快速RF傳輸路徑測試

 麻薩諸塞州Lowell是美國東北部一個(gè)小城，曾以制造紡織品而聞名。現(xiàn)在，它是Tyco Electronics公司的總部所在地。該公司是一家國防和航天RF元件和子系統(tǒng)制造商。現(xiàn)在，Tyco Electronics M/A-COM已不再是Tyco International的子公司，它以Adams-Russell、Phoenix Microwave和Anzac等品牌生產(chǎn)自己的產(chǎn)品，這些品牌都來自于被Tyco Electronics并購的公司。

在Lowell總部，工程師設(shè)計(jì)各種形狀和尺寸的天線，最高頻率達(dá)60GHz，這些天線多數(shù)都安裝在飛機(jī)、導(dǎo)彈和武器上。該公司還生產(chǎn)電纜部件。它從原材料開始設(shè)計(jì)自己的電纜產(chǎn)品，并在其廠房內(nèi)制造電纜連接器。

圖1安裝在發(fā)射車上檢測有效載荷的螺旋天線

該公司的RF元件包括頻率轉(zhuǎn)換器、放大器、倍頻器、混頻器和交換器。其中許多元件用于如現(xiàn)場可更換單元(LRU)和電子戰(zhàn)(EW)系統(tǒng)這類的子系統(tǒng)。Tyco Electronics還生產(chǎn)一種用來干擾自制爆炸裝置(Improvisational Explosive Devices)無線電信號(hào)的設(shè)備，用來保護(hù)伊拉克人的生命。

測試航天和國防應(yīng)用中的RF元件和系統(tǒng)時(shí)，Tyco Electronics的工程師需要使用多種技術(shù)。他們不僅要檢驗(yàn)高頻信號(hào)的精確性，還必須考慮到預(yù)計(jì)工作環(huán)境下的惡劣條件。Tyco Electronics為航天和國防部門設(shè)計(jì)產(chǎn)品，這些產(chǎn)品批量不大。對這些產(chǎn)品而言，幾千件就可以被當(dāng)作是大批量。這些測試中既包括每項(xiàng)測試長達(dá)數(shù)小時(shí)的對所有單元100%特性的表征測試，也包括耗時(shí)僅數(shù)秒的簡單合格/不合格的測試。

天線增益

Tyco Electronics的天線用于通信、電子戰(zhàn)和導(dǎo)航系統(tǒng)。它們還被用來發(fā)送遙測信號(hào)或接收GPS信號(hào)。對于新設(shè)計(jì)，需要對天線所有特性進(jìn)行完全的表征。天線工程經(jīng)理Mark Marden領(lǐng)導(dǎo)一批工程師測量天線的方向圖(pattern)、增益和電壓駐波比(VSWR)。圖1顯示了兩個(gè)安裝在運(yùn)載火箭上的螺旋天線。天線的直徑?jīng)Q定其頻率范圍。其它形狀的天線有平板形和錐形，但其具體形狀和尺寸差別很大。天線工程師使用六個(gè)室內(nèi)消聲室中的一個(gè)來表征各種天線。這些天線的尺寸從12立方英尺到60英尺×24英尺×24英尺不等。對飛機(jī)、航天飛船、導(dǎo)彈和武器上安裝的天線，需要進(jìn)行全球面測試，而地基天線則只需要進(jìn)行半球面測試。

工程師設(shè)計(jì)了一種方法，可以在消聲室內(nèi)測量天線360°輻射方向圖。他們將被測天線相對于一個(gè)固定天線做360°轉(zhuǎn)動(dòng)。圖2顯示了一個(gè)消聲室的設(shè)備布局，工程師用該消聲室改變被測天線的方位角和仰角。典型情況下，定位器以0.5°和更小的間隔移動(dòng)被測天線。雖然在測試中固定天線的位置不變，但其高度是可調(diào)的，因?yàn)樗惭b在一個(gè)可伸縮的桿上。“被測天線變成了‘宇宙的中心’”，Marden這樣描述。

圖2消聲室內(nèi)裝置用于將發(fā)射天線位置對準(zhǔn)被測天線并調(diào)整被測天線采集數(shù)據(jù)

