李鵬，張國(guó)鋒，雷衛(wèi)平，展利

（中電科儀器儀表有限公司，山東青島，266555）

0 引言

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)關(guān)鍵在于測(cè)試路徑的構(gòu)建與優(yōu)化，毫米波機(jī)械開(kāi)關(guān)作為自動(dòng)測(cè)試路徑構(gòu)建的重要組成，其指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)性能都具有較大影響。尤其目前隨著相控陣技術(shù)的廣泛應(yīng)用，多元發(fā)射陣列、DBF 收發(fā)通道、相控陣收發(fā)單元及多通道T/R 組件等都需要進(jìn)行大量通道間幅相一致性指標(biāo)測(cè)試，因此開(kāi)展毫米波機(jī)械開(kāi)關(guān)幅相重復(fù)性指標(biāo)在不同溫度環(huán)境下的試驗(yàn)驗(yàn)證工作顯現(xiàn)的尤為重要。通過(guò)獲取不同溫度下的幅相重復(fù)性數(shù)據(jù)，在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中開(kāi)發(fā)誤差修正算法，對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正以提高測(cè)量準(zhǔn)確度。

1 毫米波機(jī)械開(kāi)關(guān)原理及組成

通過(guò)控制電路控制線圈內(nèi)電流通斷，一旦電流流過(guò)線圈，線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，推動(dòng)銜鐵塊動(dòng)作，進(jìn)而帶動(dòng)傳輸簧片動(dòng)作，使微波信號(hào)輸入端與輸出端連接或者斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)6 個(gè)端口之間不同工作狀態(tài)的切換，從而實(shí)現(xiàn)單刀六擲開(kāi)關(guān)的作用。

單刀六擲同軸開(kāi)關(guān)原理示意圖如圖1 所示。

由圖1 所示原理圖可知，機(jī)械開(kāi)關(guān)主要有控制電路板、線圈、簧片、同軸通道組成。

2 驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)

2.1 總體方案

驗(yàn)證方案如下圖所示。高低溫試驗(yàn)箱用來(lái)模擬機(jī)械開(kāi)關(guān)所處的各種溫度環(huán)境，通過(guò)試驗(yàn)箱的溫度設(shè)置面板設(shè)定各種溫度環(huán)境：0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、0-50℃快速升溫、50-0℃快速降溫。將測(cè)試儀器與開(kāi)關(guān)連接好后，工控機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)軟件，在不同的溫度環(huán)境下，軟件通過(guò)程控開(kāi)關(guān)控制板實(shí)現(xiàn)機(jī)械開(kāi)關(guān)通道的通斷，同時(shí)讀取記錄矢網(wǎng)所測(cè)幅相重復(fù)性數(shù)據(jù)。

2.2 硬件平臺(tái)

測(cè)試所采用的儀器設(shè)備包含高低溫試驗(yàn)箱、開(kāi)關(guān)控制板、工控機(jī)（含數(shù)據(jù)檢測(cè)軟件）、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、校準(zhǔn)件，附件主要包括單刀六擲同軸開(kāi)關(guān)、穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜、網(wǎng)線、GPIB電纜等。

2.3 軟件方案

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件采用Lab Windows/CVI 2013 來(lái)實(shí)現(xiàn)，CVI具有豐富的面向儀器的函數(shù)庫(kù)，非常適合底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)和上位機(jī)用戶(hù)界面的開(kāi)發(fā)。通過(guò)程控開(kāi)關(guān)控制板和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，設(shè)置開(kāi)關(guān)的通斷狀態(tài)以及通過(guò)矢網(wǎng)讀取幅度相位值。

