快速RF传输路径测试

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  麻萨诸塞州Lowell是美国东北部一个小城,曾以制造纺织品而闻名。现在,它是Tyco Electronics公司的总部所在地。该公司是一家国防和航天RF元件和子系统制造商。现在,Tyco Electronics M/A-COM已不再是Tyco International的子公司,它以Adams-Russell、Phoenix Microwave和Anzac等品牌生产自己的产品,这些品牌都来自于被Tyco Electronics并购的公司。

  在Lowell总部,工程师设计各种形状和尺寸的天线,最高频率达60GHz,这些天线多数都安装在飞机、导弹和武器上。该公司还生产电缆部件。它从原材料开始设计自己的电缆产品,并在其厂房内制造电缆连接器。

图1安装在发射车上检测有效载荷的螺旋天线
该公司的RF元件包括频率转换器、放大器、倍频器、混频器和交换器。其中许多元件用于如现场可更换单元(LRU)和电子战(EW)系统这类的子系统。Tyco Electronics还生产一种用来干扰自制爆炸装置(Improvisational Explosive Devices)无线电信号的设备,用来保护伊拉克人的生命。

  测试航天和国防应用中的RF元件和系统时,Tyco Electronics的工程师需要使用多种技术。他们不仅要检验高频信号的精确性,还必须考虑到预计工作环境下的恶劣条件。Tyco Electronics为航天和国防部门设计产品,这些产品批量不大。对这些产品而言,几千件就可以被当作是大批量。这些测试中既包括每项测试长达数小时的对所有单元100%特性的表征测试,也包括耗时仅数秒的简单合格/不合格的测试。

  天线增益

  Tyco Electronics的天线用于通信、电子战和导航系统。它们还被用来发送遥测信号或接收GPS信号。对于新设计,需要对天线所有特性进行完全的表征。天线工程经理Mark Marden领导一批工程师测量天线的方向图(pattern)、增益和电压驻波比(VSWR)。图1显示了两个安装在运载火箭上的螺旋天线。天线的直径决定其频率范围。其它形状的天线有平板形和锥形,但其具体形状和尺寸差别很大。天线工程师使用六个室内消声室中的一个来表征各种天线。这些天线的尺寸从12立方英尺到60英尺×24英尺×24英尺不等。对飞机、航天飞船、导弹和武器上安装的天线,需要进行全球面测试,而地基天线则只需要进行半球面测试。

  工程师设计了一种方法,可以在消声室内测量天线360°辐射方向图。他们将被测天线相对于一个固定天线做360°转动。图2显示了一个消声室的设备布局,工程师用该消声室改变被测天线的方位角和仰角。典型情况下,定位器以0.5°和更小的间隔移动被测天线。虽然在测试中固定天线的位置不变,但其高度是可调的,因为它安装在一个可伸缩的杆上。“被测天线变成了‘宇宙的中心’”,Marden这样描述。

图2消声室内装置用于将发射天线位置对准被测天线并调整被测天线采集数据


图3显示了一个在消声室内测试的锥形天线。由一个激光瞄准装置将被测天线对准固定天线,并在测试期间保持被测天线旋转中心的位置不变。图4显示了一个在消声室内的固定喇叭天线。

  工程师通过Agilent 网络分析仪测量电磁场振幅和相位(不是所有用户都要求进行相位测量)。每个频率进行约3万次测量。每次测试在覆盖天线频率范围的8个~10个频率下进行。一次测试需要进行30分钟~2小时。测试的安装和校准工作则需要约4个小时。

图3绕轴枢点转动被测天线的机械臂
在将被测天线装到消声室内之前,工程师使用一个已知增益的天线为基准对设备进行校准。这样可以提供一组参考测量值,工程师可以与此被测天线的响应进行比较。

  天线环境

  用于航天和国防领域的天线需要在很宽的温度范围下工作,还必须能耐受冲击、振动和压力。在使天线经受环境考验之前,工程师先进行名为“验收测试”的基准测量。通过该测试,可以向用户证明天线符合规格要求。然后,将天线置于恶劣环境下重复性能测试,该测试被称为“认可测试”。

