快速RF傳輸路徑測試

麻薩諸塞州Lowell是美國東北部一個(gè)小城，曾以制造紡織品而聞名?，F在，它是Tyco Electronics公司的總部所在地。該公司是一家國防和航天RF元件和子系統制造商?，F在，Tyco Electronics M/A-COM已不再是Tyco International的子公司，它以Adams-Russell、Phoenix Microwave和Anzac等品牌生產(chǎn)自己的產(chǎn)品，這些品牌都來(lái)自于被Tyco Electronics并購的公司。

在Lowell總部，工程師設計各種形狀和尺寸的天線(xiàn)，最高頻率達60GHz，這些天線(xiàn)多數都安裝在飛機、導彈和武器上。該公司還生產(chǎn)電纜部件。它從原材料開(kāi)始設計自己的電纜產(chǎn)品，并在其廠(chǎng)房?jì)戎圃祀娎|連接器。

圖1安裝在發(fā)射車(chē)上檢測有效載荷的螺旋天線(xiàn)

該公司的RF元件包括頻率轉換器、放大器、倍頻器、混頻器和交換器。其中許多元件用于如現場(chǎng)可更換單元(LRU)和電子戰(EW)系統這類(lèi)的子系統。Tyco Electronics還生產(chǎn)一種用來(lái)干擾自制爆炸裝置(Improvisational Explosive Devices)無(wú)線(xiàn)電信號的設備，用來(lái)保護伊拉克人的生命。

測試航天和國防應用中的RF元件和系統時(shí)，Tyco Electronics的工程師需要使用多種技術(shù)。他們不僅要檢驗高頻信號的精確性，還必須考慮到預計工作環(huán)境下的惡劣條件。Tyco Electronics為航天和國防部門(mén)設計產(chǎn)品，這些產(chǎn)品批量不大。對這些產(chǎn)品而言，幾千件就可以被當作是大批量。這些測試中既包括每項測試長(cháng)達數小時(shí)的對所有單元100%特性的表征測試，也包括耗時(shí)僅數秒的簡(jiǎn)單合格/不合格的測試。

天線(xiàn)增益

Tyco Electronics的天線(xiàn)用于通信、電子戰和導航系統。它們還被用來(lái)發(fā)送遙測信號或接收GPS信號。對于新設計，需要對天線(xiàn)所有特性進(jìn)行完全的表征。天線(xiàn)工程經(jīng)理Mark Marden領(lǐng)導一批工程師測量天線(xiàn)的方向圖(pattern)、增益和電壓駐波比(VSWR)。圖1顯示了兩個(gè)安裝在運載火箭上的螺旋天線(xiàn)。天線(xiàn)的直徑?jīng)Q定其頻率范圍。其它形狀的天線(xiàn)有平板形和錐形，但其具體形狀和尺寸差別很大。天線(xiàn)工程師使用六個(gè)室內消聲室中的一個(gè)來(lái)表征各種天線(xiàn)。這些天線(xiàn)的尺寸從12立方英尺到60英尺×24英尺×24英尺不等。對飛機、航天飛船、導彈和武器上安裝的天線(xiàn)，需要進(jìn)行全球面測試，而地基天線(xiàn)則只需要進(jìn)行半球面測試。

工程師設計了一種方法，可以在消聲室內測量天線(xiàn)360°輻射方向圖。他們將被測天線(xiàn)相對于一個(gè)固定天線(xiàn)做360°轉動(dòng)。圖2顯示了一個(gè)消聲室的設備布局，工程師用該消聲室改變被測天線(xiàn)的方位角和仰角。典型情況下，定位器以0.5°和更小的間隔移動(dòng)被測天線(xiàn)。雖然在測試中固定天線(xiàn)的位置不變，但其高度是可調的，因為它安裝在一個(gè)可伸縮的桿上。“被測天線(xiàn)變成了‘宇宙的中心’”，Marden這樣描述。

