導(dǎo)讀

通過分析天線測試系統(tǒng)的組成及測試過程分析，在天線測試時(shí)，通過選擇快速的測試設(shè)備等措施，可以大大縮短系統(tǒng)測試時(shí)間，提高系統(tǒng)測試效率。

1．概述

天線測試系統(tǒng)用來對天線、雷達(dá)、雷達(dá)罩等設(shè)備的性能進(jìn)行測試與評估。不管測試系統(tǒng)是遠(yuǎn)場、緊縮場、近場還是現(xiàn)在OTA測試中的小暗箱系統(tǒng)，所有系統(tǒng)中都存在轉(zhuǎn)臺/掃描架、測試設(shè)備（包括發(fā)射源、本振源、接收機(jī)等）與自動測試軟件幾大部分，在實(shí)際測試過程中，這幾部分之間的通信、握手協(xié)議、序列化、同步觸發(fā)及數(shù)據(jù)流等開銷限制了整個(gè)系統(tǒng)的性能與效率。為了提高測試效率，測試工程師希望能夠在不降低測試精度的情況下，優(yōu)化提高系統(tǒng)測試速度，以便對復(fù)雜天線輻射性能進(jìn)行高效測試。

隨著技術(shù)的進(jìn)步出現(xiàn)了新的測試技術(shù)與測試設(shè)備，合理利用這些技術(shù)與設(shè)備可以大大提高測試系統(tǒng)的測試效率、降低測試成本、縮短測試時(shí)間，從而提高產(chǎn)品競爭力，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。本文針對典型的天線測試系統(tǒng)配置與測試方式，分析了測試系統(tǒng)的工作方式、測試流程等，提出了充分利用測試設(shè)備的性能，提高整個(gè)系統(tǒng)測試效率的建議。

2．天線測試系統(tǒng)的組成部分

典型的天線測試系統(tǒng)由以下幾大部分組成：

·  轉(zhuǎn)臺及暗室：在對天線進(jìn)行測試時(shí)，為了避免外界信號對測試的影響及測試信號對外界環(huán)境的干擾，測試一般在微波暗室內(nèi)進(jìn)行（也可以選擇開闊的外場）。對于天線輻射特性（方向圖、帶寬、旁瓣等指標(biāo)）測試，需要利用轉(zhuǎn)臺來實(shí)現(xiàn)天線在自由空間的可控精確位置，因此系統(tǒng)中需要轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)，將天線安裝于轉(zhuǎn)臺這上，利用轉(zhuǎn)臺的精確、可控的轉(zhuǎn)動為天線測試提供空間位置信息。（近場測試需要控制掃描架來進(jìn)行測試）。測試暗室應(yīng)該能夠提供足夠的靜區(qū)，測試轉(zhuǎn)臺的位置精度與位置重復(fù)性是系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)。

·  轉(zhuǎn)臺控制器：轉(zhuǎn)臺控制器直接控制轉(zhuǎn)臺各軸電機(jī)完成轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動，同時(shí)提供相應(yīng)的接口與測試系統(tǒng)對接，通過此接口來完成轉(zhuǎn)臺的程序控制、并返回轉(zhuǎn)臺的位置信息與相應(yīng)的定時(shí)信號。天線測試系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)臺控制器基本有轉(zhuǎn)臺供應(yīng)商提供，一般的轉(zhuǎn)臺控制器可以控制轉(zhuǎn)臺和掃描架；對于特定測試中應(yīng)用到的機(jī)械臂，由機(jī)械臂廠家提供相應(yīng)的控制器。

·  信號源：用來為測試系統(tǒng)中的發(fā)射天線提供激勵(lì)信號，對于大型系統(tǒng)，除了發(fā)射信號源之外，還配置有相應(yīng)的本振信號源。發(fā)射信號源可以是通用信號源、信號模擬器、專用信號激勵(lì)模擬等。對天線測試系統(tǒng)中用到的信號源一般要求具有快速的頻率切換速度，這樣可以提高測試系統(tǒng)的測試速度。很多系統(tǒng)在發(fā)射端還會配置相應(yīng)的上變頻器、倍頻器及功率放大器等，以滿足寬頻率覆蓋、并提供足夠高的發(fā)射功率以提高系統(tǒng)動態(tài)范圍。

·  接收機(jī)：系統(tǒng)中的接收機(jī)用來對天線接收到的信號進(jìn)行采集，并進(jìn)行相應(yīng)的幅度與相位測試。在很多系統(tǒng)中可能還會配置相應(yīng)的下變頻、低噪聲放大器及多通道開關(guān)等。天線測試系統(tǒng)中的接收機(jī)一般要求具有速度快、測試精度及線性度好、具有大的動態(tài)范圍，現(xiàn)在大部分天線測試系統(tǒng)使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀做為接收機(jī)使用，由于其內(nèi)部除接收機(jī)外，還有合成源，可以代替系統(tǒng)中的發(fā)射源或者本振源。

