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一种微波附件组合的设计与实现

2025-12-22

刘恩凡 (空军装备部驻北京地区第二军事代表室,北京 100074)

摘要:在综合测试与诊断领域,随着被测系统复杂性的提高,对测试系统准确度要求进一步提高;文中设计实现了一种微波 附件组合,主要由微波开关、衰减器、功率放大器和电源组成;该设备实现了各项技术指标要求,其中微波开关的驻波比在 DC -1GHz时不大于1.3,在1~18GHz时不大于1.5;衰减器的衰减量是40dB,精度是±3.5dB,驻波比不大 于1.6;功率 放大 器的频率范围在0.9GHz~1.3GHz范围之内,输出功率不小于5 W;该微波附件组合结合信号源、频谱仪、功率计及各类模拟 器等射频仪器资源来实现射频测量通道的资源扩展、大功率信号的衰减调理、微波功率合成等功能;以满足被测试对象飞机系统 中的微波射频系统、部件等微波信号性能测试的测试需求。

关键词:微波附件组合;衰减器;射频

0 引言 

    微波附件组合的设计目的是用于配套某型通用自动测 试平台,结合平台中的信号源、频 谱 仪、功 率 计 及 各 类 模 拟器等射频仪器资源来实现射频测量通道的资源扩展、大 功率信号的 衰 减 调 理、微波功率合成等功能,以 满 足 被 测 试对象飞机系统中的微波射频系统、部件等微波信号性能 测试的测试需求。

    微波附件组合具体功能要求如下: 

    1)组合内部设置微波开关,程控方式实现多路独立的 射频通道间的切换,便于射频通道的扩展,同时可实现1~ 100dB功率范围1dB步进的功率衰减;

    2)实现测试中射频信号输出功率的固定或步进式衰减 调理,改善激励源和负载间的功率匹配功能; 

    3)对被测件输出射频端口提供大功率负载,在大功率 放大器或者发射 机 的 测 量 中,负载可以用来代替天线将载 频功率全部吸收,减少辐射影响;

    4)如果被测对象 UUT是接收机,通过定向器的耦合端 可以向接收机注入一个邻道干扰信号,再通过接在定向耦合 器的直通端的综合测试仪来测试接收机抗干扰性能;如果被 测对象 UUT是发射机,通过定向器的耦合端接测试仪或频 谱仪可以用于信号取样和监测;放大器互调测试时,耦合器 可以用于两路功率信号的合成,作为互调测量的功率源。 

1 微波附件组合工作原理及总体设计方案 

1.1 功能概述

    微波附件组 合 由 机 箱、电 源 及 滤 波 器,微 波 控 制 板 及 同轴电缆、液 晶 显 示 屏、同 轴 电 缆、面 板 转 接 器 及 供 电 与 通信接口等 部 分 组 成。通过优化配置和设计,结 合 平 台 中 的信号源、频 谱 仪、功率计及各类模拟器等射频仪器资源 来实现射频测量通道的资源扩展、大功率信号的衰减调理、 微波功率合成等 功 能,以满足被测试对象中的微波射频系 统、部件等微波信号性能测试的测试需求。 

1.2 总体方案设计

    微波附件组合 实 物 如 图1所 示,微 波 附 件 组 合 由 机 箱 内器件 (耦合器、功 率 放 大 器、可 编 程 衰 减 器、负 载、环 行器、检 波 器、开 关)、电 源 模 块/开 关/功 放/可 编 程 衰 减 器控制模块、液 晶 显 示 模 块、同 轴 电 缆、面 板 转 接 器、电源滤波模块、开关箱结构件等部分组成。

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1.3 工作原理 

    由以太网接口传输的微波附件控制数据 (按照既定的通 讯协议),通过网口电路进行数据解析,再由微处理器发送 控制数据。微处理器除完成网口通讯外,还将完成开关的逻 辑控制功能。驱动电路将微处理器输出的开关控制信号转化 为合适的电压和驱动电流,进行开关和可编程衰减器和功率 放大器的控制,实现需要的信号回路。电源模块将外界输入 的220V电源通过 AC-DC变换成可满足开关电路、控制电 路工作需求的电平和电流。工作原理如图2所示。

