楊曉敏，王 偉，楊力強

（空間電子信息技術(shù)研究院，西安 710100）

0 引言

在衛(wèi)星有效載荷分系統(tǒng)中，輸入多工器位于轉(zhuǎn)發(fā)器前端、接收機之后，其功能是將接收到的寬帶信號進行各路信號頻率分隔，形成多個窄帶信號[1-2]；輸出多工器位于轉(zhuǎn)發(fā)器后端、功率放大器之后，負責將各路信號合成1 路高功率信號后輸出給天線發(fā)射。輸入及輸出多工器都屬于有效載荷分系統(tǒng)的關(guān)鍵部件；須對其在真空環(huán)境下的射頻性能進行準確測量，以真實反映其特性參數(shù)。

對于典型多工器產(chǎn)品，通常需要在真空環(huán)境下測試其每個通帶的工作頻率、插入損耗、帶內(nèi)平坦度、近帶抑制及遠帶隔離等性能指標。其中，對于帶內(nèi)插入損耗及平坦度的測試精度要求最為嚴格?？臻g電子信息技術(shù)研究院作為有效載荷單機產(chǎn)品的主要研制單位，承擔著星載多工器產(chǎn)品的研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)制造以及測試、試驗工作[3]。近年來，隨著用戶對多工器產(chǎn)品性能要求越來越高，對多工器試驗過程中的檢測精度也提出更高要求——過去只需要考核環(huán)境試驗中多工器測試指標隨溫度的相對變化量，而現(xiàn)在不僅要求多工器各項指標的相對變化量穩(wěn)定，還對指標的絕對變化量提出要求。多工器熱真空試驗的測試系統(tǒng)較為復(fù)雜，往往包含測試儀器、射頻電纜、開關(guān)矩陣[4]以及內(nèi)外穿艙接頭等多種測試部件，會引入相當程度的系統(tǒng)誤差。因此，須根據(jù)用戶的需求，采取行之有效的方法提高星載多工器熱真空試驗的測試精度。

本文通過整理國內(nèi)外的相關(guān)研究進展，在測試系統(tǒng)原理及影響要素分析的基礎(chǔ)上，給出5 種提高星載多工器熱真空試驗測試精度的方法，并比對結(jié)果分析不同方法的實際測試數(shù)據(jù)，總結(jié)歸納各改進方法的應(yīng)用效果，給出應(yīng)用建議。

1 測試系統(tǒng)分析

在討論測試精度提升方法前，首先需要對現(xiàn)有測試系統(tǒng)進行分析，找出可能導(dǎo)致被測產(chǎn)品在熱真空試驗中測試不準確及不穩(wěn)定的因素。典型多工器產(chǎn)品如圖1 所示，包括單個寬帶頻率公共端口和多個窄帶頻率分隔端口。

圖1 輸出多工器Fig. 1 The output multiplexer

為了在熱真空試驗中對多工器的射頻指標進行測試，目前行業(yè)內(nèi)普遍采用由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、開關(guān)矩陣和測試電纜等組成的自動測試系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 熱真空試驗自動測試系統(tǒng)連接示意Fig. 2 Schematic diagram of the automatic test system for thermal vacuum test

根據(jù)所使用的試驗系統(tǒng)測試原理，分析影響測量精度的因素包括：

1）矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀長期穩(wěn)定性影響。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的長期穩(wěn)定性由儀器指標保證，且儀器自身處于常溫環(huán)境下，其性能基本不隨試驗設(shè)備中溫度的變化而變化。

2）開關(guān)矩陣切換重復(fù)性影響。開關(guān)矩陣由多臺n選1 的微波開關(guān)通過半鋼電纜連接而成，在開關(guān)切換壽命內(nèi)，開關(guān)切換的重復(fù)性是其關(guān)鍵指標，也是影響到整個測試系統(tǒng)長期穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標。一般開關(guān)矩陣的切換重復(fù)性指標≤±0.03 dB（DC～40 GHz），其影響可以從產(chǎn)品熱試驗結(jié)果中剝離。

3）測試電纜與真空穿艙間接口應(yīng)力因素。測試電纜與真空穿艙間的接口應(yīng)力在溫度交變中會有細微變化，但一般情況下只要按照規(guī)范要求操作，其影響可忽略不計。