·  天線測試軟件：天線測試軟件是天線測試系統(tǒng)的核心，也可以說是測試系統(tǒng)的大腦，在測試過程中天線測試軟件用來控制上述各部分協(xié)調(diào)工作、完成各設(shè)備的控制與數(shù)據(jù)采集。測試軟件需要把測試過程中返回的大量數(shù)據(jù)（測試數(shù)據(jù)與位置數(shù)據(jù)）進(jìn)行采集、處理、分析并按照需要進(jìn)行保存與輸出。同時(shí)還需要完成通道切換、互相觸發(fā)、設(shè)備實(shí)時(shí)控制等大量工作。由于測試軟件一般工作于運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上，系統(tǒng)需要解決軟件的異步工作模式與各設(shè)備實(shí)時(shí)、同步工作模式之間的問題，這往往大大降低了整個(gè)系統(tǒng)的測試速度。

3. 天線測試系統(tǒng)測試方法分析

·  簡單的天線測試系統(tǒng)分析：

如圖 1所示是一個(gè)簡單的天線測試系統(tǒng)，此系統(tǒng)使用一臺矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀做為發(fā)射源與接收機(jī)，通過轉(zhuǎn)臺控制器控制轉(zhuǎn)臺的運(yùn)動，運(yùn)行于測試計(jì)算機(jī)上的天線測試軟件控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。當(dāng)轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動到指定位置后，轉(zhuǎn)臺控制器產(chǎn)生同步TTL觸發(fā)信號給網(wǎng)絡(luò)分析儀，網(wǎng)絡(luò)分析儀接收到此觸發(fā)信號后，按照測試序列完成相應(yīng)的頻率切換及數(shù)據(jù)采集，如果網(wǎng)絡(luò)分析儀本身具有數(shù)據(jù)緩存功能（像Keysight公司的PNA系列網(wǎng)絡(luò)分析儀具有FIFO的選件，可以進(jìn)行測試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)緩存），其可以將接收到一系列觸發(fā)后的測試數(shù)據(jù)存儲在此緩存中，這樣控制計(jì)算機(jī)只需要采集實(shí)時(shí)位置信息，然后周期性的從矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀讀取數(shù)據(jù)，并將位置數(shù)據(jù)與測試數(shù)據(jù)合并既可。

圖 1 基于VNA的簡單天線測試系統(tǒng)

但大部分矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀不具有實(shí)時(shí)緩存功能或者緩存容量比較小，無法實(shí)時(shí)存儲大量測試數(shù)據(jù)。此時(shí)控制計(jì)算機(jī)必須在轉(zhuǎn)臺控制器下一個(gè)位置觸發(fā)信號到來之前，實(shí)時(shí)將接收機(jī)測試數(shù)據(jù)讀回計(jì)算機(jī)，否則此數(shù)據(jù)將丟失。此種情況下天線控制軟件的工作邏輯一般如下：

·  實(shí)時(shí)查詢（Poll）轉(zhuǎn)臺控制器是否到達(dá)指定位置；

·  在查詢轉(zhuǎn)臺到位后，從轉(zhuǎn)臺控制器讀取位置數(shù)據(jù)；

·  查詢矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是否測量完成；

·  測量完成后從接收機(jī)讀取測量數(shù)據(jù)。

如果接收機(jī)進(jìn)行一個(gè)耗時(shí)的復(fù)雜測試，整個(gè)系統(tǒng)的測試速度將由接收機(jī)來主導(dǎo)。但對于天線測試中經(jīng)常的單頻率、單通道測量來說，其測量速度是非常快的，此時(shí)控制計(jì)算機(jī)的時(shí)間開銷將決定整個(gè)系統(tǒng)的測試速度。有實(shí)驗(yàn)表明，對于沒有緩存的上述簡單測試系統(tǒng)，系統(tǒng)每秒只能完成10個(gè)位置的測試，但網(wǎng)絡(luò)分析儀本身在同樣的測試設(shè)置情況下卻可以完成每秒20-30個(gè)頻點(diǎn)（甚至更多）的測試。可見此種場景下，控制計(jì)算機(jī)和控制軟件是整個(gè)系統(tǒng)的速度瓶頸。

