低測試時間和人力、規(guī)范化測量流程、提高測試質(zhì)量的目的。

1　系統(tǒng)組成

系統(tǒng)根據(jù)某雷達型號的T/R組件成品的測量要求，確定測量方案。測量參數(shù)包括發(fā)射相位和增益、接收相位和增益、發(fā)射功率、前后沿、頂降、噪聲系數(shù)等參數(shù)。由測量方案確定的測量設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)分析儀、功率計、噪聲系數(shù)儀、脈沖信號發(fā)生器等儀表。儀表的型號根據(jù)頻段要求、總線形式、參數(shù)功能等要求進行確定。由于測量項目、數(shù)量，以及連接數(shù)量巨大，為減少連接耗時，實現(xiàn)真正意義的自動測量，設(shè)計了專用微波開關(guān)系統(tǒng)。通過微波開關(guān)的組合應(yīng)用可以解決二十路組件的切換，測量儀表的切換，組件相移的切換等問題。

測量系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2　硬件設(shè)計

該系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要集中在微波開關(guān)系統(tǒng)上。為了在測量中最大程度的自動化，微波開關(guān)系統(tǒng)需要完成組件的切換、組件的功能控制、測量連接的切換。這樣就使得在每組20個組件在測量中，在可以基本不需拆卸電纜等人為干預(yù)的情況下完成所有參數(shù)和組件的測量，提高自動化程度，從而達到提高測量效率和質(zhì)量的目的。

2.1　微波開關(guān)

微波開關(guān)系統(tǒng)以串口控制，其中串口定義如表1所示。串口設(shè)置為比特率：19200；數(shù)據(jù)位：8位；停止位：1位；校驗位：odd(奇校驗)；流控制：none；DTR,RTS有效；HEX發(fā)送，HEX顯示；該開關(guān)系統(tǒng)還可對TR組件進行控制，包括對組件收發(fā)通道的控制和對移相的控制。一列共10個組件，每個組件上有3個端口XS01、XS02、XS04，分別為“接收信號輸出端”“發(fā)射信號輸入端”“收發(fā)共用端口”。

表1串口定義

串口數(shù)據(jù)定義完成功能十六進制D7D6D5D4D3D2D1D0數(shù)據(jù)無效無任何功能00～3F00XXXXXXTR移相數(shù)據(jù)關(guān)閉收發(fā)電源打開收發(fā)電源移相狀態(tài)位40～5F60～7F010XXXXX011XXXXX011P4P3P2P1P0通道選擇通道通道狀態(tài)位80～9F100XXXXX100C4C3C2C1C0測試功能選擇發(fā)射相位C011000000發(fā)射功率C111000001接收相位C211000010接收噪聲C311000011

系統(tǒng)控制計算機以上述定義，通過串行總線對開關(guān)系統(tǒng)發(fā)出指令，完成被測20個組件的切換控制、組件幾十個移相控制、組件收發(fā)狀態(tài)的控制等。

2.2　適配器組

在測量T/R組件的發(fā)射狀態(tài)時，這里巧妙地借用了網(wǎng)絡(luò)分析儀的源輸出，省去了信號源的介入，信號經(jīng)過組件后，由于發(fā)射功率很高，不能直接接至儀表，我們設(shè)計了一組由定向耦合器組成的適配器組，根據(jù)耦合度吸收的功率，再計算實際功率值。

3　軟件設(shè)計

3.1　程序結(jié)構(gòu)

該測量系統(tǒng)的程序部分，包括了設(shè)備驅(qū)動程序(微波開關(guān)及組件驅(qū)動、網(wǎng)絡(luò)分析儀驅(qū)動、功率計驅(qū)動、噪聲系數(shù)儀驅(qū)動)、檢測功能程序(發(fā)射相位及增益、接收相位及增益、發(fā)射功率及脈沖、接收噪聲系數(shù))、系統(tǒng)設(shè)置程序、數(shù)據(jù)校準程序、測量報告程序等。程序中涉及儀表功能及組件較多，程序結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計較為復(fù)雜。通過整理和優(yōu)化，利用LabVIEW平臺下靈活且可視的模塊化設(shè)計，將程序設(shè)計成簡潔易讀且易于維護的形式。