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微波附件组合主要组成如表1所示。 

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2 微波附件组合的硬件设计 

2.1 微波附件组合控制电路

    微波附件组合控制电路主要由核心控制板、继 电 器 控 制板、液晶显示屏、电源转化电路等组成。在 以 X86架构 的核心板上运行 WINDOWS操作系统,同时备有液晶显示 屏实时显示操作控制功能,在核心板上安装 MicroWaveApp _V1.04软件控制,从核心板上通过LAN口发送控制信号,从而输出不同电压电流给被控制器件开关/功 放/可 编 程 衰 减器,从而实现外部想要的不同信号组合。核 心 控 制 板 原 理如图3所示。

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    控制板设计主要包括主处理 ARM 及外围电路,控制电 路模块,电源及电压监控模块,各个连接器及接口模块。 处理器需提供丰富的外部接口可以与 PC通信,从而被灵活 的控制应用。另外 需 有 丰 富 的I/O 控 制 接 口,可 以 通 过 控 制电路对箱内有源器件进行状态切换。屏幕显示功能则作 为人性化设 计,可以方便的观测各个器件的工作状态。电 源模块可最大程度上提供200 W 功耗,5V,12V,15V, 28V 四种电压输出,其中5V 电压可以控制其他路电源工 作状态,采用 智 能 散 热。接口模块则不仅可以提供前面板 丰富的接口,还包括与其他设备做通信控制的100 M 网口, 和 USB灵活使用。

2.2 微波附件组合射频通道 

    微波附件组合系统射频性能指标的实现主要通过核心 器件-同轴线缆、面板转接器的微波性能及其级联方式决 定。微波附件组合内部射频同轴电缆安装结构紧张,功 率 要求不高的器件采用半钢086线缆。线缆结构和材料如图4 所示。

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对功率要求 高,弯折多结构受限的器件,我 们 采 用 了 应力更低的柔性线缆如图5。

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    为保证尽量贴近各个器件微波性能要求,研 制 过 程 分 为几个研制阶段,来不断接近并满足系统性能指标要求。 

    为保证实现微波附件组合各通道的微波性能要求,现 各通道进行线缆配套设计。 

2.2.1 SP6T微波开关

    SP6T因为六个输出接口直接太近了,需要匹配线缆探 出机箱结构方便 客 户 连 接。此处要求外加线缆的插损尽量 低,因此采用了能承载18G/25W 的柔性线缆,同时保证足 够低的插损 (18G 尽量保证在0.8dB以内),驻波尽量低于 1.6 (18G)。面板转接器配置的是低损 SMA-SMA 的四孔 法兰转接器。因为此处的指标要求比较高,集 成 测 试 中 通 过反复更换线缆和连接器达到贴近SP6T微波开关器件本身 驻波和插损指标的目的。 

2.2.2 SPDT微波开关

    SPDT因为 COM 口和两个通道之间的具体非常近,没 法同时直接连接SMA 头线缆。因此依然需要外配线缆。此 处要求外加线缆的插损尽量低,因此采用了能承载18G/25 W 的柔性线缆,同时保证足够低的插损 (18G 尽量保证在 0.8dB以内),驻波尽量低于1.5 (18G)。面板转接器配置 的是低损SMA-SMA 的四孔法兰转接器。因为此处的指标 要求比较高,集成测试中通过反复更换线缆和连接器达到 贴近SPDT微波开关器件本身驻波和插损指标的目的。 

2.2.3 同轴固定衰减器

    同轴固定衰减器因为实际功率到了18G/250 W,所以 需要选型能承载高功率的线缆,同样因为对衰减精度有要 求,线缆的插损也是要求比较严格的。最后此处选择了大 功率线缆,保证驻波低于1.4 (18G)。同时因为大功率衰 减器布置在 机 箱 尾 部,线 缆 走 线 较 长,因此插损大概只能 保证低于2.0dB。考虑输入高功率的要求已经超过了 SMA 的承载范围,输入端面板转接器配的是高功率的 N-N 的 四孔法兰转 接 器。但是为了节省空间,因为输出端的功率 比较小,输出端配的是 N-SMA 的四孔法兰转接器。因为 此处的指标 要 求 比 较 高,器件本身衰减误差就比较大,集 成测试中通过反复更换线缆和连接器达到贴近固定衰减器 本身衰减精度的目的。 

