,王鶴

(1.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041；2.航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094； 3.中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，航天任務(wù)需求日益復(fù)雜且多樣化，有效載荷產(chǎn)品已達到批量化生產(chǎn)規(guī)模，同時衛(wèi)星總體針對其載荷產(chǎn)品的處理和通信功能要求也越來越高，多端口微波組件得到了更廣泛的應(yīng)用[1-2]。隨之而來的是產(chǎn)品測試強度的不斷增大，針對不同微波部件的測試儀器、測試手段也不盡相同[3]，在測試儀器測試通路有限的情況下，傳統(tǒng)人工測試模式需要測試人員全程隨測，每測一項指標就需要手動更換測試端口，一套多端口微波組件產(chǎn)品測試完成需要耗費幾個小時，更換數(shù)十次端口，同時由于不斷地更換端口，每次人工旋緊接頭時可能有偏差，導(dǎo)致同款產(chǎn)品間測試的一致性不高測量精度差，這種測試模式已遠遠不能滿足需求。因此，必須采用通用化集成度高的自動測試系統(tǒng)來完成龐大的測試任務(wù)[4-5]。

本文設(shè)計了適用于不同衛(wèi)星載荷微波組件產(chǎn)品的高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，依托高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)這一主要單元搭建的自動測試系統(tǒng)，可實現(xiàn)衛(wèi)星載荷產(chǎn)品的全過程自動測試，解決傳統(tǒng)人工測試效率低且容易出錯的問題。

1 高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計

自主設(shè)計研發(fā)的高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)是自動測試系統(tǒng)的重要組成部分。高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)可以通過本地或上位機程序控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)中多個級聯(lián)同軸開關(guān)的通斷，實現(xiàn)被測件與測試儀器的聯(lián)通。由于所有被測件都是經(jīng)由開關(guān)網(wǎng)絡(luò)提供的擴展鏈路與測試儀器相連通的，可以說高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)性能指標的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個自動測試系統(tǒng)的測試精度，是整個系統(tǒng)的重難點[6]。因此如何在滿足實際測試需求的前提下，優(yōu)化設(shè)計高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)顯得尤為重要，在硬件部分將從鏈路、電路和結(jié)構(gòu)三個方面予以優(yōu)化。

1.1 高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)鏈路設(shè)計

通過查閱相關(guān)文獻及實驗室驗證可知，插入損耗作為微波射頻方面的一個關(guān)鍵性能指標，其指標的好壞與射頻鏈路的長度是線性相關(guān)的。同一路射頻信號，如果實際通過的射頻開關(guān)級數(shù)越多，鏈路的物理長度越長，其相應(yīng)的插入損耗等指標就會越大，整個鏈路的阻抗匹配性就會越差[7]。所以在高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的鏈路設(shè)計中要盡可能地減少開關(guān)級數(shù)，縮短射頻線纜的物理長度，優(yōu)化整個開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的鏈路設(shè)計，在保證被測產(chǎn)品的鏈路擴展需求的同時也可以降低整個自動測試系統(tǒng)的研制成本。

經(jīng)過大量調(diào)研被測產(chǎn)品的需求[8]，自動測試系統(tǒng)設(shè)計了由5臺高頻矩陣開關(guān)組成的高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)測試過程中8×72通道的鏈路擴展，滿足目前包括T/R組件、行波管放大器、正/負驅(qū)微波開關(guān)，相控陣天線等絕大部分微波組件產(chǎn)品的測試需求。根據(jù)所連接端口數(shù)量的不同允許最多同時測量4～8件微波組件產(chǎn)品，具體原理如圖1所示。