圖3顯示了一個(gè)在消聲室內(nèi)測試的錐形天線。由一個(gè)激光瞄準(zhǔn)裝置將被測天線對準(zhǔn)固定天線，并在測試期間保持被測天線旋轉(zhuǎn)中心的位置不變。圖4顯示了一個(gè)在消聲室內(nèi)的固定喇叭天線。

工程師通過Agilent 網(wǎng)絡(luò)分析儀測量電磁場振幅和相位(不是所有用戶都要求進(jìn)行相位測量)。每個(gè)頻率進(jìn)行約3萬次測量。每次測試在覆蓋天線頻率范圍的8個(gè)~10個(gè)頻率下進(jìn)行。一次測試需要進(jìn)行30分鐘~2小時(shí)。測試的安裝和校準(zhǔn)工作則需要約4個(gè)小時(shí)。

圖3繞軸樞點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)被測天線的機(jī)械臂

在將被測天線裝到消聲室內(nèi)之前，工程師使用一個(gè)已知增益的天線為基準(zhǔn)對設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)。這樣可以提供一組參考測量值，工程師可以與此被測天線的響應(yīng)進(jìn)行比較。

天線環(huán)境

用于航天和國防領(lǐng)域的天線需要在很寬的溫度范圍下工作，還必須能耐受沖擊、振動(dòng)和壓力。在使天線經(jīng)受環(huán)境考驗(yàn)之前，工程師先進(jìn)行名為“驗(yàn)收測試”的基準(zhǔn)測量。通過該測試，可以向用戶證明天線符合規(guī)格要求。然后，將天線置于惡劣環(huán)境下重復(fù)性能測試，該測試被稱為“認(rèn)可測試”。

認(rèn)可測試包括溫度、振動(dòng)和壓力測試以及高加速壽命測試。工程師可能同時(shí)設(shè)置天線的多個(gè)環(huán)境條件。在環(huán)境實(shí)驗(yàn)室中，用一個(gè)帶加熱器和LN2(冷卻用)的溫控箱使天線處于±300°F的溫度下。該溫控箱可以放在一個(gè)振動(dòng)臺(tái)上，這樣工程師們就可以使天線同時(shí)經(jīng)受溫度和振動(dòng)了。

圖4工程師們可調(diào)整喇叭天線高度以適應(yīng)不同的發(fā)射天線尺寸

環(huán)境實(shí)驗(yàn)室還有幾個(gè)熱電偶溫控箱，其中包括一個(gè)溫度沖擊箱。一臺(tái)升降機(jī)可使部件通過高溫和低溫箱，以產(chǎn)生熱應(yīng)力。還有一個(gè)溫度/高度箱使部件經(jīng)受寬溫度范圍和10萬英尺高度的考驗(yàn)。濕度箱則模擬干燥和潮濕的氣候。

Marden組的工程師還可以進(jìn)行生產(chǎn)測試。“用戶對生產(chǎn)測試的要求差別很大，” Marden稱。“關(guān)鍵任務(wù)用的天線，如運(yùn)載火箭用的天線，需要對每個(gè)單元都進(jìn)行100%的方向圖、增益及VSWR測量。”

該公司的許多軍用天線是美國政府的保密項(xiàng)目，為了保證測試數(shù)據(jù)的安全，工程師們通常將測量值保存在一個(gè)帶移動(dòng)硬盤的計(jì)算機(jī)上。該移動(dòng)硬盤保存在保險(xiǎn)箱內(nèi)。

電纜問題

天線負(fù)責(zé)發(fā)送和接收RF信號(hào)，但需要由電纜和連接器將這些信號(hào)發(fā)送給電子設(shè)備。由于Tyco Electronics公司產(chǎn)品的專用性，該公司生產(chǎn)自己的電纜和連接器，然后將其組裝到電纜部件上。

“在Lowell我們生產(chǎn)超過300種電纜，”電纜工程經(jīng)理Herb Pflanz說。“我們使用裸線、Teflon、 Kapton和Nomex制造軍用和商用客機(jī)的電纜。”電纜長度從6英寸到數(shù)百英尺不等。多數(shù)在直流到18GHz頻率范圍內(nèi)工作，但也有些在26.5GHz~50GHz頻率范圍內(nèi)工作。

