1. 引言

有源相控陣?yán)走_(dá)具有快速波束成形、作用距離遠(yuǎn)、測(cè)量精度高及同時(shí)支持多種功能等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于國(guó)防、航空航天應(yīng)用中。有源相控陣?yán)走_(dá)一般包含成百上千個(gè)輻射單元——天線，每個(gè)天線連接一個(gè)T/R組件，每個(gè)T/R組件均包含發(fā)射和接收通道，以及移相器、衰減器等部件，典型的T/R組件結(jié)構(gòu)如圖1所示。相控陣?yán)走_(dá)通過(guò)調(diào)整T/R組件的移相器、衰減器來(lái)改變每一路信號(hào)的相位和幅度，從而實(shí)現(xiàn)波束的快速掃描。

圖1. 典型的T/R組件結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)于相控陣?yán)走_(dá)，只有精確已知各通道之間的幅度和相位差異，才能夠準(zhǔn)確地作相應(yīng)的補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)精確波束成形。如何精確地實(shí)現(xiàn)通道間的幅相差異測(cè)試，或者稱為幅相一致性測(cè)試，將是保證相控陣?yán)走_(dá)性能的關(guān)鍵。T/R組件中的發(fā)射通道和接收通道往往包含變頻部件，通道的輸入和輸出頻率不同，這將使得測(cè)試更加復(fù)雜。

針對(duì)以上測(cè)試，羅德與施瓦茨公司可提供完善的測(cè)試解決方案。憑借出色的射頻性能和豐富的測(cè)試功能，羅德與施瓦茨公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可完美地完成變頻通道幅相一致性測(cè)試。

2. 變頻通道幅相一致性測(cè)試

如果待測(cè)通道不包含變頻器件，則直接測(cè)試每個(gè)通道的S參數(shù)得到相移和插損，便可以求出通道之間的幅相一致性。如果待測(cè)通道包含變頻器件，則通常有三種測(cè)試方法：

(1)基于R&S ZVA矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的雙音測(cè)試技術(shù)，可確定每個(gè)通道的相位及損耗，再與參考通道相比較，從而得到通道間幅相一致性；

(2)直接將每個(gè)變頻通道輸出信號(hào)的相位和幅度與參考通道比較，從而得到通道間幅相一致性。

(3)使用參考混頻器確定通道間幅相一致性。

下面對(duì)這三種方法分別加以描述。

2.1 基于雙音測(cè)試技術(shù)確定通道間幅相一致性

基于ZVA矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的雙音測(cè)試技術(shù)，專門針對(duì)變頻模塊及通道群時(shí)延的測(cè)試，圖2和圖3分別給出了原理示意圖和典型的測(cè)試連接圖。雙音測(cè)試技術(shù)需要兩個(gè)頻率不同的激勵(lì)信號(hào)，其基本原理：ZVA內(nèi)部的兩個(gè)激勵(lì)源通過(guò)端口3的定向耦合器實(shí)現(xiàn)雙音合路，然后再饋入端口1，端口1再輸出雙音信號(hào)至待測(cè)件；在待測(cè)件輸入側(cè)，雙音信號(hào)存在相位差，其輸出側(cè)也存在相位差，利用輸入側(cè)相位差和輸出側(cè)相位差的差異及雙音頻率間隔便可以計(jì)算出群時(shí)延。該方法的優(yōu)點(diǎn)：對(duì)于本振不可接入的變頻器模塊或通道，同時(shí)灌入雙音信號(hào)，可消除本振對(duì)待測(cè)件輸出信號(hào)相位的影響。除了可以測(cè)試通道群時(shí)延外，該方法還可以測(cè)試相位及變頻損耗，因此可以用于測(cè)試通道間的幅相一致性。

圖2. 雙音法測(cè)試群時(shí)延的原理示意圖

圖3. 雙音法測(cè)試群時(shí)延的連接示意圖

如何消除測(cè)試裝置帶來(lái)的影響？

這就需要作相應(yīng)的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)過(guò)程非常簡(jiǎn)便，圖4給出了雙音測(cè)試技術(shù)的校準(zhǔn)界面。選擇其中一個(gè)待測(cè)通道作為參考通道，按照?qǐng)D3的方式進(jìn)行連接，因測(cè)試的是相對(duì)相位，所以可直接在圖4中的” Const. Delay”中輸入一個(gè)常數(shù)，執(zhí)行“Take Cal Sweep”即可完成校準(zhǔn)。測(cè)試時(shí)，直接將待測(cè)通道替換參考通道，測(cè)試結(jié)果便是相對(duì)于參考通道的差異。為改善端口匹配，可在待測(cè)通道前后各引入一個(gè)合適的衰減器，以進(jìn)一步提高測(cè)試精度。

圖4. 雙音法校準(zhǔn)界面

雙音測(cè)試技術(shù)具有如下優(yōu)勢(shì)：專門針對(duì)內(nèi)置本振的變頻器通道，可消除內(nèi)置本振對(duì)輸出中頻信號(hào)相位的影響，從而精確測(cè)試群時(shí)延及相位，而且非常適用于含有多級(jí)變頻的通道測(cè)試。該方法測(cè)試連接簡(jiǎn)單，校準(zhǔn)簡(jiǎn)易，測(cè)試速度快且精度高，保證測(cè)試效率的同時(shí)，又能夠保證測(cè)試精度。

