机载电子设备ATE微波控制器设计与研制

茹东生，周鹏，陶东香，闫婕妤

（1.海军航空工程学院青岛分院，山东青岛 266041；2.海军司令部第四部，北京 100161）

机载电子设备ATE微波控制器设计与研制

茹东生1，周鹏1，陶东香1，闫婕妤2

（1.海军航空工程学院青岛分院，山东青岛 266041；2.海军司令部第四部，北京 100161）

为实现对机载电子设备ATE各种射频线路的自动控制与连接，设计研制一套数字I/O控制的机载电子设备ATE微波控制器。简要介绍ATE微波控制器总体设计方案，根据ATE微波控制器射频控制的实际需求，阐述微波控制器硬件结构和调理电路，详细举例说明软件控制编码设计方法。实践表明：该微波控制器射频传输损耗小，微波开关切换精准可靠，满足ATE系统对微波控制器射频仪器资源与被测射频设备射频连接的具体需求。

射频测试；自动测试设备；射频控制；微波开关；被测设备

0 引言

随着现代电子技术的不断发展，机载电子设备数字化、集成化程度越来越高，设备功能、性能快速提升，设备信号的频率和占用带宽也在逐渐提高和展宽。当前大型机载电子设备的测试与故障诊断系统采用较多的是ATE[1]。按ATE测试信号频率高低不同，ATE测试包括低频测试、视频测试、高频测试、射频测试等。这些测试在不同频率段测试手段和方法差异很大。由于受到射频信号传输衰减和自动转接可靠性等因素的影响，射频测试一直是ATE系统整体性能测试的难点和关键点。

射频测试时一项关键性的工作是用测试电缆将测试仪器和测试资源连接起来。传统的射频接线方法是直接连接，完成测试信号的注入或提取[2]。这种连接仅限于测试资源极少且测试资源与被测仪器之间是一对一不变的连接方式。然而由于被测设备种类、型号众多，要用ATE有限的测试资源实现对被测设备的射频性能测试，如果采用传统直接连接的方法，必须经常拆卸大量测试射频电缆。这种频繁拆卸测试射频电缆的方法不仅会影响电缆的使用寿命[3]，甚至造成一些测试仪器射频输入/输出头的接触不良，会影响ATE测量精度，继而造成故障诊断的误判。本文设计一种微波控制器，使得被测射频设备与测试资源通过程控的方式自动实现信号的自动切换。

1 微波控制器的总体设计和硬件组成

1.1 微波控制器的总体设计

为提高ATE射频测试的灵活性和稳定性，设计了一种基于VXI仪器数字I/O控制的微波控制器。微波控制器工作原理方框图如图1所示。图1中，ATE的核心是工控机[4]，负责ATE系统软件测试与控制。为了保证测试系统应用于特殊测试环境的能力，工控机采用定制的研华加固笔记本，由内部接口卡完成对ATE系统各种VXI模块仪器的控制。VXI机箱采用13槽C尺寸VXI主机箱1261B，工控机与VXI零槽控制器E8491B之间通过IEEE1394-VXI总线进行通信，实现工控机对VXI各种模块的程控。数字I/O模块采用VM1548-3型数字I/O模块，置于机箱第4槽，通过VMIP接口实现数字I/O模块与VXI机箱连接和控制。

图1 微波控制器工作原理方框图

微波控制器由调理电路、开关电源、微波开关组、各种微波测试资源及被测设备公共射频端口和其相应的各种射频线缆组成。微波控制器采取软件控制的方式实现被测设备射频公共端口（COM）和测量仪器之间进行快速的自动通路切换和组合。

1.2 微波控制器的重要硬件组成

微波控制器通过VM1548实现软件对控制器硬件电路的自动控制。VM1548-3是VXI公司的一款高性能TTL数字I/O模块，具有高数据通过率和灵活控制的特点。该模块具有J200、J201和J202三个68针的数字I/O接线端口。其中J200、J201端口共96路数字I/O连接到ATE的阵列接口ICA，用于实现对ATE外接测试设备的控制。J202端口的48路数字I/O用于实现对微波控制器的程控。J202端口具有6组8位输入/输出端口，每组8位端口可配置为输入或输出。模块供电为+5V/2.06A及-5.2V/0.5A，VXI机箱内部的冷却装置可以完成模块工作时的有效散热。数据输出特征是Vout（高电平）＞3.1V/15mA； Vout（低电平）＜0.55V/64mA。这个数据输出特征表明，若直接用数字I/O的高电平驱动微波开关或继电器开关，必须考虑其驱动电流的负荷承受能力[5-6]，否则，可能造成数字I/O模块的损坏。