4）測試電纜在溫度交變及真空環(huán)境下的變化。測試電纜是測試系統(tǒng)與產(chǎn)品連接的紐帶，在熱真空試驗中位于測試設(shè)備內(nèi)，和產(chǎn)品一起經(jīng)受真空及溫度交變的考驗。而測試系統(tǒng)的校準只能在常溫環(huán)境下進行，因此，測試電纜在溫度交變及真空環(huán)境下的性能變化將被引入到產(chǎn)品的測試結(jié)果中，其影響大小直接取決于測試電纜性能的優(yōu)劣。

5）測試電纜與產(chǎn)品接口的應(yīng)力因素。接口間的應(yīng)力影響物理連接，將直接導(dǎo)致連接駐波變差，特別是在Ka 頻段；但是在保證連接操作規(guī)范的情況下，該因素對測試結(jié)果的影響較小。

綜上，以上影響因素中，測試電纜在溫度交變及真空環(huán)境下的性能變化對測試結(jié)果的影響最顯著，必須對其進行監(jiān)測和控制。小，傳輸特性優(yōu)良，電壓駐波比小，功率容量大，不易揮發(fā)，溫度特性穩(wěn)定和無污染等諸多優(yōu)點；并可從測試數(shù)據(jù)中直接扣除波導(dǎo)系統(tǒng)的變化，真實還原產(chǎn)品特性。

波導(dǎo)陣測試系統(tǒng)由射頻微波開關(guān)、直/彎波導(dǎo)段和波導(dǎo)負載組成。為了使系統(tǒng)具有較高的動態(tài)范圍、較低的插入損耗和較小的駐波，需采取以下控制措施：對波導(dǎo)系統(tǒng)組成附件進行嚴格的指標控制；對波導(dǎo)組件進行清理、檢測、篩選和應(yīng)力釋放；由專業(yè)人員進行裝配、連接；采用TRL 校準方式完成系統(tǒng)校準。輸出多工器與波導(dǎo)陣測試系統(tǒng)的連接參見圖3 和圖4。

圖3 波導(dǎo)陣測試系統(tǒng)連接模型Fig. 3 Connection model of the waveguide test system

圖4 波導(dǎo)陣測試系統(tǒng)真空罐內(nèi)連接實物Fig. 4 Connection of waveguide test system in vacuum chamber

2 提高測試精度的方法

已知影響星載多工器熱真空試驗測試精度的主要因素是測試電纜自身在溫度交變及真空環(huán)境下的性能變化，那么就需要從測試結(jié)果中剝離測試電纜性能變化的影響。本文提出以下5 種方法。

2.1 以參考電纜輔助說明測試電纜變化

為了剝離溫度交變及真空環(huán)境下測試電纜性能變化的影響，最簡單易行的辦法是引入?yún)⒖茧娎|，即另外選取與產(chǎn)品測試電纜同批次、同長度的電纜，在試驗設(shè)備中通過雙陰轉(zhuǎn)接器直接相連，形成參考通道，參見圖2。在整個試驗過程中，實時采集產(chǎn)品通道與參考通道的測試結(jié)果，并以參考通道的測試結(jié)果輔助說明產(chǎn)品的變化趨勢。但該方法存在以下問題：同批次、同長度電纜間也存在個體差異；同一根電纜使用多次后性能也會有所變化；電纜彎曲程度不同對測量結(jié)果的影響不同；參考通道的端口匹配情況與產(chǎn)品通道的不同。因此，該方法雖簡單易行，但無法證明參考電纜和實際使用電纜的參數(shù)變化一致，故無法保證修正后測試結(jié)果的真實可靠。在過去幾年的工作中曾出現(xiàn)參考電纜變化劇烈，而測試通道產(chǎn)品性能穩(wěn)定的情況。可見，此方法只能定性說明產(chǎn)品通道在高低溫環(huán)境中的變化趨勢合理，無法真正將測試電纜的性能變化從測試結(jié)果中剝離出來，故不建議使用。

2.2 采用波導(dǎo)陣測試系統(tǒng)

輸出多工器一般為波導(dǎo)接口，與同軸電纜測試系統(tǒng)相比，波導(dǎo)陣測試系統(tǒng)具有單位長度插入損耗

波導(dǎo)陣與同軸測試系統(tǒng)的具體測試結(jié)果對比見圖5：同軸測試系統(tǒng)的測試結(jié)果隨溫度變化跳變劇烈，受測試電纜的影響，插入損耗在高溫段為0.5 dB，總體隨溫度變化在2.5 dB，試驗數(shù)據(jù)已不正常；而相同環(huán)境溫度下，波導(dǎo)陣測試系統(tǒng)的測試結(jié)果穩(wěn)定，總體插入損耗隨溫度變化范圍在0.3 dB 左右波動。

