喬淑君，李曉峰

(南京電子技術(shù)研究所， 南京 210039)

0 引言

有源相控陣?yán)走_(dá)是采用有源相控陣天線的雷達(dá)，特點是天線無需轉(zhuǎn)動，通過多個天線單元的幅度、相位調(diào)整，實現(xiàn)天線波束快速掃描和形狀捷變。有源相控陣?yán)走_(dá)架構(gòu)包括模擬有源、子陣級數(shù)字化、單元級數(shù)字化[1]。模擬有源相控陣天線單元通道中設(shè)置發(fā)射/接收組件(T/R組件)，將發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、移相器和衰減器等有源部件集成在一起[2]。隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，相控陣天線開始數(shù)字化趨勢，不再含有移相器，將接收機(jī)前移，出現(xiàn)數(shù)字波束形成技術(shù)，具有更大的動態(tài)范圍、同時多波束、較低副瓣和損耗、高抗擾能力等優(yōu)點[3]。單元級數(shù)字化是在天線陣元級實現(xiàn)數(shù)字波束形成，子陣級數(shù)字化是將有源相控陣分為幾個子陣，按子陣進(jìn)行數(shù)字化波束形成[4-5]。

子陣數(shù)字化相控陣工作原理可以體現(xiàn)模擬陣和數(shù)字陣的工作原理，每個子陣內(nèi)的天線單元是模擬陣元，與傳統(tǒng)的模擬陣一樣，配有模擬移相器，通過改變相位實現(xiàn)波束合成。這種技術(shù)成熟穩(wěn)定，并且采用模擬延遲線對信號在時間上產(chǎn)生延時，解決孔徑效應(yīng)，可以實現(xiàn)真正寬帶信號的發(fā)射和接收，用于雷達(dá)一維距離成像、雷達(dá)跟蹤模式等[6]。每個子陣合成的模擬波束在子陣級數(shù)字接收機(jī)進(jìn)行AD采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，多個子陣的數(shù)字信號形成自適應(yīng)的數(shù)字波束[7]，實現(xiàn)靈活的窄帶搜索。該架構(gòu)是數(shù)字和模擬的混合模式，兼具模擬陣寬帶、成本低，以及數(shù)字陣自適應(yīng)、多波束、低副瓣等優(yōu)點。

子陣數(shù)字化相控陣接收波束合成原理是子陣內(nèi)每個陣元接收信號后經(jīng)過T/R組件幅度相位加權(quán)后合成模擬波束，模擬波束在陣面級再經(jīng)過饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行二級或者三級的和波束、方位差波束、俯仰差波束(簡稱和差差波束)合成，模擬接收波束有窄帶和寬帶，根據(jù)不同功能選擇不同模式。數(shù)字接收波束合成是子陣合成模擬波束后經(jīng)過數(shù)字接收機(jī)轉(zhuǎn)化為數(shù)字輸出，陣面的波束方向圖是數(shù)字波束形成，每個子陣波束方向圖乘以加權(quán)系數(shù)合成自適應(yīng)波束，多組權(quán)向量還可以實現(xiàn)同時多波束。子陣數(shù)字化相控陣發(fā)射波束合成原理類似模擬相控陣，經(jīng)過多級功分和放大，在天線單元輻射出去。

有源相控陣天線在完成裝配之后要進(jìn)行功能測試、性能的評估和驗證，這里天線包括天線罩、天線陣列、結(jié)構(gòu)骨架和高頻箱(包含T/R組件、綜合網(wǎng)絡(luò)、陣面電源等)[8]。整個天線測試驗證過程繁瑣、復(fù)雜，并且根據(jù)不同架構(gòu)的天線有不同的測試方法，模擬相控陣天線測試核心是依靠矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(簡稱矢網(wǎng))，實現(xiàn)收、發(fā)同頻射頻信號的測試；單元數(shù)字化相控陣天線由于發(fā)射激勵源是自身直接數(shù)字頻率合成(DDS)，接收信號是經(jīng)過中頻A/D采樣的數(shù)字信號，需要搭建測試設(shè)備實現(xiàn)同步相參和數(shù)字信號接收[9]；子陣數(shù)字化相控陣天線可以當(dāng)成模擬和數(shù)字天線的混合模式，要分別進(jìn)行模擬部分和數(shù)字部分的測試。

