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過(guò)去幾年來(lái)，測試工程師們不斷地獲得有關(guān)合成儀器的各種信息。圍繞合成儀器的歷史、含義以及其優(yōu)勢的很多評論，誕生了各種各樣的文章。如果你是一位測試工程師或一個(gè)測試工程經(jīng)理，曾有過(guò)大規模商用（或許基于cPCI/PXI）測試系統架構的經(jīng)驗，可能會(huì )將合成儀器與虛擬儀器關(guān)聯(lián)起來(lái)。如果你是做軍工、航天市場(chǎng)，并參加過(guò)多個(gè)政府工程，你可能會(huì )認為合成儀器就是NxText和ARGCS（Agile Reconfigurable Global Combat Support）計劃。 在各種情況中，都很難實(shí)現針對大批量要求以及高測量性能要求的測試應用，并考慮到評估和選擇一個(gè)微波綜合測試環(huán)境的最實(shí)用方面。本文將描述一個(gè)選擇過(guò)程，指導客戶(hù)為相控陣雷達系統中發(fā)射接收（T/R）模塊測試選擇一個(gè)綜合實(shí)現方法。 事實(shí)上與任何商用市場(chǎng)相比，過(guò)去軍工航天領(lǐng)域的測試系統都沒(méi)有在短期內應對過(guò)大批量需求�？紤]一下這種情況：一家軍工航天企業(yè)成功地進(jìn)入了為相控陣雷達建立T/R模塊的業(yè)務(wù)。此時(shí)，該公司通常會(huì )從只為單臺雷達建造一個(gè)或幾個(gè)單元，轉而根據不同的雷達應用情況，制造數百甚至數千個(gè)單元。設想一名測試工程師，一直與從事T/R模塊的設計與原型工作的一組混合信號微波元件工程師進(jìn)行合作。經(jīng)過(guò)多次提議，無(wú)數次會(huì )議，很多設計變動(dòng)，并對一些原型累積了數千小時(shí)的測試數據，工程小組終于獲得了引進(jìn)幾千到數百臺雷達的業(yè)務(wù)，每單業(yè)務(wù)需要的模塊數都比以前制造的原型總數高出兩個(gè)數量級。事實(shí)上，第一個(gè)制造合同（階段或批次）可能等同于完成整個(gè)開(kāi)發(fā)周期所需時(shí)間。不要忘記還有建立與測試極其良好匹配與高性能T-R模塊的附加需求，它的數量是工程開(kāi)發(fā)與提議階段次數的數千倍。 第一個(gè)生產(chǎn)測試計劃作出來(lái)后，需要進(jìn)行分析以糾正尺寸，根據生產(chǎn)需求選擇測試設備類(lèi)型并確定測試平臺數量。在分析支持中，根據對原型的工程測試經(jīng)驗獲得測試時(shí)間基準。這一過(guò)程結束時(shí)的研究結果表明，每個(gè)模塊需要大約四小時(shí)的測試時(shí)間，前提是在生產(chǎn)階段也采用與工程開(kāi)發(fā)階段相同的方案。若考慮被測模塊數量以及合同的時(shí)間長(cháng)度，這些結果可能會(huì )對財務(wù)和日程表有什么影響？怎樣做才能找到一個(gè)實(shí)際可行而有益的解決方案？ 被測設備（DUT） 在回應以上問(wèn)題以前，先讓我們再多了解一下DUT。一個(gè)T/R模塊基本上是一個(gè)微型發(fā)射機/接收機（收發(fā)機），它需要對相位與振幅控制帶寬脈沖信號作放大、發(fā)射，以及接收。發(fā)射/接收功能需要快速切換和高度隔離。所有各級都必須在整個(gè)工作頻段內有良好的匹配，尤其是I/P端口。T/R電路需要盡可能高效（尤其是發(fā)射端），以降低功率需求，并在盡可能小的外形尺寸下減少散熱。這點(diǎn)非常重要，因為可能要在一個(gè)相對較小的空間內安裝多個(gè)模塊。此時(shí)，散熱和可靠性問(wèn)題（除了連續和一致的性能以外）就成為重要考慮。其它參數也很重要，如諧波、壓縮點(diǎn)/輸出動(dòng)態(tài)范圍、三階互調（TOI）、接收機噪聲系數（為獲得最好的靈敏度），以及占空比等。 因此，為確保DUT的質(zhì)量與符合性，在開(kāi)發(fā)期間，需要對上述所有參數仔細測量、優(yōu)化和驗證，并在生產(chǎn)期間作快速檢驗。