摘要：对测试系统中射频网络自动切换的各种设计方案进行了全面分析比较，并提出了一种高适配能力的设计方案，基于此方案设计的混合式智能型开关矩阵，解决了自动测试设备与各种被测单元适配难的问题。用一套测试装置完成多种测试，而不需要频繁地断开和连接。实现测试过程的自动化，提高测试效率并且降低成本。
关键词：测试系统；网络自动切换
随着电子战装备发展和平台化产品的规模化生产，在产品的研发、生产和检验过程中需要对不同频段的被测件进行大量的测试。这些待测件包括各种射频微波前端组件(例如T/Ｒ组件)、变频类产品和采集类产品。这些被测件的测试要求和测试步骤差别非常大，并且都在非常高的频率(通常为40GHz)下进行测试。
自动测试系统针对的产品指标和测试步骤千差万别，为提高测试效率，需要将微波网络自动切换融入到自动测试系统中。这样就可以把来自多台仪器的信号路由至一个或多个DUT。用一套测试装置完成多种测试，而不需要频繁地断开和连接。实现测试过程的自动化，提高测试效率并且降低成本。
1微波网络理论研究
1.1微波网络基础理论
1.1.1传输函数和反射函数
在微波工程中遇到的各类问题常常用微波网络的方法来处理，微波网络理论研究的是微波网络各端口的物理量之间的关系。在微波频率下，由于分布参数的影响，电压和电流既难以直接测量，也没有明确的物理意义。能够直接测量的网络矩阵参数是散射参数(scatteringparameter)，简称S参数。
另一方面，我们常常使用的微波器件有单口器件(如匹配负载)，双口器件(如衰减器、放大器等)和多口器件(如定向耦合器，功分器等)，单口网络可以看做双口网络的特例，多口器件亦可等效为双口网络进行分析和测量。下面简单介绍一下双端口微波网络。微波信号通过微波器件/模块时幅度会发生变化，这个器件/模块一般等效为一个双口微波网络，表征这个网络的传输参数是S21，通常把其模值|S21|称为衰减。现实情况是，当被测网络接入测量系统，由于源端和负载端均有不同程度的失配，实际的传输参数会变得比较复杂，此时的传输参数要考虑阻抗不连续处反射的影响。
1.1.2网络反射参数的测量
常用的衡量失配或反射程度的指标是电压驻波比VSWR，使用网络分析仪可以很方便地直接测量大多数低功率无源器件和微波系统的各输入输出端口驻波比。通过测试待测件/模块的接口，测得VSWR或S11，S22。
1.2现有技术及存在问题
在微波网络测试系统中，微波信号自动切换是实现测试系统与各种不同的被测产品的连接。具体完成以下功能:
1.2.1将测试系统信号源输出的信号转接至被测产品要求的接口端面上。
1.2.2将被测产品输出的信号转接至测试系统的相应测量通道上。
1.2.3为被测产品提供必要的外接元件，如功率负载、衰减器等。
1.2.4实现接口适配功能，为各种被测对象的非标准接口提供适配接口。但在应用过程中，出现以下问题:
1.2.4.1对于不同的被测对象，其输入\输出端口定义完全不一样，要求测试系统输入\输出可互换。
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1.2.4.2输入\输出信号的频率范围也不同，甚至频率范围高达40GHz，往往为了通用性，测试设备开发资源成本将很大。
1.2.4.3产品阵列化发展，输入\输出通道路数高达64路，甚至更多。使用微波开关进行多级级联搭建，开关阵列庞大，一方面体积较大，另一方面可靠性随着节点数的增加和电缆长度增加迅速降低，系统不确定度增大。
1.2.4.4为了满足适配要求，必须开发不同型号的适配器，控制形式不同，使用起来不方便。
1.2.4.5使用开关矩阵，由于要求不同，使用的开关也不同，分为机电开关和固态开关。
1.3测量中的误差分析
目前测量误差主要由以下几个因素造成，开关矩阵、测试仪器和测试电缆组成，其中，开关矩阵和测试电缆的插损为系统误差，D为偶然误差。公式如下:A=B+C±D。其中，A为测量误差，B为开关矩阵的插损，C为测试电缆的插损，D为开关矩阵、测量仪器和测试电缆引起的偶然误差(不确定度误差)。
由于不确定度误差是随机性的，而非系统性的，因此要用平方和的平方根(ＲSS)计算总测量
不确定度，机电开关和固态开关为例。
2混合式智能型开关矩阵设计方案
通过前面分析可知，设计可靠稳定的微波测试系统除了选取合适的测试方法、校正方法外，核心工作在于开关矩阵(含适配系统)。通过整合工业自动化技术和适配器技术的优势，提出一种混合式智能型开关矩阵设计方案，很好地解决测试对象阵列化、多样化和接口不统一等问题。混合式智能型开关矩阵主要由14U高度机柜集成，内部由PLC控制器、交换机、IAI电缸控制器、IAI电缸机械装置、继电器、机电开关和通用接口适配面板等组成。
2.1主控通信模块
主控通信模块选用西门子的PLC，型号为S7－1200，其一款具有集成电源和各种板载输入与输出电路，是功能强大的控制器。该CPU通过PＲOFINET网络与IAI电缸控制器进行数据交互，同时PLC自带6路的数字IO输出通过继电器实现机械开关的控制。
2.2通用接口适配
常见的产品接口类型，优先使用性能稳定、通用性强并且相对低成本的SMA转接器作为开关矩阵所有外部接口，它在DC到27GHz的全频段VSWＲ均小于1.15。再根据实际需求，选取集束9芯和集束19芯插座进行转接。
2.3射频信号机械切换
为了保证接口适配通用性，输入\输出需要切换的路数高达150路，如果采用机电开关或固态开关进行搭建，插损和级联路数太大，成本过高，通过借鉴自动装配螺钉的系统设计，为了保证定位精度和响应速度，通过PLC控制的电动机械装置实现大规模阵列化的通道切换。同时为了实现测试过程“零换线”，在电动机械切换装置的输入口输出口各加1个匹配型的机电开关。这样的设计可保证测试过程中，信号源和矢网的灵活切换，又增加了接口对地负载，防止大功率信号反射烧毁产品。
结束语
通过实践证明混合式智能型开关矩阵性能要优于传统开关矩阵的设计方案,并降低开发成本,有助于提高射频类产品的测试效率,效果显著。同时,综合考虑现有射频类产品的特点,实现各种射频接口的产品柔性测试,为后续测试系统的设计奠定基础。
参考文献:
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[5]明悦. 天津联通干线光纤自动切换系统的研究与实现[D].北京邮电大学,2010.
论文作者:刘瑞
论文发表刊物:《防护工程》2017年第25期
论文发表时间:2018/1/3
标签：测试论文; 微波论文; 矩阵论文; 系统论文; 网络论文; 测量论文; 接口论文; 《防护工程》2017年第25期论文;