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如何优化天线测试系统的测试效率?

2022-04-22 高速射频百花潭 阅读:
本文针对典型的天线测试系统配置与测试方式,分析了测试系统的工作方式、测试流程等,提出了充分利用测试设备性能以提高整个系统测试效率的建议。

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优化天线测试系统的测试效sCkednc

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概述sCkednc

 天线测试系统用来对天线、雷达、雷达罩等设备的性能进行测试与评估。不管测试系统是远场、紧缩场、近场还是现在OTA测试中的小暗箱系统,所有系统中都存在转台/扫描架、测试设备(包括发射源、本振源、接收机等)与自动测试软件几大部分,在实际测试过程中,这几部分之间的通信、握手协议、序列化、同步触发及数据流等开销限制了整个系统的性能与效率。为了提高测试效率,测试工程师希望能够在不降低测试精度的情况下,优化提高系统测试速度,以便对复杂天线辐射性能进行高效测试。sCkednc

随着技术的进步出现了新的测试技术与测试设备,合理利用这些技术与设备可以大大提高测试系统的测试效率、降低测试成本、缩短测试时间,从而提高产品竞争力,缩短产品上市时间。sCkednc

本文针对典型的天线测试系统配置与测试方式,分析了测试系统的工作方式、测试流程等,提出了充分利用测试设备性能以提高整个系统测试效率的建议。sCkednc

天线测试系统的组成部分sCkednc

典型的天线测试系统由以下几大部分组成:sCkednc

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转台及暗室sCkednc

在对天线进行测试时,为了避免外界信号对测试的影响及测试信号对外界环境的干扰,测试一般在微波暗室内进行(也可以选择开阔的外场)。sCkednc

对于天线辐射特性(方向图、带宽、旁瓣等指标)测试,需要利用转台来实现天线在自由空间的可控精确位置,因此系统中需要转台系统,将天线安装于转台这上,利用转台的精确、可控的转动为天线测试提供空间位置信息。(近场测试需要控制扫描架来进行测试)。测试暗室应该能够提供足够的静区,测试转台的位置精度与位置重复性是系统的关键指标。sCkednc

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转台控制器sCkednc

转台控制器直接控制转台各轴电机完成转台的转动,同时提供相应的接口与测试系统对接,通过此接口来完成转台的程序控制、并返回转台的位置信息与相应的定时信号。天线测试系统中的转台控制器基本有转台供应商提供,一般的转台控制器可以控制转台和扫描架;对于特定测试中应用到的机械臂,由机械臂厂家提供相应的控制器。sCkednc

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信号源sCkednc

用来为测试系统中的发射天线提供激励信号,对于大型系统,除了发射信号源之外,还配置有相应的本振信号源。发射信号源可以是通用信号源、信号模拟器、专用信号激励模拟等。sCkednc

对天线测试系统中用到的信号源一般要求具有快速的频率切换速度,这样可以提高测试系统的测试速度。很多系统在发射端还会配置相应的上变频器、倍频器及功率放大器等,以满足宽频率覆盖、并提供足够高的发射功率以提高系统动态范围。sCkednc

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接收机sCkednc

系统中的接收机用来对天线接收到的信号进行采集,并进行相应的幅度与相位测试。sCkednc

在很多系统中可能还会配置相应的下变频、低噪声放大器及多通道开关等。天线测试系统中的接收机一般要求具有速度快、测试精度及线性度好、具有大的动态范围,现在大部分天线测试系统使用矢量网络分析仪做为接收机使用,由于其内部除接收机外,还有合成源,可以代替系统中的发射源或者本振源。sCkednc

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天线测试软件sCkednc

天线测试软件是天线测试系统的核心,也可以说是测试系统的大脑,在测试过程中天线测试软件用来控制上述各部分协调工作、完成各设备的控制与数据采集。sCkednc

测试软件需要把测试过程中返回的大量数据(测试数据与位置数据)进行采集、处理、分析并按照需要进行保存与输出。同时还需要完成通道切换、互相触发、设备实时控制等大量工作。sCkednc

由于测试软件一般工作于运行Windows操作系统的计算机上,系统需要解决软件的异步工作模式与各设备实时、同步工作模式之间的问题,这往往大大降低了整个系统的测试速度。sCkednc

天线测试系统测试方法分析sCkednc

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简单的天线测试系统分析:sCkednc

如图1所示是一个简单的天线测试系统,此系统使用一台矢量网络分析仪做为发射源与接收机,通过转台控制器控制转台的运动,运行于测试计算机上的天线测试软件控制整个系统的运行。sCkednc