另外，由于這些模塊有靈活的頻率，可以通過(guò)可編程移相器作電動(dòng)控制，并且有可變的輸出/輸入功率，需要在大量條件與狀態(tài)下檢驗所有的特性參數。所有這些就得到了一個(gè)由多維測量下多個(gè)測量點(diǎn)定義的測量空間，它確實(shí)需要高速和高測量精度，以降低不確定性，從而經(jīng)濟而高效地完成測試。測試環(huán)境還要極其穩定，對所有測量都表現良好的相關(guān)性，包括相同模塊和所有模塊之間，因為一個(gè)雷達陣列的質(zhì)量對各個(gè)T/R模塊質(zhì)量有相同的依賴(lài)。 生產(chǎn)測試計劃 當在工程模式下測試時(shí)，不僅需要對T-R模塊原型的全部參數和特性做大量測試，而且還要系統地超越標準的性能參數，從而能同時(shí)提供性能（模塊必須承受的超出規格條件的量）與制造（元件與制造活動(dòng)產(chǎn)生的變動(dòng)有多少）的安全容限。這種情況下，必定有大量的重復測試，因為要作必要的修正和返工，直到確保了所需的性能和制造參數。于是，在工程階段，測試活動(dòng)幾乎與制造階段同樣頻繁，但它們主要集中在對某些模塊的反復測試，而不是對多個(gè)模塊作逐一測試。在此階段，很多公司就開(kāi)始確定生產(chǎn)中所需要的測試環(huán)境，從而避免重復工作，并提供DUT測試環(huán)境從工程到生產(chǎn)階段的無(wú)縫轉移。 在生產(chǎn)測試中，速度與精度是關(guān)鍵。為了達到更好的成本效益，生產(chǎn)環(huán)境中要保證盡可能少的測試站（盡可能少的操作人員），以及盡可能高的吞吐量，同時(shí)保持最大的產(chǎn)量。在這種情況下，有兩個(gè)額外因素就非常重要： ·完全統一并遵循公認標準（如NIST）的系統級校準工作。這樣能確保高精度、低不確定性，以及一致的測量結果。 ·生產(chǎn)測試環(huán)境與開(kāi)發(fā)測試環(huán)境之間的質(zhì)量一致性。這有助于高產(chǎn)量，以及高度相關(guān)的測量結果。 傳統測試系統與合成儀器 在激勵測量測試過(guò)程中有五個(gè)關(guān)鍵的時(shí)間元素：DUT設置（包括預熱）、激勵設置、響應設置、校準與實(shí)際測量。 在傳統系統中，必須用一臺中心計算機或控制器來(lái)協(xié)調測試過(guò)程的各個(gè)步驟。單臺儀器的校準必須考慮互連電纜、連接器等的因素，它們會(huì )增加測試站之間的測量不確定性。另外，必須在各臺儀器之間建立某種水平的同步機制，以確保正確的信號注入、捕捉與分析。對于T/R模塊，DUT需要電源、控制、通信、監控，還需要與設備其余部分的同步。 在一個(gè)合成儀器中，激勵、響應和DUT接口都緊密地集成與同步。校準在系統級完成，直到DUT接口。因此大大減少了不確定性的來(lái)源。整個(gè)系統作為一個(gè)同質(zhì)環(huán)境運行，而不是一種多對象的組合。 五個(gè)測量通道對一個(gè)測量通道 對于T/R模塊的測量，需要五種傳統儀器：頻譜分析儀、網(wǎng)絡(luò )分析儀、噪聲系數分析儀、調制分析儀和功率計。 而在合成儀器中，所有需要的測量都通過(guò)一個(gè)響應通道完成，一般采用公共的數字化數據。測試者不需要在多臺儀器之間轉換就能完成測量，只有一個(gè)測量通道，而無(wú)需考慮多個(gè)通道。 測量時(shí)間應只受DUT性能與延遲/安定特性的限制。一旦實(shí)現這種情況，測試環(huán)境便為按速度進(jìn)行優(yōu)化。 對于傳統儀器環(huán)境，測量時(shí)間依賴(lài)于使用的各臺儀器，還有測量路徑與數據測量的轉換、同步，以及系統級的中心控制/排序。由于它們都與各自?xún)x器緊密關(guān)聯(lián)，因此測量本身無(wú)法作優(yōu)化，也無(wú)法利用公共的采樣/數字化數據塊。 對于合成儀器，可以對多個(gè)測量作排序，充分利用公共的數據塊，實(shí)現測量空間的優(yōu)化。此時(shí)，儀器之間與測量/數據路徑之間不存在切換問(wèn)題，環(huán)境自身就是同步的，包括DUT�？刂�/排序可獲取所有系統資源的最大性能優(yōu)勢。