第19卷 第1期 太赫兹科学与电子信息学报Vo1.19，No.1 2021年2月 Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology Feb.，2021 文章编号：2095-4980(2021)01-0080-06
杜宝晨，陈文俊，张英浩，戚珑赢
(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，江苏南京 211106)
摘 要：雷达T/R组件的集成度越来越高，已出现了将天线也集成在组件上的多通道瓦片式收发T/R组件。由于天线的集成，传统的传导测试方法无法对这种新结构T/R组件的电路性能进行直 接测量。针对该问题，提出一种辐射对比测试方法，采用辐射法先对T/R组件天线单元进行测试，
然后对集成天线的T/R组件进行测试，最后将天线对T/R组件电路性能的影响扣除，得到T/R组件电
路的各项性能参数。在分析测试原理的基础上，对一种集成天线的多通道X波段的瓦片式T/R组件
发射峰值功率、通道间相位一致性和接收增益等指标进行了试验测试，测试结果与电路直接测试
对比，幅度误差<0.69 dB，相位误差<10.5°，满足工程应用需求。
关键词：瓦片式T/R组件；辐射对比法；近场测试；T/R组件测试
中图分类号：TN957.2文献标志码：A doi：10.11805/TKYDA2019400
Test on multi-channel tiled T/R components with integrated antenna
DU Baochen，CHEN Wenjun，ZHANG Yinghao，QI Longying
(No.724 Research Institute of CSIC，Nanjing Jiangshu 211106，China)
Abstract：The integration of radar T/R modules has become higher due to the rapid development of integrated circuits, and multi-channel tile type T/R modules that are integrated with antennas have
emerged. Due to the integration of the antenna, the original component test method is no longer applicable
to the transceiver of the new structure. An auxiliary radiation contrast test method is proposed, which uses
the radiation method to test the component antenna unit firstly, then tests the components of the integrated
antenna, and finally deducts the influence of the antenna on the component circuit performance, and
obtains the performance parameters of the component circuit. Based on the analysis and testing principle,
a multi-channel X-band tile T/R component with integrated antenna is utilized to test the transmit power,
receive gain and phase consistency. The test results are compared with that of direct test of the circuit.
The amplitude error is <0.63 dB and the phase error is <10.5°, which meets the engineering application
requirements.
Keywords：tile type T/R modules；radiation contrast test method；near field test；T/R component testing
随着集成电路的快速发展，有源相控阵雷达使用的T/R组件集成度变得越来越高[1]。目前已出现了将