  认可测试包括温度、振动和压力测试以及高加速寿命测试。工程师可能同时设置天线的多个环境条件。在环境实验室中,用一个带加热器和LN2(冷却用)的温控箱使天线处于±300°F的温度下。该温控箱可以放在一个振动台上,这样工程师们就可以使天线同时经受温度和振动了。

图4工程师们可调整喇叭天线高度以适应不同的发射天线尺寸


环境实验室还有几个热电偶温控箱,其中包括一个温度冲击箱。一台升降机可使部件通过高温和低温箱,以产生热应力。还有一个温度/高度箱使部件经受宽温度范围和10万英尺高度的考验。湿度箱则模拟干燥和潮湿的气候。

  Marden组的工程师还可以进行生产测试。“用户对生产测试的要求差别很大,” Marden称。“关键任务用的天线,如运载火箭用的天线,需要对每个单元都进行100%的方向图、增益及VSWR测量。”

  该公司的许多军用天线是美国政府的保密项目,为了保证测试数据的安全,工程师们通常将测量值保存在一个带移动硬盘的计算机上。该移动硬盘保存在保险箱内。
电缆问题

  天线负责发送和接收RF信号,但需要由电缆和连接器将这些信号发送给电子设备。由于Tyco Electronics公司产品的专用性,该公司生产自己的电缆和连接器,然后将其组装到电缆部件上。

  “在Lowell我们生产超过300种电缆,”电缆工程经理Herb Pflanz说。“我们使用裸线、Teflon、 Kapton和Nomex制造军用和商用客机的电缆。”电缆长度从6英寸到数百英尺不等。多数在直流到18GHz频率范围内工作,但也有些在26.5GHz~50GHz频率范围内工作。

  工程师通过测量发送功率、反射功率、VSWR和插入损耗对电缆进行测试。用户可能以dB/m或dB/100英尺的形式指定插入损耗值。“在电缆频率和损耗间必须进行折衷。电缆直径越大,插入损耗就越小,但频率范围会变低,”Pflanz说。“由用户指定电缆损耗、长度和频率范围,然后以此确定电缆直径。”

  有时,用户要求有一组时延、插入损耗或相位匹配的电缆。用户经常要求相位匹配误差在±10°范围内。为了满足这一要求,Tyco Electronics的工程师设计了可达到最高可能传播速度的电缆。据Pflanz称,典型的电缆传播速度通常在光速的76%~82%之间。

图5具有相同物理长度但传播速度不同的电缆会使输出形成相位差


电缆传播速度对电缆电气长度有影响。“由于传播速度的不同,12英寸电缆的电气长度可能会跟14英寸电缆的一样,”Pflanz说。图5展示了两条长度相同,但以不同速度传输信号的电缆。这样就会使以同一相位进入电缆的信号产生相位差。为了使输出相位一致,两条电缆所需的物理长度会有所不同。

  Tyco Electronics有一个电缆特性数据库,工程师可利用它来选取匹配的电缆。在一定的物理长度下,同批生产的电缆电气长度会基本相同。但是,即使采用相同的材料和工艺制造,不同批生产的电缆传播速度会有差异,因此电气长度也有所不同。根据用户对电缆的长度要求,该公司可供应长度不同但电气长度匹配的电缆。

  用户还可能要求提供振幅平衡电缆。通常这些电缆的插入损耗误差为±5%,但也可能有更严格的要求。

  连接

  Tyco Electronics的工程师还设计各种标准和定制的RF连接器。这些连接器在Lowell生产。一些连接器的设计很复杂,包括键环(keying ring)和自锁机制,以防止不当使用连接器。还有一些则弯曲45°~ 90°。一些连接器还带有现场可更换端头。