工程師通過測量發(fā)送功率、反射功率、VSWR和插入損耗對電纜進(jìn)行測試。用戶可能以dB/m或dB/100英尺的形式指定插入損耗值。“在電纜頻率和損耗間必須進(jìn)行折衷。電纜直徑越大，插入損耗就越小，但頻率范圍會(huì)變低，”Pflanz說。“由用戶指定電纜損耗、長度和頻率范圍，然后以此確定電纜直徑。”

有時(shí)，用戶要求有一組時(shí)延、插入損耗或相位匹配的電纜。用戶經(jīng)常要求相位匹配誤差在±10°范圍內(nèi)。為了滿足這一要求，Tyco Electronics的工程師設(shè)計(jì)了可達(dá)到最高可能傳播速度的電纜。據(jù)Pflanz稱，典型的電纜傳播速度通常在光速的76%~82%之間。

圖5具有相同物理長度但傳播速度不同的電纜會(huì)使輸出形成相位差

電纜傳播速度對電纜電氣長度有影響。“由于傳播速度的不同，12英寸電纜的電氣長度可能會(huì)跟14英寸電纜的一樣，”Pflanz說。圖5展示了兩條長度相同，但以不同速度傳輸信號(hào)的電纜。這樣就會(huì)使以同一相位進(jìn)入電纜的信號(hào)產(chǎn)生相位差。為了使輸出相位一致，兩條電纜所需的物理長度會(huì)有所不同。

Tyco Electronics有一個(gè)電纜特性數(shù)據(jù)庫，工程師可利用它來選取匹配的電纜。在一定的物理長度下，同批生產(chǎn)的電纜電氣長度會(huì)基本相同。但是，即使采用相同的材料和工藝制造，不同批生產(chǎn)的電纜傳播速度會(huì)有差異，因此電氣長度也有所不同。根據(jù)用戶對電纜的長度要求，該公司可供應(yīng)長度不同但電氣長度匹配的電纜。

用戶還可能要求提供振幅平衡電纜。通常這些電纜的插入損耗誤差為±5%，但也可能有更嚴(yán)格的要求。

連接

Tyco Electronics的工程師還設(shè)計(jì)各種標(biāo)準(zhǔn)和定制的RF連接器。這些連接器在Lowell生產(chǎn)。一些連接器的設(shè)計(jì)很復(fù)雜，包括鍵環(huán)(keying ring)和自鎖機(jī)制，以防止不當(dāng)使用連接器。還有一些則彎曲45°~ 90°。一些連接器還帶有現(xiàn)場可更換端頭。

連接器的主要電氣測量包括峰值功率處理、平均功率和插入損耗。額定平均功率因頻率而異，多數(shù)在50W~500W范圍內(nèi)。不過某些連接器可用于數(shù)千瓦功率的場合。工程師使用功率測試儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀測量這些參數(shù)。

連接器和電纜在電子設(shè)備間傳輸各種信號(hào)。Tyco Electronics還制造各種放大器、濾波器、LRU及其它信號(hào)處理設(shè)備。LRU包括模擬元件，如微處理器控制的放大器和頻率轉(zhuǎn)換器。

很多RF部件都帶有可調(diào)增益和頻率響應(yīng)等參數(shù)的模擬輸入。LRU中基于微處理器的數(shù)字控制板帶有數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可產(chǎn)生所需電壓。工程師利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量和校準(zhǔn)控制電壓。高級(jí)總工程師Ravi Hans所領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)有八名工程師的小組負(fù)責(zé)開發(fā)用于測試和校準(zhǔn)RF部件的數(shù)字控制板和測試系統(tǒng)。

Hans小組中的工程師用Agilent 的示波器、邏輯分析儀、電源和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測試控制板。這些工程師開發(fā)了可同時(shí)進(jìn)行數(shù)字和RF測試的測試板。通過采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)，工程師可以針對每個(gè)數(shù)字控制器設(shè)置一個(gè)測試板。“我們連接板卡的接口很獨(dú)特，需要有可重新配置的測試板，”Hans說。該測試板帶有RS-232和USB計(jì)算機(jī)接口，用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和配置。

為了使數(shù)字測試自動(dòng)化，工程師開發(fā)了一個(gè)可重新配置的測試執(zhí)行程序，該程序使用NI公司的LabWindows/CVI編寫。“我們可以復(fù)用工程評估代碼，將其轉(zhuǎn)用于生產(chǎn)階段，”Hans接著說。