此外，環(huán)境為同質(zhì)性，允許作連續計算、信號處理和條件運行。 讓我們看一下對T/R模塊的多個(gè)基準測試，考慮到平均有20個(gè)不同測試案例，傳統機架與堆疊測試系統需要約3至4小時(shí)的測試時(shí)間。而一個(gè)經(jīng)高度優(yōu)化的合成儀器只需要4至6分鐘的測試時(shí)間，其中1分鐘還用于DUT的預熱。即使考慮了基準近似，以及在生產(chǎn)測試環(huán)境中更換DUT所花的時(shí)間，采用綜合測試環(huán)境也可以將測試速度提高30倍。 如果比較這兩種系統的成本，混合型合成儀器的首次建設成本一般只有傳統機架-堆疊系統成本的10%�？紤]在一段時(shí)期內節省的測試時(shí)間，混合型合成儀器具有優(yōu)異的成本特性。如果我們再考慮較少的測試站數會(huì )占用較小的空間，需要更低的供電要求，則其經(jīng)濟性是不容置疑的。 更方便支持未來(lái)更新升級 在選擇過(guò)程中，還需要特別檢查一個(gè)額外項，那就是在更長(cháng)的時(shí)間周期內，兩種系統能在多大程度上管理設備的更新、適應新的需求和重新配置，以支持多種產(chǎn)品系列。 傳統機架-堆疊系統采用“叉車(chē)”方案管理設備更新問(wèn)題，即更換。不過(guò)，如果一種儀器不再生產(chǎn)，更換就變得不可能，而必須修改測試程序和測試執行方法，以適應不相同的儀器。如果新需求落入了相應儀器的性能包絡(luò )中，就可能要適應新的需求，并為不同產(chǎn)品/產(chǎn)品系列重新配置一個(gè)傳統解決方案。舉個(gè)例子，如果一些測量或全部測量都需要運行在一個(gè)較高頻率下，則全部相關(guān)儀器都必須能支持擴展的頻率。那些不支持的儀器就必須換掉，哪怕只是在較高頻率下作一次測量。 另一方面，合成儀器在管理設備更新和改變需求方面特別靈活。由于合成儀器是基于測試，而不是基于儀器，因此它們不受設備更新的影響。當需要作新的測量時(shí)，可以簡(jiǎn)單地在綜合測試環(huán)境中編寫(xiě)代碼（只要總的系統性能包絡(luò )能支持）。如果一個(gè)新需求的測量落在當前包絡(luò )的外面，需要的只是更換或增加一個(gè)或多個(gè)模塊，其特性（如有較高的工作頻率）可將系統性能包絡(luò )擴展到新的測量需求。 應用實(shí)例 一旦完成了對最優(yōu)測試環(huán)境類(lèi)型的選擇，仍然需要針對特定應用去做環(huán)境的實(shí)現和定制。對于最終用戶(hù)，可以購買(mǎi)或開(kāi)發(fā)各種模塊與軟件，然后嘗試建立一個(gè)合成儀器系統，不過(guò)也有現成的解決方案，可大大簡(jiǎn)化這一過(guò)程。其中一個(gè)解決方案就是Aeroflex的SMART^E（綜合多功能自適應可重配置測試環(huán)境）。對此特例，模塊測試環(huán)境（工作頻率高達40GHz）被選擇為這一測試應用的基本環(huán)境（見(jiàn)圖1）。 客戶(hù)作出這一選擇的依據不僅是它的性能和持有/運行成本，還有大幅減少的啟動(dòng)成本。它們包括與測試環(huán)境中DUT集成（不是簡(jiǎn)單的接口）相關(guān)的活動(dòng)，以及將測試計劃轉換為一系列可執行測試程序/順序。 對T/R模塊作的一些測試如下：Pout與Pin、總吸收功率、諧波、噪聲系數、脈沖測量、恢復時(shí)間、s參數、寄生，以及TOI（三階互調）。圖2是Pout與Pin的屏幕截圖以及相應列表數據。圖3是一個(gè)脈沖測量屏幕截圖，以及一些相應列表數據。圖4是一個(gè)頻譜/寄生測量，以及一些相應列表數據。上述全部測試都在幾分鐘內自動(dòng)順序完成。除了測試報告以外，SMART^E亦擴展了測試記錄與調試功能。圖5位記錄/調試的屏幕截圖。對于生產(chǎn)測試，還可以用批處理順序來(lái)加快測試速度，同時(shí)還能提供合格/不合格的標準與結果，圖6顯示了這種功能。 SMART^E 5100 T/R模塊測試環(huán)境的第一個(gè)大規模采用者是歐洲的兩家主要軍工航天企業(yè)。這些公司一直用它作合成口徑雷達相關(guān)的T/R模塊測試，這種雷達用于防空和衛星系統。 |