天线也集成在T/R组件上的瓦片式T/R组件[2]。这种T/R组件将天线单元和组件电路集成在一个电路模块上，避免了T/R组件电路和天线单元之间的接插件互联，大大降低了T/R组件成本，提高了集成度，减小了体积质量，能够提高雷达在复杂环境下的稳定性[3]，满足相控阵雷达小型化、轻型化的发展需求[4]，是目前T/R组件发展的一个重要方向。T/R组件是相控阵雷达的重要部件，其性能指标的优劣直接影响整个相控阵雷达的性能[5]。T/R组件性能指标的测试是相控阵雷达研制生产的一个重要环节[6]。对于传统T/R组件，一般采用传导法测试，通过电缆将组件接口与仪表连接，对T/R组件的电路性能指标进行测试。然而对于集成天线的瓦片式T/R组件这种新型的组件结构，由于天线和电路的一体化集成，没有了传统T/R组件的天线接口，无法采用传导法直接将T/R组件通过电缆和测试仪表连接进行组件电路指标的测试。
收稿日期：2019-10-16；修回日期：2019-11-07
基金项目：装备发展部装备预先研究资助项目(41413010201)
作者简介：杜宝晨(1993-)，男，在读硕士研究生，主要研究方向为雷达相控阵天线。email:******************
第1期 杜宝晨等：集成天线的多通道瓦片式T/R 组件测试 81
针对集成天线的瓦片式T/R 组件带来的电路性能指标测试新问题，本文提出了一种辐射对比法，实现了对集成天线的瓦片式T/R 组件电路性能指标的测试。
1 被测T/R 组件介绍
一种集成天线的瓦片式T/R 组件外形见图1，其正面为天线面，装有贴片阵列天线。天线层下面分别为T/R 组件有源电路、组件散热模块与组件接口。
T/R
低噪声放大器等。T/R 组件的上行信号由COM
口进入，功分至每个通道，经幅相控制和功率放大后通过天线向外辐射；T/R 组件天线接收
到的多通道下行信号低噪声放大和幅相控制，合成一路从COM 口输出。
2 测试原理及方法
T/R 组件的电路性能指标一般可分为：a)
幅度指标：发射峰值功率、发射增益、接收增益、增益平坦度、通道间幅度一致性与衰减精确度；b) 相位指标：移相精确度与通道间相位一致性。
与传导式测试方法不同，本文提出辐射对比法：设计制作一个测试辅助天线阵列，设计、材料、结构和工艺与T/R 组件上天线阵列一模一样，引出天线测试接口，则该测试辅助天线阵列性能指标与T/R 组件上的天线阵列相同[7]。
在微波暗室中按照图3搭建测试系统，测试仪表一边接被测件，一边接标准喇叭天线，先测试辅助天线阵列的幅相指标[8]，再对装有天线的T/R 组件进行幅相指标的测试，最后将天线对
T/R 组件电路性能的影响扣除，得到T/R 组件的各项电路性能指标。
选取发射峰值功率、通道间相位一致性及接收增益这3个
具有代表性的性能指标进行详细的测试原理介绍，其他指标测
试原理与此类似。
2.1
发射峰值功率测试
图3中测试仪表选择信号源与功率计，信号源接被测件，功率计接标准喇叭天线。首先对辅助天线阵列幅度指标进行测试，将信号源接天线阵列第一通道，记天线的输入功率为
in P ，功率计测得标准喇叭天线接收到的功率为a1P 。依次更换天线通道，功率计测得的标准天线接收到的功率依次记为a2a3a ,,,n P P P 。
将辅助阵列天线更换为集成天线的瓦片式T/R 组件，信号源接T/R 组件射频公共端口。根据T/R 组件发射
工作所需的频率和功率设置信号源参数，电源给T/R 组件加电，通过计算机、拨码开关与单片机控制T/R 组件
COM Fig.2 Schematic of internal circuit
图2 T/R 组件原理图
(b) section structure of tile type T/R component
COM/DC
resistance capacitance
cold plate/frame/ground
multilayer PCB
82
太赫兹科学与电子信息学报 第19卷
的第一通道工作，记发射功率为t1P ，功率计测得的标准喇叭天线接收到的功率为1P 。依次更换T/R 组件通道，各通道发射功率记为t2t3t ,,,n P P P ，功率计测得的标准喇叭天线接收到的功率依次记为23,,,n P P P 。
根据弗里斯传输公式[9]，辅助阵列天线测试时，天线的输入功率in P 与标准喇叭天线接收功率a n P
的关系为：
2
a s a in 4πn n P G G P r λ⎛⎫
= ⎪⎝⎭
(1) 式中：s G 为标准喇叭天线增益；a n G 为辅助阵列天线第n 通道的增益；r 为两天线之间的距离；λ为电磁波波长。
集成天线的瓦片式T/R 组件测试时，T/R 组件第n 个通道发射功率tn P 与标准喇叭天线接收功率n P 的关系为：
2
s Ta t 4πn n n P G G P r λ⎛⎫= ⎪⎝⎭
(2) 式中Ta n G 为瓦片式T/R 组件集成阵列天线第n 通道的增益。
由于测试辅助阵列天线与T/R 组件上阵列天线完全相同，则T/R 组件上集成阵列天线第n 通道增益Ta n
G 与辅助阵列天线第n 通道的增益a n G 是相等的，因此式(1)与式(2)右边相等，将两式联立可得：
a t in =
n n
n
P P P P (3) 将式(3)化为分贝形式，整理可得发射峰值功率t n P 为：