圖2消聲室內裝置用于將發(fā)射天線(xiàn)位置對準被測天線(xiàn)并調整被測天線(xiàn)采集數據

圖3顯示了一個(gè)在消聲室內測試的錐形天線(xiàn)。由一個(gè)激光瞄準裝置將被測天線(xiàn)對準固定天線(xiàn)，并在測試期間保持被測天線(xiàn)旋轉中心的位置不變。圖4顯示了一個(gè)在消聲室內的固定喇叭天線(xiàn)。

工程師通過(guò)Agilent 網(wǎng)絡(luò )分析儀測量電磁場(chǎng)振幅和相位(不是所有用戶(hù)都要求進(jìn)行相位測量)。每個(gè)頻率進(jìn)行約3萬(wàn)次測量。每次測試在覆蓋天線(xiàn)頻率范圍的8個(gè)~10個(gè)頻率下進(jìn)行。一次測試需要進(jìn)行30分鐘~2小時(shí)。測試的安裝和校準工作則需要約4個(gè)小時(shí)。

圖3繞軸樞點(diǎn)轉動(dòng)被測天線(xiàn)的機械臂

在將被測天線(xiàn)裝到消聲室內之前，工程師使用一個(gè)已知增益的天線(xiàn)為基準對設備進(jìn)行校準。這樣可以提供一組參考測量值，工程師可以與此被測天線(xiàn)的響應進(jìn)行比較。

天線(xiàn)環(huán)境

用于航天和國防領(lǐng)域的天線(xiàn)需要在很寬的溫度范圍下工作，還必須能耐受沖擊、振動(dòng)和壓力。在使天線(xiàn)經(jīng)受環(huán)境考驗之前，工程師先進(jìn)行名為“驗收測試”的基準測量。通過(guò)該測試，可以向用戶(hù)證明天線(xiàn)符合規格要求。然后，將天線(xiàn)置于惡劣環(huán)境下重復性能測試，該測試被稱(chēng)為“認可測試”。

認可測試包括溫度、振動(dòng)和壓力測試以及高加速壽命測試。工程師可能同時(shí)設置天線(xiàn)的多個(gè)環(huán)境條件。在環(huán)境實(shí)驗室中，用一個(gè)帶加熱器和LN2(冷卻用)的溫控箱使天線(xiàn)處于±300°F的溫度下。該溫控箱可以放在一個(gè)振動(dòng)臺上，這樣工程師們就可以使天線(xiàn)同時(shí)經(jīng)受溫度和振動(dòng)了。

圖4工程師們可調整喇叭天線(xiàn)高度以適應不同的發(fā)射天線(xiàn)尺寸

環(huán)境實(shí)驗室還有幾個(gè)熱電偶溫控箱，其中包括一個(gè)溫度沖擊箱。一臺升降機可使部件通過(guò)高溫和低溫箱，以產(chǎn)生熱應力。還有一個(gè)溫度/高度箱使部件經(jīng)受寬溫度范圍和10萬(wàn)英尺高度的考驗。濕度箱則模擬干燥和潮濕的氣候。

Marden組的工程師還可以進(jìn)行生產(chǎn)測試。“用戶(hù)對生產(chǎn)測試的要求差別很大，” Marden稱(chēng)。“關(guān)鍵任務(wù)用的天線(xiàn)，如運載火箭用的天線(xiàn)，需要對每個(gè)單元都進(jìn)行100%的方向圖、增益及VSWR測量。”

該公司的許多軍用天線(xiàn)是美國政府的保密項目，為了保證測試數據的安全，工程師們通常將測量值保存在一個(gè)帶移動(dòng)硬盤(pán)的計算機上。該移動(dòng)硬盤(pán)保存在保險箱內。

電纜問(wèn)題

天線(xiàn)負責發(fā)送和接收RF信號，但需要由電纜和連接器將這些信號發(fā)送給電子設備。由于Tyco Electronics公司產(chǎn)品的專(zhuān)用性，該公司生產(chǎn)自己的電纜和連接器，然后將其組裝到電纜部件上。