現(xiàn)階段很多學(xué)者研究了有源相控陣天線測試方法和測試系統(tǒng)[10-13]，本文主要是針對不同架構(gòu)天線，提出一種通用化、標(biāo)準(zhǔn)化的天線測試平臺：硬件平臺研制通用設(shè)備滿足不同雷達(dá)電訊接口；軟件平臺設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)測試流程形成構(gòu)件適配不同測試功能。

通用平臺主要包括測試計算機(jī)、多功能控制模塊、綜合頻率源、陣面數(shù)據(jù)分析儀、矢網(wǎng)、電源單元、網(wǎng)絡(luò)接收機(jī)以及功率放大器、低噪聲放大器、射頻電纜等其他測試附件。圖1簡單示意了子陣數(shù)字化天線接收測試狀態(tài)，模擬接收測試由矢網(wǎng)一個端口做源經(jīng)過探頭輻射信號給天線陣面，接收信號送至矢網(wǎng)另一個端口。數(shù)字接收測試由綜合頻率源提供時鐘和本振，下行數(shù)據(jù)送至陣面數(shù)據(jù)分析儀。測試計算機(jī)上運(yùn)行的測試軟件讀取矢網(wǎng)數(shù)據(jù)和陣面數(shù)據(jù)分析儀數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、顯示和存儲。

圖1 天線接收測試示意圖

1 關(guān)鍵硬件模塊設(shè)計

1.1 多功能控制模塊

在天線測試通用平臺中，我們把天線作為單獨(dú)的被測件，提供多功能控制模塊。該模塊是天線測試平臺的“大腦”， 其功能類似于雷達(dá)中的陣面控制分系統(tǒng)，實現(xiàn)天線控制信號、定時信號的仿真。雷達(dá)控制系統(tǒng)是針對當(dāng)前雷達(dá)定制研發(fā)的控制模塊，電信號是常用的控制信號，通常是時鐘、數(shù)據(jù)、定時脈沖等多路差分信號，能夠產(chǎn)生控制時序和電平或者脈沖定時信號。現(xiàn)階段隨著光纖技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的雷達(dá)利用光纖產(chǎn)生控制定時信號，能夠提升傳送速率和準(zhǔn)確率。不論是電信號還是光信號，為提升軟件穩(wěn)定性，雷達(dá)研制都是定制化設(shè)計雷達(dá)控制系統(tǒng)，匹配當(dāng)前雷達(dá)。

而針對不同雷達(dá)的控制需求，多功能控制模塊設(shè)計時充分考慮天線測試通用平臺通用化需求，硬件接口設(shè)計時確保該模塊可以通過電連接器輸出電信號，也可以通過光纖接口輸出光定時信號。多功能控制模塊(圖2)內(nèi)部連接一組可以存儲512 M字節(jié)的存儲器，存儲多路定時、控制波形數(shù)據(jù)，根據(jù)要求在電接口輸出特定IO(輸入/輸出)時序或者在光接口輸出控制指令定時數(shù)據(jù)。IO接口包括96路靜態(tài)IO和64 路動態(tài)時序 IO, 滿足不同需求。光定時接口滿足12路收發(fā)，速率最高為8 GB，向下兼容多種速率。軟件接口設(shè)計時，在FPGA編程中加入關(guān)鍵參數(shù)編輯功能，實現(xiàn)控制指令和定時信號在軟件層面可編輯，靈活的輸出不同的控制協(xié)議和時序。

圖2 多功能控制模塊原理框圖

除了控制定時信號產(chǎn)生外，該模塊還有另一個針對提升測試效率設(shè)計的核心功能：實現(xiàn)多任務(wù)參數(shù)的存儲。多任務(wù)測試前需要把多個頻率、波束指向等任務(wù)信息預(yù)先存儲，在近場測試時受到探頭到位外觸發(fā)后，依次發(fā)送出去[14]。外觸發(fā)則采用脈沖觸發(fā)模式，并且由于觸發(fā)信號容易受到干擾，加入了脈沖寬度檢測和干擾毛刺寬度檢測的功能。毛刺寬度檢測閾值為脈沖寬度的 0.1倍。