2.2.4 程控衰减器

    程控衰减器因为设计位置比较靠近前面板,而 且 功 率 比较低,所以线缆可以采用低损耗低功率的柔性线缆。此 处考虑的主要指标保证衰减精度和驻波比,线 缆 大 概 满 足 驻波比5G 内低于1.3,插损低于1.0dB即可。面板转接器 也用的是低损的 N-SMA 的四孔法兰转接器。 

2.2.5 功率放大器

    功率放大器因为是脉冲功放,而且输出功率最大只有5W。所以此处选择了低频柔性线缆。柔 性 线 缆 保 证 驻 波 比 低于1.2 (1.3G),插损低于1.2dB (1.3G)。而且功放原 厂没有带散热片,在机箱中前部的结构上为功放设计了散 热片结构。相对应的面板连接器选择了低损 N-SMA。

3 微波附件组合的软件设计 

3.1 操作界面

     微波附件组合具备程控和本地两种控制方式。程 控 通 讯方式 TCP/IP (IP:192.168.0.000)。如图6微波附件组 合控制界面 所 示,采用直观式设计,根据控制器件的端口 数设置按钮。

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    默认启动时所有控制按钮均为灰色。提 前 需 要 服 务 器 和控 制 板 建 立 LAN 口 通 信。 设置服务器地址为 “192.168.0.000”,选择面板 上 面 的 Set按钮,连 接服 务 器 和控制板,连接成功后即可从 MicroWaveApp_V1.04.exe 图形界面上控制被控器件了。

    MWSW#1~ MWSW#4为 四 组 SP6T 微 波 开关,当 选定的SP6T工作时,相应开关的 COM 端口和通道端口变 为绿色按钮,不选通的通道显示红色按钮;MWSW#5和 MWSW#6为两 组 SPDT 微 波 开关,当 选 定 的 SPDT 工 作 时,相应开关的 COM 端口和通道端口变为绿色按钮,不选 通的通道显示红色按钮;PRG _ATT#1 为 程 控衰 减 器, 选定其工作 时,显 示 ON 绿色按钮和衰减量,不 工 作 时 显 示 OFF红色 按钮;ATT40#1 和 ATT10#1 为 固 定衰 减 器,MWLOAD#1和 MWLOAD#2为同轴负载,COUP# 1和 COUP#2为耦合器,DET _WAV#1为检波器,CIR #1和 CIR#2为环形器,AMP#1为功率放大器,当选定 这些器件工 作 时,显 示 ON 绿色按钮和衰减量,不 工 作 时 显示 OFF红色按钮。

    为使用安全 和 方 便,如果想重置所有设置的话,直 接 点击 “Reset”按钮,所有控制器件就会恢复初始默认状态, 比如 SPDT 开关直接切到常开端 2 口,SP6T 所 有 通道 断 开,可编程衰减器衰减量设置为0,功放关断不放大。

3.2 控制命令说明 

    开关矩阵上、下行通道中各微波开关各通道导通的控 制协议如下:

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3.2.1 命令字0x01: 

1)说明:控制多路继电器及功放开关。 

2)数据区长度:4字节。 

3)数据区说明:每一位代表一路继电器通断。 

(1)第0位控制SP6T1_1通断,1为接通,0为断开。 (每个字节当中,0位为8bit的低位)。 

(2)第1位控制 SP6T1_2通断,以此类推,第23位 控制SP6T4_6通断。 

(3)第24、25位控制 SP2T_1通断, (24位为1、25 位为0代表接通,24位为0、25位为1代表断开)。

(4)第26、27位控制 SP2T_2通断, (26位为1、27 位为0代表接通,26位为0、27位为1代表断开)。 

(5)第28位控制功放开关。

3.2.2 命令字0x02: 

1)说明:设置程控衰减器输出 DB数值。

2)数据区长度:1字节。 

3)数据区说明:该值应小于等于103。 

3.2.3 命令字0x03: 

1)说明:设置 ARM 的IP和端口号。 

2)数据区长度:6字节。 

3)数据区说明: 

(1)数据区前四个字节为IP地址。例如:172.16.1.24为 AC100118。直接以 .为分隔,每个数字单独转十六进制。 

(2)后两个字节为端口号,存储模式为大端模式。 

(3)例如:设置 ARM 地址 为172.16.1.24:8080,发 送的数据为03AC100118901F。最后的8080是直接数字 转成的1F90,反过来写就是901F。

