随着集成电路的快速发展，有源相控阵雷达使用的T/R组件集成度变得越来越高^[1]。目前已出现了将天线也集成在T/R组件上的瓦片式T/R组件^[2]。这种T/R组件将天线单元和组件电路集成在一个电路模块上，避免了T/R组件电路和天线单元之间的接插件互联，大大降低了T/R组件成本，提高了集成度，减小了体积质量，能够提高雷达在复杂环境下的稳定性^[3]，满足相控阵雷达小型化、轻型化的发展需求^[4]，是目前T/R组件发展的一个重要方向。T/R组件是相控阵雷达的重要部件，其性能指标的优劣直接影响整个相控阵雷达的性能^[5]。T/R组件性能指标的测试是相控阵雷达研制生产的一个重要环节^[6]。对于传统T/R组件，一般采用传导法测试，通过电缆将组件接口与仪表连接，对T/R组件的电路性能指标进行测试。然而对于集成天线的瓦片式T/R组件这种新型的组件结构，由于天线和电路的一体化集成，没有了传统T/R组件的天线接口，无法采用传导法直接将T/R组件通过电缆和测试仪表连接进行组件电路指标的测试。

针对集成天线的瓦片式T/R组件带来的电路性能指标测试新问题，本文提出了一种辐射对比法，实现了对集成天线的瓦片式T/R组件电路性能指标的测试。

1 被测T/R组件介绍

一种集成天线的瓦片式T/R组件外形见图 1，其正面为天线面，装有贴片阵列天线。天线层下面分别为T/R组件有源电路、组件散热模块与组件接口。

T/R组件原理见图 2，由多个通道组成，每个通道主要组成部分有衰减器、移相器、功率放大器、限幅器与低噪声放大器等。T/R组件的上行信号由COM口进入，功分至每个通道，经幅相控制和功率放大后通过天线向外辐射；T/R组件天线接收到的多通道下行信号低噪声放大和幅相控制，合成一路从COM口输出。

2 测试原理及方法

T/R组件的电路性能指标一般可分为：a) 幅度指标：发射峰值功率、发射增益、接收增益、增益平坦度、通道间幅度一致性与衰减精确度；b) 相位指标：移相精确度与通道间相位一致性。

与传导式测试方法不同，本文提出辐射对比法：设计制作一个测试辅助天线阵列，设计、材料、结构和工艺与T/R组件上天线阵列一模一样，引出天线测试接口，则该测试辅助天线阵列性能指标与T/R组件上的天线阵列相同^[7]。

在微波暗室中按照图 3搭建测试系统，测试仪表一边接被测件，一边接标准喇叭天线，先测试辅助天线阵列的幅相指标^[8]，再对装有天线的T/R组件进行幅相指标的测试，最后将天线对T/R组件电路性能的影响扣除，得到T/R组件的各项电路性能指标。

选取发射峰值功率、通道间相位一致性及接收增益这3个具有代表性的性能指标进行详细的测试原理介绍，其他指标测试原理与此类似。

2.1 发射峰值功率测试

图 3中测试仪表选择信号源与功率计，信号源接被测件，功率计接标准喇叭天线。首先对辅助天线阵列幅度指标进行测试，将信号源接天线阵列第一通道，记天线的输入功率为${P_{{\rm{in}}}}$，功率计测得标准喇叭天线接收到的功率为${P_{{\rm{a1}}}}$。依次更换天线通道，功率计测得的标准天线接收到的功率依次记为${P_{{\rm{a2}}}}{\kern 1pt} {\kern 1pt} , {P_{{\rm{a3}}}}, {\kern 1pt} \cdots , {P_{{\rm{a}}n}}{\kern 1pt} $。

将辅助阵列天线更换为集成天线的瓦片式T/R组件，信号源接T/R组件射频公共端口。根据T/R组件发射工作所需的频率和功率设置信号源参数，电源给T/R组件加电，通过计算机、拨码开关与单片机控制T/R组件的第一通道工作，记发射功率为${P_{{\rm{t1}}}}$，功率计测得的标准喇叭天线接收到的功率为${P_1}$。依次更换T/R组件通道，各通道发射功率记为${P_{{\rm{t2}}}}{\kern 1pt} {\kern 1pt} , {P_{{\rm{t3}}}}{\kern 1pt} , \cdots , {P_{{\rm{t}}n}}{\kern 1pt} $，功率计测得的标准喇叭天线接收到的功率依次记为${P_2}{\kern 1pt} {\kern 1pt} , {P_3}{\kern 1pt} , \cdots , {P_n}{\kern 1pt} $。