1.2 綜合頻率源

對于模擬相控陣天線，相參同頻射頻信號的測試使用一臺矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀即可，不需要提供額外的頻率源。對于數(shù)字相控陣天線，要提供整個天線測試系統(tǒng)和被測天線的時鐘信號、本振信號和接收測試激勵信號。天線測試通用平臺包含一臺綜合頻率源(圖3)，能夠產(chǎn)生三通道獨(dú)立的200 MHz～15 GHz寬頻正弦波信號，以及一路頻率可選的點頻信號，覆蓋常用的100 MHz、200 MHz等時鐘頻率。CPU控制單元采用嵌入式 ARM 控制器作為CPU核心器件，主要實現(xiàn)功能模塊的控制、本地控制的參數(shù)設(shè)置、遠(yuǎn)程控制的參數(shù)設(shè)置、設(shè)備狀態(tài)的上報等。

圖3 綜合頻率源原理框圖

數(shù)字接收測試時一個重要的問題是信號的同步和相參。天線陣面不同子陣之間的同步由陣面自身保證，測試時不同時刻采集的信號相參由測試系統(tǒng)保證。方法之一是利用監(jiān)測T/R組件，該組件是特殊的數(shù)字T/R組件，可以保證不同時刻測試都有一個同步相參的參考通道作為基準(zhǔn)。為降低成本，天線測試通用平臺不包括監(jiān)測T/R組件，對頻率源提出新需求，要求頻率源直接保證每次設(shè)置都會輸出同一初始相位。

綜合頻率源在輸出寬頻信號時采用鎖相環(huán)鎖相方式合成，保證相同的初始相位。點頻信號源采用多個晶振倍頻的方案設(shè)計，低成本實現(xiàn)多種頻率。

綜合頻率源具有以太網(wǎng)和同步串口(RS422)的遠(yuǎn)程控制功能，網(wǎng)口是利用UDP協(xié)議輸出三路信號頻率，RS422接口用于多任務(wù)測試需求。該控制方式包含4對RS422差分接口，分別是換頻脈沖、數(shù)據(jù)、時鐘和使能信號，在天線測試通用平臺內(nèi)部受多功能控制模塊的特定IO時序控制，多任務(wù)測試過程中依次輸出不同的頻率點。頻率源的跳頻時間小于200 μs。

1.3 陣面數(shù)據(jù)分析儀

數(shù)字相控陣天線下行信號是經(jīng)過中頻采樣后的IQ數(shù)據(jù)，通用儀表不能直接測量。陣面數(shù)據(jù)分析儀是天線測試通用平臺的數(shù)據(jù)記錄模塊，放置4個接收光模塊，實現(xiàn)96路 SERDES數(shù)據(jù)的接收，實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的接收，能夠覆蓋多路數(shù)字信號的測試場景。陣面數(shù)據(jù)分析儀(圖4)采用兩級FPGA架構(gòu)設(shè)計，第一級采用2片V7FPGA，合成72路光纖數(shù)據(jù)，第二級采用1片 V5FPGA，內(nèi)嵌PowerPC處理器，可以實現(xiàn)V7FPGA的邏輯加載、配置參數(shù)加載、測試數(shù)據(jù)外發(fā)等功能。

圖4 陣面數(shù)據(jù)分析儀原理框圖

相比于雷達(dá)數(shù)字波束形成(DBF)，陣面數(shù)據(jù)分析儀重點在于功能通用性，強(qiáng)調(diào)對于天線原始數(shù)據(jù)的獲取和處理。設(shè)計過程充分考慮通用化配置，例如：可以選擇輸入光纖的位置和數(shù)量、設(shè)置光纖速率、指定某個光纖通道為測試參考通道、配置測試數(shù)據(jù)報文格式、波束合成數(shù)據(jù)抽取和處理等。這些信息都可以通過V5FPGA實現(xiàn)參數(shù)預(yù)先加載，適配不同的雷達(dá)天線。

陣面數(shù)據(jù)分析儀功能主要是：天線原始數(shù)據(jù)處理功能、天線狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理功能和波束合成功能。原始數(shù)據(jù)是按照配置參數(shù)中數(shù)據(jù)抽取規(guī)則選取數(shù)據(jù)點通過V5FPGA網(wǎng)口輸出，后續(xù)數(shù)據(jù)處理可以在上位機(jī)軟件中實現(xiàn)。天線狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)主要是陣面自檢數(shù)據(jù)，也可以直接通過網(wǎng)絡(luò)接口輸出。波束合成數(shù)據(jù)是在陣面數(shù)據(jù)分析儀內(nèi)部經(jīng)過通道的矢量和運(yùn)算后再進(jìn)行FFT數(shù)據(jù)處理，最終可以將合成后的少量數(shù)據(jù)點送出，效率較高。