由于引入了微波開關(guān)系統(tǒng)，增加了電纜連接和轉(zhuǎn)接過程，產(chǎn)生了插損和相移。在測量開始前需要對每個測量通道進行校準，主要包括功率計校準、噪聲儀校準、接收通道校準、發(fā)射通道的校準。校準數(shù)據(jù)保存于控制器中，用于后期測量結(jié)果處理。程序結(jié)構(gòu)如圖3所示：

其中檢測程序的測量流程是嚴格按照被測件交付驗收方法和要求進行設(shè)計，使得測量結(jié)果符合實際測量應(yīng)用，經(jīng)過驗證即可投入使用。

3.2　數(shù)據(jù)校準

由于系統(tǒng)中含有眾多微波開關(guān)和大量連接線纜，引入了測量偏差必須經(jīng)過校準修正后方可使用。大量的連接線纜和通道數(shù)，使得在測量前不可能進行反復(fù)校準，因此這里采用了一次校準多次測量的方法。在所有通道的測量線纜不變的前提下，首先對接收和發(fā)射各個通道逐一自動進行包括幅度和相位的直通校準，并將每條校準曲線進行保存。在每次測量時只需對儀器本身進行一次普通校準即可。

本系統(tǒng)S21參數(shù)測量會產(chǎn)生大量的測量文件，以10通道TR組件30次相移為例，每通道因相移產(chǎn)生31個文件，共十個通道，即310個文件，發(fā)射和接收合起來就會共產(chǎn)生620個文件。因此文件的取名需要規(guī)定。

校準數(shù)據(jù)文件名規(guī)范：Cal_T/R(發(fā)射/接收)_ChannelN_Amp/Phase(幅度/相位)

例如：發(fā)射狀態(tài)通道1相位校準該文件起名為Cal_T_Channel1_Phase；接收狀態(tài)通道1幅度校準文件起名為Cal_R_Channel1_ Amp。這樣命名的優(yōu)勢在于，有利于模塊化編程形式且便于修改和查找。

在測量程序中，只需找到對應(yīng)通道的校準數(shù)據(jù)文件，對應(yīng)不同的頻率，對實測幅度和相位數(shù)據(jù)加以修正。

3.3　參數(shù)測量

T/R組件需要測量的參數(shù)很多，其主要參數(shù)包括發(fā)射或接收相位和增益測量、發(fā)射功率、前后沿、頂降、噪聲系數(shù)等。

3.3.1發(fā)射或接收相位和增益自動測量

測量時，令矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀工作在脈沖測試狀態(tài)，測發(fā)射或接收通道的S21的相位和幅度。連接好待測的20組T/R組件，自動選擇所測T/R組件的通道，分別測量發(fā)射相位和增益。測量時，從相位為0開始測量，然后相位依次為1、2……m。一組相位和增益測量完畢后，再選擇下一個通道，以此類推，直至測量完所有通道。測量數(shù)據(jù)經(jīng)過與前面保存的校準數(shù)據(jù)進行計算后，處理過的數(shù)據(jù)保存在測量數(shù)據(jù)文件中。測量文件由于數(shù)量很大，也制定了命名規(guī)范如下：