3 驗(yàn)證方法

按圖2 所示，將測(cè)試系統(tǒng)搭建完畢。矢網(wǎng)開(kāi)機(jī)預(yù)熱30 分鐘后，設(shè)置矢網(wǎng)頻率范圍10MHz-40GHz、掃描點(diǎn)數(shù)201 點(diǎn)、中頻帶寬100Hz、測(cè)量S21、打開(kāi)兩個(gè)窗口分別測(cè)量幅度與相位、設(shè)置自動(dòng)比例、添加10MHz、8GHz、18GHz、26.5GHz、40GHz等5 個(gè)頻點(diǎn)的光標(biāo)，然后用校準(zhǔn)件對(duì)矢網(wǎng)進(jìn)行全雙端口校準(zhǔn)。將穩(wěn)幅穩(wěn)相電纜與同軸開(kāi)關(guān)連接好。通過(guò)溫度設(shè)置面板，依次設(shè)置以下試驗(yàn)箱溫度：0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、0-50℃快速升溫、50-0℃快速降溫。當(dāng)試驗(yàn)箱溫度穩(wěn)定時(shí)，便可進(jìn)行試驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)。當(dāng)某一溫度（包括常溫）下的重復(fù)性試驗(yàn)做完后，更改試驗(yàn)箱溫度。

圖2 驗(yàn)證方案示意圖

對(duì)于重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，在常溫下（25℃），打通開(kāi)關(guān)，以起始時(shí)刻開(kāi)關(guān)幅相數(shù)據(jù)為參考，矢網(wǎng)歸一化后，將開(kāi)關(guān)斷開(kāi)10s，待開(kāi)關(guān)接通100s 后讀取各頻點(diǎn)數(shù)據(jù)，繼續(xù)保持接通狀態(tài)下10s斷開(kāi)。如此往復(fù)，一個(gè)計(jì)數(shù)周期為2min，共監(jiān)測(cè)1h，每次試驗(yàn)共讀取30 組數(shù)據(jù)。此后設(shè)置不同溫度環(huán)境，待溫度穩(wěn)定后重復(fù)以上步驟。以此數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證開(kāi)關(guān)在不同溫度下重復(fù)性。

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)軟件在數(shù)據(jù)讀取完成后，將其存入Excel 文件中，用于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析與處理。

4 驗(yàn)證結(jié)果

由圖3 可知，常溫下，各頻率在不同溫度下的變化幅度很小，最大為絕對(duì)值0.01dB，穩(wěn)定性很好。

由圖3 可知，常溫下，頻率越高，相位變化程度越大，最大為1.1°；各頻率下的相位變化有相同的規(guī)律。

由圖4 可知，常溫下，頻率越高，幅度變化程度越大，最大為0.04dB。

通過(guò)圖3、圖4 可知，頻率越高，開(kāi)關(guān)的幅相重復(fù)性指標(biāo)數(shù)據(jù)越大。下面是以開(kāi)關(guān)工作在40GHz 時(shí)為例，說(shuō)明不同溫度環(huán)境下的幅相重復(fù)性指標(biāo)測(cè)試結(jié)果。

圖3 常溫下開(kāi)關(guān)相位重復(fù)性

圖5 可看出，偏離常溫越多，比如0℃、50℃，幅度重復(fù)性越差，波動(dòng)范圍在±0.15dB 內(nèi)。

圖5 不同溫度下開(kāi)關(guān)40GHz 的幅度重復(fù)性

圖6 可看出，環(huán)境溫度到50℃是，開(kāi)關(guān)在40GHz 的相位重復(fù)性較差，相比于重溫，波動(dòng)達(dá)到 2.7°。

5 結(jié)語(yǔ)

本文首先介紹了毫米波機(jī)械開(kāi)關(guān)的原理及組成，然后介紹了幅相重復(fù)性指標(biāo)驗(yàn)證系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，隨后介紹了驗(yàn)證方法和驗(yàn)證結(jié)果。通過(guò)以上驗(yàn)證結(jié)果，提示相關(guān)測(cè)試人員在今后進(jìn)行副相一致性指標(biāo)測(cè)試時(shí)，應(yīng)將被測(cè)件工作時(shí)的溫度因素考慮進(jìn)去，從而提高測(cè)試準(zhǔn)確度。