圖1 高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)原理圖

由圖1可知，高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)包含1臺定制型總矩陣和4臺6入18出分矩陣。定制型總矩陣由4個四選一開關(guān)(SP4T)和2個二選一(SPDT)開關(guān)構(gòu)成，外部有IN1-IN4、OUT1-OUT4、J1-J4共計12個射頻接口。其中IN1-IN4連接測試儀器的激勵端，OUT1-OUT4連接測試儀器的響應(yīng)端，J1-J4經(jīng)過外部射頻線纜依次與4個6入18出分矩陣連接。4個分矩陣結(jié)構(gòu)相同，均由4個六選一開關(guān)(SP6T)和1個四選一開關(guān)(SP4T)構(gòu)成，前面板設(shè)計有6個射頻接口(IN1-IN6)，后面板設(shè)計有18個射頻接口(OUT1-OUT18)。5臺矩陣開關(guān)級聯(lián)而成一套高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，整體達到8×72通道擴展。需要特別提到的是，其中與總矩陣J2和J3端口相連接的分矩陣2和分矩陣3可通過兩個二選一開關(guān)的通斷實現(xiàn)激勵通道/響應(yīng)通道的切換，從而使整個高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)為被測產(chǎn)品提供最多54個激勵(或響應(yīng))通道，提高了高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的靈活性與適用性。采取這種“五合一”的模式搭建高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)可以減少整體的體積重量，便于搬運轉(zhuǎn)移及滿足日常維護需要；另外由于矩陣開關(guān)設(shè)計為同時具備本地控制與程序控制兩種模式，當被測微波產(chǎn)品的測試端口數(shù)量需求較小時，整個高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)可以拆分作為獨立的矩陣開關(guān)使用，應(yīng)用方面更為靈活多變。

另一個決定高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)指標好壞的方面是機箱內(nèi)部射頻開關(guān)及級聯(lián)射頻電纜的選型。

目前主流射頻開關(guān)分為機械式同軸微波開關(guān)與固態(tài)電子式微波開關(guān)。固態(tài)電子式微波開關(guān)具有造價低，體積小，切換速度快等特點，同時由于內(nèi)部沒有切換的部件，因此使用壽命更長。但其缺點也很明顯，頻率覆蓋的范圍不夠?qū)挘陨淼牟迦霌p耗較大(40 GHz時超過-5 dB)，不適于對性能指標要求較高的應(yīng)用場合。

與固態(tài)電子式微波開關(guān)相比，機械式同軸微波開關(guān)頻率覆蓋范圍足夠?qū)捛揖哂辛己玫姆€(wěn)定性，靜電作用反應(yīng)對其基本沒有影響，自身的插入損耗遠小于固態(tài)微波開關(guān)，通常能做到40 GHz時不大于-2 dB，通道間切換也可達到ms級，是高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中的首選開關(guān)類型。市場上能夠提供該類型開關(guān)的廠商包括美國的Keysight公司、Dow-Key公司、Pasternack公司，法國雷迪埃公司，德國Narda公司等，國內(nèi)也有很多生產(chǎn)企業(yè)，包括航天科技集團504所，中電科技集團41所等等。綜合考慮成本及開關(guān)指標問題，本設(shè)計采用法國雷迪埃公司的產(chǎn)品，具體指標如表1所示。

表1 射頻開關(guān)指標

機箱內(nèi)部可采用的射頻電纜分為柔性線纜、半柔性線纜及半剛性線纜。考慮到半剛性同軸線纜易于定型，其高強度的外導(dǎo)體在提供良好屏蔽特性的同時，也能很好地保證線纜結(jié)構(gòu)尺寸的穩(wěn)定性，便于機箱內(nèi)部的走線布局。本設(shè)計選取指標優(yōu)異的進口半剛性同軸線纜作為內(nèi)部射頻開關(guān)間的級聯(lián)射頻電纜。

端口駐波調(diào)試：矩陣開關(guān)微波接口處的級聯(lián)形式為2.92型面板轉(zhuǎn)接器+半剛電纜+微波開關(guān)。以40 GHz為例，其中2.92型面板轉(zhuǎn)接器駐波接近為1.00，半剛電纜駐波為1.15，射頻開關(guān)駐波為1.70(二選一開關(guān)和多選一開關(guān)標稱值為1.90、2.20，實測1.70)，可見駐波主要取決于射頻開關(guān)。此外各微波元器件級聯(lián)時的失配狀態(tài)也在一定程度上影響到駐波指標?？刹扇〉拇胧┦?，在線纜布局設(shè)計中盡量減小級聯(lián)和避免電纜的彎折，還需注意彎折的角度，以減小微波傳輸?shù)牟贿B續(xù)性對駐波的惡化；確保單根電纜的駐波控制在1.2以內(nèi)(40 GHz時)；另外在通道調(diào)試時，針對同批次多級開關(guān)駐波曲線基本一致，導(dǎo)致駐波累加的問題，對級聯(lián)電纜進行駐波曲線仿真設(shè)計，通過電纜對鏈路進行匹配，使電纜和開關(guān)的駐波高點不重合，確保通道駐波指標滿足要求。