(發(fā)射/接收)(X通道)_(相位/幅度)_相位偏移.后綴

例如：T1_Phase_P0.prn，T1_Amp_P0.prn

T1_Phase_P1.prn, T1_Amp_P1.prn

……

T1_Phase_Pm.prn，T1_Amp_Pm.prn

以上為發(fā)射1通道，相移從1至m的相位和幅度的測量數(shù)據(jù)文件名。

3.3.2發(fā)射功率、前后沿、頂降等自動測量

測量時，令矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀工作在脈沖測試狀態(tài)。連接被測組件經(jīng)過耦合器組接至微波開關(guān)系統(tǒng)再至功率計。將校準曲線中對應(yīng)的該頻率的校準數(shù)據(jù)作為功率計的OFFSET數(shù)據(jù)，矢網(wǎng)作為射頻輸出，保證在有射頻輸出的掃描時間內(nèi)，測出脈沖內(nèi)功率的最大值(或上升沿后1us處的值)，最小值(或下降沿前1us處的值)，以及上升沿時間，下降沿時間，頂降，并保存測量數(shù)據(jù)；改變到下一個工作頻率，將校準曲線中該頻率對應(yīng)的校準數(shù)據(jù)作為功率計的OFFSET數(shù)據(jù)。依次類推將所有的頻率點測量完，再切換T/R組件通道，保存數(shù)據(jù)表格文件。

功率測量保存文件命名方式

T1_POWER_F1 ……T1_POWER_Fn

T2_POWER_F1 ……T2_POWER_Fn

……

Tm_POWER_F1 ……Tm_POWER_Fn

3.3.3噪聲系數(shù)自動測量

該測量相對簡單，微波開關(guān)與被測件及儀表連接不作任何更改，設(shè)置組件工作在接收狀態(tài)，然后分別對各通道分別測量噪聲系數(shù)，并保存測量結(jié)果。噪聲系數(shù)參數(shù)測量產(chǎn)生少量的測量文件，規(guī)定了測量文件名。例如 CH1_NIOSE……CHX_NIOSE

3.4　程序優(yōu)化

在測試系統(tǒng)中，其主要功能以參數(shù)測量為主，在軟件設(shè)計之初，根據(jù)需求分析規(guī)劃出所有的功能模塊?；竟δ苣K包括頻率、功率測量，相位測量，噪聲系數(shù)測量，脈沖參數(shù)測量等，另外，還有測量校準功能，儀表設(shè)置功能等。

3.4.1模塊劃分

軟件按照功能，將功能類似或流程類似的功能合并，從頂層劃分模塊，用以封裝不同的子程序，各模塊功能劃分如下。

3.4.2參數(shù)測量模塊與接口定義

參數(shù)測量的幾個模塊雖然測量的參數(shù)不同，流程也不同，但其與主程序的交換數(shù)據(jù)卻是基本一致的，因此可以將這幾個模塊進行統(tǒng)一定義，模塊接口如表2所列。這樣規(guī)定之后,可由不同的設(shè)計師完成不同的模塊，完成之后每一個模塊可以快捷方便的與主程序銜接。

表2

接口名稱變量形式數(shù)據(jù)類型儀器地址StringVISAstring儀器狀態(tài)ClusterDouble頻率點、頻率索引、技術(shù)指標2DArrayDouble(國際單位)測試端口、狀態(tài)StringString錯誤輸入errorinCluster…錯誤輸出erroroutCluster…測試結(jié)果(無接口寫入文件)2DArrayDouble項目信息ClusterString

3.4.3數(shù)據(jù)庫定義

在設(shè)計該軟件之前，設(shè)計師希望能將軟件設(shè)計成為不同的項目能夠通用的操作軟件，因此在這里專門設(shè)置了導(dǎo)入項目信息的模塊。由它產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)庫，保存在電腦中。操作人員使用前，只需進行項目選擇，就可以進行不同項目的自動測試。

該數(shù)據(jù)的設(shè)計最為關(guān)鍵，這里利用office Excel作為數(shù)據(jù)庫源，每一個表單為一個項目，項目名稱即為表單名稱等。 表單“列”為頻點數(shù)量等內(nèi)容，“行”為參數(shù)內(nèi)容。內(nèi)容是經(jīng)過需求分析得到的參數(shù)集合。