微波控制器硬件组成框图如图2所示。在数字I/O的控制下，微波控制器通过微波开关实现射频端口的自动切换[7]。微波开关应选择隔离度大、插入损耗小、可靠性高的同轴开关[8]。图2中，微波开关K1和K2为上海华湘的SHX-801001-F-S单刀双掷同轴开关，该微波同轴开关的主要优点是允许通过的微波功率较大，适用于26.5GHz以下射频信号的传输。Agilent同轴开关插损小于0.6 dB，相邻通道隔离度大于35 dB，驻波比在使用频段小于1.8，具有500万次以上的高可靠性通断操作，采用16英寸扁平电缆和DIP连接器24V供电，适用频率DC～50GHz，动作速度快（20ms含接触时间），克服了一般同轴开关切换慢的问题[9]。因此微波控制器在信号切换的主要通道上选用性能更为优越的Agilent射频单极性多端同轴开关，用以保证射频测量的精度。Agilent同轴开关中K3为8767型单刀四掷同轴开关，K4、K5、K6为8766型单刀三掷同轴开关。Agilent射频同轴开关存在射频信号功率耐受性较差的缺点，其最大射频输入平均功率小于1W，峰值功率小于100W（10ms脉宽），因此，在微波测试时需要与华湘的微波同轴开关相配合，实现优势互补。在较大功率的射频信号测量时，设计有一个250W的30 dB射频衰减器，对信号的功率进行衰减，用于保护后面的Agilent同轴开关和测试资源仪器。

图2 微波开关射频电缆连接示意图

ATE射频测试仪器包括电台模拟器、雷达综测仪、射频信号源、射频功率计、频谱分析仪5种测试资源，预留3个被测各种机载电子设备公共射频测试口COM1、COM2、COM3。因此，实际使用时，微波控制器通过对K1～K5微波同轴开关的程控，依据测试设备射频测试需求，用射频电缆将电台模拟器等5种射频测试资源分别与各种电子设备公共射频测试口切换连接。

1.3 典型调理电路设计

上海华湘的SHX-801001-F-S单刀双掷同轴开关采用TTL高电平驱动，其驱动电流仅为0.18mA，因此无需调理电路，直接采用数字I/O驱动即可。Agilent同轴开关驱动电流大于10mA，且需要低电平控制，因此对Agilent同轴开关需要设计调理电路进行控制，每路输出的数字I/O线应对应一个调理电路。调理电路的典型应用电路如图3所示。

图3 调理电路典型应用电路

图3中R1为3.3kΩ，R2为2.2kΩ，T1为2SD668，D1为IN4148。这种调理电路完成控制信号的高低电平转换，增强了Agilent开关驱动能力，同时降低了对数字I/O的驱动需求，数字I/O模块的使用安全性、可靠性得到提高。

2 微波开关的软件控制编码设计

来自VM1548模块的第3个端口J202对微波控制器各同轴开关进行编码控制。J202共有6组数字I/O，每组包括DATA x.0～DATA x.7及I/O控制针和一个外接时钟CLK控制针。Agilent 8766、8767射频同轴开关和上海华湘的SHX-801001-F-S单刀双掷同轴开关组组合的微波控制器需要一系列的正确电平驱动，才能完成某一测试仪器到某一COM端的射频连接。因此需要对每一种连接进行正确的软件控制编码设计。上海华湘单刀双掷同轴开关控制比较简单，图2中，当在K1、K2控制端加TTL高电平时，开关动作，其公共端与NO端相连，否则与NC端相连。Agilent 8766、8767射频同轴开关则端口控制比较复杂，其端口选择控制如表1所示。