圖5 同軸和波導(dǎo)陣測試系統(tǒng)測試結(jié)果比對Fig. 5 Comparison of test result between waveguide test system and coaxial test system

采用波導(dǎo)陣測試系統(tǒng)完成輸出多工器熱真空試驗的優(yōu)點是高低溫下系統(tǒng)變化小、重復(fù)性好；缺點是需要根據(jù)被測件波導(dǎo)端口的頻段和接口類型定制波導(dǎo)陣測試系統(tǒng)，研制周期長、費用高、靈活性不足。

2.3 測試電纜實施熱控包覆

測試電纜采用的包覆溫控結(jié)構(gòu)[5]包含加熱和保溫2 部分。如圖6 所示，首先用寬約3 cm 的加熱帶螺旋狀緊密纏繞包裹射頻電纜，然后由保溫多層包裹電加熱帶隔熱保溫，加熱帶間距約1 cm?？販胤绞綖閱胃侄慰販?，每根射頻電纜由2 根加熱帶分別加熱，同時配備2 臺控溫儀和獨立直流電源進行加熱和控溫。電纜表面溫度須控制在略高于產(chǎn)品試驗高溫的溫度，即試驗要求的高溫溫度+10 ℃。整個試驗過程中測試電纜始終處于同一溫度，得到的測量系統(tǒng)特性固定，其影響可直接從測試結(jié)果中予以剔除。

圖6 熱控包覆實例Fig. 6 Example of temperature control coverage

圖7 所示為測試電纜實施熱控包覆后的系統(tǒng)插入損耗測試結(jié)果，可以看到，在8 GHz 和12 GHz頻率中心插入損耗穩(wěn)定，說明系統(tǒng)測試結(jié)果將不受環(huán)境溫度變化的影響。

圖7 熱控包覆后系統(tǒng)插入損耗測試結(jié)果Fig. 7 Test results of temperature control coverage

該方法的優(yōu)點是通過對測試電纜進行加熱保溫，使電纜性能維持穩(wěn)定，從而提高測試結(jié)果的準確度；缺點是使用的電纜控溫結(jié)構(gòu)需要定制，并且每根電纜都需要在高溫環(huán)境下長期使用，將縮短電纜的使用壽命，最主要的是電纜控溫系統(tǒng)極為復(fù)雜，不便于測試系統(tǒng)對其進行控制。

2.4 運用時域分析計算并剔除測試電纜變化

對測試電纜進行時域分析后，將監(jiān)測位置定位到測試電纜與被測件的連接處，實時監(jiān)測每根測試電纜的變化量，以該變化量作為試驗中測試結(jié)果的修正補償數(shù)據(jù)來提高試驗測試精度[6]。

具體方法是在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和被測件連接的測試電纜為開路的狀態(tài)下，將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置為時域工作模式，通過時域分析（見圖8）可以看到，時域曲線的最大突起為測試電纜的開路處，此處即可定義為測試電纜與被測件的連接處。對突起進行加窗操作，設(shè)置窗函數(shù)后將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置變更為頻域測試狀態(tài)。

圖8 測試電纜時域分析結(jié)果Fig. 8 Time domain analytic results of the test cables

當連接被測件測試時，可以實時監(jiān)測所使用的測試電纜的損耗和相位等性能參數(shù)隨溫度變化情況；然后根據(jù)電纜變化情況對被測件的試驗測試結(jié)果進行補償，就可以獲得修正后的實際產(chǎn)品試驗數(shù)據(jù)。

表1 所示為試驗溫度分別控制在常溫（23 ℃）、高溫（45 ℃）和低溫（-5 ℃），待溫度穩(wěn)定后所測得的被測件及電纜S21 測量值和S11、S22 監(jiān)測值。

表1 時域法測試結(jié)果Table 1 Test results with time domain method

表1 中被測件傳輸特性S21 是該帶通濾波器的帶內(nèi)中心插損，其測量值中包括產(chǎn)品隨溫度變化和電纜隨溫度變化。通過觀察3 個試驗溫度下的測試數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，不剔除電纜影響，產(chǎn)品的高溫特性為5.69 dB，低溫特性為5.37 dB，變化為0.32 dB；而剔除電纜影響后的濾波器特性S21，其高溫到低溫之間最大變化只有0.03 dB。由此可見，產(chǎn)品受電纜影響的變化已經(jīng)遠大于產(chǎn)品自身的變化。