·  更復(fù)雜的天線測試系統(tǒng)：

隨著測試系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，測試軟件通過計(jì)算機(jī)直接控制變得更加困難。對于許多天線測試系統(tǒng)來說，在發(fā)射端需要配置單獨(dú)的信號源，而不是采取使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部的源。在對天線測試時(shí)，經(jīng)常需要進(jìn)行多頻點(diǎn)或者掃頻測試，為了完成快速的頻率切換，采用的方法是將接收機(jī)的外部觸發(fā)和掃描完成口與外部信號源的外部觸發(fā)口和信號鎖定口交叉連接，這樣允許接收機(jī)和發(fā)射源之間快速握手，完成多頻點(diǎn)測試。但這種使用情況下，接收機(jī)的外部觸發(fā)口就不能再用于與轉(zhuǎn)臺控制器位置觸發(fā)相連，需要通過計(jì)算機(jī)來進(jìn)行控制，同樣會增加整個(gè)系統(tǒng)用于控制的開銷，造成測試速度慢。現(xiàn)在一些新的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀除常規(guī)一對觸發(fā)輸入輸出端口外，提供了額外的觸發(fā)控制接口來解決這個(gè)問題。但仍然存在接收機(jī)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集存儲問題。還有許多大型系統(tǒng)，除了配置單獨(dú)的發(fā)射源外，還需要配置單獨(dú)的本振信號源，更加劇了系統(tǒng)復(fù)雜性。

隨著相控陣天線和陣列天線的普及，現(xiàn)在的天線測試系統(tǒng)還面臨著多通道測試的需求，很多測試還需要完成不同波束狀態(tài)下的測試。針對這種情況系統(tǒng)中需要與通道切換的開關(guān)控制器和波控計(jì)算機(jī)之間的接口與握手，這樣天線測試軟件管理這些更多的額外活動的負(fù)擔(dān)更重。

在復(fù)雜天線測試中，針對相控陣天線及陣列天線測試的情況下，整個(gè)系統(tǒng)的測試效率受多種因素的制約，主要包括：接收機(jī)測量速度、頻率切換速度、波束切換速度、通道切換速度、各部分同步方式等。因此針對天線測試系統(tǒng)的高效測試需求，需要更加有力的手段來解決上述問題。

4. 提高天線測試系統(tǒng)測試效率的措施

·  使用實(shí)時(shí)控制器減少系統(tǒng)控制與同步時(shí)間

在天線測試系統(tǒng)中增加實(shí)時(shí)控制器（RT-BOX），利用其完成測試過程中系統(tǒng)中各設(shè)備（包括矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、發(fā)射源、本振源、轉(zhuǎn)臺控制器、開關(guān)控制器、波束控制計(jì)算機(jī)等）的實(shí)時(shí)控制，將原來測試計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)控制開銷消除掉，從測試開始到測試完成，由其完成整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行，充分發(fā)揮系統(tǒng)中各設(shè)備的速度，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的測試速度與測試效率。

建議的實(shí)時(shí)控制器應(yīng)具有下述功能：

·  系統(tǒng)中的所有同步觸發(fā)線全部由實(shí)時(shí)控制器中的FPGA管理，由它按照測試流程來進(jìn)行觸發(fā)信號生成與檢測，協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各設(shè)備的工作。

·  現(xiàn)在的許多轉(zhuǎn)臺控制器具有角度位置實(shí)時(shí)輸出口，實(shí)時(shí)控制器可以通過此接口完成轉(zhuǎn)臺位置的實(shí)時(shí)采集。

·  利用實(shí)時(shí)控制器中的大容量存儲器，在實(shí)時(shí)控制器檢測到接收機(jī)的掃描完成觸發(fā)信號后，實(shí)時(shí)采集測試數(shù)據(jù)并存入內(nèi)部存儲器。這樣測試軟件可以周期性的從實(shí)時(shí)控制器中讀取測試結(jié)果和角度位置數(shù)據(jù)。

·  實(shí)時(shí)控制器配置有通用開關(guān)控制接口，可以通過控制開關(guān)切換完成多通道天線的快速測試，同時(shí)實(shí)現(xiàn)通道切換與系統(tǒng)中其它設(shè)備的同步操作。

·  實(shí)時(shí)控制器配置通用的數(shù)字接口，通過其可以與波控計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，完成波束狀態(tài)的實(shí)時(shí)切換，完成相控陣天線多波束的快速測量。

圖1所示的只使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的簡單天線測試系統(tǒng)中使用實(shí)時(shí)控制器的功能圖如圖2所示：

圖2 在基于VNA的簡單天線測試系統(tǒng)中使用實(shí)時(shí)控制器

如圖3所示為實(shí)時(shí)控制器在更通用的天線測試系統(tǒng)中使用的框圖：

圖3. 使用實(shí)時(shí)控制器的通用天線測試系統(tǒng)

