关于S公司变频多通道幅相一致性测试方案的介绍和应用

1. 引言

有源相控阵雷达具有快速波束成形、作用距离远、测量精度高及同时支持多种功能等优势，广泛应用于国防、航空航天应用中。有源相控阵雷达一般包含成百上千个辐射单元——天线，每个天线连接一个T/R组件，每个T/R组件均包含发射和接收通道，以及移相器、衰减器等部件，典型的T/R组件结构如图1所示。相控阵雷达通过调整T/R组件的移相器、衰减器来改变每一路信号的相位和幅度，从而实现波束的快速扫描。

图1.  典型的T/R组件结构示意图

对于相控阵雷达，只有精确已知各通道之间的幅度和相位差异，才能够准确地作相应的补偿，从而实现精确波束成形。如何精确地实现通道间的幅相差异测试，或者称为幅相一致性测试，将是保证相控阵雷达性能的关键。T/R组件中的发射通道和接收通道往往包含变频部件，通道的输入和输出频率不同，这将使得测试更加复杂。

针对以上测试，罗德与施瓦茨公司可提供完善的测试解决方案。凭借出色的射频性能和丰富的测试功能，罗德与施瓦茨公司的矢量网络分析仪可完美地完成变频通道幅相一致性测试。

2. 变频通道幅相一致性测试

如果待测通道不包含变频器件，则直接测试每个通道的S参数得到相移和插损，便可以求出通道之间的幅相一致性。如果待测通道包含变频器件，则通常有三种测试方法：

(1) 基于R&S ZVA矢量网络分析仪的双音测试技术，可确定每个通道的相位及损耗，再与参考通道相比较，从而得到通道间幅相一致性；

(2) 直接将每个变频通道输出信号的相位和幅度与参考通道比较，从而得到通道间幅相一致性。

(3) 使用参考混频器确定通道间幅相一致性。

下面对这三种方法分别加以描述。

2.1  基于双音测试技术确定通道间幅相一致性

基于ZVA矢量网络分析仪的双音测试技术，专门针对变频模块及通道群时延的测试，图2和图3分别给出了原理示意图和典型的测试连接图。双音测试技术需要两个频率不同的激励信号，其基本原理：ZVA内部的两个激励源通过端口3的定向耦合器实现双音合路，然后再馈入端口1，端口1再输出双音信号至待测件；在待测件输入侧，双音信号存在相位差，其输出侧也存在相位差，利用输入侧相位差和输出侧相位差的差异及双音频率间隔便可以计算出群时延。该方法的优点：对于本振不可接入的变频器模块或通道，同时灌入双音信号，可消除本振对待测件输出信号相位的影响。除了可以测试通道群时延外，该方法还可以测试相位及变频损耗，因此可以用于测试通道间的幅相一致性。

图2.  双音法测试群时延的原理示意图

图3.  双音法测试群时延的连接示意图

如何消除测试装置带来的影响？

这就需要作相应的校准，校准过程非常简便，图4给出了双音测试技术的校准界面。选择其中一个待测通道作为参考通道，按照图3的方式进行连接，因测试的是相对相位，所以可直接在图4中的” Const. Delay”中输入一个常数，执行“Take Cal Sweep”即可完成校准。测试时，直接将待测通道替换参考通道，测试结果便是相对于参考通道的差异。为改善端口匹配，可在待测通道前后各引入一个合适的衰减器，以进一步提高测试精度。

图4.  双音法校准界面

双音测试技术具有如下优势：专门针对内置本振的变频器通道，可消除内置本振对输出中频信号相位的影响，从而精确测试群时延及相位，而且非常适用于含有多级变频的通道测试。该方法测试连接简单，校准简易，测试速度快且精度高，保证测试效率的同时，又能够保证测试精度。

2.2  直接比较通道输出信号的相位和幅度

该方法是测试通道间幅相一致性的比较直观的方法，下面以矢网ZVA为例，对其作相应的介绍。

图5给出了双通道一致性测试的连接示意图，使用ZVA的端口3作为激励端口，其输出经功分器分别馈入两个通道，两个通道的输出分别连接至ZVA的端口2和端口4。该方法要求馈入到每个通道的激励信号必须有稳定的相位关系，最简单的方法就是选择一个公共的激励源，通过合适的功分器产生多路激励信号。

图5.  直接比较通道间的幅度和相位

此时ZVA需要测试的不再是S参数，而是波量(wave quantity)，包括：b4(P3s)和b2(P3s)。如果测试幅度差异，将显示格式Format改为Magnitude(dB)；如果测试相位差异，将显示格式Format改为Phase；最后使用Trace Math功能，求得差异：Math= b4(P3s)/ b2(P3s)。

上述测试装置中，功分器、测试线缆及ZVA端口2和4的测量接收机之间的差异均会对测试结果有一定的影响。为了保证精确测试，需要消除测试装置引入的影响，即进行系统校准。本例中，系统校准分为如下三步：

1) 射频侧功分器及两根射频线缆引入的相移差

由于两个通道共激励源，功分器公共端与激励端口Port3之间的线缆可以不考虑，那么就只需要标定功分器两路及所连接线缆的相移差。直接测试S参数，便可以确定其相移及插入损耗，从而确定功分器两个通道的幅相差异。