2.2 直接比較通道輸出信號(hào)的相位和幅度

該方法是測(cè)試通道間幅相一致性的比較直觀的方法，下面以矢網(wǎng)ZVA為例，對(duì)其作相應(yīng)的介紹。

圖5給出了雙通道一致性測(cè)試的連接示意圖，使用ZVA的端口3作為激勵(lì)端口，其輸出經(jīng)功分器分別饋入兩個(gè)通道，兩個(gè)通道的輸出分別連接至ZVA的端口2和端口4。該方法要求饋入到每個(gè)通道的激勵(lì)信號(hào)必須有穩(wěn)定的相位關(guān)系，最簡(jiǎn)單的方法就是選擇一個(gè)公共的激勵(lì)源，通過(guò)合適的功分器產(chǎn)生多路激勵(lì)信號(hào)。

圖5. 直接比較通道間的幅度和相位

此時(shí)ZVA需要測(cè)試的不再是S參數(shù)，而是波量(wave quantity)，包括：b4(P3s)和b2(P3s)。如果測(cè)試幅度差異，將顯示格式Format改為Magnitude(dB)；如果測(cè)試相位差異，將顯示格式Format改為Phase；最后使用Trace Math功能，求得差異：Math= b4(P3s)/ b2(P3s)。

上述測(cè)試裝置中，功分器、測(cè)試線纜及ZVA端口2和4的測(cè)量接收機(jī)之間的差異均會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果有一定的影響。為了保證精確測(cè)試，需要消除測(cè)試裝置引入的影響，即進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)。本例中，系統(tǒng)校準(zhǔn)分為如下三步：

1) 射頻側(cè)功分器及兩根射頻線纜引入的相移差

由于兩個(gè)通道共激勵(lì)源，功分器公共端與激勵(lì)端口Port3之間的線纜可以不考慮，那么就只需要標(biāo)定功分器兩路及所連接線纜的相移差。直接測(cè)試S參數(shù)，便可以確定其相移及插入損耗，從而確定功分器兩個(gè)通道的幅相差異。

建議同時(shí)在射頻和中頻頻段上完成功分器的標(biāo)定，因?yàn)橄旅娴诙街袑?duì)端口2和4及中頻線纜的校準(zhǔn)需要使用中頻頻段的數(shù)據(jù)。

2) 端口2、4及兩根中頻線纜引入的相移差

需要使用上面第一步中標(biāo)定過(guò)的功分器，分別連接在與Port2和Port4相連的射頻線纜上，將頻率范圍設(shè)置為IF頻率范圍，觀察波量比b2/b4(P3s)的相位，并按照功分器的兩路相移差修正，即為Port2、Port4及兩根射頻線纜在IF頻率上引入的相移差。

或者直接將激勵(lì)端口Port3分別與Port2和Port4相連，測(cè)試S23與S43的相位差，即可確定在IF頻率上引入的相移差。

(3) 本振側(cè)功分器引入的相移差

如果本振內(nèi)置，則可忽略此步；如果外供本振信號(hào)，一般會(huì)使用功分器，校準(zhǔn)方法同(1)。

如果待測(cè)通道的輸入、輸出駐波比不是非常理想，可以在通道前后分別引入一個(gè)合適的衰減器，以改善端口匹配，進(jìn)一步提高測(cè)試精度。圖6給出了一個(gè)相位一致性測(cè)試實(shí)例，Marker1顯示兩個(gè)通道在帶內(nèi)的相位差異最大值為19.426度。

圖6. 相位一致性測(cè)試結(jié)果

圖5所給的測(cè)試裝置，待測(cè)通道的輸出端口均直接與ZVA的測(cè)試端口相連，這種連接方式最多只支持同時(shí)測(cè)試三個(gè)通道間相位一致性。對(duì)于四端口ZVA，每個(gè)端口具有兩個(gè)接收機(jī)，分別是參考接收機(jī)和測(cè)量接收機(jī)，共8個(gè)接收機(jī)。ZVA可提供直接源和接收機(jī)接入接口，如圖7所示。對(duì)于相位一致性測(cè)試，通道輸出可以直接饋入接收機(jī)，而激勵(lì)信號(hào)輸出則由端口3的源直接輸出接口Src.Out輸出，因此可以同時(shí)測(cè)試8個(gè)通道的相位一致性。

圖7. R&S ZVA具有直接源和接收機(jī)接入接口

與相位一致性測(cè)試不同，幅度一致性測(cè)試不需要同時(shí)給每個(gè)通道饋入激勵(lì)信號(hào)，可以單獨(dú)測(cè)試每個(gè)通道的變頻損耗或增益，然后再進(jìn)行比較。如果采用圖5所示的測(cè)試裝置，可以同時(shí)測(cè)試兩個(gè)通道的變頻損耗或增益，但是為了保證測(cè)試精度，需要進(jìn)行功率校準(zhǔn)。