当转台转动到指定位置后,转台控制器产生同步TTL触发信号给网络分析仪,网络分析仪接收到此触发信号后,按照测试序列完成相应的频率切换及数据采集,如果网络分析仪本身具有数据缓存功能(像Keysight公司的PNA系列网络分析仪具有FIFO的选件,可以进行测试数据的实时缓存),其可以将接收到一系列触发后的测试数据存储在此缓存中,这样控制计算机只需要采集实时位置信息,然后周期性的从矢量网络分析仪读取数据,并将位置数据与测试数据合并既可。sCkednc

图 1 基于VNA的简单天线测试系统sCkednc

但大部分矢量网络分析仪不具有实时缓存功能或者缓存容量比较小,无法实时存储大量测试数据。此时控制计算机必须在转台控制器下一个位置触发信号到来之前,实时将接收机测试数据读回计算机,否则此数据将丢失。此种情况下天线控制软件的工作逻辑一般如下:sCkednc

[1]  实时查询(Poll)转台控制器是否到达指定位置;sCkednc

[2]  在查询转台到位后,从转台控制器读取位置数据;sCkednc

[3]  查询矢量网络分析仪是否测量完成;sCkednc

[4]  测量完成后从接收机读取测量数据。sCkednc

如果接收机进行一个耗时的复杂测试,整个系统的测试速度将由接收机来主导。但对于天线测试中经常的单频率、单通道测量来说,其测量速度是非常快的,此时控制计算机的时间开销将决定整个系统的测试速度。有实验表明,对于没有缓存的上述简单测试系统,系统每秒只能完成10个位置的测试,但网络分析仪本身在同样的测试设置情况下却可以完成每秒20-30个频点(甚至更多)的测试。可见此种场景下,控制计算机和控制软件是整个系统的速度瓶颈。sCkednc

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更复杂的天线测试系统:sCkednc

随着测试系统变得更加复杂,测试软件通过计算机直接控制变得更加困难。对于许多天线测试系统来说,在发射端需要配置单独的信号源,而不是采取使用矢量网络分析仪内部的源。sCkednc

在对天线测试时,经常需要进行多频点或者扫频测试,为了完成快速的频率切换,采用的方法是将接收机的外部触发和扫描完成口与外部信号源的外部触发口和信号锁定口交叉连接,这样允许接收机和发射源之间快速握手,完成多频点测试。sCkednc

但这种使用情况下,接收机的外部触发口就不能再用于与转台控制器位置触发相连,需要通过计算机来进行控制,同样会增加整个系统用于控制的开销,造成测试速度慢。现在一些新的矢量网络分析仪除常规一对触发输入输出端口外,提供了额外的触发控制接口来解决这个问题。但仍然存在接收机数据的实时采集存储问题。还有许多大型系统,除了配置单独的发射源外,还需要配置单独的本振信号源,更加剧了系统复杂性。sCkednc

随着相控阵天线和阵列天线的普及,现在的天线测试系统还面临着多通道测试的需求,很多测试还需要完成不同波束状态下的测试。针对这种情况系统中需要与通道切换的开关控制器和波控计算机之间的接口与握手,这样天线测试软件管理这些更多的额外活动的负担更重。sCkednc

在复杂天线测试中,针对相控阵天线及阵列天线测试的情况下,整个系统的测试效率受多种因素的制约,主要包括:接收机测量速度、频率切换速度、波束切换速度、通道切换速度、各部分同步方式等。因此针对天线测试系统的高效测试需求,需要更加有力的手段来解决上述问题。sCkednc

提高天线测试系统测试效率的措施sCkednc

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使用实时控制器减少系统控制与同步时间sCkednc

在天线测试系统中增加实时控制器(RT-BOX),利用其完成测试过程中系统中各设备(包括矢量网络分析仪、发射源、本振源、转台控制器、开关控制器、波束控制计算机等)的实时控制,将原来测试计算机的实时控制开销消除掉,从测试开始到测试完成,由其完成整个系统的实时运行,充分发挥系统中各设备的速度,从而提高整个系统的测试速度与测试效率。sCkednc