2 軟件平臺設(shè)計

測試軟件是完成用戶信息交互、測試流程調(diào)度、測試硬件對接、測試數(shù)據(jù)顯示的平臺。天線測試通用平臺在軟件開發(fā)過程中利用構(gòu)件盡可能實現(xiàn)通用化，減少代碼重復(fù)開發(fā)[15]。對不同的被測天線，通過調(diào)用通用構(gòu)件和專用構(gòu)件，快速完成測試流程代碼開發(fā)和調(diào)試。開發(fā)環(huán)境為Qt，代碼執(zhí)行效率高，繪圖功能簡單[16]。測試系統(tǒng)軟件采用軟件架構(gòu)與測試流程分離的設(shè)計思想，每個被測件的測試流程是一個獨(dú)立的動態(tài)庫，最大限度地保障測試系統(tǒng)軟件的穩(wěn)定性，并且測試流程形成動態(tài)庫可以有效的軟件復(fù)用，不斷積累不同測試方法庫[17]。

軟件復(fù)用技術(shù)是充分利用過去系統(tǒng)開發(fā)中積累的知識經(jīng)驗，能夠有效降低軟件開發(fā)時間、人力和成本，已成為軟件開發(fā)主流方式。傳統(tǒng)測試軟件是針對某型天線測試定制化開發(fā)代碼，對于不同的測試需求開發(fā)特定的測試流程，優(yōu)點是代碼架構(gòu)簡單、沒有冗余，但是不同的天線測試需求采用“從零開始”的軟件開發(fā)模式，只有少量的函數(shù)級別的代碼復(fù)用。本文設(shè)計的軟件將功能模塊以構(gòu)件形式開發(fā)，針對文中的天線測試通用硬件平臺，可復(fù)用構(gòu)件包含圖5中的硬件資源驅(qū)動庫、構(gòu)件庫，是支持軟件復(fù)用的關(guān)鍵技術(shù)，大大提升了軟件復(fù)用率。經(jīng)統(tǒng)計，傳統(tǒng)測試軟件在函數(shù)級的復(fù)用大概在20%左右，而通用軟件平臺針對特定測試儀器型號的通用硬件平臺，儀表驅(qū)動庫和控制協(xié)議配置構(gòu)件等構(gòu)件庫功能獨(dú)立、可直接復(fù)用，測試流程針對不同的測試需求要重新開發(fā)、修改，但是有函數(shù)級別的復(fù)用，粗略統(tǒng)計軟件復(fù)用率在70%左右。另外，文中討論的軟件復(fù)用率統(tǒng)計范圍是對于能夠使用本文設(shè)計的天線測試通用硬件平臺測試的相控陣天線。

2.1 軟件總體結(jié)構(gòu)

測試軟件界面是用戶交互的接口，執(zhí)行用戶指令。軟件設(shè)計按照通用功能模塊構(gòu)件化，測試流程通用化加定制化，硬件資源按資源庫管理的模式。常用的測試流程、構(gòu)件庫和硬件資源如圖5所示。

圖5 軟件總體結(jié)構(gòu)框圖

軟件總體結(jié)構(gòu)第一層是硬件平臺資源通過開發(fā)底層控制指令形成驅(qū)動庫，同一硬件資源不同型號統(tǒng)一軟件接口，軟件開發(fā)時針對不同型號實現(xiàn)驅(qū)動的直接替換。第二層是軟件平臺的構(gòu)件庫，包括針對硬件驅(qū)動的控制構(gòu)件，控制協(xié)議的配置構(gòu)件，數(shù)據(jù)存儲顯示構(gòu)件等，將軟件平臺中通用的功能形成構(gòu)件，專用的功能也以構(gòu)件方式開發(fā)，可以針對不同的需求進(jìn)行構(gòu)件增加裁剪。第三層是針對具體天線測試需求開發(fā)的測試流程，測試流程按照天線測試功能需求分類，在通用流程基礎(chǔ)上支持定制化開發(fā)，通常不同的需求需要反復(fù)調(diào)試測試。頂層是人機(jī)接口，提供參數(shù)輸入和數(shù)據(jù)顯示界面，操作簡單。

測試流程動態(tài)庫和構(gòu)件庫都是以.dll 控件形式存在，在軟件平臺中動態(tài)加載、管理和釋放。動態(tài)加載、釋放動態(tài)庫的主要代碼如下所示:

