摘要：某型有源天线批生产产品数量多，由于温度试验周期长，温度试验成为天线均衡高效生产的一个瓶颈环节。为解决生产需求，研制一种天线专用温度测试系统。分析了天线温度试验测试项目和测试原理，梳理现有测试设备测试效率低下的原因，集中讨论了研制设备硬件组成、测试功能、软件设计和自动化要求，重点研究了屏蔽装置以及对接工装的设计。研制的测试系统基于VS2015软件，通过上位机控制电源切换单元、波控切换单元和射频切换单元完成产品分时自动测试。研制屏蔽装置，不仅完成了天线在温箱内接收和发射功能测试，还保证了测试结果的真实有效。设计对接夹具，方便产品对接和更换。该温度测试系统具有测试时间短、测试产品多、自动化程度高的优点，在生产线投入使用后，效果良好，解决了天线温度生产瓶颈。

　　关键词：有源天线；切换单元；自动测试；夹具；VS2015

　　0引言

　　环境应力筛选试验是通过温度循环和振动等试验，发现和排除产品早期故障缺陷，使得产品在交付时便进入随机故障阶段，确保产品在使用过程中具有较高的可靠性水平[1-2]。对于质量和可靠性要求高的武器装备产品都要进行环境应力筛选试验（ESS）[3]。某型有源相控阵天线具有反应迅速、灵敏、准确，同时可以探测、识别和跟踪多个目标等特点[4]，主要由天线阵、波束控制器、移相器、收发组件、馈电网络和结构器件等组成[5]，每一单元或子阵都有收发组件（T/R组件），包含微波电子器件多。根据试验大纲该天线生产过程中要100%进行温度循环试验，高低温都要进行接收和发射状态测试。现有该天线温度测试设备没有切换单元，需要人工温箱外换线，试验产品数量少；产品与屏蔽装置对接缺少恰当工装，拆装效率低且费力；测试软件适合调试排错故不适合生产测试，测试过程存在人员参与度高、效率低下及自动化程度低等问题[6]。由于批生产时交付产品数量多[7]，温度循环周期长，为提高生产效率，解决生产瓶颈，希望尽可能多的产品同时进行试验。生产线上测试设备要求自动化程度高、测试速度快、产品装夹方便快捷。本文分析了天线温度试验测试项目和测试原理，研究了温度测试方法和自动测试技术，借鉴其他测试设备成熟技术，根据生产实际需求在硬件组成、测试流程、工装夹具等方面进行改进设计，最终研制了一种适合生产线的有源相控阵天线温度试验自动测试系统[3-4]。

　　1机测试系统硬件设计方案

　　按照试验大纲，天线在温度试验下测试接收和发射功能。测试系统硬件主要由上位机、标准仪器（电源、信号源、功率计、频谱仪）、波控盒、屏蔽装置、对接工装和切换单元等组成，如图1所示。

上位机通过交换机和LAN控制标准仪器，通过串口控制波控盒进而控制天线波束指向和工作状态（接收或发射状态）、T/R模块脉冲参数。借助屏蔽装置天线完成接收和发射功能检测。发射状态测试时天线供电和加射频激励信号，在正前法向辐射信号，屏蔽装置前端喇叭接收到的信号经环行器和波导耦合器进入一种有源天线温度试验自动测试系统的设计功率计，可通过路径传输折算辐射功率。接收状态测试时信号源输出射频信号经环行器进入屏蔽装置前端喇叭，天线接收到辐射信号，经过天线和差器再进入频谱仪进行检测，通过信号幅度变化和工作电流判断接收功能正常性。

　　由于温度试验通道多，需要一次连接好电缆后分时进行测试，故硬件系统中需要电源切换单元、波控信号切换单元、射频切换单元。温箱内每个产品测试都配有屏蔽装置、电缆和固定夹具，为使整个测试系统整齐规范，方便快捷地完成对接，设计了对接工装。

