广州骏业达电子科技有限公司
成都福思特科技有限公司

相控阵天线测试场的选择

相控阵天线测试场的选择

——天锐星通的七年实践


>>>

图片

随着国内外高通量卫星和低轨卫星星座的快速发展,对毫米波相控阵天线提出了每年超过10亿通道的海量需求。为保证天线的品质,需要进行性能测试。相较于传统天线,相控阵天线的测试有以下特点:

待测天线复杂:由辐射阵面与半导体射频电路、电源系统、数字信号控制系统等高度集成一体;

测试任务量大:需要将频点、剖面、扫描角度、加权状态等测试因素排列组合,每台天线往往有多达数千张方向图的测试量;

测试项目多:除了辐射方向图需要测试,有源部分(半导体集成电路)的性能、数字控制与供电部分的性能也需要一并测试,如EIRP值、G/T值、有源增益、甚至是ACPR、EVM等指标;

测试控制复杂:需要将天线的波束状态与产品供电、测量仪器、转台位置密切配合、同步进行,控制系统复杂;

测试数据庞大:每台天线测量得到的都是海量数据,对数据的处理分析,对产品参数指标的评估,是一件费时耗力的大工程。


如何快速测试、验证及分析相控阵天线的性能,是缩短研发周期、降低生产成本的关键因素之一。成都天锐星通经过七年的实践,建成相控阵天线测试中心,并已取得CNAS资质,同时千万通道量级的批量测试产线也已建成投产,整个相控阵天线测试系统是基于紧缩场技术而进行自主研制的成果。本文以天锐星通天线测试场的研制历程为例,阐述相控阵天线测试需求与测试场能力的匹配关系,以及各种测试场的关键技术特点,并对如何选择合适的测试场给出初步建议。


                               研制历程

为了准确评估相控阵天线的电磁性能,需要在无回波环境对其进行测量,根据源与待测天线的距离,测试场可分为近场、紧缩场、中场和远场(注:近几年发展的平面波生成器也可视为一种缩距的远场,距离介于近场和紧缩场之间)。下图是各测试场适用的待测天线口径和测试距离示意图。

图片

▲ 不同测试场适用的待测天线口径和测试距离


天锐星通在进行相控阵天线研制之初,也不能确定采用哪种天线测试场更适合于高精度、大规模、低成本的测试,走了不少弯路,测试场的选择也经历了从近场、远场再到紧缩场的过程。


丨近场:多个关键性能指标测量难度大

在2015年,开始开展相控阵技术研制和原理验证,产品主要是原理样机,集中于毫米波频段相控阵天线,阵面大小在10λ*10λ左右。此时基于近场占地面积小、技术成熟、建设成本低的考虑,我们迅速建设了一个尺寸为3.5m*3m*3m的平面近场测试系统用于性能测量。

该近场的机械臂扫描范围±400mm,重复定位精度0.02mm。通过近场,我们可以直接对整个阵面的幅相情况进行测量,也可以便利地测量天线的三维方向图,很好地辅助天线工程师对天线的“微观”性能进行验证

图片

▲ 近场正在对V波段天线阵面进行检测


随着天线产品研制的深入,我们逐渐发现了近场的局限性。从原理上近场是通过近远场变换获得的天线辐射特性,因此必然带来以下问题:

收发隔离、指向精度、EIRP、G/T等“宏观”性能难以测量;

功率稳定性、波束切换时间等时效性指标难以测量;

EVM、调制解调等不能实现测量。

为了覆盖相控阵天线全指标测试需求,“更直观地进行测量”,2017年初我们又开始建设远场测试系统。


丨远场:无法满足电大尺寸天线测量需求

2017年初,花了近半年时间建设完成了一个尺寸9m*5.15m*3.1m的远场测试系统。该远场频率范围2GHz~40GHz、机械臂重复定位精度0.06mm、收发距离为3.2m。通过远场,能直接对天线的远场辐射性能进行测量,可以方便地获取天线阵面幅相校准信息,也可以快速获取各个切面的方向图。整个测试过程中所有的指标都能“实时”显示。

图片

▲ 2017年远场实物图


然而,随着相控阵天线频率范围和口面大小的增加,远场测试系统要求的距离越来越大,公司所在的场地无法满足空间要求,大的占用面积也意味着成本较高,同时,考虑在大规模生产时,远场测试系统很难实现自动化的装夹产品以及便捷的转运产品,于是我们不得不又开始建设紧缩场测试系统。


丨紧缩场:提供面向未来的全能测试环境

紧缩场是一种准远场,它通过精密反射面将喇叭天线产生的球面波在短距离内变换为满足远场条件的平面波。2017年底我们和某高校联合开发紧缩场,因场地有限,我们在已有远场基础上建设紧缩场。该紧缩场最初设计频率要求1.5GHz-80GHz,静区要求500mm×500mm(全频段),设计的锯齿反射面投影尺寸为1.5m×1.5m(不含锯齿),但最终性能并不理想。经实测静区性能仅在7GHz-32GHz频段内满足要求,不能覆盖产品所有频段的测试需求。

图片
图片

▲ 紧缩场(2018年)正在对X波段天线阵面进行测试


为了更好地实现相控阵天线全指标快速精准测量,我们走上了独立自研测试场的道路。到2019年6月,在反射面上突破卷边反射面设计技术,在测试算法上融入快速测试、误差补偿和链路一体化等技术,在馈源上研制完成自己的小型化、高精度的适配产品,从而建成了第一台基于紧缩场的标准型相控阵天线快速测试系统。