采用時域法完成熱真空試驗的優(yōu)點是儀器設(shè)置操作簡便，測試精度高；缺點是需要所使用的儀器具備時域測量功能，并且測試每根電纜均需要根據(jù)時域加窗監(jiān)測電纜的實時變化；如果產(chǎn)品超過2 個端口，就需要將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口也擴展至2 個以上才能使用，然而，輸出多工器通道普遍超過4 路，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀普遍為2 個端口，這就限制了該方法的使用。

2.5 測試電纜多通道實時校準

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國外采用較多的測試電纜誤差修正技術(shù)是CalPod 模塊實時校準技術(shù)。其工作原理為：將在線實時校準模塊連接在產(chǎn)品測試面和電纜連接面的中間；通過模塊的實時校準，將測試電纜的實測校準數(shù)據(jù)傳遞給矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，再根據(jù)校準數(shù)據(jù)對測試電纜的誤差進行修正[7-9]。

實時校準系統(tǒng)連接如圖9 所示：在產(chǎn)品的全部輸入/輸出端口各接1 個自動校準模塊，模塊通過85523A 模塊控制單元后連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，先做一次常溫常壓下的基礎(chǔ)校準，并保存該校準數(shù)據(jù)；然后真空罐開始抽真空和改變溫度，此時測試電纜性能隨著環(huán)境的變化而改變；以后試驗中，每次測試前需要先通過測試軟件控制校準模塊進行一次校準，修正測試電纜的變化，以便獲得產(chǎn)品的真實數(shù)據(jù)。

圖9 實時校準系統(tǒng)連接示意Fig. 9 Schematic diagram of connection of the real-time calibration system

多通道校準系統(tǒng)是一種實時動態(tài)校準技術(shù)，產(chǎn)品連接該系統(tǒng)后可以在溫度變化過程中自動完成校準，以適應(yīng)當時的溫度環(huán)境，測試電纜、連接的匹配性均可進行修正，從而真實反映產(chǎn)品的特性。圖10為未采用和采用多通道實時校準對輸出多工器任意1 路通道中心插損的測試結(jié)果，可見：未采用通道校準的產(chǎn)品通道插損起伏由于受到測試電纜引入的變化影響，高/低溫測試數(shù)據(jù)波動劇烈（在0.9 dB內(nèi)波動）；而采用多通道校準技術(shù)的系統(tǒng)狀態(tài)正常，高/低溫測試數(shù)據(jù)的波動僅在0.1 dB 范圍之內(nèi)，符合產(chǎn)品自身隨溫度的真實變化結(jié)果。

圖10 未使用和使用多通道實時校準的測試結(jié)果比對Fig. 10 Comparison of test results between unused and used CalPod

該方法的優(yōu)點是真正的實時校準補償，能夠監(jiān)測每根測試電纜的實時變化，不受被測件端口數(shù)量的限制；缺點是實時校準模塊和控制器價格昂貴，被測件的每個端口都需要使用1 個模塊，且模塊須隨被測件一起試驗，而模塊自身的最低工作溫度僅為-40～-25 ℃，極大限制該方法的使用。

2.6 小結(jié)

對上述5 種多工器熱真空試驗測試精度提高方法的應(yīng)用效果進行對比匯總，見表2?？梢钥闯觯憾嗤ǖ缹崟r校準方法的效果最佳；但在特定測試情況下，比如被測件測試端口為波導(dǎo)口，被測件測試通道數(shù)較少或者試驗溫度過高和過低時，也可考慮采用波導(dǎo)陣測試系統(tǒng)和時域分析法；其余方法的應(yīng)用效果不佳。

表2 5 種提高測試精度方法的應(yīng)用效果匯總Table 2 Comparison among the methods for improving the measurement precision

3 結(jié)束語

本文通過整理多種提高熱真空試驗中的星載多工器精密測量精度的改進方法，以及對方法提升改進效果進行驗證，證明恰當應(yīng)用有關(guān)方法能夠解決以往多工器在熱真空試驗中測試精度低、定性分析易、定量判讀難的問題。這些方法為解決環(huán)境試驗全過程的微波產(chǎn)品射頻參數(shù)精密測量問題提供了實用的途徑，具有推廣前景。