快速RF傳輸路徑測試

麻薩諸塞州Lowell是美國東北部一個(gè)小城，曾以制造紡織品而聞名?，F(xiàn)在，它是Tyco Electronics公司的總部所在地。該公司是一家國防和航天RF元件和子系統(tǒng)制造商。現(xiàn)在，Tyco Electronics M/A-COM已不再是Tyco International的子公司，它以Adams-Russell、Phoenix Microwave和Anzac等品牌生產(chǎn)自己的產(chǎn)品，這些品牌都來自于被Tyco Electronics并購的公司。

在Lowell總部，工程師設(shè)計(jì)各種形狀和尺寸的天線，最高頻率達(dá)60GHz，這些天線多數(shù)都安裝在飛機(jī)、導(dǎo)彈和武器上。該公司還生產(chǎn)電纜部件。它從原材料開始設(shè)計(jì)自己的電纜產(chǎn)品，并在其廠房內(nèi)制造電纜連接器。

圖1安裝在發(fā)射車上檢測有效載荷的螺旋天線

該公司的RF元件包括頻率轉(zhuǎn)換器、放大器、倍頻器、混頻器和交換器。其中許多元件用于如現(xiàn)場可更換單元(LRU)和電子戰(zhàn)(EW)系統(tǒng)這類的子系統(tǒng)。Tyco Electronics還生產(chǎn)一種用來干擾自制爆炸裝置(Improvisational Explosive Devices)無線電信號(hào)的設(shè)備，用來保護(hù)伊拉克人的生命。

測試航天和國防應(yīng)用中的RF元件和系統(tǒng)時(shí)，Tyco Electronics的工程師需要使用多種技術(shù)。他們不僅要檢驗(yàn)高頻信號(hào)的精確性，還必須考慮到預(yù)計(jì)工作環(huán)境下的惡劣條件。Tyco Electronics為航天和國防部門設(shè)計(jì)產(chǎn)品，這些產(chǎn)品批量不大。對(duì)這些產(chǎn)品而言，幾千件就可以被當(dāng)作是大批量。這些測試中既包括每項(xiàng)測試長達(dá)數(shù)小時(shí)的對(duì)所有單元100%特性的表征測試，也包括耗時(shí)僅數(shù)秒的簡單合格/不合格的測試。

天線增益

Tyco Electronics的天線用于通信、電子戰(zhàn)和導(dǎo)航系統(tǒng)。它們還被用來發(fā)送遙測信號(hào)或接收GPS信號(hào)。對(duì)于新設(shè)計(jì)，需要對(duì)天線所有特性進(jìn)行完全的表征。天線工程經(jīng)理Mark Marden領(lǐng)導(dǎo)一批工程師測量天線的方向圖(pattern)、增益和電壓駐波比(VSWR)。圖1顯示了兩個(gè)安裝在運(yùn)載火箭上的螺旋天線。天線的直徑?jīng)Q定其頻率范圍。其它形狀的天線有平板形和錐形，但其具體形狀和尺寸差別很大。天線工程師使用六個(gè)室內(nèi)消聲室中的一個(gè)來表征各種天線。這些天線的尺寸從12立方英尺到60英尺×24英尺×24英尺不等。對(duì)飛機(jī)、航天飛船、導(dǎo)彈和武器上安裝的天線，需要進(jìn)行全球面測試，而地基天線則只需要進(jìn)行半球面測試。

工程師設(shè)計(jì)了一種方法，可以在消聲室內(nèi)測量天線360°輻射方向圖。他們將被測天線相對(duì)于一個(gè)固定天線做360°轉(zhuǎn)動(dòng)。圖2顯示了一個(gè)消聲室的設(shè)備布局，工程師用該消聲室改變被測天線的方位角和仰角。典型情況下，定位器以0.5°和更小的間隔移動(dòng)被測天線。雖然在測試中固定天線的位置不變，但其高度是可調(diào)的，因?yàn)樗惭b在一個(gè)可伸縮的桿上。“被測天線變成了‘宇宙的中心’”，Marden這樣描述。

