1. 引言

有源相控陣雷達具有快速波束成形、作用距離遠、測量精度高及同時支持多種功能等優勢，廣泛應用于國防、航空航天應用中。有源相控陣雷達一般包含成百上千個輻射單元——天線，每個天線連接一個T/R組件，每個T/R組件均包含發射和接收通道，以及移相器、衰減器等部件，典型的T/R組件結構如圖1所示。相控陣雷達通過調整T/R組件的移相器、衰減器來改變每一路信號的相位和幅度，從而實現波束的快速掃描。

圖1. 典型的T/R組件結構示意圖

對于相控陣雷達，只有精確已知各通道之間的幅度和相位差異，才能夠準確地作相應的補償，從而實現精確波束成形。如何精確地實現通道間的幅相差異測試，或者稱為幅相一致性測試，將是保證相控陣雷達性能的關鍵。T/R組件中的發射通道和接收通道往往包含變頻部件，通道的輸入和輸出頻率不同，這將使得測試更加復雜。

針對以上測試，羅德與施瓦茨公司可提供完善的測試解決方案。憑借出色的射頻性能和豐富的測試功能，羅德與施瓦茨公司的矢量網絡分析儀可完美地完成變頻通道幅相一致性測試。

2. 變頻通道幅相一致性測試

如果待測通道不包含變頻器件，則直接測試每個通道的S參數得到相移和插損，便可以求出通道之間的幅相一致性。如果待測通道包含變頻器件，則通常有三種測試方法：

(1)基于R&S ZVA矢量網絡分析儀的雙音測試技術，可確定每個通道的相位及損耗，再與參考通道相比較，從而得到通道間幅相一致性；

(2)直接將每個變頻通道輸出信號的相位和幅度與參考通道比較，從而得到通道間幅相一致性。

(3)使用參考混頻器確定通道間幅相一致性。

下面對這三種方法分別加以描述。

2.1 基于雙音測試技術確定通道間幅相一致性

基于ZVA矢量網絡分析儀的雙音測試技術，專門針對變頻模塊及通道群時延的測試，圖2和圖3分別給出了原理示意圖和典型的測試連接圖。雙音測試技術需要兩個頻率不同的激勵信號，其基本原理：ZVA內部的兩個激勵源通過端口3的定向耦合器實現雙音合路，然后再饋入端口1，端口1再輸出雙音信號至待測件；在待測件輸入側，雙音信號存在相位差，其輸出側也存在相位差，利用輸入側相位差和輸出側相位差的差異及雙音頻率間隔便可以計算出群時延。該方法的優點：對于本振不可接入的變頻器模塊或通道，同時灌入雙音信號，可消除本振對待測件輸出信號相位的影響。除了可以測試通道群時延外，該方法還可以測試相位及變頻損耗，因此可以用于測試通道間的幅相一致性。

圖2. 雙音法測試群時延的原理示意圖

圖3. 雙音法測試群時延的連接示意圖

如何消除測試裝置帶來的影響？

這就需要作相應的校準，校準過程非常簡便，圖4給出了雙音測試技術的校準界面。選擇其中一個待測通道作為參考通道，按照圖3的方式進行連接，因測試的是相對相位，所以可直接在圖4中的” Const. Delay”中輸入一個常數，執行“Take Cal Sweep”即可完成校準。測試時，直接將待測通道替換參考通道，測試結果便是相對于參考通道的差異。為改善端口匹配，可在待測通道前后各引入一個合適的衰減器，以進一步提高測試精度。

圖4. 雙音法校準界面

雙音測試技術具有如下優勢：專門針對內置本振的變頻器通道，可消除內置本振對輸出中頻信號相位的影響，從而精確測試群時延及相位，而且非常適用于含有多級變頻的通道測試。該方法測試連接簡單，校準簡易，測試速度快且精度高，保證測試效率的同時，又能夠保證測試精度。

2.2 直接比較通道輸出信號的相位和幅度

該方法是測試通道間幅相一致性的比較直觀的方法，下面以矢網ZVA為例，對其作相應的介紹。

圖5給出了雙通道一致性測試的連接示意圖，使用ZVA的端口3作為激勵端口，其輸出經功分器分別饋入兩個通道，兩個通道的輸出分別連接至ZVA的端口2和端口4。該方法要求饋入到每個通道的激勵信號必須有穩定的相位關系，最簡單的方法就是選擇一個公共的激勵源，通過合適的功分器產生多路激勵信號。

圖5. 直接比較通道間的幅度和相位

此時ZVA需要測試的不再是S參數，而是波量(wave quantity)，包括：b4(P3s)和b2(P3s)。如果測試幅度差異，將顯示格式Format改為Magnitude(dB)；如果測試相位差異，將顯示格式Format改為Phase；最后使用Trace Math功能，求得差異：Math= b4(P3s)/ b2(P3s)。

上述測試裝置中，功分器、測試線纜及ZVA端口2和4的測量接收機之間的差異均會對測試結果有一定的影響。為了保證精確測試，需要消除測試裝置引入的影響，即進行系統校準。本例中，系統校準分為如下三步：

1) 射頻側功分器及兩根射頻線纜引入的相移差

由于兩個通道共激勵源，功分器公共端與激勵端口Port3之間的線纜可以不考慮，那么就只需要標定功分器兩路及所連接線纜的相移差。直接測試S參數，便可以確定其相移及插入損耗，從而確定功分器兩個通道的幅相差異。