　　2切换单元设计

　　天线温度试验测试需要供电信号、波控控制信号和射频激励信号，根据信号分类设计3种相应切换单元。

　　2.1电源切换单元

　　整个电源切换单元设计成一个5U机箱，分低功耗电路和大功率电路。

　　产品低功耗电源电压和电流较小，切换开关选用欧姆龙继电器G2R-2A，该型继电器为双极，额定负载DC30V/4A，体积小质量轻，触点为印制板型端子。继电器驱动电路芯片选择ULN2803，输出电压最高达50 V，驱动电流500 mA。低功耗切换电路设计成4块相同的电路板，这样方便设备故障定位、快速更换和维修。

　　产品大功率电源工作电压高、电流大，继电器选择上格电子直流固态继电器DL-D6060M，最大工作电压为DC600 V，最大负载电流为60 A。由于供电电缆较长，大电流下线损较大，为保证电缆末端电压满足要求，使用电源电压反馈端子实现补偿。
      2.2波控切换单元

　　波控盒模拟处理机功能，控制天线工作状态（单个通道、半线阵和全阵、脉冲接收、连续波接收、脉冲发射、脉冲收发）。与上位机通过USB转RS-485串口通信，与产品交换信号主要为LVDS信号[8-9]。切换选用LXI模块化开关机箱Pickering 60-102B和配套继电器板卡Pickering 40-614C-007，波控切换单元组成如图2所示。

切换通道和参数都满足要求。控制电缆较长，为保证LVDS信号不严重失真，信号电缆采用屏蔽、双绞等措施。为使电缆长度一致且尽量短，将波控切换单元机箱放置在温箱顶部。

　　2.3射频切换单元

　　产品工作在Ku/Ka波段，产品通道多线缆长，损耗较大，为保证产品激励需求，配置功放模块，参数如下：饱和输出功率为25 W；功率增益大于或等于53 dB；输入端口驻波小于或等于2.0；带内杂散大于或等于50 dBc；供电电源为（+28±0.5）V。射频链路包括接收和发射2个射频信号回路，配有微波开关矩阵进行分时切换。

　　3屏蔽装置设计

　　3.1 EIRP测试原理

　　天线满足远场测试条件时要求收发距离R满足以下条件[10-11]：

　　式中：D和d分别为发射天线和接收喇叭口径；λ为微波波长。

　　在暗室中对天线的远场辐射性能进行测试[12]，PEIRP（等效全向辐射功率）在远场直接测量。原理方法：利用频谱分析仪/功率计测量出待测相控阵天线发射PEIRP经自由空间衰减，由标准喇叭天线接收的功率大小，利用自由空间传播方程推导计算PEIRP的大小。用分贝表示的信号PEIRP计算公式[13]为：

　　P=PEIRP-Lp+Gs-LRF（2）式中：P为频谱分析仪/功率计测量的信号功率电平，dBm；PEIRP为有源相控阵天线的发射PEIRP，dBm；Gs为标准天线增益，dBi；LRF为标准天线和频谱分析仪/功率计之间射频电缆损耗，dB；LP为自由空间传播损耗，dB。

　　由式（3）可计算出：

　　Lp=32.45+20lgR+20lgf（3）

　　式中：f为工作频率，GHz。

　　受场地和温箱设备等限制，不可能在远场距离下温度试验。考虑温度试验不测方向图，主要看天线高低温功率性能是否正常，故可以利用高低温环境下相对增益测量原理[14]，在辐射近场区条件下测试。

　　3.2屏蔽装置收发距离

　　从温箱选择方面考虑，屏蔽装置收发距离R尽可能小，这样温箱尺寸小、功率小、成本低等，确定R时还应考虑吸波材料功率容量。从测试稳定性考虑功率计最佳接收功率控制在±10 dBm内。通过测试链路可计算屏蔽装置R。

