传统测试设备与合成仪器的选择

　　过去几年来，测试工程师们不断地获得有关合成仪器的各种信息。围绕合成仪器的历史、含义以及其优势的很多评论，诞生了各种各样的文章。如果你是一位测试工程师或一个测试工程经理，曾有过大规模商用（或许基于cPCI/PXI）测试系统架构的经验，可能会将合成仪器与虚拟仪器关联起来。如果你是做军工、航天市场，并参加过多个政府工程，你可能会认为合成仪器就是NxText和ARGCS（Agile Reconfigurable Global Combat Support）计划。

　　在各种情况中，都很难实现针对大批量要求以及高测量性能要求的测试应用，并考虑到评估和选择一个微波综合测试环境的最实用方面。本文将描述一个选择过程，指导客户为相控阵雷达系统中发射接收（T/R）模块测试选择一个综合实现方法。

　　事实上与任何商用市场相比，过去军工航天领域的测试系统都没有在短期内应对过大批量需求。考虑一下这种情况：一家军工航天企业成功地进入了为相控阵雷达建立T/R模块的业务。此时，该公司通常会从只为单台雷达建造一个或几个单元，转而根据不同的雷达应用情况，制造数百甚至数千个单元。设想一名测试工程师，一直与从事T/R模块的设计与原型工作的一组混合信号微波元件工程师进行合作。经过多次提议，无数次会议，很多设计变动，并对一些原型累积了数千小时的测试数据，工程小组终于获得了引进几千到数百台雷达的业务，每单业务需要的模块数都比以前制造的原型总数高出两个数量级。事实上，第一个制造合同（阶段或批次）可能等同于完成整个开发周期所需时间。不要忘记还有建立与测试极其良好匹配与高性能T-R模块的附加需求，它的数量是工程开发与提议阶段次数的数千倍。

　　第一个生产测试计划作出来后，需要进行分析以纠正尺寸，根据生产需求选择测试设备类型并确定测试平台数量。在分析支持中，根据对原型的工程测试经验获得测试时间基准。这一过程结束时的研究结果表明，每个模块需要大约四小时的测试时间，前提是在生产阶段也采用与工程开发阶段相同的方案。若考虑被测模块数量以及合同的时间长度，这些结果可能会对财务和日程表有什么影响？怎样做才能找到一个实际可行而有益的解决方案？

　　被测设备（DUT）

　　在回应以上问题以前，先让我们再多了解一下DUT。一个T/R模块基本上是一个微型发射机/接收机（收发机），它需要对相位与振幅控制带宽脉冲信号作放大、发射，以及接收。发射/接收功能需要快速切换和高度隔离。所有各级都必须在整个工作频段内有良好的匹配，尤其是I/P端口。T/R电路需要尽可能高效（尤其是发射端），以降低功率需求，并在尽可能小的外形尺寸下减少散热。这点非常重要，因为可能要在一个相对较小的空间内安装多个模块。此时，散热和可靠性问题（除了连续和一致的性能以外）就成为重要考虑。其它参数也很重要，如谐波、压缩点/输出动态范围、三阶互调（TOI）、接收机噪声系数（为获得最好的灵敏度），以及占空比等。

　　因此，为确保DUT的质量与符合性，在开发期间，需要对上述所有参数仔细测量、优化和验证，并在生产期间作快速检验。另外，由于这些模块有灵活的频率，可以通过可编程移相器作电动控制，并且有可变的输出/输入功率，需要在大量条件与状态下检验所有的特性参数。所有这些就得到了一个由多维测量下多个测量点定义的测量空间，它确实需要高速和高测量精度，以降低不确定性，从而经济而高效地完成测试。测试环境还要极其稳定，对所有测量都表现良好的相关性，包括相同模块和所有模块之间，因为一个雷达阵列的质量对各个T/R模块质量有相同的依赖。

　　生产测试计划

　　当在工程模式下测试时，不仅需要对T-R模块原型的全部参数和特性做大量测试，而且还要系统地超越标准的性能参数，从而能同时提供性能（模块必须承受的超出规格条件的量）与制造（元件与制造活动产生的变动有多少）的安全容限。这种情况下，必定有大量的重复测试，因为要作必要的修正和返工，直到确保了所需的性能和制造参数。于是，在工程阶段，测试活动几乎与制造阶段同样频繁，但它们主要集中在对某些模块的反复测试，而不是对多个模块作逐一测试。在此阶段，很多公司就开始确定生产中所需要的测试环境，从而避免重复工作，并提供DUT测试环境从工程到生产阶段的无缝转移。

　　在生产测试中，速度与精度是关键。为了达到更好的成本效益，生产环境中要保证尽可能少的测试站（尽可能少的操作人员），以及尽可能高的吞吐量，同时保持最大的产量。在这种情况下，有两个额外因素就非常重要：

　　• 完全统一并遵循公认标准（如NIST）的系统级校准工作。这样能确保高精度、低不确定性，以及一致的测量结果。

　　• 生产测试环境与开发测试环境之间的质量一致性。这有助于高产量，以及高度相关的测量结果。

　传统测试系统与合成仪器

　　在激励测量测试过程中有五个关键的时间元素：DUT设置（包括预热）、激励设置、响应设置、校准与实际测量。

　　在传统系统中，必须用一台中心计算机或控制器来协调测试过程的各个步骤。单台仪器的校准必须考虑互连电缆、连接器等的因素，它们会增加测试站之间的测量不确定性。另外，必须在各台仪器之间建立某种水平的同步机制，以确保正确的信号注入、捕捉与分析。对于T/R模块，DUT需要电源、控制、通信、监控，还需要与设备其余部分的同步。