  连接器的主要电气测量包括峰值功率处理、平均功率和插入损耗。额定平均功率因频率而异,多数在50W~500W范围内。不过某些连接器可用于数千瓦功率的场合。工程师使用功率测试仪和网络分析仪测量这些参数。

  连接器和电缆在电子设备间传输各种信号。Tyco Electronics还制造各种放大器、滤波器、LRU及其它信号处理设备。LRU包括模拟元件,如微处理器控制的放大器和频率转换器。

  很多RF部件都带有可调增益和频率响应等参数的模拟输入。LRU中基于微处理器的数字控制板带有数模转换器,可产生所需电压。工程师利用数据采集系统测量和校准控制电压。高级总工程师Ravi Hans所领导的一个有八名工程师的小组负责开发用于测试和校准RF部件的数字控制板和测试系统。

  Hans小组中的工程师用Agilent 的示波器、逻辑分析仪、电源和数据采集系统测试控制板。这些工程师开发了可同时进行数字和RF测试的测试板。通过采用现场可编程门阵列(FPGA),工程师可以针对每个数字控制器设置一个测试板。“我们连接板卡的接口很独特,需要有可重新配置的测试板,”Hans说。该测试板带有RS-232和USB计算机接口,用于实现自动控制和配置。

  为了使数字测试自动化,工程师开发了一个可重新配置的测试执行程序,该程序使用NI公司的LabWindows/CVI编写。“我们可以复用工程评估代码,将其转用于生产阶段,”Hans接着说。

  Hans小组的工程师还与天线工程师协作开发了一种用于干扰自制爆炸装置(IED)引爆信号的设备。工程师设计好了软件和固件,供士兵来编程设定该干扰装置。他们还开发了RF信号功率、频率、频谱性能直流功耗测试系统。

  生产阶段

  总数为数百到数千的RF元件和系统必须经过生产测试。由测试工程经理Bill Kane负责Lowell和San Jose的RF元件生产设施的生产测试的开发工作。

  在这个组合设施中,生产测试团队维护着100多个测试系统。这些系统复杂程度不同,有些是实现测试台上几种仪表的自动化,而有些则实现一、二甚至三个机柜测试设备的自动化。这些测试系统不仅用于测试无源元件,还用于测试多功能部件(MFA),频率范围为直流到50GHz。

  典型情况下,自动测试系统可节省90%的单位循环时间。例如,某个复杂的电子战系统手工测试需要超过40小时的时间,而现在可在三个温度下在三小时内完成测试。此外,这些测试系统还具有“启动了就不用管”的能力,这样,一个操作人员就可以同时运行几个测试,还可以不需要操作员在夜间进行测试。
在Tyco Electronics,测试工程师开发的系统既有政府资助的也有公司出资的。政府资助的系统专用于测试特定范围的一些产品,而公司出资的系统则可用于测试各种产品。测试工程师通常会对公司出资的系统进行重新配置,用最新的设备和软件满足新项目的需求。

  四个单机柜测试台用于测试三种大功率放大器。由钉床部件将测试仪电源接到印刷电路板。网络分析仪、频谱分析仪和数字万用表则测量大多数参数。

  “我们开发了自动测试站,设计工程师则可进行实验台测试。” Kane说。“在开发产品期间使用自动测试仪。在进行设计工程阶段,我们经常编写他们需要的自动化代码。在随后的生产中我们会重复使用此代码。”

  Kane小组的软件工程师已使用Agilent Vee开发了一个测试功能库,他们经常使用该库测试新产品。测试软件将测量结果存在数据库中,可为每个部件生成多达90页的数据,具体数据量随测试长度而异。非保密数据存在一个Oracle数据库中,工程师可以对此数据进行分析,找出需要数天测试才能表现出的趋势,以对生产工艺进行改进。

  Tyco Electronics的工程师对军事和航天领域所用的天线、元件和系统进行广泛的测试。“为项目开发团队所提供的构建室内自动测试系统的能力使开发周期和成本得到巨大的改善。”该部门质量经理和运营执行官John说。

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