根据弗里斯传输公式^[9]，辅助阵列天线测试时，天线的输入功率${P_{{\rm{in}}}}$与标准喇叭天线接收功率${P_{{\rm{a}}n}}$的关系为：

$\frac{{{P_{{\rm{a}}n}}}}{{{P_{{\rm{in}}}}}} = {G_{\rm{s}}}{G_{{\rm{a}}n}}{\left( {\frac{\lambda }{{4{\rm{ \mathsf{ π} }}r}}} \right)^2}{\kern 1pt} $

(1)

式中：${G_{\rm{s}}}$为标准喇叭天线增益；${G_{{\rm{a}}n}}$为辅助阵列天线第n通道的增益；r为两天线之间的距离；$\lambda $为电磁波波长。

集成天线的瓦片式T/R组件测试时，T/R组件第n个通道发射功率${P_{{\rm{tn}}}}$与标准喇叭天线接收功率${P_n}$的关系为：

$\frac{{{P_n}}}{{{P_{{\rm{t}}n}}}} = {G_{\rm{s}}}{G_{{\rm{Ta}}n}}{\left( {\frac{\lambda }{{4{\rm{ \mathsf{ π} }}r}}} \right)^2}$

(2)

式中${G_{{\rm{Ta}}n}}$为瓦片式T/R组件集成阵列天线第n通道的增益。

由于测试辅助阵列天线与T/R组件上阵列天线完全相同，则T/R组件上集成阵列天线第n通道增益${G_{{\rm{Ta}}n}}$与辅助阵列天线第n通道的增益${G_{{\rm{a}}n}}$是相等的，因此式(1)与式(2)右边相等，将两式联立可得：

$\frac{{{P_{{\rm{a}}n}}}}{{{P_{{\rm{in}}}}}}{\rm{ = }}\frac{{{P_n}}}{{{P_{{\rm{t}}n}}}}$

(3)

将式(3)化为分贝形式，整理可得发射峰值功率${P_{{\rm{t}}n}}$为：

${P_{{\rm{t}}n}} = {P_n} + {P_{{\rm{in}}}} - {P_{{\rm{a}}n}}$

(4)

经过推导可知，由测试得到接入辅助天线时标准喇叭天线接收到的功率${P_{{\rm{a}}n}}$与接入T/R组件时标准喇叭天线接收到的功率${P_n}$，以及测试时记录的信号输入值功率${P_{{\rm{in}}}}$就可以计算得到T/R组件的发射峰值功率${P_{{\rm{t}}n}}$。

2.2 通道间相位一致性测试

原理见图 3，测试仪表选择矢量网络分析仪，将矢量网络分析仪的信号输出接口接被测件，信号输入接口接标准喇叭天线^[10]。首先对辅助天线阵列相位指标进行测试，将矢量网络分析仪信号输出接口接天线阵列第一通道，信号输入接口接标准喇叭天线，记矢量网络分析仪测量的该通道相位值为$P{H_{a1}}$。依次更换天线通道，矢量网络分析仪测量的相位值依次记为$P{H_{{\rm{a}}2}}, P{H_{{\rm{a}}3}}{\kern 1pt} , \cdots , P{H_{{\rm{a}}n}}{\kern 1pt} $。

接下来，将辅助阵列天线更换为集成天线的瓦片式T/R组件，矢量网络分析仪的信号输出接口接T/R组件射频公共端口。根据T/R组件发射工作所需的频率和功率设置矢量网络分析仪参数，电源给T/R组件加电，通过计算机与单片机控制T/R组件的第一通道工作，记矢量网络分析仪测量的该通道的相位为$P{H_1}$。依次更换天线通道，矢量网络分析仪测量的相位值依次记为$P{H_2}{\kern 1pt} , P{H_3}{\kern 1pt} , \cdots , P{H_n}{\kern 1pt} $。

由于测试辅助阵列天线与T/R组件上阵列天线完全相同，则T/R组件上阵列天线单元的相位与辅助阵列天线单元相同，则测得集成天线的T/R组件通道的相位$P{H_n}$扣除天线单元相位$P{H_{{\rm{a}}n}}$，得到T/R组件电路第n通道的相位$P{H_{{\rm{TR}}n}}$为：

$P{H_{{\rm{TR}}n}}{\rm{ = }}P{H_n} - P{H_{{\rm{a}}n}}$

(5)

取所有组件电路通道相位值的平均值$\overline {P{H_{{\rm{TR}}n}}} $，则第n通道的相位偏差$\Delta P{H_{{\rm{TR}}n}}$为：

$\Delta P{H_{{\rm{TR}}n}}{\rm{ = }}P{H_{{\rm{TR}}n}} - \overline {P{H_{{\rm{TR}}n}}} $

