發布日期：2022-10-09 點擊率：70
過去幾年來，測試工程師們不斷地獲得有關合成儀器的各種信息。圍繞合成儀器的歷史、含義以及其優勢的很多評論，誕生了各種各樣的文章。如果你是一位測試工程師或一個測試工程經理，曾有過大規模商用（或許基于cPCI/PXI）測試系統架構的經驗，可能會將合成儀器與虛擬儀器關聯起來。如果你是做軍工、航天市場，并參加過多個政府工程，你可能會認為合成儀器就是NxText和ARGCS（Agile Reconfigurable Global Combat Support）計劃。
在各種情況中，都很難實現針對大批量要求以及高測量性能要求的測試應用，并考慮到評估和選擇一個微波綜合測試環境的最實用方面。本文將描述一個選擇過程，指導客戶為相控陣雷達系統中發射接收（T/R）模塊測試選擇一個綜合實現方法。
事實上與任何商用市場相比，過去軍工航天領域的測試系統都沒有在短期內應對過大批量需求。考慮一下這種情況：一家軍工航天企業成功地進入了為相控陣雷達建立T/R模塊的業務。此時，該公司通常會從只為單臺雷達建造一個或幾個單元，轉而根據不同的雷達應用情況，制造數百甚至數千個單元。設想一名測試工程師，一直與從事T/R模塊的設計與原型工作的一組混合信號微波元件工程師進行合作。經過多次提議，無數次會議，很多設計變動，并對一些原型累積了數千小時的測試數據，工程小組終于獲得了引進幾千到數百臺雷達的業務，每單業務需要的模塊數都比以前制造的原型總數高出兩個數量級。事實上，第一個制造合同（階段或批次）可能等同于完成整個開發周期所需時間。不要忘記還有建立與測試極其良好匹配與高性能T-R模塊的附加需求，它的數量是工程開發與提議階段次數的數千倍。
第一個生產測試計劃作出來后，需要進行分析以糾正尺寸，根據生產需求選擇測試設備類型并確定測試平臺數量。在分析支持中，根據對原型的工程測試經驗獲得測試時間基準。這一過程結束時的研究結果表明，每個模塊需要大約四小時的測試時間，前提是在生產階段也采用與工程開發階段相同的方案。若考慮被測模塊數量以及合同的時間長度，這些結果可能會對財務和日程表有什么影響？怎樣做才能找到一個實際可行而有益的解決方案？
被測設備（DUT）
在回應以上問題以前，先讓我們再多了解一下DUT。一個T/R模塊基本上是一個微型發射機/接收機（收發機），它需要對相位與振幅控制帶寬脈沖信號作放大、發射，以及接收。發射/接收功能需要快速切換和高度隔離。所有各級都必須在整個工作頻段內有良好的匹配，尤其是I/P端口。T/R電路需要盡可能高效（尤其是發射端），以降低功率需求，并在盡可能小的外形尺寸下減少散熱。這點非常重要，因為可能要在一個相對較小的空間內安裝多個模塊。此時，散熱和可靠性問題（除了連續和一致的性能以外）就成為重要考慮。其它參數也很重要，如諧波、壓縮點/輸出動態范圍、三階互調（TOI）、接收機噪聲系數（為獲得最好的靈敏度），以及占空比等。
因此，為確保DUT的質量與符合性，在開發期間，需要對上述所有參數仔細測量、優化和驗證，并在生產期間作快速檢驗。另外，由于這些模塊有靈活的頻率，可以通過可編程移相器作電動控制，并且有可變的輸出/輸入功率，需要在大量條件與狀態下檢驗所有的特性參數。所有這些就得到了一個由多維測量下多個測量點定義的測量空間，它確實需要高速和高測量精度，以降低不確定性，從而經濟而高效地完成測試。測試環境還要極其穩定，對所有測量都表現良好的相關性，包括相同模塊和所有模塊之間，因為一個雷達陣列的質量對各個T/R模塊質量有相同的依賴。
生產測試計劃
當在工程模式下測試時，不僅需要對T-R模塊原型的全部參數和特性做大量測試，而且還要系統地超越標準的性能參數，從而能同時提供性能（模塊必須承受的超出規格條件的量）與制造（元件與制造活動產生的變動有多少）的安全容限。這種情況下，必定有大量的重復測試，因為要作必要的修正和返工，直到確保了所需的性能和制造參數。于是，在工程階段，測試活動幾乎與制造階段同樣頻繁，但它們主要集中在對某些模塊的反復測試，而不是對多個模塊作逐一測試。在此階段，很多公司就開始確定生產中所需要的測試環境，從而避免重復工作，并提供DUT測試環境從工程到生產階段的無縫轉移。
在生產測試中，速度與精度是關鍵。為了達到更好的成本效益，生產環境中要保證盡可能少的測試站（盡可能少的操作人員），以及盡可能高的吞吐量，同時保持最大的產量。在這種情況下，有兩個額外因素就非常重要：
? 完全統一并遵循公認標準（如NIST）的系統級校準工作。這樣能確保高精度、低不確定性，以及一致的測量結果。
? 生產測試環境與開發測試環境之間的質量一致性。這有助于高產量，以及高度相關的測量結果。
傳統測試系統與合成儀器
在激勵測量測試過程中有五個關鍵的時間元素：DUT設置（包括預熱）、激勵設置、響應設置、校準與實際測量。
在傳統系統中，必須用一臺中心計算機或控制器來協調測試過程的各個步驟。單臺儀器的校準必須考慮互連電纜、連接器等的因素，它們會增加測試站之間的測量不確定性。另外，必須在各臺儀器之間建立某種水平的同步機制，以確保正確的信號注入、捕捉與分析。對于T/R模塊，DUT需要電源、控制、通信、監控，還需要與設備其余部分的同步。