　　在一个合成仪器中，激励、响应和DUT接口都紧密地集成与同步。校准在系统级完成，直到DUT接口。因此大大减少了不确定性的来源。整个系统作为一个同质环境运行，而不是一种多对象的组合。

　　五个测量通道对一个测量通道

　　对于T/R模块的测量，需要五种传统仪器：频谱分析仪、网络分析仪、噪声系数分析仪、调制分析仪和功率计。

　　而在合成仪器中，所有需要的测量都通过一个响应通道完成，一般采用公共的数字化数据。测试者不需要在多台仪器之间转换就能完成测量，只有一个测量通道，而无需考虑多个通道。

　　测量时间应只受DUT性能与延迟/安定特性的限制。一旦实现这种情况，测试环境便为按速度进行优化。

　　对于传统仪器环境，测量时间依赖于使用的各台仪器，还有测量路径与数据测量的转换、同步，以及系统级的中心控制/排序。由于它们都与各自仪器紧密关联，因此测量本身无法作优化，也无法利用公共的采样/数字化数据块。

　　对于合成仪器，可以对多个测量作排序，充分利用公共的数据块，实现测量空间的优化。此时，仪器之间与测量/数据路径之间不存在切换问题，环境自身就是同步的，包括DUT。控制/排序可获取所有系统资源的最大性能优势。此外，环境为同质性，允许作连续计算、信号处理和条件运行。

　　让我们看一下对T/R模块的多个基准测试，考虑到平均有20个不同测试案例，传统机架与堆叠测试系统需要约3至4小时的测试时间。而一个经高度优化的合成仪器只需要4至6分钟的测试时间，其中1分钟还用于DUT的预热。即使考虑了基准近似，以及在生产测试环境中更换DUT所花的时间，采用综合测试环境也可以将测试速度提高30倍。

　　如果比较这两种系统的成本，混合型合成仪器的首次建设成本一般只有传统机架-堆叠系统成本的10%。考虑在一段时期内节省的测试时间，混合型合成仪器具有优异的成本特性。如果我们再考虑较少的测试站数会占用较小的空间，需要更低的供电要求，则其经济性是不容置疑的。

　　更方便支持未来更新升级

　　在选择过程中，还需要特别检查一个额外项，那就是在更长的时间周期内，两种系统能在多大程度上管理设备的更新、适应新的需求和重新配置，以支持多种产品系列。

　　传统机架-堆叠系统采用“叉车”方案管理设备更新问题，即更换。不过，如果一种仪器不再生产，更换就变得不可能，而必须修改测试程序和测试执行方法，以适应不相同的仪器。如果新需求落入了相应仪器的性能包络中，就可能要适应新的需求，并为不同产品/产品系列重新配置一个传统解决方案。举个例子，如果一些测量或全部测量都需要运行在一个较高频率下，则全部相关仪器都必须能支持扩展的频率。那些不支持的仪器就必须换掉，哪怕只是在较高频率下作一次测量。

　　另一方面，合成仪器在管理设备更新和改变需求方面特别灵活。由于合成仪器是基于测试，而不是基于仪器，因此它们不受设备更新的影响。当需要作新的测量时，可以简单地在综合测试环境中编写代码（只要总的系统性能包络能支持）。如果一个新需求的测量落在当前包络的外面，需要的只是更换或增加一个或多个模块，其特性（如有较高的工作频率）可将系统性能包络扩展到新的测量需求。

　　应用实例

　　一旦完成了对最优测试环境类型的选择，仍然需要针对特定应用去做环境的实现和定制。对于最终用户，可以购买或开发各种模块与软件，然后尝试建立一个合成仪器系统，不过也有现成的解决方案，可大大简化这一过程。其中一个解决方案就是Aeroflex的SMART^E（综合多功能自适应可重配置测试环境）。对此特例，模块测试环境（工作频率高达40GHz）被选择为这一测试应用的基本环境（见图1）。

　　客户作出这一选择的依据不仅是它的性能和持有/运行成本，还有大幅减少的启动成本。它们包括与测试环境中DUT集成（不是简单的接口）相关的活动，以及将测试计划转换为一系列可执行测试程序/顺序。[page]

  　　对T/R模块作的一些测试如下：Pout与Pin、总吸收功率、谐波、噪声系数、脉冲测量、恢复时间、s参数、寄生，以及TOI（三阶互调）。图2是Pout与Pin的屏幕截图以及相应列表数据。图3是一个脉冲测量屏幕截图，以及一些相应列表数据。图4是一个频谱/寄生测量，以及一些相应列表数据。上述全部测试都在几分钟内自动顺序完成。除了测试报告以外，SMART^E亦扩展了测试记录与调试功能。图5位记录/调试的屏幕截图。对于生产测试，还可以用批处理顺序来加快测试速度，同时还能提供合格/不合格的标准与结果，图6显示了这种功能。

　　SMART^E 5100 T/R模块测试环境的第一个大规模采用者是欧洲的两家主要军工航天企业。这些公司一直用它作合成口径雷达相关的T/R模块测试，这种雷达用于防空和卫星系统。