QLibrary lib(".dll"); //加載動態(tài)庫 if(!lib.load())

{

QMessageBox::about(this,CString Format("天線測試平臺"),

CStringFormat("加載失敗"));

return;

}

typedef void(*DlgShow)(); //聲明調(diào)用的功能函數(shù)

DlgShow dlgshow=

(DlgShow)lib.resolve("show");

dlgshow0; //功能函數(shù)調(diào)用 lib.unloadO; //釋放動態(tài)庫

儀表編程基于 NIVISA/VISA32Virtual Instrument Software Architecture)，支持GPIB及 LAN通信。NI-VISA/VISA32是美國國家儀器NI公司開發(fā)的一種與各種儀器總線交互的高級應(yīng)用編程接口。不受平臺、總線、環(huán)境等限制，是虛擬儀器系統(tǒng)接口軟件。VISA 編程驅(qū)動結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 VISA 編程驅(qū)動結(jié)構(gòu)圖

IVI引擎指的是可互換虛擬儀器，定義通用的儀器驅(qū)動函數(shù)，對不同廠家儀器實現(xiàn)在線互換。典型代碼如下:

viOpenDefaultRM(&nSession); viOpen(nSession,“GPIB:3:INSTR”, VI_ NULL, VI_NULL,&HandleID);//儀器打開函數(shù)

viClose(HandleID); //儀器關(guān)閉函數(shù)

2.2 主要功能模塊

2.2.1 產(chǎn)品信息配置功能

針對不同的被測陣面，開放信息配置功能，由于不同陣面只需配置一次，并且參數(shù)相對固定，因此利用XML文件配置。主要參數(shù)包括：陣面通道數(shù)、陣面子陣數(shù)、陣元行間距、陣元列間距、陣元行數(shù)、陣元列數(shù)、陣面架構(gòu)(模擬陣、單元數(shù)字化、子陣數(shù)字化)、極化模式、校準(zhǔn)通道等。測試過程直接調(diào)用XML文件獲得各項參數(shù)值，避免不同被測陣面測試流程針對該部分代碼的重復(fù)修改。

2.2.2 參數(shù)協(xié)議編輯功能

通用平臺控制是由多功能控制模塊實現(xiàn)，軟件重要的一項功能是提供該模塊協(xié)議編輯，開發(fā)者或用戶可以編輯陣面控制參數(shù)和定時參數(shù)的值，用于天線上行控制鏈路不同工作模式的調(diào)試或者測試流程調(diào)用。該功能以表格形式展現(xiàn)，方便用戶編輯。

2.2.3 數(shù)據(jù)存儲顯示功能

被測數(shù)據(jù)在軟件界面上合理、直觀的布局和顯示，能夠幫助用戶實時了解測試情況，以做出測試異常及時中斷等行為。通道測試數(shù)據(jù)用表格形式展示，方向圖測試數(shù)據(jù)用波形圖形式顯示波瓣曲線(圖7)。數(shù)據(jù)存儲按照固定的格式保存在數(shù)據(jù)庫中，按照測試項目建立表格。

圖7 近場測試界面

2.2.4 測試硬件管理功能

該功能模塊是針對天線測試通用平臺硬件資源的管理設(shè)計，包括多功能控制模塊、通用頻率源和陣面數(shù)據(jù)分析儀的接口管理，以及測試儀表的管理(表1)。測試儀表主要是矢網(wǎng)和電源單元，軟件構(gòu)件庫包含常用儀表類型，例如美國是德、德國羅德施瓦茨、中國思儀幾款矢網(wǎng)型號。

表1 測試硬件管理

2.2.5 用戶管理功能

測試軟件平臺提供多級用戶管理，每級用戶有不同的權(quán)限，可以提供超級管理員、軟件開發(fā)人員、測試人員、數(shù)據(jù)查閱人員等不同的用戶權(quán)限，例如超級管理員享有最高權(quán)限，可以修改平臺代碼、數(shù)據(jù)庫等；軟件開發(fā)人員享有較高權(quán)限，可以增加修改測試流程代碼：測試人員享有一般權(quán)限，能夠使用測試軟件進(jìn)行實際測試；數(shù)據(jù)查閱人員享有最低權(quán)限，只能瀏覽軟件平臺和測試數(shù)據(jù)。用戶多級管理能夠確保測試系統(tǒng)軟件組成完整性和安全性。