t in a n n n P P P P =+- (4)
经过推导可知，由测试得到接入辅助天线时标准喇叭天线接收到的功率a n P 与接入T/R 组件时标准喇叭天线接收到的功率n P ，以及测试时记录的信号输入值功率in P 就可以计算得到T/R 组件的发射峰值功率t n P 。
2.2 通道间相位一致性测试
原理见图3，测试仪表选择矢量网络分析仪，将矢量网络分析仪的信号输出接口接被测件，信号输入接口接标准喇叭天线[10]。首先对辅助天线阵列相位指标进行测试，将矢量网络分析仪信号输出接口接天
线阵列第一通道，信号输入接口接标准喇叭天线，记矢量网络分析仪测量的该通道相位值为1a PH 。依次更换天线通道，矢量网络分析仪测量的相位值依次记为a2a3a ,,,n PH PH PH 。
接下来，将辅助阵列天线更换为集成天线的瓦片式T/R 组件，矢量网络分析仪的信号输出接口接T/R 组件射频公共端口。根据T/R 组件发射工作所需的频率和功率设置矢量网络分析仪参数，电源给T/R 组件加电，通过计算机与单片机控制T/R 组件的第一通道工作，记矢量网络分析仪测量的该通道的相位为1PH 。依次更换天线通道，矢量网络分析仪测量的相位值依次记为23,,,n PH PH PH 。
由于测试辅助阵列天线与T/R 组件上阵列天线完全相同，则T/R 组件上阵列天线单元的相位与辅助阵列天线单元相同，则测得集成天线的T/R 组件通道的相位n PH 扣除天线单元相位a n PH ，得到T/R 组件电路第n 通道的相位TR n PH 为：
TR a =n n n PH PH PH - (5)
取所有组件电路通道相位值的平均值TR n PH ，则第n 通道的相位偏差TR n PH ∆为：
TR TR TR =n n n PH PH PH ∆- (6)
经过推导可知，由测试得到接入辅助天线时通道相位值为a n PH 与接入T/R 组件时通道的相位为n PH ，就可以计算得到T/R 组件的相位一致性结果。
2.3 T/R 组件接收增益
原理如图3所示，测试仪表选择矢量网络分析仪，将矢量网络分析仪的信号输入接口接被测件，信号输出接口接标准喇叭天线。首先对辅助天线阵列进行测试，将矢量网络分析仪信号输入接口接天线阵列第一通道，测得的增益记为al1G 。依次更换天线通道，矢量网络分析仪测量得到的增益依次记为al2al3al ,,,n G G G 。
将辅助阵列天线更换为集成天线的瓦片式组件，矢量网络分析仪的信号输入接口接组件射频公共端口。根据组件接收工作所需的频率和功率设置信号源参数，电源给组件加电，通过计算机与单片机控制组件的第一通道工作，矢量网络分析仪测量得到的增益记为1G 。依次更换组件通道，矢量网络分析仪测量的增益值依次记为
23,,,n G G G 。
根据弗里斯传输公式[9]，辅助天线阵列测试时，第n 通道的链路增益al n G 表达式为：
第1期 杜宝晨等：集成天线的多通道瓦片式T/R 组件测试 83
2
al s a 4πn n G G G r λ⎛⎫
= ⎪⎝⎭
(7)
集成天线的瓦片式T/R 组件测试时，第n 通道的链路增益n G 表达式为：
2TR s Ta =4πn n n G G G G r λ⎛⎫
⎪⎝⎭
(8)
式中：TR n G 为瓦片式T/R 组件第n 通道的增益。
由于测试辅助阵列天线与T/R 组件上阵列天线完全相同，T/R 组件上阵列天线单元的增益与辅助阵列天线单元相同，即Ta a =n n G G 。因此可以将式(7)代入式(8)得：
al TR n n n G G G = (9)
将式(9)化为分贝形式，整理可得T/R 组件接收增益TR n G 为：
TR al n n n G G G =- (10)
经过推导可知，由测试得到的接入辅助天线阵列时的链路增益al n G 与接入T/R 组件时的链路增益n G ，就可以计算得到T/R 组件的接收增益TR n G 。
3 实验测试与数据分析
采用辐射对比法对某集成天线的X 波段八通道瓦片式T/R 组件进行测试，测试T/R 组件发射通道发射峰值功率、通道间相位一致性和通道接收增益。为了验证实验结果的准确性，在T/R 组件实验电路研制时，将T/R 组件天线和电路分开，两个模块都有接口，通过内部接插件连为一个整体，也可以分开测试。这样就可以通过传
导法对T/R 组件电路性能直接测试，测试结果与辐射对比法测试结果进行对比，从而验证辐射对比法的正确性。
将T/R 组件置于暗室中按照上述方案进行测试，实际测试场景见图4。
Fig.4 Testing in an anechoic chamber
图4 暗室测量
3.1 发射功率测试结果分析
采用辐射对比法和传导法测得T/R 组件电路发射峰值功率结果见图5，2种测试结果比较，辐射对比法测试结果与T/R 组件电路直接测试结果有较好的一致性，误差在0.63 dB 以内。产生误差的原因是天线与T/R 组件的
Fig.5 Test results comparison of each channel transmission power