基于實(shí)時(shí)控制器的天線測試系統(tǒng)在進(jìn)行測試時(shí)，天線測試軟件將整個(gè)測試序列與測試參數(shù)下載到實(shí)時(shí)控制器中，然后起動測試。測試開始后，整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制由實(shí)時(shí)控制器接管，具體的測試流程如圖4所示。（注：流程圖中，從實(shí)際實(shí)現(xiàn)來看，發(fā)射源和本振源的頻率切換應(yīng)該是并行進(jìn)行，但為了顯示清楚，在流程圖中顯示為串行）

圖4. 測試流程圖

系統(tǒng)測試時(shí)的實(shí)時(shí)控制時(shí)序圖如圖5所示。（注：由于波控機(jī)的控制一般是通過專用或通用控制總線進(jìn)行控制的，可能不是簡單的TTL脈沖信號，因此在時(shí)序圖中沒有畫出波束切換。）

圖5 天線測試時(shí)序圖

·  使用快速切換信號源提高多頻測試速度

為了完整測試整個(gè)天線的性能，在進(jìn)行天線測試時(shí)需要在多個(gè)頻率下或者頻率掃描下進(jìn)行測試，從而得到天線在不同頻率下的性能。從圖5所示的天線測試時(shí)序圖可以看出，信號源頻率切換速度是影響天線多頻測試時(shí)效率的關(guān)鍵指標(biāo)，因此在天線測試中，應(yīng)該盡量選用頻率切換速度快的信號源作為發(fā)射信號源或者本振信號源。

在緊湊型天線遠(yuǎn)場測試或者近場測試系統(tǒng)中，通常使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來作為接收機(jī)，同時(shí)利用其內(nèi)部的源作為測試系統(tǒng)的發(fā)射源，由于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的頻率掃描速度比較快（典型小于10微秒），因此這種只使用矢網(wǎng)的系統(tǒng)可以達(dá)到比較快的多頻或掃頻天線測試。

但是典型的遠(yuǎn)場天線測試系統(tǒng)或者大型近場系統(tǒng)中，一般采用獨(dú)立的信號源作為系統(tǒng)發(fā)射信號源和本振源，因此這些信號源的頻率切換速度就對多頻或掃頻測試的速度有及大影響。現(xiàn)在國內(nèi)大部分天線測試中使用的信號源有：美國是德公司生產(chǎn)的E8257 PSG或者M(jìn)5183 MXG信號源、德國R&S公司生產(chǎn)的SMA100B/SMB100A、中電41所等公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號源，這些商用標(biāo)準(zhǔn)信號源的頻率切換速度基本都在ms量級（最快的5183MXG信號源通過增加快速選件也只能達(dá)到600us左右）。采用更快頻率切換速度的信號源可以大大提高整個(gè)系統(tǒng)的測試速度。

國內(nèi)品牌中星聯(lián)華科技生產(chǎn)的微波模擬信號源具有寬帶頻率跳變功能，其頻率切換速度可小于10us，是目前商用模擬信號源中頻率切換速度最快的信號源，可以在天線測試系統(tǒng)、雷達(dá)測試、衛(wèi)星載荷測試等需要多頻測試需求的系統(tǒng)中，能夠大大提高測試系統(tǒng)的測試效率。此外還具備多通道輸出、通道間嚴(yán)格相參、相位可調(diào)等特點(diǎn)，可兼顧上述領(lǐng)域的多種測試應(yīng)用。

·  合理安排測試流程/時(shí)序，提高測試效率

在復(fù)雜天線測試時(shí)，通過需要多軸掃描（方位、俯仰、極化等）、多頻點(diǎn)、多通道、多波束等測試，由于不同的切換（如頻率切換、波束切換、通道切換等）所需要的時(shí)間不同，當(dāng)采用不同的測試流程時(shí)所需要的測試時(shí)間也不同。

因此在安排測試流程或者時(shí)序時(shí)，應(yīng)該將切換速度快的切換盡量安排在測試循環(huán)的內(nèi)部，將切換速度慢的切換（如轉(zhuǎn)臺位置循環(huán)）安排在循環(huán)的外部，這樣可以提高整個(gè)測試的效率，減少測試時(shí)間。

5. 總結(jié)

通過分析天線測試系統(tǒng)的組成及測試過程分析，在天線測試時(shí)，通過選擇快速的測試設(shè)備、合理安排測試流程/時(shí)序、減少各部分協(xié)調(diào)/同步開銷等措施，可以大大縮短系統(tǒng)測試時(shí)間，提高系統(tǒng)測試效率。