Hans小組的工程師還與天線工程師協(xié)作開發(fā)了一種用于干擾自制爆炸裝置(IED)引爆信號(hào)的設(shè)備。工程師設(shè)計(jì)好了軟件和固件，供士兵來編程設(shè)定該干擾裝置。他們還開發(fā)了RF信號(hào)功率、頻率、頻譜性能直流功耗測試系統(tǒng)。

生產(chǎn)階段

總數(shù)為數(shù)百到數(shù)千的RF元件和系統(tǒng)必須經(jīng)過生產(chǎn)測試。由測試工程經(jīng)理Bill Kane負(fù)責(zé)Lowell和San Jose的RF元件生產(chǎn)設(shè)施的生產(chǎn)測試的開發(fā)工作。

在這個(gè)組合設(shè)施中，生產(chǎn)測試團(tuán)隊(duì)維護(hù)著100多個(gè)測試系統(tǒng)。這些系統(tǒng)復(fù)雜程度不同，有些是實(shí)現(xiàn)測試臺(tái)上幾種儀表的自動(dòng)化，而有些則實(shí)現(xiàn)一、二甚至三個(gè)機(jī)柜測試設(shè)備的自動(dòng)化。這些測試系統(tǒng)不僅用于測試無源元件，還用于測試多功能部件(MFA)，頻率范圍為直流到50GHz。

典型情況下，自動(dòng)測試系統(tǒng)可節(jié)省90%的單位循環(huán)時(shí)間。例如，某個(gè)復(fù)雜的電子戰(zhàn)系統(tǒng)手工測試需要超過40小時(shí)的時(shí)間，而現(xiàn)在可在三個(gè)溫度下在三小時(shí)內(nèi)完成測試。此外，這些測試系統(tǒng)還具有“啟動(dòng)了就不用管”的能力，這樣，一個(gè)操作人員就可以同時(shí)運(yùn)行幾個(gè)測試，還可以不需要操作員在夜間進(jìn)行測試。

在Tyco Electronics，測試工程師開發(fā)的系統(tǒng)既有政府資助的也有公司出資的。政府資助的系統(tǒng)專用于測試特定范圍的一些產(chǎn)品，而公司出資的系統(tǒng)則可用于測試各種產(chǎn)品。測試工程師通常會(huì)對公司出資的系統(tǒng)進(jìn)行重新配置，用最新的設(shè)備和軟件滿足新項(xiàng)目的需求。

四個(gè)單機(jī)柜測試臺(tái)用于測試三種大功率放大器。由釘床部件將測試儀電源接到印刷電路板。網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜分析儀和數(shù)字萬用表則測量大多數(shù)參數(shù)。

“我們開發(fā)了自動(dòng)測試站，設(shè)計(jì)工程師則可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)臺(tái)測試。” Kane說。“在開發(fā)產(chǎn)品期間使用自動(dòng)測試儀。在進(jìn)行設(shè)計(jì)工程階段，我們經(jīng)常編寫他們需要的自動(dòng)化代碼。在隨后的生產(chǎn)中我們會(huì)重復(fù)使用此代碼。”

Kane小組的軟件工程師已使用Agilent Vee開發(fā)了一個(gè)測試功能庫，他們經(jīng)常使用該庫測試新產(chǎn)品。測試軟件將測量結(jié)果存在數(shù)據(jù)庫中，可為每個(gè)部件生成多達(dá)90頁的數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)量隨測試長度而異。非保密數(shù)據(jù)存在一個(gè)Oracle數(shù)據(jù)庫中，工程師可以對此數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出需要數(shù)天測試才能表現(xiàn)出的趨勢，以對生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)。

Tyco Electronics的工程師對軍事和航天領(lǐng)域所用的天線、元件和系統(tǒng)進(jìn)行廣泛的測試。“為項(xiàng)目開發(fā)團(tuán)隊(duì)所提供的構(gòu)建室內(nèi)自動(dòng)測試系統(tǒng)的能力使開發(fā)周期和成本得到巨大的改善。”該部門質(zhì)量經(jīng)理和運(yùn)營執(zhí)行官John說。