導讀

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

1．概述

天線測試系統用來對天線、雷達、雷達罩等設備的性能進行測試與評估。不管測試系統是遠場、緊縮場、近場還是現在OTA測試中的小暗箱系統，所有系統中都存在轉臺/掃描架、測試設備（包括發射源、本振源、接收機等）與自動測試軟件幾大部分，在實際測試過程中，這幾部分之間的通信、握手協議、序列化、同步觸發及數據流等開銷限制了整個系統的性能與效率。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，優化提高系統測試速度，以便對復雜天線輻射性能進行高效測試。

隨著技術的進步出現了新的測試技術與測試設備，合理利用這些技術與設備可以大大提高測試系統的測試效率、降低測試成本、縮短測試時間，從而提高產品競爭力，縮短產品上市時間。本文針對典型的天線測試系統配置與測試方式，分析了測試系統的工作方式、測試流程等，提出了充分利用測試設備的性能，提高整個系統測試效率的建議。

2．天線測試系統的組成部分

典型的天線測試系統由以下幾大部分組成：

·  轉臺及暗室：在對天線進行測試時，為了避免外界信號對測試的影響及測試信號對外界環境的干擾，測試一般在微波暗室內進行（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）測試，需要利用轉臺來實現天線在自由空間的可控精確位置，因此系統中需要轉臺系統，將天線安裝于轉臺這上，利用轉臺的精確、可控的轉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行測試）。測試暗室應該能夠提供足夠的靜區，測試轉臺的位置精度與位置重復性是系統的關鍵指標。

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

·  信號源：用來為測試系統中的發射天線提供激勵信號，對于大型系統，除了發射信號源之外，還配置有相應的本振信號源。發射信號源可以是通用信號源、信號模擬器、專用信號激勵模擬等。對天線測試系統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的測試速度。很多系統在發射端還會配置相應的上變頻器、倍頻器及功率放大器等，以滿足寬頻率覆蓋、并提供足夠高的發射功率以提高系統動態范圍。

·  接收機：系統中的接收機用來對天線接收到的信號進行采集，并進行相應的幅度與相位測試。在很多系統中可能還會配置相應的下變頻、低噪聲放大器及多通道開關等。天線測試系統中的接收機一般要求具有速度快、測試精度及線性度好、具有大的動態范圍，現在大部分天線測試系統使用矢量網絡分析儀做為接收機使用，由于其內部除接收機外，還有合成源，可以代替系統中的發射源或者本振源。

·  天線測試軟件：天線測試軟件是天線測試系統的核心，也可以說是測試系統的大腦，在測試過程中天線測試軟件用來控制上述各部分協調工作、完成各設備的控制與數據采集。測試軟件需要把測試過程中返回的大量數據（測試數據與位置數據）進行采集、處理、分析并按照需要進行保存與輸出。同時還需要完成通道切換、互相觸發、設備實時控制等大量工作。由于測試軟件一般工作于運行Windows操作系統的計算機上，系統需要解決軟件的異步工作模式與各設備實時、同步工作模式之間的問題，這往往大大降低了整個系統的測試速度。

3. 天線測試系統測試方法分析

·  簡單的天線測試系統分析：

如圖 1所示是一個簡單的天線測試系統，此系統使用一臺矢量網絡分析儀做為發射源與接收機，通過轉臺控制器控制轉臺的運動，運行于測試計算機上的天線測試軟件控制整個系統的運行。當轉臺轉動到指定位置后，轉臺控制器產生同步TTL觸發信號給網絡分析儀，網絡分析儀接收到此觸發信號后，按照測試序列完成相應的頻率切換及數據采集，如果網絡分析儀本身具有數據緩存功能（像Keysight公司的PNA系列網絡分析儀具有FIFO的選件，可以進行測試數據的實時緩存），其可以將接收到一系列觸發后的測試數據存儲在此緩存中，這樣控制計算機只需要采集實時位置信息，然后周期性的從矢量網絡分析儀讀取數據，并將位置數據與測試數據合并既可。

圖 1 基于VNA的簡單天線測試系統

但大部分矢量網絡分析儀不具有實時緩存功能或者緩存容量比較小，無法實時存儲大量測試數據。此時控制計算機必須在轉臺控制器下一個位置觸發信號到來之前，實時將接收機測試數據讀回計算機，否則此數據將丟失。此種情況下天線控制軟件的工作邏輯一般如下：

·  實時查詢（Poll）轉臺控制器是否到達指定位置；

·  在查詢轉臺到位后，從轉臺控制器讀取位置數據；

·  查詢矢量網絡分析儀是否測量完成；

·  測量完成后從接收機讀取測量數據。

如果接收機進行一個耗時的復雜測試，整個系統的測試速度將由接收機來主導。但對于天線測試中經常的單頻率、單通道測量來說，其測量速度是非常快的，此時控制計算機的時間開銷將決定整個系統的測試速度。有實驗表明，對于沒有緩存的上述簡單測試系統，系統每秒只能完成10個位置的測試，但網絡分析儀本身在同樣的測試設置情況下卻可以完成每秒20-30個頻點（甚至更多）的測試。可見此種場景下，控制計算機和控制軟件是整個系統的速度瓶頸。