建议的实时控制器应具有下述功能:sCkednc

【1】系统中的所有同步触发线全部由实时控制器中的FPGA管理,由它按照测试流程来进行触发信号生成与检测,协调系统中各设备的工作。sCkednc

【2】现在的许多转台控制器具有角度位置实时输出口,实时控制器可以通过此接口完成转台位置的实时采集。sCkednc

【3】利用实时控制器中的大容量存储器,在实时控制器检测到接收机的扫描完成触发信号后,实时采集测试数据并存入内部存储器。这样测试软件可以周期性的从实时控制器中读取测试结果和角度位置数据。sCkednc

【4】实时控制器配置有通用开关控制接口,可以通过控制开关切换完成多通道天线的快速测试,同时实现通道切换与系统中其它设备的同步操作。sCkednc

【5】实时控制器配置通用的数字接口,通过其可以与波控计算机进行通信,完成波束状态的实时切换,完成相控阵天线多波束的快速测量。sCkednc

图1所示的是使用矢量网络分析仪的简单天线测试系统,其中使用实时控制器的功能图如图2所示:sCkednc

图2 在基于VNA的简单天线测试系统中使用实时控制器sCkednc

如图3所示为实时控制器在更通用的天线测试系统中使用的框图:sCkednc

图3. 使用实时控制器的通用天线测试系统sCkednc

基于实时控制器的天线测试系统在进行测试时,天线测试软件将整个测试序列与测试参数下载到实时控制器中,然后起动测试。测试开始后,整个系统的实时控制由实时控制器接管,具体的测试流程如图4所示。(注:流程图中,从实际实现来看,发射源和本振源的频率切换应该是并行进行,但为了显示清楚,在流程图中显示为串行)sCkednc

图4. 测试流程图sCkednc

系统测试时的实时控制时序图如图5所示。(注:由于波控机的控制一般是通过专用或通用控制总线进行控制的,可能不是简单的TTL脉冲信号,因此在时序图中没有画出波束切换。)sCkednc

图5 天线测试时序图sCkednc

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使用快速切换频率源提高多频测试速度:sCkednc

为了完整测试整个天线的性能,在进行天线测试时需要在多个频率下或者频率扫描下进行测试,从而得到天线在不同频率下的性能。从图5所示的天线测试时序图可以看出,信号源频率切换速度是影响天线多频测试时效率的关键指标,因此在天线测试中,应该尽量选用频率切换速度快的信号源作为发射信号源或者本振信号源。sCkednc

在紧凑型天线远场测试或者近场测试系统中,通常使用矢量网络分析仪来作为接收机,同时利用其内部的源作为测试系统的发射源,由于矢量网络分析仪的频率扫描速度比较快(典型小于10微秒),因此这种只使用矢网的系统可以达到比较快的多频或扫频天线测试。sCkednc

但是典型的远场天线测试系统或者大型近场系统中,一般采用独立的信号源作为系统发射信号源和本振源,因此这些信号源的频率切换速度就对多频或扫频测试的速度有及大影响。现在国内大部分天线测试中使用的信号源有:美国是德公司生产的E8257 PSG或者M5183 MXG信号源、德国R&S公司生产SMA100B/SMB100A、中电41所等公司生产的标准模拟信号源,这些商用标准信号源的频率切换速度基本都在ms量级(最快的5183MXG信号源通过增加快速选件也只能达到600us左右)。采用更快频率切换速度的信号源可以大大提高整个系统的测试速度。sCkednc

国内中星联华科技(北京)有限公司生产的微波模拟信号源具有宽带频率跳变功能,其频率切换速度可小于10us,是目前商用模拟信号源中频率切换速度最快的信号源,可以在天线测试系统、雷达测试、卫星载荷测试等需要多频测试需求的系统中,能够大大提高测试系统的测试效率。sCkednc

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合理安排测试流程/时序,提高测试效率sCkednc

在复杂天线测试时,通过需要多轴扫描(方位、俯仰、极化等)、多频点、多通道、多波束等测试,由于不同的切换(如频率切换、波束切换、通道切换等)所需要的时间不同,当采用不同的测试流程时所需要的测试时间也不同。sCkednc

因此在安排测试流程或者时序时,应该将切换速度快的切换尽量安排在测试循环的内部,将切换速度慢的切换(如转台位置循环)安排在循环的外部,这样可以提高整个测试的效率,减少测试时间。sCkednc

总结sCkednc

通过分析天线测试系统的组成及测试过程分析,在天线测试时,通过选择快速的测试设备、合理安排测试流程/时序、减少各部分协调/同步开销等措施,可以大大缩短系统测试时间,提高系统测试效率。sCkednc

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责编:Admin
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