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技術方案

1 測試系統建立的必要性

TRM(收發組件)是構成有源相位控制陣列天線的基本單元。TRM 的原理框圖如

下圖 1 所示。

圖 1 TRM 原理框圖

如上圖 1 所示,TRM 中包括了接收和發射兩條射頻鏈路,以及驅動單元和控制接口部分。

依據 TRM 的輸入、輸出頻率關系,可分為非變頻和變頻兩類。對于測試系統來說,前者測試以矢量網絡分析儀為主,進行頻率或功率掃描測量;后者需要配置變頻測量的功能,包括矢網內置的變頻幅相測試的軟件、參考混頻器附件以及特有的混頻器測試校準流程。

TRM 測試包括的主要參數如下:

1)信息讀入

? IDN 串號讀入

? EEPROM 編程

? 傳感器溫度

2) 接收路主要測試參數

? 傳輸與反射(S 參數)

? 全衰減狀態值

? 全相位狀態值

? 噪聲系數

? 互調失真

? 本振-中頻隔離度(變頻體制)

? 通道間隔離度

3) 發射路主要測試參數

? 脈沖 S 參數

? 飽和功率輸出

? 脈沖時域參數

? 全衰減狀態值

? 全相位狀態值

? 壓縮點測試

? AM/PM

? 雜散

? 本振-射頻隔離度(變頻體制)

? 通道間隔離度

在 TRM 的研制過程中,需要進行兩個層次的測試:研發階段的特性測試和生產階段的驗證測試。特性測試側重 TRM的全狀態測試,用于優化和驗證 TRM的原型設計以及各參數之間調整后的影響,包括衰減、移相的全狀態測試在內的,總共約25000個測試值(以 6 位移相/衰減單元為例);驗證測試側重成熟產品在產線上的測試,為部分狀態測試,總共約 2500 個測試值。如果依靠分離測試儀表,集成度低,測試速度較慢,難以滿足研發、調試和生產階段的測試任務。

為滿足上述測試要求,同時考慮到 TRM 測試的特定要求(單次連接全參數測試、多狀態位射頻測試、多線制控制接口、多通道并行測試),測試系統應以標準儀表為基礎,外置滿足功率要求以及收發鏈路可程控切換的射頻箱,提供產生視頻控制信號并可調整測試時序的邏輯單元,以及控制計算機和測試軟件。

2 R&S TS6710 主要構成

根據以上測試任務的要求,測試系統R&S TS6710主要包括矢量網絡分析儀ZVA、程控射頻箱 OSP-TRM、標準 PXI 視頻控制信號單元 TVSP 和相關測控軟件,可完成TRM 的測試。此外系統預留了監測端口,便于借助寬帶信號分析儀 FSW 來監測被測件寬帶的頻譜特性。系統原理框圖見下圖 2 所示。

圖 2 TRM 綜合測試系統原理框圖

如圖 2 所示,TS6710 的射頻測試部分以矢量網絡分析儀 ZVA24 為一體化測試儀表,完成包括噪聲系數和 S參數測量等在內的全部測試功能;程控射頻箱 OSP-TRM完成收發鏈路的自動切換、信號調制與合成,以及功率控制等功能,保證小信號和大功率信號測試時系統的精確測試和安全;基于 PXI 的 TSVP 提供視頻控制的信號,包括系統觸發、電源控制和參數測量、高速雙向數字控制信號等功能單元。系統還預留了監測端口,便于其它設備對測試系統的信號監測。

測試系統外形見下圖 3 所示。

圖 3 典型測試系統外形圖

3 系統各部分的功能和原理

3.1 ZVA 射頻參數測量

1 ) 接收支路 S 參數測試

傳輸和反射 S 參數測量。

2 ) 噪聲系數測試

與傳統的 Y 因子法不同,ZVA 的噪聲系數測量利用其測量接收機數字部分的雙

通道結構,并行使用兩種檢波算法:均方根值(RMS)和平均值(AVG)檢波。如圖 4 所示。

圖 4 ZVA-K30 噪聲系數測量原理

? 均方根值(RMS)檢波算法如下式:

由 N 個采樣點計算線性平均值電壓,如果采樣點足夠多,AVG 檢波器僅得到信

號電壓,噪聲部分在計算中被抑制了。

ZVA 的噪聲系數測量法可結合 S 參數矢量誤差校準使用,改善因端口失配誤差。并且不需要使用噪聲源,避免了噪聲源在被測件作為負載時的 ENR 參數偏離誤差。

下圖 5 為低噪放的噪聲系數實測結果。

圖 5 ZVA 噪聲系數的測試結果

3 ) 互調測試

四端口 ZVA 具有獨立的雙信號源,可產生雙音信號,與 OSP-TRM 射頻箱中的

合路器配合,可完成互調測試。ZVA 的中頻濾波器有兩個模式,普通模式和高選擇性模式。此項測試選擇高選擇性模式,可得到近70dB的抑制度,減小跡線噪聲和臨近頻譜的干擾。

4 ) Tx 脈沖 S 參數測試

ZVA 進行脈沖 S 參數測量時,采用脈內取點測量法。使用調制脈沖的上升沿作

觸發,分別控制信號源掃描和接收機采樣。這樣 ZVA 每收到一個觸發沿,即觸發信號源進行頻率(或功率)掃描,而接收機在經過觸發延遲 τ 后,開始對射頻脈沖采樣,并進行幅度或相位的 S 參數測量。每一次觸發都會輸出一個測量數據,直到掃描到設置的最大頻率(功率)值。

圖 7 ZVA 采用脈內取點法測試脈沖 S 參數

5 ) 飽和功率測試

在功率掃描條件下,測量 DUT 輸出信號的絕對功率值。需要測前功率校準。

6 ) 壓縮點測試(功率掃描)