圖2消聲室內(nèi)裝置用于將發(fā)射天線位置對(duì)準(zhǔn)被測天線并調(diào)整被測天線采集數(shù)據(jù)

圖3顯示了一個(gè)在消聲室內(nèi)測試的錐形天線。由一個(gè)激光瞄準(zhǔn)裝置將被測天線對(duì)準(zhǔn)固定天線，并在測試期間保持被測天線旋轉(zhuǎn)中心的位置不變。圖4顯示了一個(gè)在消聲室內(nèi)的固定喇叭天線。

工程師通過Agilent 網(wǎng)絡(luò)分析儀測量電磁場振幅和相位(不是所有用戶都要求進(jìn)行相位測量)。每個(gè)頻率進(jìn)行約3萬次測量。每次測試在覆蓋天線頻率范圍的8個(gè)~10個(gè)頻率下進(jìn)行。一次測試需要進(jìn)行30分鐘~2小時(shí)。測試的安裝和校準(zhǔn)工作則需要約4個(gè)小時(shí)。

圖3繞軸樞點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)被測天線的機(jī)械臂

在將被測天線裝到消聲室內(nèi)之前，工程師使用一個(gè)已知增益的天線為基準(zhǔn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)。這樣可以提供一組參考測量值，工程師可以與此被測天線的響應(yīng)進(jìn)行比較。

天線環(huán)境

用于航天和國防領(lǐng)域的天線需要在很寬的溫度范圍下工作，還必須能耐受沖擊、振動(dòng)和壓力。在使天線經(jīng)受環(huán)境考驗(yàn)之前，工程師先進(jìn)行名為“驗(yàn)收測試”的基準(zhǔn)測量。通過該測試，可以向用戶證明天線符合規(guī)格要求。然后，將天線置于惡劣環(huán)境下重復(fù)性能測試，該測試被稱為“認(rèn)可測試”。

認(rèn)可測試包括溫度、振動(dòng)和壓力測試以及高加速壽命測試。工程師可能同時(shí)設(shè)置天線的多個(gè)環(huán)境條件。在環(huán)境實(shí)驗(yàn)室中，用一個(gè)帶加熱器和LN2(冷卻用)的溫控箱使天線處于±300°F的溫度下。該溫控箱可以放在一個(gè)振動(dòng)臺(tái)上，這樣工程師們就可以使天線同時(shí)經(jīng)受溫度和振動(dòng)了。

圖4工程師們可調(diào)整喇叭天線高度以適應(yīng)不同的發(fā)射天線尺寸

環(huán)境實(shí)驗(yàn)室還有幾個(gè)熱電偶溫控箱，其中包括一個(gè)溫度沖擊箱。一臺(tái)升降機(jī)可使部件通過高溫和低溫箱，以產(chǎn)生熱應(yīng)力。還有一個(gè)溫度/高度箱使部件經(jīng)受寬溫度范圍和10萬英尺高度的考驗(yàn)。濕度箱則模擬干燥和潮濕的氣候。

Marden組的工程師還可以進(jìn)行生產(chǎn)測試。“用戶對(duì)生產(chǎn)測試的要求差別很大，” Marden稱。“關(guān)鍵任務(wù)用的天線，如運(yùn)載火箭用的天線，需要對(duì)每個(gè)單元都進(jìn)行100%的方向圖、增益及VSWR測量。”

該公司的許多軍用天線是美國政府的保密項(xiàng)目，為了保證測試數(shù)據(jù)的安全，工程師們通常將測量值保存在一個(gè)帶移動(dòng)硬盤的計(jì)算機(jī)上。該移動(dòng)硬盤保存在保險(xiǎn)箱內(nèi)。

電纜問題

天線負(fù)責(zé)發(fā)送和接收RF信號(hào)，但需要由電纜和連接器將這些信號(hào)發(fā)送給電子設(shè)備。由于Tyco Electronics公司產(chǎn)品的專用性，該公司生產(chǎn)自己的電纜和連接器，然后將其組裝到電纜部件上。