图5 T/R 组件各通道发射功率测试结果对比
(a) 9 GHz each channel transmit power
1 2 3 4 5 6 7 8
channel
29.5
29.0 28.5 28.0
27.5
p o w e r /d B m
with antenna
no antenna
(b) 9.5 GHz each channel transmit power
30.0 29.5 29.0 28.5 28.0
27.5
p o w e r /d B m
no antenna
with antenna
1 2 3 4 5 6 7 8
channel
84
太赫兹科学与电子信息学报 第19卷
3.2 相位一致性测试结果分析
采用辐射对比法和传导法测得T/R 组件电路通道间相位一致性结果见图6，两种测试结果比较，辐射对
比法测试结果与T/R 组件电路直接测试结果有较好的一致性，相位一致性误差在10.5°以内。产生的误差是由仪表及
Fig.6 Test results comparison of each channel phase consistency
图6 T/R 组件各通道相位一致性测试结果对比 3.3 T/R 组件接收增益测试结果分析
采用辐射对比法和传导法测得T/R 组件电路接收增益结果见图7，两种测试结果比较，辐射对比法测试结果与T/R 组件电路直接测试结果有较好的一致性，误差在0.69 dB 以内。产生误差的原因是天线与T/R 组件的匹配
Fig.7 Test results comparison of each channel receive gain
图7 T/R 组件各通道接收增益测试结果对比
4 结论
本文针对集成天线的多通道瓦片式T/R 组件，由于天线的直接集成，传统传导测试方法不能对T/R 组件电路性能指标进行测试的问题，提出了一种辐射对比测试法，并且在微波暗室中对该种测试方法进行了测试验证。验证结果表明，测试结果与T/R 组件电路直接测试结果有较好的一致性，幅度误差<0.
69 dB ，相位误差<10.5°，能满足在一定工程条件下的应用需求，为研究该种T/R 组件的测试问题提供了一种参考。
参考文献：
[ 1 ] SCHUH P,RIEGER R,FLECKENSTEIN A,et al. T/R-module technologies today and possible evolutions[C]// 2009
International Radar Conference "Surveillance for a Safer World"(RADAR 2009). Bordeaux:IEEE, 2009:1-5.
[ 2 ] 杨雨林. X 波段瓦片式相控阵T/R 组件微系统的关键技术研究[D]. 成都：电子科技大学, 2018. (YANG Yulin. Key
technology research of X -band tile phased array T/R component microsystem[D]. Chengdu,China:University of Electronic Science and Technology of China, 2018.) (下转第95页)
(a) 9 GHz each channel phase consistency channel (b) 9.5 GHz each channel phase consistency 1 2 3 4 5 6 7 8 channel 30
20 10
-10
-20 -30
p h a s e /(º)
no antenna with antenna (c) 10 GHz each channel phase consistency 1 2 3 4 5 6 7 8 channel
40 30 20 10 0
-10
-20
no antenna with antenna
(a) 9 GHz each channel receive gain
1 2 3 4 5 6 7 8
channel
23.022.522.021.521.020.520.019.5
g a i n /d B with antenna
no antenna
1 2 3 4 5 6 7 8
channel阵列天线
24.0 23.5 23.0
22.5 22.0 21.5 21.0 20.5
(b) 9.5 GHz each channel receive gain
with antenna no antenna
1 2 3 4 5 6 7 8
channel
23.5
23.0
22.5
22.0 21.5
(c) 10 GHz each channel receive gain
with antenna
no antenna
g a i n /d B
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议