RF元件和系统的测试

麻萨诸塞州Lowell是美国东北部一个小城，曾以制造纺织品而闻名。现在，它是Tyco Electronics公司的总部所在地。该公司是一家国防和航天RF元件和子系统制造商。现在，Tyco Electronics M/A-COM已不再是Tyco International的子公司，它以Adams-Russell、Phoenix Microwave和Anzac等品牌生产自己的产品，这些品牌都来自于被Tyco Electronics并购的公司。

在Lowell总部，工程师设计各种形状和尺寸的天线，最高频率达60GHz，这些天线多数都安装在飞机、导弹和武器上。该公司还生产电缆部件。它从原材料开始设计自己的电缆产品，并在其厂房内制造电缆连接器。

 

 

图1安装在发射车上检测有效载荷的螺旋天线

该公司的RF元件包括频率转换器、放大器、倍频器、混频器和交换器。其中许多元件用于如现场可更换单元（LRU）和电子战（EW）系统这类的子系统。Tyco Electronics还生产一种用来干扰自制爆炸装置（Improvisational Explosive Devices）无线电信号的设备，用来保护伊拉克人的生命。

测试航天和国防应用中的RF元件和系统时，Tyco Electronics的工程师需要使用多种技术。他们不仅要检验高频信号的精确性，还必须考虑到预计工作环境下的恶劣条件。Tyco Electronics为航天和国防部门设计产品，这些产品批量不大。对这些产品而言，几千件就可以被当作是大批量。这些测试中既包括每项测试长达数小时的对所有单元100%特性的表征测试，也包括耗时仅数秒的简单合格/不合格的测试。

天线增益

Tyco Electronics的天线用于通信、电子战和导航系统。它们还被用来发送遥测信号或接收GPS信号。对于新设计，需要对天线所有特性进行完全的表征。天线工程经理Mark Marden领导一批工程师测量天线的方向图（pattern）、增益和电压驻波比（VSWR）。图1显示了两个安装在运载火箭上的螺旋天线。天线的直径决定其频率范围。其它形状的天线有平板形和锥形，但其具体形状和尺寸差别很大。天线工程师使用六个室内消声室中的一个来表征各种天线。这些天线的尺寸从12立方英尺到60英尺×24英尺×24英尺不等。对飞机、航天飞船、导弹和武器上安装的天线，需要进行全球面测试，而地基天线则只需要进行半球面测试。

工程师设计了一种方法，可以在消声室内测量天线360°辐射方向图。他们将被测天线相对于一个固定天线做360°转动。图2显示了一个消声室的设备布局，工程师用该消声室改变被测天线的方位角和仰角。典型情况下，定位器以0.5°和更小的间隔移动被测天线。虽然在测试中固定天线的位置不变，但其高度是可调的，因为它安装在一个可伸缩的杆上。“被测天线变成了‘宇宙的中心’”，Marden这样描述。

 

 

图2消声室内装置用于将发射天线位置对准被测天线并调整被测天线采集数据

图3显示了一个在消声室内测试的锥形天线。由一个激光瞄准装置将被测天线对准固定天线，并在测试期间保持被测天线旋转中心的位置不变。图4显示了一个在消声室内的固定喇叭天线。

工程师通过Agilent 网络分析仪测量电磁场振幅和相位（不是所有用户都要求进行相位测量）。每个频率进行约3万次测量。每次测试在覆盖天线频率范围的8个~10个频率下进行。一次测试需要进行30分钟~2小时。测试的安装和校准工作则需要约4个小时。

 

 

图3绕轴枢点转动被测天线的机械臂

在将被测天线装到消声室内之前，工程师使用一个已知增益的天线为基准对设备进行校准。这样可以提供一组参考测量值，工程师可以与此被测天线的响应进行比较。

天线环境

用于航天和国防领域的天线需要在很宽的温度范围下工作，还必须能耐受冲击、振动和压力。在使天线经受环境考验之前，工程师先进行名为“验收测试”的基准测量。通过该测试，可以向用户证明天线符合规格要求。然后，将天线置于恶劣环境下重复性能测试，该测试被称为“认可测试”。

认可测试包括温度、振动和压力测试以及高加速寿命测试。工程师可能同时设置天线的多个环境条件。在环境实验室中，用一个带加热器和LN2（冷却用）的温控箱使天线处于±300°F的温度下。该温控箱可以放在一个振动台上，这样工程师们就可以使天线同时经受温度和振动了。

 

 

图4工程师们可调整喇叭天线高度以适应不同的发射天线尺寸