变频通道幅相一致性测试技术方案 2015年12月15日张德锋1 引言有源相控阵(AESA)雷达具有快速波束成形、作用距离远、测量精度高及同时支持多种功能等优势，广泛应用于国防、航空航天应用中。
有源相控阵雷达一般包含许多个T/R组件，为了保证相控阵雷达的总体性能，需要对T/R组件的性能严格把关。
图1. 有源相控阵(AESA)雷达有源相控阵雷达具有成百上千个辐射单元——天线，每个天线连接一个T/R组件，每个T/R组件均包含发射和接收通道，以及移相器、衰减器等部件，典型的T/R 组件结构如图2所示。
相控阵雷达通过调整T/R组件的移相器、衰减器来改变每一路信号的相位和幅度，从而实现波束的快速扫描。
发射链路天线端接收链路图2. 典型的T/R组件结构示意图对于相控阵雷达，只有精确已知各通道之间的幅度和相位差异，才能够准确地作相应的补偿 (基带补偿或者通过衰减器和移相器补偿)，从而实现精确波束成形。
如何精确地实现通道间的幅相差异测试，或者称为幅相一致性测试，将是保证相控阵雷达性能的关键。
T/R组件中的发射通道和接收通道往往包含变频部件，通道的输入和输出频率不同，这将使得测试更加复杂。
针对以上测试，罗德与施瓦茨公司可提供完善的测试解决方案。
凭借出色的射频性能和丰富的测试功能，罗德与施瓦茨公司的矢量网络分析仪可完美地完成变频通道幅相一致性测试，尤其是多端口矢量网络分析仪，将是多通道幅相一致性测试的理想选择。
2 变频通道幅相一致性测试如果待测通道不包含变频器件，则直接测试每个通道的S参数得到相移和插损，便可以求出通道之间的幅相一致性。
如果待测通道包含变频器件，则通常有三种测试方法：(1) 基于R&S ZVA矢量网络分析仪的双音测试技术，可确定每个通道的相位及损耗，再与参考通道相比较，从而得到通道间幅相一致性；(2) 直接将每个变频通道输出信号的相位和幅度与参考通道比较，从而得到通道间幅相一致性。
(3) 使用参考混频器确定通道间幅相一致性。
下面对这三种方法分别加以描述。
2.1 基于双音测试技术确定通道间幅相一致性基于R&S ZVA矢量网络分析仪的双音测试技术，专门针对变频模块及通道群时延的测试，该技术是由罗德与施瓦茨公司提出的，图3和图4分别给出了原理示意图和典型的测试连接图。
双音测试技术，顾名思义，需要两个不同的激励信号参与测试，因此需要四端口ZVA，其基本原理：ZVA内部的两个激励源通过端口3的定向耦合器实现双音合路，然后再馈入端口1，端口1再输出双音信号至待测件；在待测件输入侧，双音信号存在相位差，其输出侧也存在相位差，利用输入侧相位差和输出侧相位差的差异及双音频率间隔便可以计算出群时延。
该方法的优点：对于本振不可接入的变频器模块或通道，同时灌入双音信号，可消除本振对待测件输出信号相位的影响。
除了可以测试通道群时延外，该方法还可以测试相位及变频损耗，因此，可以用于测试通道间的幅相一致性。
图3. 双音法测试群时延的原理示意图待测通道图4. 双音法测试群时延的连接示意图图5. 双音法测试相频特性如何消除测试装置带来的影响？这就需要作相应的校准，校准过程非常简单，图6给出了双音测试技术的校准界面。
选择其中一个待测通道作为参考通道，按照图4的方式进行连接，因测试的是相对相位，所以可直接在图6中的” Const. Delay”中输入一个常数，执行“Take Cal Sweep”即可完成校准。
测试时，直接将待测通道替换参考通道，测试结果便是相对于参考通道的差异。
为改善端口匹配，可在待测通道前后各引入一个合适的衰减器，以进一步提高测试精度。
图6. 双音法校准界面双音测试技术优势如下：1) 专门针对内置本振的变频器通道，同时给待测件注入双音信号，可以消除内置本振对输出中频信号相位的影响，从而精确测试群时延及相位。
与市面上的重构内置本振法相比，双音测试技术更加简便、快捷、准确。
2) 对于含有多级变频的通道测试，双音测试技术是理想的选择，本振重构法几乎无法测试此类通道。
3) 变频通道测试过程中，R&S ZVA支持增强波量校准，可以对源端和负载端的失配进行修正补偿，配合功率校准，从而保证精确的变频损耗或变频增益测试。
4) R&S ZVA的测试速度非常快，中频测量带宽为1MHz时，单点测试时间小于3.5us；与同档次仪表相比，相同设置参数下，ZVA的测试速度具有非常突出的优势，能够大幅度提高测试效率。
5) 与同档次仪表相比，R&S ZVA具有更好的测试动态范围，而且支持分段扫描功能，非常适合测试通道的带外抑制，同时兼顾测试速度。
6) 该方法测试连接简单，校准简易，测试速度快且精度高，保证测试效率的同时，又能够保证测试精度。
2.2 直接比较通道输出信号的相位和幅度这是测试通道间幅相一致性的比较直观的方法，该方法除可以使用两端口或四端口的R&S ZVA 、ZNB 矢量网络分析仪，还可以使用多端口网络分析仪ZVT 、ZNBT ，这将使得测试更加方便。
下面以R&S ZVA 为例，对该方法作相应的介绍。
图7给出了双通道一致性测试的连接示意图，使用ZVA 的端口3作为激励端口，其输出经功分器分别馈入两个通道，两个通道的输出分别连接至ZVA 的端口2和端口4。
该方法要求馈入到每个通道的激励信号必须有稳定的相位关系，最简单的方法就是选择一个公共的激励源，通过合适的功分器产生多路激励信号。