建议同时在射频和中频频段上完成功分器的标定，因为下面第二步中对端口2和4及中频线缆的校准需要使用中频频段的数据。

2) 端口2、4及两根中频线缆引入的相移差

需要使用上面第一步中标定过的功分器，分别连接在与Port2和Port4相连的射频线缆上，将频率范围设置为IF频率范围，观察波量比b2/b4(P3s)的相位，并按照功分器的两路相移差修正，即为Port2、Port4及两根射频线缆在IF频率上引入的相移差。

或者直接将激励端口Port3分别与Port2和Port4相连，测试S23与S43的相位差，即可确定在IF频率上引入的相移差。

(3) 本振侧功分器引入的相移差

如果本振内置，则可忽略此步；如果外供本振信号，一般会使用功分器，校准方法同(1)。

如果待测通道的输入、输出驻波比不是非常理想，可以在通道前后分别引入一个合适的衰减器，以改善端口匹配，进一步提高测试精度。图6给出了一个相位一致性测试实例，Marker1显示两个通道在带内的相位差异最大值为19.426度。

图6.  相位一致性测试结果

图5所给的测试装置，待测通道的输出端口均直接与ZVA的测试端口相连，这种连接方式最多只支持同时测试三个通道间相位一致性。对于四端口ZVA，每个端口具有两个接收机，分别是参考接收机和测量接收机，共8个接收机。ZVA可提供直接源和接收机接入接口，如图7所示。对于相位一致性测试，通道输出可以直接馈入接收机，而激励信号输出则由端口3的源直接输出接口Src.Out输出，因此可以同时测试8个通道的相位一致性。

图7.  R&S ZVA具有直接源和接收机接入接口

与相位一致性测试不同，幅度一致性测试不需要同时给每个通道馈入激励信号，可以单独测试每个通道的变频损耗或增益，然后再进行比较。如果采用图5所示的测试装置，可以同时测试两个通道的变频损耗或增益，但是为了保证测试精度，需要进行功率校准。

或者可以采用图8所示的测试装置，分别轮流测试每个通道的变频损耗或增益，这种情况下不需要进行功率校准，因为最终要测试的是通道间的幅度一致性，在测试结果求差值的过程中，测试装置的影响已经相互抵消。图9给出了一个幅度一致性测试实例，Marker1显示两个通道在带内的幅度差异最大值为1.3649 dB。

图8.  幅度一致性测试连接示意图

图9.  幅度一致性测试结果

直接比较幅度和相位适用于本振可接入或内置本振的通道间幅相一致性测试。对于幅度一致性测试，采用图8所示的连接，无需作任何校准。但对于相位一致性测试，要求激励信号同时馈入各个通道，所使用的功分器、测试线缆及接收机等均会对测试结果有一定的影响，因此，为了保证测试精度，需要进行复杂的系统校准。

2.3  参考混频器法测试幅相一致性

图10给出了使用参考混频器测试幅相一致性的连接示意图，此处以四端口矢网ZVA为例，AUX为辅助混频器，该混频器的工作频率范围需要覆盖待测通道的频率范围。REF表示参考混频器，此处选择其中一个待测通道作为REF，将用于测试装置的校准。作完校准后，再使用其它待测通道替换REF，测试所有其它通道相对于该参考通道的幅相差异。

该测试装置适用于外供本振及内置本振的变频通道的幅相一致性测试，如果需要外供本振，则要求校准时AUX与REF共本振，测试时待测通道与AUX共本振。如果本振内置，则只能从待测通道中分别选择两个通道作为AUX和REF。

该方法测试幅相一致性的大致过程如下：

1) 校准：射频激励信号和本振信号分别经过功分器馈入AUX和REF，AUX输出的中频信号IF1馈入端口4，REF输出的中频信号IF2馈入端口2。分别测试波量b4(P1s)和b2(P1s)，IF1和IF2是同频的，因此可以直接进行波量相位和幅度的比较。
2) 测试：完成校准后，将待测通道替换REF，即可测试当前通道相对于参考通道的幅相差异。

图10.  参考混频器法测试幅相一致性测试

对于四端口ZVA，内置两个独立的激励源，端口1和2共用一个源，端口3和4共用另一个源，四个端口可同时输出激励信号，因此可以采用图11所示的测试装置，而不需要外部功分器，连接更加方便。AUX和REF混频器输出的中频信号分别直接馈入端口1和2的测量接收机，从而实现幅相测试。

图11.  参考混频器法测试幅相一致性测试

对于两端口ZVA67，内置两个独立的激励源，可以采用图12所示的测试装置，端口2提供LO信号，经功分器一分为二，分别给AUX和REF提供本振激励；端口1提供射频激励信号，直接由端口1和其Ref Out.接口输出，分别馈入AUX和REF；输出的两路中频信号分别馈入端口2的Meas. In和Ref. In接口，实现幅相测试。

图12.  基于两端口ZVA67的幅相一致性测试

3. 结论

本文介绍了三种变频通道幅相一致性测试方法，每一种方法均有各自的应用优势和特点。方法一测试装置简洁，校准简便，测试幅相一致性的同时，还可以测试诸如变频损耗、群时延等指标，而且非常适用于含有多级变频的通道测试。方法二是测试通道间幅相一致性的比较直观的方法，但是需要进行复杂的系统校准，操作相对复杂。相比之下，方法三更具优势，该方法更加简便、灵活，无需进行复杂的系统校准。