　　依据式（1）和图1发射链路可得到功率计接收到信号P：

　　P=PEIRP–Lp+Gs-C-（LRF+L开）（4）

　　式中：PEIRP由暗室测试得到；C为波导耦合度，dB；L开为射频开关损耗，dB。

　　屏蔽装置内吸波材料选用大连东信HCW型高功率蜂窝劈锥吸波材料，基材为芳纶纸，涂覆铁氧体粉[15]，功率容量达10 kW/m2，满足功率使用要求。

　　用两发天线验证屏蔽装置高低温检测性能，测试结果如表1所示。数据表明同一温度状态下屏蔽装置检测波动量在±0.6 dB内（假定产品输出功率稳定不变），满足温度试验使用要求。

      4对接工装夹具设计
      工装夹具是在生产过程中用于快速准确定位并紧固零件的工艺装备。工装夹具在产品的加工过程中发挥着巨大作用，不仅仅是一种技术上的辅助，更是一种设备上的保障，对产品的加工质量、加工成本、生产效率都有显著影响[16]。温度试验产品多，配套的屏蔽装置数量多，设计了放置架。每个放置架分2层，可以放4个屏蔽装置，每个屏蔽装置通过2个卡箍固定。为方便天线与屏蔽装置对接设计了推车、固定夹具和直线导轨。借助对接夹具能够保证对接同心、极化方向一致，安装位置一致。对接夹具如图4所示。

固定夹具通过2个半圆弧卡箍固定天线，夹具依靠4个支撑滑轮和2个侧向导向滑轮在推车和支架上的直线导轨滑动，通过夹具上固定销锁住夹具。推车前端两侧装有锥形定位销，用于推车和支架对接定位。借助对接工装可以方便、省力和安全地实现试验前产品装夹和试验后拆除工作。

　　5测试软件设计
       5.1软件结构

　　系统软件基于NET Framework4.6框架和Visual Stu-dio 2015平台和数据库SQL Server2008开发。NET Frame-work是微软开发的编程环境，可以使用C#、VB等多种编程语言，可以进行窗体应用、网站、嵌入式系统、云计算等多种应用程序的开发[17]。Visual Studio是目前流行的Windows平台应用程序的集成开发环境[18]。软件采用自顶向下的模块化结构，便于维护和扩展。与用户的交互方式采用下拉菜单和弹出对话框的方式完成，用户界面简洁清晰，便于操作使用。

　　5.2测试流程

　　软件采用模块化设计[19]，包括登陆界面模块、设备自检模块、自动测试模块、仪器配置模块、手动调试、数据查询、信息上传模块。测试流程如图5所示。

         主要模块功能如下。

　　（1）自动测试模块。自动测试模块是最常用操作模块。测试人员在此界面下完成天线各个温度状态下接收和发射功能测试，在测试准备界面完成产品信息录入后，程序执行自动测试，测试完保存数据并生成测试记录卡。对数据判读给出产品是否合格状态指示。

　　（2）仪器配置模块。自动测试模式下调用该模块设定参数，包括设置标准仪器和切换单元的通信网址、电源输出电压、保护电压/电流、信号源输出频率和功率、频谱仪频率和带宽、参考电平、波控盒串口端口、脉冲参数等。

　　（3）手动调试模块。手动调试模块主要用于设备周期校准和产品排故[20]。该模块下包含电源通道、波控通道和射频通道开关（接收和发射开关），程控电源开关、仪器（功率计、频谱仪和信号源）参数设置和复位功能，设置波控工作状态（脉冲频率和占空比参数。波控脉冲参数设置程序如下。

　　6结束语

　　本文详细论述了一种有源相控阵天线温度试验测试系统的设计，包括系统硬件组成和分单元的设计、软件架构和测试流程、屏蔽装置和对接工装的设计。研制的温度测试系统在生产线使用运行稳定，自动化程度较高，产品装夹省力方便，一发产品测试时间仅二十多秒，测试效率大幅提高，成功解决了天线温度试验瓶颈。对接装夹方式、分时切换单元、温箱内利用屏蔽装置测试大功率天线的方法对于其他有源相控阵天线的温度试验测试有一定的借鉴和推广价值。对接工装长期频繁使用后，会发生由于支架轨道位移、螺栓松动、推车车轮松动变形等原因引起的对接不顺畅问题，需定期进行调整和维护。在对接方式和导轨设计方面还有可改进之处。

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