或者可以采用圖8所示的測(cè)試裝置，分別輪流測(cè)試每個(gè)通道的變頻損耗或增益，這種情況下不需要進(jìn)行功率校準(zhǔn)，因?yàn)樽罱K要測(cè)試的是通道間的幅度一致性，在測(cè)試結(jié)果求差值的過(guò)程中，測(cè)試裝置的影響已經(jīng)相互抵消。圖9給出了一個(gè)幅度一致性測(cè)試實(shí)例，Marker1顯示兩個(gè)通道在帶內(nèi)的幅度差異最大值為1.3649 dB。

圖8. 幅度一致性測(cè)試連接示意圖

圖9. 幅度一致性測(cè)試結(jié)果

直接比較幅度和相位適用于本振可接入或內(nèi)置本振的通道間幅相一致性測(cè)試。對(duì)于幅度一致性測(cè)試，采用圖8所示的連接，無(wú)需作任何校準(zhǔn)。但對(duì)于相位一致性測(cè)試，要求激勵(lì)信號(hào)同時(shí)饋入各個(gè)通道，所使用的功分器、測(cè)試線纜及接收機(jī)等均會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果有一定的影響，因此，為了保證測(cè)試精度，需要進(jìn)行復(fù)雜的系統(tǒng)校準(zhǔn)。

2.3 參考混頻器法測(cè)試幅相一致性

圖10給出了使用參考混頻器測(cè)試幅相一致性的連接示意圖，此處以四端口矢網(wǎng)ZVA為例，AUX為輔助混頻器，該混頻器的工作頻率范圍需要覆蓋待測(cè)通道的頻率范圍。REF表示參考混頻器，此處選擇其中一個(gè)待測(cè)通道作為REF，將用于測(cè)試裝置的校準(zhǔn)。作完校準(zhǔn)后，再使用其它待測(cè)通道替換REF，測(cè)試所有其它通道相對(duì)于該參考通道的幅相差異。

該測(cè)試裝置適用于外供本振及內(nèi)置本振的變頻通道的幅相一致性測(cè)試，如果需要外供本振，則要求校準(zhǔn)時(shí)AUX與REF共本振，測(cè)試時(shí)待測(cè)通道與AUX共本振。如果本振內(nèi)置，則只能從待測(cè)通道中分別選擇兩個(gè)通道作為AUX和REF。

該方法測(cè)試幅相一致性的大致過(guò)程如下：

1)校準(zhǔn)：射頻激勵(lì)信號(hào)和本振信號(hào)分別經(jīng)過(guò)功分器饋入AUX和REF，AUX輸出的中頻信號(hào)IF1饋入端口4，REF輸出的中頻信號(hào)IF2饋入端口2。分別測(cè)試波量b4(P1s)和b2(P1s)，IF1和IF2是同頻的，因此可以直接進(jìn)行波量相位和幅度的比較。
2)測(cè)試：完成校準(zhǔn)后，將待測(cè)通道替換REF，即可測(cè)試當(dāng)前通道相對(duì)于參考通道的幅相差異。

圖10. 參考混頻器法測(cè)試幅相一致性測(cè)試

對(duì)于四端口ZVA，內(nèi)置兩個(gè)獨(dú)立的激勵(lì)源，端口1和2共用一個(gè)源，端口3和4共用另一個(gè)源，四個(gè)端口可同時(shí)輸出激勵(lì)信號(hào)，因此可以采用圖11所示的測(cè)試裝置，而不需要外部功分器，連接更加方便。AUX和REF混頻器輸出的中頻信號(hào)分別直接饋入端口1和2的測(cè)量接收機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)幅相測(cè)試。

圖11. 參考混頻器法測(cè)試幅相一致性測(cè)試

對(duì)于兩端口ZVA67，內(nèi)置兩個(gè)獨(dú)立的激勵(lì)源，可以采用圖12所示的測(cè)試裝置，端口2提供LO信號(hào)，經(jīng)功分器一分為二，分別給AUX和REF提供本振激勵(lì)；端口1提供射頻激勵(lì)信號(hào)，直接由端口1和其Ref Out.接口輸出，分別饋入AUX和REF；輸出的兩路中頻信號(hào)分別饋入端口2的Meas. In和Ref. In接口，實(shí)現(xiàn)幅相測(cè)試。

圖12. 基于兩端口ZVA67的幅相一致性測(cè)試

3. 結(jié)論

本文介紹了三種變頻通道幅相一致性測(cè)試方法，每一種方法均有各自的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。方法一測(cè)試裝置簡(jiǎn)潔，校準(zhǔn)簡(jiǎn)便，測(cè)試幅相一致性的同時(shí)，還可以測(cè)試諸如變頻損耗、群時(shí)延等指標(biāo)，而且非常適用于含有多級(jí)變頻的通道測(cè)試。方法二是測(cè)試通道間幅相一致性的比較直觀的方法，但是需要進(jìn)行復(fù)雜的系統(tǒng)校準(zhǔn)，操作相對(duì)復(fù)雜。相比之下，方法三更具優(yōu)勢(shì)，該方法更加簡(jiǎn)便、靈活，無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的系統(tǒng)校準(zhǔn)。