各通道插入損耗調(diào)試： 微波元器件的插入損耗指標是隨著頻率的增加逐漸惡化的。從表1可知，在40 GHz時，四選一開關(guān)和六選一開關(guān)的損耗為1.10 dB，二選一開關(guān)的損耗為0.80 dB,2.92型面板轉(zhuǎn)接器損耗為0.5 dB，半剛同軸電纜損耗為2.75 dB(電纜損耗為3.5 dB/m，矩陣內(nèi)預(yù)計電纜長度為50 cm，考慮到電纜接頭損耗在1 dB左右)，連接造成的失配損耗為0.4 dB，這樣各通道插入損耗可以控制在8 dB以內(nèi)。

幅度相位一致性調(diào)試：矩陣開關(guān)的幅度相位一致性主要受各射頻開關(guān)和射頻電纜幅相一致性的制約。在機箱內(nèi)線纜布局設(shè)計中，需要注意結(jié)構(gòu)的對稱性，使每條線纜具有相同的物理長度，通過等長設(shè)計和通道電纜補償來保證指標。本設(shè)計選用的射頻電纜在全頻帶內(nèi)的幅頻特性較好，可以保證相同規(guī)格的電纜之間，在全頻帶內(nèi)同一頻點處的幅相接近。另外，所選用的各射頻開關(guān)之間以及同一開關(guān)不同通道間的幅頻特性較好，由開關(guān)引起的幅度不一致性可通過批量電纜篩選的方式予以補償。

經(jīng)過指標調(diào)試后，預(yù)計高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)能夠達到以下性能指標：

工作頻段：DC～40 GHz；

最大承受功率：不大于2 W；

各端口駐波比：DC～26.5 GHz時不大于1.7;

26.5～40 GHz時不大于2.0；

各通道插入損耗：不大于9 dB；

通道間幅度一致性：≤±1.0 dB；

通道間相位一致性：≤±40°；

通道間隔離度：≥50 dB。

1.2 高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)電路設(shè)計

高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的電路控制主要包括系統(tǒng)主控計算機核心板和射頻開關(guān)繼電控制板兩部分。主控計算機核心板選用了市面上主流廠商研揚科技的產(chǎn)品，該產(chǎn)品具有體積小巧，接口資源豐富等優(yōu)點，可以提供4個RS232 串行接口、兩個 USB3.0接口、一個LAN局域網(wǎng)口、一個CRT顯示端口、一個LVDS顯示端口等，滿足系統(tǒng)需求。

射頻開關(guān)繼電控制板為自主設(shè)計研發(fā)產(chǎn)品，以ATMEL的AT91SAM7X256 ARM處理器[9]和Altera的EPM7256SRI208-10 CPLD處理器[10]為主要架構(gòu)，配合MAX485接口、CAN接口等單元，可以對開關(guān)矩陣箱中各個射頻開關(guān)進行快速切換，從而形成多路組合開關(guān)協(xié)同工作。繼電控制板需要5 V和24 V兩路供電，其中5 V提供給各芯片電路，24 V為包括六選一開關(guān)、四選一開關(guān)和二選一開關(guān)三種類型的射頻開關(guān)提供驅(qū)動供電。為了滿足多型開關(guān)矩陣機箱的開關(guān)控制，控制板能夠為最多6個SPDT矩陣開關(guān)和12個SP4T/SP6T矩陣開關(guān)提供供電及控制信號，具體原理如圖2所示。