表3

測試方式全部頻點通道選擇儀表1參數(shù)設(shè)置儀表2參數(shù)設(shè)置儀表3參數(shù)設(shè)置儀表4參數(shù)設(shè)置接收狀態(tài)F1—Fn1組CFXXXXXX12組SpanXXXXXX1…PiontXXXXXX110組AmplitudeXXXXXX……20組…………

表3(續(xù)表)

為避免設(shè)計師提出進一步功能要求時對程序結(jié)構(gòu)的顛覆，程序中運用了事件結(jié)構(gòu)。事件結(jié)構(gòu)是捕獲用戶事件的最佳方式。只有在收到操作系統(tǒng)注冊事件時，GUI 事件處理循環(huán)才會執(zhí)行，平時他們處于休眠狀態(tài)，不占用處理器時間。這比在一個循環(huán)中加條件選擇更有效，響應(yīng)會更敏捷。同時在界面菜單中有很多預(yù)留選項，為軟件功能擴展提供方便。

LabVIEW內(nèi)存分配由四部分組成：Front panel、Block diagram、Data space、Code，優(yōu)化的高效的LabVIEW應(yīng)用程序會盡量節(jié)省內(nèi)存分配空間?！癋ront panel and block diagram”內(nèi)存區(qū)域分別存儲前面板和程序框圖的圖形或圖像。高效的LabVIEW程序執(zhí)行速度非常快，因為它不會執(zhí)行冗余操作，尤其是會在循環(huán)中反復(fù)執(zhí)行的操作。通過以上的設(shè)計，主程序大幅瘦身，程序框圖簡潔明了，層次分明，可維護性、可讀性顯著增強。由于統(tǒng)一了模塊定義，不同的模塊可以快速集成。不僅避免了牽一發(fā)而動全局的危險，而且代碼冗余能減少60%以上。

4　結(jié)束語

本系統(tǒng)在測量中會產(chǎn)生大量的測量文件。舉例來說，如果10通道TR組件有30次相移，每通道因相移產(chǎn)生30個文件，共十個通道，即300個文件，發(fā)射和接收合起來就會共產(chǎn)生600個文件。功率參數(shù)會產(chǎn)生300個文件，噪聲系數(shù)10個文件。合起來每10組TR組件就能產(chǎn)生910個測量文件，如果雷達有100個這樣的組件，僅常溫條件測試完，會產(chǎn)生9100個文件。這樣的數(shù)據(jù)是海量的，對于傳統(tǒng)測量難以完成。

本系統(tǒng)集成了通用儀表、微波矩陣開關(guān)等設(shè)備，結(jié)合先進的軟件設(shè)計方法，可實現(xiàn)了10至20路TR組件的多參數(shù)自動測量；采用軟件控制下的分步測量計算處理的校準方法，解決了網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)的校準問題；采用了模塊化軟件設(shè)計標準方法，簡化了程序結(jié)構(gòu)，規(guī)范了數(shù)據(jù)保存形式。通過自動測量系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)自動測量，大大縮短了測試時間，大幅提高了效率。

另外，本系統(tǒng)無需除微波開關(guān)與定向耦合器組外，無需更多的專用測試設(shè)備，組健靈活，成本低、開發(fā)時間短，易于系統(tǒng)擴展，且便于量值溯源，對于雷達組件的研發(fā)與調(diào)試階段非常實用。

參考文獻:

[1]劉文彥. 現(xiàn)代測試系統(tǒng)[M]. 長沙: 國防科技大學(xué)出版社. 1995.

[2]矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀8363B編程手冊, Agilent公司.ED

[3]LabVIEW高級編程技巧, NI公司.

[4]The LabVIEW Style Book, NI公司.

[5]LabVIEW 8.5助力大型應(yīng)用程序的開發(fā), 周斌, NI公司.

[6]LABVIEW ADVANCED PROGRAMMING TECHINIQUES Rick Bitter, Taqi Mohiuddin， Matt Nawrocki.