此时ZVA 需要测试的不再是S 参数，而是波量(wave quantity)，包括：b4(P3s)和b2(P3s)，如果测试幅度差异，将显示格式Format 设为Magnitude(dB)；如果测试相位差异，将显示格式Format 设为Phase ；最后使用Trace Math 功能，求得差异：Math= b4(P3s)/ b2(P3s)。
图7. 直接比较幅度和相位 (以两个通道为例)P o w e r S p l i t t e r LNA Mixer IF filter Embedded LO Channel 1 Channel 2 IF Cable RF CableRef. PlaneRef. Plane上述测试装置中，功分器、IF cables及ZVA端口2和4的测量接收机之间的差异均会对测试结果有一定的影响。
为了保证精确测试，需要将测试装置引入的这种影响补偿进去，即进行系统校准。
相位一致性测试中，系统校准就是标定测试附件对两路引入的相移差别，以便于对最终的测试结果进行修正。
本例中，系统校准分为如下三步：1) 射频侧功分器及两根射频线缆(RF Cables)引入的相移差由于两个通道共激励源，功分器公共端与激励端口Port3之间的线缆可以不考虑，那么就只需要标定功分器两路及所连接线缆的相移差。
对ZVA作三端口系统误差校准，然后测试功分器两个通道(含两根射频线缆)的传输S参数，确定其相移及插入损耗，从而确定功分器两个通道的幅相差异。
建议同时在射频和中频频段上完成功分器的标定，因为下面第二步中对端口2和4及中频线缆的校准需要使用中频频段的数据。
2) 端口2、端口4及两根中频线缆(IF Calbes)引入的相移差需要使用上面第一步中标定过的功分器，分别连接在与Port2和Port4相连的射频线缆上，将频率范围设置为IF频率范围，观察波量比b2/b4(P3s)的相位，并按照功分器的两路相移差修正，即为Port2、Port4及两根射频线缆在IF频率上引入的相移差。
或者更简单的方法，可以直接将激励端口Port3分别与Port2和Port4相连，测试S23与S43的相位差，即可确定在IF频率上引入的相移差，但要保证与Port2和Port4相连的是同一根线缆。
(3) 本振侧功分器引入的相移差，如果本振内置，则可忽略此步；如果测试时，需要外供本振信号，要求各个通道的本振信号也必须存在稳定的相位关系，一般也会使用功分器等，校准方法同(1)。
为了便于修正最终测试结果，需要将以上三步的校准结果分别保存下来。
如果待测通道的输入、输出驻波比不是非常理想，那么在测试参考面处则会存在多次反射，这会影响测试结果，尤其对于相位测试结果，影响将更大。
为此，可以在通道前后分别引入一个合适的衰减器，以改善端口匹配，进一步提高测试精度。
图8给出了采用该方法测试的相位一致性测试结果，Marker1显示了两个通道在带内的相位差异最大值，为19.426度。
图8. 相位一致性测试结果图7所给的测试装置，待测通道的输出端口均直接与ZVA的测试端口相连，这种连接方式最多只支持同时测试三个通道间相位一致性。
对于四端口ZVA，每个端口具有两个接收机，分别是参考接收机和测量接收机，共8个接收机。
R&S ZVA可提供直接源和接收机接入接口，如图9所示。
对于相位一致性测试，通道输出可以直接馈入接收机，而激励信号输出则由端口3的源直接输出接口Src.Out输出，因此可以同时测试8个通道的相位一致性。
直接源和接收机接入接口图9. R&S的直接源和接收机接入接口图10. 幅度一致性测试连接示意图 与相位一致性测试不同，幅度一致性测试不需要同时给每个通道馈入激励信号，可以单独测试每个通道的变频损耗或增益，然后再进行比较。
如果采用图7所示的测试装置，可以同时测试两个通道的变频损耗或增益，但是为了保证测试精度，需要进行功率校准。
或者可以采用图10所示的测试装置，分别轮流测试每个通道的变频损耗或增益，这种情况下不需要进行功率校准，因为最终要测试的是通道间的幅度一致性，在测试结果求差值的过程中，测试装置的影响已经相互抵消。
比如，以端口3作为激励端口，端口2作为响应端口，逐次将各个通道连接于端口2与端口3之间，测试波量比b3/a2(P3s)，再运用Trace Math 功能即可得到通道之间的幅度差异。
图11给出了采用该方法测试的幅度一致性测试结果，Marker1显示了两个通道在带内的幅度差异最大值，为1.3649 dB 。
罗德与施瓦茨公司还提供多端口矢量网络分析仪，比如R&S ZVT 、ZNBT ，其中ZVT 具有ZVT8和ZVT20两个型号，频率分别到8GHz 和20GHz ，ZVT8最多可支持8个测试端口，ZVT20最多可支持6个测试端口。
ZVT 也具有直接源和接收机接入接口，所以ZVT8最多可同时测试16个通道的相位一致性，ZVT20最多可同时测试12个通道的相位一致性。
ZVT 具有独立的操作系统，但没有屏幕，因此需要外接显示器，如图12所示。
LNA Mixer IF filter Embedded LO Ref. PlaneRef. Plane类似于ZVT，ZNBT也是一台具有独立操作系统但没有屏幕的多端口矢量网络分析仪，工作频率最高至8.5GHz，最多支持24个端口，因此ZNBT最多支持同时测试23个通道的幅相一致性，测试连接示意图如图13所示。