需要注意的是Agilent 8766、8767射频同轴开关带有记忆功能，因此为了防止对微波开关的误操作，在测试前应对Agilent 8766、8767射频同轴开关进行复位操作。控制Agilent 8766、8767射频同轴开关的控制信号来自调理电路。上海华湘单刀双掷同轴开关不是调理电路控制而是数字I/O直接驱动的，因此K1、K2开关驱动的两个数字I/O针需要与控制调理电路的数字I/O针统一进行软件控制编码设计。以电台模拟器不经30 dB衰减与COM1相连为例，说明微波开关的软件控制编码设计方法。图2中，射频信号传输流程是电台模拟器→K3（2）→K2（NO）→K1（NO）→COM1。用到的开关包括K1、K2、K3。假设这3个开关使用J202的一通道的8位数字I/O，其中K1为GPR1_Data0，K2为GPR1_Data1，K3共有GPR1_Data2～GPR1_Data7的6根控制线，则GPR1的软件控制编码为11011010，其他数字I/O的通道可以恢复默认值10101010。以上控制编码按照被测设备的测试任务通过Atlas语言打包编写在控制软件中实现对微波控制器的程控。

表1 微波开关射频端口选择控制表1）

3 微波控制器调试与测试结果

在结构布局设计上，将电源控制器内部分成两个区，一个是包括K1～K6的微波开关区（前半部分），另一个则是开关电源和调理电路区（后半部分）。射频电缆采用定制的半刚性射频电缆。这种安装设计具有拆装维护方便、射频传输效率高和抗干扰性能好的优点。安装后可以利用开关电源上的+5V和地对开关电源按照控制编码进行逐端口和线路的控制调试。调试过程可以采用万用表测线路导通的方式进行。调试中在未加控制时，COM1和雷达综测仪对地电阻只有50.2Ω，原因是接有的30dB衰减器匹配负载阻值是50.2Ω。其他微波开关线路在控制编码的要求的电平控制下进行不同接口的转换操作，并通过万用表检验其导通情况。实测各路的导通电阻阻值均为0Ω，符合设计要求。调理电路单路输入电流1.95mA，大大低于单路数字I/O的15mA输出能力值，降低了对数字I/O的驱动需求，数字I/O模块的使用安全性、可靠性得到提高。同时，调理电路提供的微波开关驱动电流最大可达130mA，完全满足Agilent微波开关的驱动。Agilent微波开关不同端口的接通转换时间在ms级，满足系统对微波开关动作精准及快捷的要求。在手动调试通过后，通过工控机对数字I/O的程控检验与手动调试的控制效果相同。调试结果表明，微波控制器能够在预定的编码控制下，正确完成各种微波开关的通断控制，完全满足自动测试系统对微波控制器的要求。

4 结束语

根据ATE数字I/O模块输出特点及微波控制器射频信号和资源切换连接的具体需求，合理选择两种型号的Agilent微波开关和一种华湘微波开关，选择定制的射频衰减器和射频电缆，可以保证按照预定方案精准控制微波开关的通断，同时保证微波控制器总体插入损耗和驻波比等指标控制在合理且明确的范围内。文章设计各种射频线路连接方法灵活多样，可以满足测试资源与被测机载电子设备射频端口自动连接要求，极大地提高射频测试效率。微波控制器的设计方案还可以很容易地移植到PLC控制的系统中[10]，同样可以完成微波控制器的程控任务，具有很强的设计使用灵活性和推广应用前景。

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Design and development of ATE m icrowave controller for airborne electronic equipment

RU Dong-sheng1，ZHOU Peng1，TAO Dong-xiang1，YAN Jie-yu2
（1.Qingdao Branch，Navy Aeronautical Engineering College，Qingdao 266041，China；
2.No.4 Branch，Navy Commander Department，Beijing 100161，China）

In order to realize the automatic control and connection of various RF circuit of airborne electronic equipment ATE，an ATE microwave controller of airborne electronic equipment controlled by digital I/O is designed.According to the actual demand of RF controlling by ATE microwave controller，the ATE microwave design scheme of the controller is briefly introduced，the hardware structure and conditioning circuit of the microwave controller is elaborated，and the coding design method of software control is detailed illustrated.The practical results show that the RF transmission loss of microwave controller is small，the operation of the microwave switches acts precisely and reliably，the specific connection needs of the ATE system has been fully met for microwave controller RF equipment resources and measured RF equipment.

RF measurement；ATE；RF controlling；microwave switch；measured equipment

TP206+.3；TN62；TP271+.4；V243

A

1674-5124（2013）03-0070-03

2012-05-25；

：2012-07-14

茹东生（1967-），男，山西临汾市人，副教授，硕士，研究方向为雷达设备教学与电子技术应用。