在一個合成儀器中，激勵、響應和DUT接口都緊密地集成與同步。校準在系統級完成，直到DUT接口。因此大大減少了不確定性的來源。整個系統作為一個同質環境運行，而不是一種多對象的組合。
五個測量通道對一個測量通道
對于T/R模塊的測量，需要五種傳統儀器：頻譜分析儀、網絡分析儀、噪聲系數分析儀、調制分析儀和功率計。
而在合成儀器中，所有需要的測量都通過一個響應通道完成，一般采用公共的數字化數據。測試者不需要在多臺儀器之間轉換就能完成測量，只有一個測量通道，而無需考慮多個通道。
測量時間應只受DUT性能與延遲/安定特性的限制。一旦實現這種情況，測試環境便為按速度進行優化。
對于傳統儀器環境，測量時間依賴于使用的各臺儀器，還有測量路徑與數據測量的轉換、同步，以及系統級的中心控制/排序。由于它們都與各自儀器緊密關聯，因此測量本身無法作優化，也無法利用公共的采樣/數字化數據塊。
對于合成儀器，可以對多個測量作排序，充分利用公共的數據塊，實現測量空間的優化。此時，儀器之間與測量/數據路徑之間不存在切換問題，環境自身就是同步的，包括DUT?？刂?排序可獲取所有系統資源的最大性能優勢。此外，環境為同質性，允許作連續計算、信號處理和條件運行。
讓我們看一下對T/R模塊的多個基準測試，考慮到平均有20個不同測試案例，傳統機架與堆疊測試系統需要約3至4小時的測試時間。而一個經高度優化的合成儀器只需要4至6分鐘的測試時間，其中1分鐘還用于DUT的預熱。即使考慮了基準近似，以及在生產測試環境中更換DUT所花的時間，采用綜合測試環境也可以將測試速度提高30倍。
如果比較這兩種系統的成本，混合型合成儀器的首次建設成本一般只有傳統機架-堆疊系統成本的10%?？紤]在一段時期內節省的測試時間，混合型合成儀器具有優異的成本特性。如果我們再考慮較少的測試站數會占用較小的空間，需要更低的供電要求，則其經濟性是不容置疑的。
更方便支持未來更新升級
在選擇過程中，還需要特別檢查一個額外項，那就是在更長的時間周期內，兩種系統能在多大程度上管理設備的更新、適應新的需求和重新配置，以支持多種產品系列。
傳統機架-堆疊系統采用“叉車”方案管理設備更新問題，即更換。不過，如果一種儀器不再生產，更換就變得不可能，而必須修改測試程序和測試執行方法，以適應不相同的儀器。如果新需求落入了相應儀器的性能包絡中，就可能要適應新的需求，并為不同產品/產品系列重新配置一個傳統解決方案。舉個例子，如果一些測量或全部測量都需要運行在一個較高頻率下，則全部相關儀器都必須能支持擴展的頻率。那些不支持的儀器就必須換掉，哪怕只是在較高頻率下作一次測量。
另一方面，合成儀器在管理設備更新和改變需求方面特別靈活。由于合成儀器是基于測試，而不是基于儀器，因此它們不受設備更新的影響。當需要作新的測量時，可以簡單地在綜合測試環境中編寫代碼（只要總的系統性能包絡能支持）。如果一個新需求的測量落在當前包絡的外面，需要的只是更換或增加一個或多個模塊，其特性（如有較高的工作頻率）可將系統性能包絡擴展到新的測量需求。
應用實例
一旦完成了對最優測試環境類型的選擇，仍然需要針對特定應用去做環境的實現和定制。對于最終用戶，可以購買或開發各種模塊與軟件，然后嘗試建立一個合成儀器系統，不過也有現成的解決方案，可大大簡化這一過程。其中一個解決方案就是Aeroflex的SMART^E（綜合多功能自適應可重配置測試環境）。對此特例，模塊測試環境（工作頻率高達40GHz）被選擇為這一測試應用的基本環境（見圖1）。
傳統測試設備與合成儀器的選擇圖示
客戶作出這一選擇的依據不僅是它的性能和持有/運行成本，還有大幅減少的啟動成本。它們包括與測試環境中DUT集成（不是簡單的接口）相關的活動，以及將測試計劃轉換為一系列可執行測試程序/順序。
對T/R模塊作的一些測試如下：Pout與Pin、總吸收功率、諧波、噪聲系數、脈沖測量、恢復時間、s參數、寄生，以及TOI（三階互調）。圖2是Pout與Pin的屏幕截圖以及相應列表數據。圖3是一個脈沖測量屏幕截圖，以及一些相應列表數據。圖4是一個頻譜/寄生測量，以及一些相應列表數據。上述全部測試都在幾分鐘內自動順序完成。除了測試報告以外，SMART^E亦擴展了測試記錄與調試功能。圖5位記錄/調試的屏幕截圖。對于生產測試，還可以用批處理順序來加快測試速度，同時還能提供合格/不合格的標準與結果，圖6顯示了這種功能。
SMART^E 5100 T/R模塊測試環境的第一個大規模采用者是歐洲的兩家主要軍工航天企業。這些公司一直用它作合成口徑雷達相關的T/R模塊測試，這種雷達用于防空和衛星系統。
作者介紹
Dr. Francesco Lupinetti是Aeroflex Test Solutions公司的首席技術官，從2006年起，成為Aeroflex綜合測試系統部的副總裁兼總經理。他有25年的應用研究、產品與業務開發、以及工程和常規管理經驗，曾在愛立信、Selex Communications、The MITRE公司，以及Sandia國立實驗室供職。Lupinetti博士在密西西比州立大學獲得了學士、碩士和博士學位。
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