圖2 繼電控制板原理

實際工作過程中，通過前面板的觸摸顯示屏或程控選擇相應(yīng)的切通通道，主控核心板中安裝的控制軟件將切換命令解析為每一個射頻開關(guān)的控制指令，經(jīng)由RS232串行口與繼電器控制板進行串行通信發(fā)送控制信號。繼電器控制板接收到控制指令后，驅(qū)動電路將該指令令轉(zhuǎn)化為合適的電壓和驅(qū)動電流，進行開關(guān)控制，從而實現(xiàn)多路微波信號傳輸切換，控制矩陣開關(guān)射頻通道不同鏈路的選擇。

1.3 高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

單臺高頻矩陣開關(guān)的組成包括多端口微波開關(guān)、半剛性同軸電纜、轉(zhuǎn)接器、數(shù)據(jù)及電源連接器、矩陣開關(guān)控制電路、矩陣電源穩(wěn)壓電路、開關(guān)箱結(jié)構(gòu)件等部分，考慮到以后可能的擴展需求，將微波開關(guān)通道、開關(guān)控制電路及電源穩(wěn)壓電路分別進行模塊化設(shè)計和集成，依次規(guī)劃為電源區(qū)、控制區(qū)和開關(guān)鏈路區(qū)。所有矩陣開關(guān)機箱采用電磁兼容模式，全鋁合金材質(zhì)能夠屏蔽外界信號的干擾，機箱散熱通過安裝在機箱內(nèi)部的電風(fēng)扇進行散熱。成品為標準的4U高19英寸上架結(jié)構(gòu)，尺寸420 mm(長)×450 mm(寬)×170 mm(高)。

2 高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計

高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的控制軟件在WINDOWS操作系統(tǒng)環(huán)境下采用Visio Studio 2010編譯軟件進行開發(fā)，具體控制軟件流程如圖3所示。按照圖3，采用C++語言進行源代碼編寫工作，經(jīng)過調(diào)試及編譯仿真，生成可執(zhí)行程序(*.exe格式)。設(shè)備上電后，自動運行控制軟件，軟件首先對各射頻開關(guān)發(fā)出復(fù)位指令完成系統(tǒng)初始化，等待接收本地控制指令或上位機程序控制指令，收到控制指令后，以通道鏈路概念為核心，控制軟件將其解析為各射頻開關(guān)的切換命令，通過串口發(fā)送給繼電控制板，由控制板控制鏈路中的多個微波開關(guān)按信號方向和工作先后順序切換實現(xiàn)通道控制完成通道切換。

圖3 高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)控制軟件流程圖

軟件具備遠程控制和本地控制兩種模式，遠程控制優(yōu)先；本地控制支持觸摸屏控制方式，控制界面可實時顯示開關(guān)切換次數(shù)，總矩陣控制軟件本地控制界面如圖4所示。

圖4 高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)控制軟件界面圖(總矩陣)

3 實驗結(jié)果與分析

對搭建好的高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)進行實驗驗證測試，測試所需臺式儀器為是德科技生產(chǎn)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5244B及配套測試電纜一組。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上電校準后，按圖5所示與被測矩陣開關(guān)連接，依次設(shè)置測量參數(shù)S11、S22測量前后面板的端口駐波比，S21測量通道插入損耗，S12測量幅度相位一致性(以IN-1～OUT1通道為基準將S12參數(shù)中幅度相位數(shù)值歸一化)。通過前面板觸摸顯示屏手動控制矩陣開關(guān)的通道切換，得到每個通路的測試截圖如圖6所示。對全部測試截圖中數(shù)據(jù)進行整理，得到實驗結(jié)果，以6入18出分矩陣1為例節(jié)選部分實驗測試數(shù)據(jù)詳如表2所示。