在功率掃描條件下,對選定的信號壓縮量值處,測量 DUT 輸出信號的絕對功率

值。需要測前功率校準。

7 ) AM-PM

在頻率掃描條件下,對衰減器不同衰減量條件下對相位狀態進行測量;或當移

相器在不同相位條件下的衰減狀態測量。

8 ) 脈沖時域參數測試

ZVA 的脈沖波形測試方法不同于傳統的脈沖“切片”法。ZVA 的接收內設置了額外的快速存儲單元(Ram),見圖 8,將來不及處理的采樣數據存下來,存儲時長3ms(可擴展至 25ms)。在觸發信號作用下進行后端信號處理并顯示。這樣不會因脈沖占空比影響而損失系統的動態范圍,并且不會損失信號的時間分辨率,而是完整地把所有采樣數據進行處理并顯示,測試結構顯示了脈沖的真實信息。在采樣時鐘 80MHz 時,數據點的時間分辨率達到為 12.5ns。

圖 9 ZVA 脈沖時域參數測試的時域包絡數據

9 ) 頻譜分析

與頻譜儀相比,網絡分析儀在測量功率時最大的問題在于它不能完全去除鏡像

噪聲的影響。原因是頻譜儀在混頻之前加入了預選濾波器,可以抑制鏡像噪聲的影響。R&S 的網絡分析儀可以選擇不同的本振頻率,可以分別使用高本振RF>LO 或低本振 RF<LO來進行頻譜測試。如下圖為網絡分析儀中實際產生的頻譜分量,包括了輸入信號的頻譜和產生的鏡像分量。

當選擇不同的LO頻率時所顯示的雜散位置會不同。但實際測量的信號位置不會

變化。向網絡分析儀端口 1 輸入固定頻率為 3GHz 的單音信號,通過選擇不同的 LO頻率,測量接收機 b1 測量結果。建立兩個不同的通道,并用不同的跡線進行顯示Trc1 和 Trc2。其中 Trc1 設置為 RF>LO,而將 Trc2 設置為 RF<LO。顯然下圖中的頻率除 3GHz 的頻譜成分外,其它都是雜散信號。

圖 11 分別在高本振和低本振模式下,進行兩次掃描的頻譜數據

利用網絡分析儀中的數學運算功能,取兩條跡線中的最小值 Min(Trc1,Trc2),便可將鏡像部分去掉,保留被測信號的頻譜,如圖 12 所示。

圖 12 ZVA 的頻譜分析結果

為保證測試絕對功率的精度,需在測前進行接收機的功率校準。以下圖 13 為 ZVA 的 IFBW為 100kHz 時,掃描 4GHz頻率范圍時掃描時間和小信號測量結果。

圖 13 ZVA 對小信號的頻譜分析結果和測試時間

3.2 測試射頻箱 OSP-TRM

圖 14 OSP-TRM 外形圖

OSP-TRM 是為 TRM 測試定做的射頻箱,包括脈沖調制器、合路器、低噪放和

射頻開關等模塊,完成測試鏈路切換、通道功率控制和并行測量等功能。OSP-TRM原理框圖見下圖所示。


圖 15 OSP-TRM 結構圖

OSP-TRM 射頻箱主要功能:

? 鏈路功率電平控制模塊

? 收發轉換控制模塊

? 信號合成模塊

? 脈沖調制模塊

? 監視通道,頻譜儀、功率計等其它儀表接入控制模塊

3.3 控制終端 TSVP

圖 16 TSVP 外形圖

TSVP 是基于 PCI 總線技術,可集成多功能測試板卡的機箱。具體功能如下:

? 工控機,Windows XP 系統

? 高速數字模塊(40MHz 碼速率)

? 可編程控制電平

? 衰減/移相高速設置

? DUT 控制時序緩存

? 實時評估 DUT 響應

? 系統觸發信號及時序控制

? 提供多通道電源±50V/50W,電流測量功能

? 系統自檢

? 數字萬用表

? 射頻鏈路控制信號產生

3.4 測控軟件 R&S RUN

圖 17 測控軟件 R&S RUN

R&S RUN 提供用戶可配置的測試時序、自動規劃校準向導和測試報告等,具體

功能如下:

? 測試界面及參數設置菜單

? 儀表驅動控制

? 數據獲取

? 測試報告生成

? 測試時序控制

? 其它功能

圖 18 在線 生成測試報告

3.5 測試系統的時序控制

為保證系統高效、精確地完成指定的測試任務,在滿足自動化測量的基礎上,

合理安排系統的工作時序是首要條件。通過綜合考慮 DUT 接收支路和發射支路的轉換時間、控制指令傳輸/響應時間、測試儀表設置和測量時間、DUT 的響應時間以及脈沖狀態下儀表的觸發時序等關鍵時間點來安排與測試任務匹配的工作時序。下圖19 是典型的 TRM 自動測試的工作時序圖。

圖 19 典型 TRM 測試的時序圖

如前所術,系統 TS6710 將 TRM 測試分為兩個層次:驗證測試和特性測試。前

者應用于產線,僅測試的主要或典型參數,并生成測試報告,典型結構的 TRM 需要約 2500 個測試值,測試時間為 15 秒左右;后者應用于研發階段,全狀態測試,約25000 個測試值,測試時間為 4 分鐘左右。

3.5.1 接收支路驗證測試

3.5.2 發射支路驗證測試

3.5.3 接收支路特性測試

3.5.4 發射支路特性測試

4 系統擴展

標準的測試系統 TS6710 提供了 2 個 TRM 的并行測量功能。可根據測試需求增加系統端口的數量,達到 8 個 TRM 并行測量的能力。

圖 19 系統擴展框圖

5 主要系統指標

TRM 測試系統 TS6710 主要系統指標:



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