·  更復雜的天線測試系統：

隨著測試系統變得更加復雜，測試軟件通過計算機直接控制變得更加困難。對于許多天線測試系統來說，在發射端需要配置單獨的信號源，而不是采取使用矢量網絡分析儀內部的源。在對天線測試時，經常需要進行多頻點或者掃頻測試，為了完成快速的頻率切換，采用的方法是將接收機的外部觸發和掃描完成口與外部信號源的外部觸發口和信號鎖定口交叉連接，這樣允許接收機和發射源之間快速握手，完成多頻點測試。但這種使用情況下，接收機的外部觸發口就不能再用于與轉臺控制器位置觸發相連，需要通過計算機來進行控制，同樣會增加整個系統用于控制的開銷，造成測試速度慢。現在一些新的矢量網絡分析儀除常規一對觸發輸入輸出端口外，提供了額外的觸發控制接口來解決這個問題。但仍然存在接收機數據的實時采集存儲問題。還有許多大型系統，除了配置單獨的發射源外，還需要配置單獨的本振信號源，更加劇了系統復雜性。

隨著相控陣天線和陣列天線的普及，現在的天線測試系統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下的測試。針對這種情況系統中需要與通道切換的開關控制器和波控計算機之間的接口與握手，這樣天線測試軟件管理這些更多的額外活動的負擔更重。

在復雜天線測試中，針對相控陣天線及陣列天線測試的情況下，整個系統的測試效率受多種因素的制約，主要包括：接收機測量速度、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. 提高天線測試系統測試效率的措施

·  使用實時控制器減少系統控制與同步時間

在天線測試系統中增加實時控制器（RT-BOX），利用其完成測試過程中系統中各設備（包括矢量網絡分析儀、發射源、本振源、轉臺控制器、開關控制器、波束控制計算機等）的實時控制，將原來測試計算機的實時控制開銷消除掉，從測試開始到測試完成，由其完成整個系統的實時運行，充分發揮系統中各設備的速度，從而提高整個系統的測試速度與測試效率。

建議的實時控制器應具有下述功能：

·  系統中的所有同步觸發線全部由實時控制器中的FPGA管理，由它按照測試流程來進行觸發信號生成與檢測，協調系統中各設備的工作。

·  現在的許多轉臺控制器具有角度位置實時輸出口，實時控制器可以通過此接口完成轉臺位置的實時采集。

·  利用實時控制器中的大容量存儲器，在實時控制器檢測到接收機的掃描完成觸發信號后，實時采集測試數據并存入內部存儲器。這樣測試軟件可以周期性的從實時控制器中讀取測試結果和角度位置數據。

·  實時控制器配置有通用開關控制接口，可以通過控制開關切換完成多通道天線的快速測試，同時實現通道切換與系統中其它設備的同步操作。

·  實時控制器配置通用的數字接口，通過其可以與波控計算機進行通信，完成波束狀態的實時切換，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絡分析儀的簡單天線測試系統中使用實時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中使用實時控制器

如圖3所示為實時控制器在更通用的天線測試系統中使用的框圖：

圖3. 使用實時控制器的通用天線測試系統

基于實時控制器的天線測試系統在進行測試時，天線測試軟件將整個測試序列與測試參數下載到實時控制器中，然后起動測試。測試開始后，整個系統的實時控制由實時控制器接管，具體的測試流程如圖4所示。（注：流程圖中，從實際實現來看，發射源和本振源的頻率切換應該是并行進行，但為了顯示清楚，在流程圖中顯示為串行）

圖4. 測試流程圖

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

圖5 天線測試時序圖

·  使用快速切換信號源提高多頻測試速度

為了完整測試整個天線的性能，在進行天線測試時需要在多個頻率下或者頻率掃描下進行測試，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效率的關鍵指標，因此在天線測試中，應該盡量選用頻率切換速度快的信號源作為發射信號源或者本振信號源。

在緊湊型天線遠場測試或者近場測試系統中，通常使用矢量網絡分析儀來作為接收機，同時利用其內部的源作為測試系統的發射源，由于矢量網絡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的系統可以達到比較快的多頻或掃頻天線測試。

但是典型的遠場天線測試系統或者大型近場系統中，一般采用獨立的信號源作為系統發射信號源和本振源，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。現在國內大部分天線測試中使用的信號源有：美國是德公司生產的E8257 PSG或者M5183 MXG信號源、德國R&S公司生產的SMA100B/SMB100A、中電41所等公司生產的標準模擬信號源，這些商用標準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系統的測試速度。

國內品牌中星聯華科技生產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、雷達測試、衛星載荷測試等需要多頻測試需求的系統中，能夠大大提高測試系統的測試效率。此外還具備多通道輸出、通道間嚴格相參、相位可調等特點，可兼顧上述領域的多種測試應用。

·  合理安排測試流程/時序，提高測試效率

在復雜天線測試時，通過需要多軸掃描（方位、俯仰、極化等）、多頻點、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）所需要的時間不同，當采用不同的測試流程時所需要的測試時間也不同。

因此在安排測試流程或者時序時，應該將切換速度快的切換盡量安排在測試循環的內部，將切換速度慢的切換（如轉臺位置循環）安排在循環的外部，這樣可以提高整個測試的效率，減少測試時間。

5. 總結

通過分析天線測試系統的組成及測試過程分析，在天線測試時，通過選擇快速的測試設備、合理安排測試流程/時序、減少各部分協調/同步開銷等措施，可以大大縮短系統測試時間，提高系統測試效率。