图片

▲ 标准型相控阵天线快速测试系统


2020至2022年期间,又经过两轮迭代,我们建成Mini型和自动化型相控阵天线测试系统,并在生产线进行了规模部署。其中,自动化型相控阵天线测试系统实现了天线自动装夹和自动进出料功能,满足了产品量产的测试需求。


                 

天锐星通在7年时间里不断尝试不同的相控阵天线测试场,最终选择了紧缩场,并在测试算法上进行了三期的更新、迭代,到目前,已基本将整个测试系统定型。下一步将在持续建设更加规范、权威的CANS实验室的基础上,研发目标聚焦在更高的精度、更快的测试效率以及更自动化的装夹、转运上。


                                                       关键技术特点

丨高精度测试技术

为实现高精度测试,以准确评估待测天线性能,我们做了以下工作:

高性能反射面设计:采用卷边设计,抑制低频波绕射;采用高精度加工,型面精度优于20um(实测为10.8um),可匹配110GHz以上频率测量;反射面总体使用效率达到50%~60%,静区幅度锥削≤1 dB,幅度纹波≤±0.5 dB,相位波动≤±5°(实测均优于此标准)。

图片


图片


▲ 反射面及其型面实测精度

图片

▲ 静区性能实测结果


系统自检功能:通过系统链路自校准设计,保障了测试场地的准确可靠,为EIRP和G/T等绝对测试提供基础。

图片

▲ 系统自校准


校准补偿:通过安装误差补偿技术,保障相控阵天线幅相校准、指向精度等高精度测试。

图片
图片

▲ 安装误差校准前后对比


大数据处理:通过大数据分析,缩减测试的波动性,提高制造测量一致性水平。

图片

▲ 大数据分析处理


丨基于硬件触发的快速测试技术

相控阵天线测试中耗时较长的项目主要为相控阵天线校准和方向图测试。

对于相控阵天线校准,我们采用了改进的旋转矢量法,同时缩减了频率数目,从而提高了校准速度。

图片

▲ 缩减校准频点数


以1024通道、31个频点、双圆极化相控阵天线校准为例,采用快速校准技术后,单板校准时间从原来的30min减少到9min。

图片
图片

▲ 校准测试数据和分析实际效果


对于方向图测试,通过基于测试位置对齐的硬件触发同步技术,可实现高精度测量要求下的快速测量。

图片

▲ 实时控制生成模块实现硬件触发


采用此技术,天线180个波束工作状态、4个剖面共计720条方向图的测量时间已由原来的240min减少到24min。

图片
图片

▲ 方向图快速测试实际效果


丨自动化技术

为提高天线测试效率,我们分别对硬件和软件进行优化。其中硬件方面实现全自动测试设计,具备“一键测试”功能,天线多工作状态和测试链路自动切换,以及待测产品自动化进出料。软件方面实现相控阵天线测试过程全自动化,丰富的测数据显示功能,可自动获取天线指标和测试报告,以及强大的相控阵天线测试数据分析功能。

图片

▲ 暗室实现待测天线自动进出料

图片

▲ 射频盒实现测试链路自动切换


随着大规模生产需要,我们正在进一步提高相控阵天线测试的自动化程度。目前,天锐星通测试中心已扩充新的测试场地,并于2022年5月开始建设,重点开展全自动化相控阵天线测试系统研制,预计2023年上半年完成自动化产线建设,为未来的无人化工厂做好实践准备。


                 相控阵天线测试场建设建议

综上,针对相控阵天线测试特点以及批量生产测试需要,近场测量完备性不足,部分指标测量误差大,难以测量或完全无法测量;远场可满足测试需求,但所需空间大,建设成本高,并且无法满足电大大尺寸天线测量需求,并且不利于自动化批量测试;紧缩场具备远场一样的测试能力但测试距离大幅缩短,建设成本低,利于实现自动化。因此,在产品尺寸较大、建设场地较小、需要大批量生产的相控阵天线测试中,基于紧缩场建设的测试系统更能满足实际测试需要。

鉴于相控阵天线测试需要在产品的整个生命周期进行,包括研发、器件测试验证、系统集成、一致性测试、产线测试等。结合前文的介绍,我们给出如下相控阵天线测试场建议方案:

   //   

建设近场测试系统,用于阵面诊断和三维方向图测量(研发阶段);

建设远场测试系统,用于系统级测试,比如多目标测试,目标移动测试等(研发阶段);

建设紧缩场测试系统,用于相控阵天线全指标测量,满足研发验证为主的测试需求(研发阶段);

建设半自动化紧缩场测试系统,用于相控阵天线基本指标的快速测量,满足小批量试制为主的测试需求(试制阶段);

建设全自动化紧缩场测试系统,用于相控阵天线批量生产测量,满足大批量生产为主的测试需求(量产阶段)。


首页           关于我们                 产品中心        技术支持             联系我们
广州市天河区花城大道20号远洋大厦908室
成都市天府新区梓州大道南一段3069号置富广场1幢823

广州骏业达电子科技有限公司 & 成都福思特科技有限公司
电话:020-38390010