圖5 高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)測試連接圖

圖6 高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)實驗驗證測試截圖

通道端口駐波比(前面板/后面板)DC～26.5GHz26.5～40GHz通道插入損耗/dB相位一致性/(°)幅度一致性/dBIN-1～OUT-11.61/1.681.77/1.827.300.010IN-1～OUT-21.57/1.551.80/1.827.3713.090.06IN-1～OUT-31.61/1.651.84/1.957.587.71-0.25IN-1～OUT-41.55/1.531.84/1.857.4914.850.04IN-1～OUT-51.58/1.621.82/1.837.3112.80.09IN-1～OUT-61.57/1.591.82/1.877.5815.8-0.15IN-1～OUT-71.59/1.571.81/1.937.3520.49-0.01…………IN-6～OUT-161.62/1.631.84/1.897.4517.180.06IN-6～OUT-171.62/1.631.85/1.887.4512.670.03IN-6～OUT-181.60/1.581.80/1.937.3210.340.11

從表2可見，高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)整體性能指標良好，端口駐波比、各通道插入損耗及通道間幅度相位一致性的實驗測試數(shù)據(jù)能夠滿足1節(jié)中預(yù)期的指標要求。當其應(yīng)用于自動測試系統(tǒng)中時，可以最小限度的降低由于使用開關(guān)網(wǎng)絡(luò)擴展測試通道而對被測產(chǎn)品測試數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響。實驗測試數(shù)據(jù)證明整個高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實現(xiàn)過程中選取的射頻開關(guān)與射頻電纜之間的匹配性較好，指標調(diào)試方法合理，可應(yīng)用于后續(xù)類似矩陣開關(guān)的設(shè)計生產(chǎn)中。

4 高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)應(yīng)用

高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)自動測試系統(tǒng)由高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和圍繞它的系統(tǒng)應(yīng)用組成，主要包括工控計算機、激勵及測試儀器、提供遙控遙測信號的指令驅(qū)動設(shè)備等。本系統(tǒng)配備的臺式儀器為是德科技生產(chǎn)的信號源E8257D、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5244B、頻譜儀N9030A、頻率計53149A及功率計N1914A，整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)自動測試系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)

使用自動測試系統(tǒng)進行測試工作時，測試人員首先根據(jù)被測微波組件的測試需求在系統(tǒng)搭載的自研軟件平臺上編輯相應(yīng)的測試流程，選定測試項目，工控計算機通過LAN或GPIB的通信方式對各儀器設(shè)備發(fā)送程控指令，依托高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)提供的通路擴展實現(xiàn)對多端口微波組件產(chǎn)品的自動測試。自動測試系統(tǒng)具備如駐波、諧雜波抑制、增益、帶內(nèi)響應(yīng)、帶外增益、幅相一致性、增益穩(wěn)定度、噪聲系數(shù)、相位噪聲、非線性特性(P-1)等相關(guān)參數(shù)的測試能力，同時可利用矢網(wǎng)自校準功能，對多個通道進行自動切換，實現(xiàn)多通道S參數(shù)的自動和循環(huán)測試，自動測試系統(tǒng)測試結(jié)果如圖8所示?，F(xiàn)以圖7中測試8入8出的上變頻器和相控陣天線端子的插入損耗為例進行說明。

輸入激勵信號流向：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀激勵端口(port1)發(fā)出激勵信號，信號通過開關(guān)接口IN-2進入定制型主矩陣，主矩陣輸入端切換至J-1，信號進入6入18出分矩陣1，分矩陣依次切換1-8輸出通道，信號分別流入被測上變頻器的8路輸入端予以激勵。

輸出響應(yīng)信號流向：激勵信號進入上變頻器產(chǎn)生8路響應(yīng)信號，信號流入分矩陣3，矩陣依次切換1-8輸出通道，主矩陣輸出端切換至J-3，8路響應(yīng)信號依次經(jīng)由J-3、OUT-1進入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀響應(yīng)端口(port2)進行分析，軟件平臺自動讀取矢網(wǎng)S21參數(shù)得到被測上變頻器對應(yīng)各通路的插入損耗值。

圖8 自動測試系統(tǒng)測試結(jié)果

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種依托高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的自動測試系統(tǒng)，能夠適配目前大多數(shù)微波組件產(chǎn)品的測試需求，解決了不同衛(wèi)星載荷微波組件產(chǎn)品測試的通用性問題，提高了工作效率和人員利用率。目前已有多套自動測試系統(tǒng)投入使用，市場反應(yīng)良好，應(yīng)用前景廣闊。