4 微波附件组合的故障分析与排故 

    在微波附件组合使用期间可能出现的故障分析和简要 处理如下。 

4.1 风扇故障

    如果机箱加电后尾部三个风扇不转,需 检 查 后 面 板 的 “0/1”按钮是否拨到1,前面板开关按钮是否已经按亮,如 果都满足但是风扇还不转,可能是风扇供电线断了,需 要 返修。 

4.2 显示屏故障

    机箱加电启 动 后,无 论 有 没 有 控 制 信 号 输 入,前 面 板 的显示屏就应该高亮显示每个被控器件的状态。如 果 机 箱 确认加电,控制板的绿灯亮而显示屏无显示,需 要 检 查 显 示屏到控制板的接线是否正确插入。如果已经控制板的接 线正确插入后显示屏依然无显示,需要返修。 

4.3 可编程衰减器切换衰减量故障

    机箱加电启 动 后,可编程衰减器从控制软件无法正常 切换衰减量: 

    确认当前的服务器和控制板的IP,保证 LAN 口通信状 态正常。 

    如果通信状 态 正 常,控制软件面板操作切换命令后可 编程衰减器依然无法正常切换衰减量。检查可编程衰减器和控制板的连线接口有没有松动。 

    如果连线接口依然没有松动,可以启动网络调试助手 等工具,控制命令直接输入底层命令让可编程衰减器切换 衰减量,如果可以听到正常的开关切换声,则 控 制 软 件 故 障。如果还是衰减量还是不能切换,则 控 制 板 故 障,需 返修。 

    同理,如果可编程衰减器控制外部程序出现问题,也 可以用控制软件来排除故障。

4.4 功率放大器故障 

    机箱加电启动后,功率放大器不工作。 

    首先断掉输入信号,确认当前的输入信号满足:5%~ 90%的方波,0.9~1.3GHz。输出信号加合适负载或者外 部通路 (不空置)。 

    检查功率放大器和控制板的连线接口有没有松动,功 率放大器和前面板连接线缆有没有松动。

     如果控制线和射频连接线的连线接口都没有松动,功 放还是不能正常工作,则控制板故障,需返修。

5 微波附件组合的实验结果与分析 

    微波附件组合性能指标验收按照表2进行测试。

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5.1 微波开关SP6T性能测试 

该项测试是为了验证 SP6T 微 波 开 关 MWSW #1~ MWSW#4的微波性能是否满足指标要求。通 过 网 络 分 析 仪来完成插入损耗测试、隔离度测试和驻波比测试。 

1)电压驻波比测试:在网络分析仪的 S11和 S22测试 界面分别设置两个 Marker点自动搜索7kHz~1GHz和1 ~18GHz两个频段内的最大值,分别读取两个频段 S11和 S22驻波值最大值。 

2)插入损 耗 测 试:在 S21测试界面设置两个 Marker 点自动搜索7kHz~1GHz和1~18GHz两个频段内的最 小值,分别读取两个频段内的最小值。 

3)隔离度测试:上位机 MAP软件操作 控 制 界 面,切 换到微波开关下一个端口通道,设置合适的 Scale值,打开 Avgerage选项设置平均值为30,等结果稳定后再读数。在 S21测试界面设置两个 Marker点自动搜索7kHz~1GHz 和1~18GHz两个频段内的最大值,分别读取两个频段S21 的最大值。 

4)测试记录见表3。 

SP6T微波开关 MWSW#1~MWSW#4的微波性能均 满足技术指标要求。

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5.2 微波开关SPDT性能测试 

    该项测试是为了验证 SPDT 微 波 开 关 MWSW#5~ MWSW#6的微波性能是否满足指标要求。通 过 网 络 分 析 仪来完成插入损耗测试、隔离度测试和驻波比测试。 

1)电压驻波比测试:在网络分析仪的 S11和 S22测试 界面分别设置两个 Marker点自动搜索7kHz~1GHz和1 ~18GHz两个频段内的最大值,分别读取两个频段 S11和 S22驻波值最大值。 