建議同時在射頻和中頻頻段上完成功分器的標定，因為下面第二步中對端口2和4及中頻線纜的校準需要使用中頻頻段的數據。

2) 端口2、4及兩根中頻線纜引入的相移差

需要使用上面第一步中標定過的功分器，分別連接在與Port2和Port4相連的射頻線纜上，將頻率范圍設置為IF頻率范圍，觀察波量比b2/b4(P3s)的相位，并按照功分器的兩路相移差修正，即為Port2、Port4及兩根射頻線纜在IF頻率上引入的相移差。

或者直接將激勵端口Port3分別與Port2和Port4相連，測試S23與S43的相位差，即可確定在IF頻率上引入的相移差。

(3) 本振側功分器引入的相移差

如果本振內置，則可忽略此步；如果外供本振信號，一般會使用功分器，校準方法同(1)。

如果待測通道的輸入、輸出駐波比不是非常理想，可以在通道前后分別引入一個合適的衰減器，以改善端口匹配，進一步提高測試精度。圖6給出了一個相位一致性測試實例，Marker1顯示兩個通道在帶內的相位差異最大值為19.426度。

圖6. 相位一致性測試結果

圖5所給的測試裝置，待測通道的輸出端口均直接與ZVA的測試端口相連，這種連接方式最多只支持同時測試三個通道間相位一致性。對于四端口ZVA，每個端口具有兩個接收機，分別是參考接收機和測量接收機，共8個接收機。ZVA可提供直接源和接收機接入接口，如圖7所示。對于相位一致性測試，通道輸出可以直接饋入接收機，而激勵信號輸出則由端口3的源直接輸出接口Src.Out輸出，因此可以同時測試8個通道的相位一致性。

圖7. R&S ZVA具有直接源和接收機接入接口

與相位一致性測試不同，幅度一致性測試不需要同時給每個通道饋入激勵信號，可以單獨測試每個通道的變頻損耗或增益，然后再進行比較。如果采用圖5所示的測試裝置，可以同時測試兩個通道的變頻損耗或增益，但是為了保證測試精度，需要進行功率校準。

或者可以采用圖8所示的測試裝置，分別輪流測試每個通道的變頻損耗或增益，這種情況下不需要進行功率校準，因為最終要測試的是通道間的幅度一致性，在測試結果求差值的過程中，測試裝置的影響已經相互抵消。圖9給出了一個幅度一致性測試實例，Marker1顯示兩個通道在帶內的幅度差異最大值為1.3649 dB。

圖8. 幅度一致性測試連接示意圖

圖9. 幅度一致性測試結果

直接比較幅度和相位適用于本振可接入或內置本振的通道間幅相一致性測試。對于幅度一致性測試，采用圖8所示的連接，無需作任何校準。但對于相位一致性測試，要求激勵信號同時饋入各個通道，所使用的功分器、測試線纜及接收機等均會對測試結果有一定的影響，因此，為了保證測試精度，需要進行復雜的系統校準。

2.3 參考混頻器法測試幅相一致性

圖10給出了使用參考混頻器測試幅相一致性的連接示意圖，此處以四端口矢網ZVA為例，AUX為輔助混頻器，該混頻器的工作頻率范圍需要覆蓋待測通道的頻率范圍。REF表示參考混頻器，此處選擇其中一個待測通道作為REF，將用于測試裝置的校準。作完校準后，再使用其它待測通道替換REF，測試所有其它通道相對于該參考通道的幅相差異。

該測試裝置適用于外供本振及內置本振的變頻通道的幅相一致性測試，如果需要外供本振，則要求校準時AUX與REF共本振，測試時待測通道與AUX共本振。如果本振內置，則只能從待測通道中分別選擇兩個通道作為AUX和REF。

該方法測試幅相一致性的大致過程如下：

1)校準：射頻激勵信號和本振信號分別經過功分器饋入AUX和REF，AUX輸出的中頻信號IF1饋入端口4，REF輸出的中頻信號IF2饋入端口2。分別測試波量b4(P1s)和b2(P1s)，IF1和IF2是同頻的，因此可以直接進行波量相位和幅度的比較。
2)測試：完成校準后，將待測通道替換REF，即可測試當前通道相對于參考通道的幅相差異。

圖10. 參考混頻器法測試幅相一致性測試

對于四端口ZVA，內置兩個獨立的激勵源，端口1和2共用一個源，端口3和4共用另一個源，四個端口可同時輸出激勵信號，因此可以采用圖11所示的測試裝置，而不需要外部功分器，連接更加方便。AUX和REF混頻器輸出的中頻信號分別直接饋入端口1和2的測量接收機，從而實現幅相測試。

圖11. 參考混頻器法測試幅相一致性測試

對于兩端口ZVA67，內置兩個獨立的激勵源，可以采用圖12所示的測試裝置，端口2提供LO信號，經功分器一分為二，分別給AUX和REF提供本振激勵；端口1提供射頻激勵信號，直接由端口1和其Ref Out.接口輸出，分別饋入AUX和REF；輸出的兩路中頻信號分別饋入端口2的Meas. In和Ref. In接口，實現幅相測試。

圖12. 基于兩端口ZVA67的幅相一致性測試

3. 結論

本文介紹了三種變頻通道幅相一致性測試方法，每一種方法均有各自的應用優勢和特點。方法一測試裝置簡潔，校準簡便，測試幅相一致性的同時，還可以測試諸如變頻損耗、群時延等指標，而且非常適用于含有多級變頻的通道測試。方法二是測試通道間幅相一致性的比較直觀的方法，但是需要進行復雜的系統校準，操作相對復雜。相比之下，方法三更具優勢，該方法更加簡便、靈活，無需進行復雜的系統校準。