2.3 天線測試流程設(shè)計

裝配好的天線測試過程一般包括通道排故測試、通道校準(zhǔn)測試和波瓣性能測試。軟件平臺在測試流程設(shè)計中將通用流程固態(tài)化，相關(guān)陣面參數(shù)、控制參數(shù)、測試延時等參數(shù)可配置。

2.3.1 通道排故流程設(shè)計

查看陣面好壞通常的做法是通過內(nèi)監(jiān)測挨個遍歷T/R組件，對陣面控制、各有源器件、射頻鏈路等完成功能測試。模擬鏈路測試?yán)檬妇W(wǎng)，天線陣面接收測試時，矢網(wǎng)一個端口作為源通過穩(wěn)相電纜發(fā)射信號至陣面內(nèi)定標(biāo)鏈路總輸入口，總輸出口通過電纜接至矢網(wǎng)另一個端口；發(fā)射測試時，鏈路相反，矢網(wǎng)一個端口提供相參的激勵信號，陣面發(fā)射，矢網(wǎng)另一個端口接收。測試時挨個打開每個T/R組件每個通道，并且控制不同的移相碼、衰減碼、延時碼，檢查每個通道的移相器功能。模擬鏈路測試完成所有T/R組件及鏈路的功能檢查，確保天線單元幅相加權(quán)合成波束。數(shù)字相控陣的數(shù)字接收鏈路是利用陣面數(shù)據(jù)分析儀對下行I/Q采用數(shù)據(jù)分析完成測試。流程圖如圖8所示。

圖8 通道排故流程

2.3.2 通道校準(zhǔn)流程設(shè)計

相控陣天線每個通道都包含若干微波器件，通道之間初始的幅相不一致會影響天線合成波束的性能。因此，經(jīng)過天線幅相測試排故后，幅相校準(zhǔn)也很重要。直接利用內(nèi)定標(biāo)射頻鏈路的方法適用于精度要求較低的幅相校準(zhǔn)，沒有考慮到陣元互耦影響?，F(xiàn)有天線陣面幅相校準(zhǔn)也會利用中場校準(zhǔn)或近場校準(zhǔn)[18]。

中場接收校準(zhǔn)時測試系統(tǒng)通過探頭發(fā)射信號，陣面各接收通道依次打開，得到接收通道的幅相數(shù)據(jù)，發(fā)射校準(zhǔn)時陣面各個通道發(fā)射信號，中場探頭接收信號后送到測試系統(tǒng)，得到發(fā)射通道的幅相數(shù)據(jù)。中場探頭相對于陣面的位置是經(jīng)過光學(xué)方式嚴(yán)格標(biāo)定，因此可以計算出不同通道到探頭的路程差引起的幅度、相位誤差，測試的幅相數(shù)據(jù)減去幅相誤差可以得到幅相校準(zhǔn)時的各個通道幅度、相位數(shù)據(jù)。發(fā)射校準(zhǔn)測試流程相似，沒有衰減置位。中場校準(zhǔn)較近場校準(zhǔn)操作簡單、效率高，但是依靠光學(xué)標(biāo)定和計算會引來測試誤差，近場校準(zhǔn)是在近場測試環(huán)境下，利用掃描架等裝備依次移動探頭到每個通道前方，控制當(dāng)前通道打開，其他通道關(guān)閉，獲得通道初始幅相值。近場受環(huán)境影響小、測試精度較高。測試流程與中場相同，多了探頭移動的過程。陣面參考基準(zhǔn)幅度的選擇有多種方法，其中之一是全陣面通道幅度值平均值再減去一個參考值。參考基準(zhǔn)相位可以為任意值，所有通道向參考值校準(zhǔn)即可。流程圖如圖9所示。

圖9 通道校準(zhǔn)流程

2.3.3 波瓣性能測試流程設(shè)計

陣面完成校準(zhǔn)后方向圖性能測試前，可以通過中場掃瓣快速檢查陣面波束形成情況。陣面波束按照俯仰角和方位角依次控制在不同角度，獲得的幅度相位按照角度繪制出變化趨勢，粗略表現(xiàn)出陣面的方位、俯仰法向波束情況。