2)插入损 耗 测 试:在 S21测试界面设置两个 Marker 点自动搜索7kHz~1GHz和1~18GHz两个频段内的最 小值,分别读取两个频段内的最小值。 

3)隔离度测试:上位机 MAP软件操作 控 制 界 面,切 换到微波开关下一个端口通道,设置合适的 Scale值,打开 Avgerage选项设置平均值为30,等结果稳定后再读数。在 S21测试界面设置两个 Marker点自动搜索7kHz~1GHz 和1~18GHz两个频段内的最大值,分别读取两个频段S21 的最大值。 

4)测试记录见表4。

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SPDT微波 开关 MWSW#5~MWSW#6的 微 波性 能 均满足技术指标要求。

5.3 同轴固定衰减器微波性能测试 

    该项测试是为了验证微波附件组合同轴固定衰减器ATT40#1和 ATT10#1 的微波性能是否满足指标要求。 通过矢量网络分析仪来完成衰减量和驻波比测试。 

1)驻波比测试:在驻波 S11测试界面设置 Marker点 自动搜索7kHz~18GHz频段内的最大值,读取 S11驻波 值最大值。 

2)衰减 量 和 精 度 测 试: 测试时将矢量网络分析仪 PORT1 和 PORT2 的测试线缆分别接到 ATT40#1 的 RFIN 端口和 RFOUT端口,在插损S21测试界面设置两个 Marker点自动搜索7kHz~18GHz频段内的最大值和最小 值,分别读取并记录整个频段内 S21最大值和最小值,并 计算插损精度 (即插损值|S21|绝对值与40dB的相对差 值)。 

3)测试记录见表5。

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    同轴固定衰减器 ATT40#1和 ATT10#1的微波性能 均满足技术指标要求。

5.4 程控衰减器微波性能测试 

    该项测试是为了验证微波附件组合程控衰减器 PRG _ ATT#1的微波性能是否满足指标要求。通过矢量网络分 析仪来完成衰减精度和驻波比。 

1)衰减量和衰减精度测试:在矢量网络分析仪上在矢 量网络分析仪上分别读取7kHz~5GHz整个频段内S21插 损最大 值 和 最 小 值, 计 算 插 损 精 度 (即插损值绝对值 |S21|与0dB的相对差值)。 

2)驻波比测试:测试时将矢量网络分析仪 PORT1和 PORT2的测试线缆分别接到 PRG _ATT#1的 RFIN 端口 和 RFOUT端口,在 MAP控制显示界面上设置该通道,分 别设置 PRG_ATT 衰 减 量为0dB、1dB、2dB、4dB、8 dB。驻波S11测试界面 设 置 Marker点 自 动搜 索7kHz~5 GHz频段内的最大值。 

3)测试记录见表6。 

    程控衰减器 PRG _ATT#1的微波性能满足技术指标 要求。

5.5 功率放大器性能测试 

    该项测试是为了验证微波附件组合功率放大器 AMP# 1的微波性能是否满足指标要求。功率放大器最主要的指标 是核查输出 功 率。将信号源输出连接到功率放大器上,功 率放大器输出通过30dB固定衰减器连接到频谱仪上。 

1)输出功率测试。

    将设备连接好以后,信号源测试界面设置输出频 率1.1GHz,通过频谱仪测试当前衰减器和 电缆通道的 插 损 并 记 录。然后信号源测试界面设置,输 出 功率-9dBm,选择 “PulseON”,然后设置 “PulseWidth” 为80μs,“PulsePeriod”为40μs。在上位机 MAP软件操 作控制界面上设置 AMP#1为从 OFF切换到 ON 状态,打 开选择 “RFON”、 “MOD ON”按钮输出脉冲射频功率。 然后在频谱仪上读出此时的最大功放输出功率值,补 上 衰 减器和线缆的通道插入损耗即为最终的功放输出功率。 

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2)测试记录见表7。

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    功率放大器 AMP#1的微波性能满足技术指标要求。 

6 结束语 

    本文详细介绍了微波附件组合,满 足 被 测 试 对 象 飞 机 系统中的微波射 频 系 统、部件等微波信号性能测试的测试 需求。微波附件组合在微波射频领域具有重要的实际意义。 该微波附件组合使用简便,可以结合平台中的信号源、 频谱仪、功率计及各类模拟器等射频仪器资源来实现射频 测量通道的 资 源 扩 展、大功率信号的衰减调理、微 波 功 率 合成等功能。在遇到故障时能够快速、准确的进行定位分 析,节省了维护的时间,提高了工作效率。

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