經(jīng)過上述一系列功能檢查和測試后，要進(jìn)行天線陣面性能測試。方向圖測試是獲得天線陣面性能最常用的方法，有遠(yuǎn)場、中場和近場測試方法[19]。室內(nèi)暗室近場測試具有不受天氣因素影響、節(jié)省場地的優(yōu)點[20]。近場測試系統(tǒng)包括伺服掃描架分系統(tǒng)、測試系統(tǒng)和微波暗室，掃描架接有近場探頭，在移動過程發(fā)射或者接收信號完成陣面接收或發(fā)射平面近場測試，通過計算得到方向圖。流程圖如圖10所示。

圖10 波瓣測試流程

模擬陣面接收測試核心儀器是矢網(wǎng)，四通道矢網(wǎng)可以同時得到和差差波束，儀器一個端口接至近場探頭，提供激勵源信號，另外3個通道接至陣面和差差網(wǎng)絡(luò)接口，測試時同時獲得3個波束信號。數(shù)字陣面接收測試時，監(jiān)測T/R組件或者穩(wěn)相頻率源發(fā)射信號至近場探頭，子陣下行數(shù)字信號合成和差差波束，并且可以根據(jù)要求合成多個不同角度波束。陣面發(fā)射方向圖測試?yán)檬妇W(wǎng)，矢網(wǎng)一個端口發(fā)射信號經(jīng)過功放后作為陣面激勵信號輸入，陣面發(fā)射信號至近場探頭接收，探頭將信號送回矢網(wǎng)另一個端口，完成發(fā)射測試。

波瓣性能測試引入多任務(wù)測試方法，利用多功能控制模塊，測試前將多個頻點、多個波束指向的控制信息提前存儲，收到掃描架探頭到位發(fā)出的握手信號后，控制模塊被觸發(fā)產(chǎn)生特定的時序，實現(xiàn)多個測試任務(wù)的陣面控制、源控制、信號采集的同步。

3 試驗與驗證

天線測試通用平臺由通用硬件資源和軟件平臺構(gòu)成，適用于多數(shù)模擬相控陣、數(shù)字化相控陣的測試。相比傳統(tǒng)的以雷達(dá)控制、數(shù)據(jù)記錄等分系統(tǒng)為硬件資源的定制化測試系統(tǒng)，通用平臺有標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)、軟件可復(fù)用、能夠快速集成，大大減少開發(fā)人員的工作量，同時對使用人員也提供相對標(biāo)準(zhǔn)的測試流程，測試精度與傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)相當(dāng)。兩類測試系統(tǒng)硬件組成如表2所示，選擇某X波段子陣數(shù)字化相控陣天線為例進(jìn)行試驗與驗證。

前文已經(jīng)對傳統(tǒng)測試系統(tǒng)和通用測試平臺的軟件復(fù)用率比對，現(xiàn)在進(jìn)行系統(tǒng)集成和方向圖的實際測試，利用多任務(wù)測試得到不同波束角度的測試結(jié)果，如表3所示。從對比數(shù)據(jù)看出，通用測試平臺測試精度與傳統(tǒng)測試系統(tǒng)基本一致，但是系統(tǒng)集成速度提升69%，軟件復(fù)用率提升50%，具有很大優(yōu)勢。

表3 測試硬件組成

使用文中天線測試通用平臺對某型有源相控陣測試，發(fā)射近場測試數(shù)據(jù)分布和方向圖顯示如圖11所示。

圖11 發(fā)射近場相位分布和波束

4 結(jié)束語

通用化、標(biāo)準(zhǔn)化的測試硬件和構(gòu)件化、模塊化的軟件平臺組成天線測試通用平臺。硬件設(shè)計充分考慮控制、定時、頻率、數(shù)據(jù)記錄的各項指標(biāo)，滿足40 GHz以下頻率、64路以下控制信號的模擬相控陣和15 GHz以下頻率、72路以下陣面數(shù)據(jù)、8 GHz以下光纖速率的子陣數(shù)字化或單元數(shù)字化相控陣的排故、校準(zhǔn)、波瓣測試等常規(guī)天線測試需求。利用該平臺對天線陣面做功能和性能試驗測試，不再依賴?yán)走_(dá)除陣面之外其他的分系統(tǒng)，形成通用測試環(huán)境和流程，提高天線測試能力和標(biāo)準(zhǔn)化程度，顯著提升測試系統(tǒng)搭建和開發(fā)效率。經(jīng)過應(yīng)用驗證，天線測試通用平臺滿足不同架構(gòu)的天線測試需求，可大力推廣，對于有源相控陣?yán)走_(dá)的研制具有重要意義。