(6)

经过推导可知，由测试得到接入辅助天线时通道相位值为$P{H_{{\rm{a}}n}}$与接入T/R组件时通道的相位为$P{H_n}$，就可以计算得到T/R组件的相位一致性结果。

2.3 T/R组件接收增益

原理如图 3所示，测试仪表选择矢量网络分析仪，将矢量网络分析仪的信号输入接口接被测件，信号输出接口接标准喇叭天线。首先对辅助天线阵列进行测试，将矢量网络分析仪信号输入接口接天线阵列第一通道，测得的增益记为${G_{{\rm{al}}1}}$。依次更换天线通道，矢量网络分析仪测量得到的增益依次记为${G_{{\rm{al}}2}}{\kern 1pt} {\kern 1pt} , {G_{{\rm{al}}3}}, \cdots , {G_{{\rm{al}}n}}$。

将辅助阵列天线更换为集成天线的瓦片式组件，矢量网络分析仪的信号输入接口接组件射频公共端口。根据组件接收工作所需的频率和功率设置信号源参数，电源给组件加电，通过计算机与单片机控制组件的第一通道工作，矢量网络分析仪测量得到的增益记为${G_1}$。依次更换组件通道，矢量网络分析仪测量的增益值依次记为${G_2}{\kern 1pt} {\kern 1pt} , {G_3}, \cdots , {G_n}$。

根据弗里斯传输公式^[9]，辅助天线阵列测试时，第n通道的链路增益${G_{{\rm{al}}n}}$表达式为：

${G_{{\rm{al}}n}} = {G_{\rm{s}}}{G_{{\rm{a}}n}}{\left( {\frac{\lambda }{{4{\rm{ \mathsf{ π} }}r}}} \right)^2}$

(7)

集成天线的瓦片式T/R组件测试时，第n通道的链路增益${G_n}$表达式为：

${G_n}{\rm{ = }}{G_{{\rm{TR}}n}}{G_{\rm{s}}}{G_{{\rm{Ta}}n}}{\left( {\frac{\lambda }{{4{\rm{ \mathsf{ π} }}r}}} \right)^2}$

(8)

式中：${G_{{\rm{TR}}n}}$为瓦片式T/R组件第n通道的增益。

由于测试辅助阵列天线与T/R组件上阵列天线完全相同，T/R组件上阵列天线单元的增益与辅助阵列天线单元相同，即${G_{{\rm{Ta}}n}}{\rm{ = }}{G_{{\rm{a}}n}}$。因此可以将式(7)代入式(8)得：

${G_n} = {G_{{\rm{al}}n}}{G_{{\rm{TR}}n}}$

(9)

将式(9)化为分贝形式，整理可得T/R组件接收增益${G_{{\rm{TR}}n}}$为：

${G_{{\rm{TR}}n}} = {G_n} - {G_{{\rm{al}}n}}$

(10)

经过推导可知，由测试得到的接入辅助天线阵列时的链路增益${G_{{\rm{al}}n}}$与接入T/R组件时的链路增益${G_n}$，就可以计算得到T/R组件的接收增益${G_{{\rm{TR}}n}}$。

3 实验测试与数据分析

采用辐射对比法对某集成天线的X波段八通道瓦片式T/R组件进行测试，测试T/R组件发射通道发射峰值功率、通道间相位一致性和通道接收增益。为了验证实验结果的准确性，在T/R组件实验电路研制时，将T/R组件天线和电路分开，两个模块都有接口，通过内部接插件连为一个整体，也可以分开测试。这样就可以通过传导法对T/R组件电路性能直接测试，测试结果与辐射对比法测试结果进行对比，从而验证辐射对比法的正确性。

将T/R组件置于暗室中按照上述方案进行测试，实际测试场景见图 4。

3.1 发射功率测试结果分析

采用辐射对比法和传导法测得T/R组件电路发射峰值功率结果见图 5，2种测试结果比较，辐射对比法测试结果与T/R组件电路直接测试结果有较好的一致性，误差在0.63 dB以内。产生误差的原因是天线与T/R组件的匹配与天线直接接50 Ω传输线的匹配效果不同。

3.2 相位一致性测试结果分析

采用辐射对比法和传导法测得T/R组件电路通道间相位一致性结果见图 6，两种测试结果比较，辐射对比法测试结果与T/R组件电路直接测试结果有较好的一致性，相位一致性误差在10.5°以内。产生的误差是由仪表及接插件校准精确度有限造成的。

3.3 T/R组件接收增益测试结果分析

采用辐射对比法和传导法测得T/R组件电路接收增益结果见图 7，两种测试结果比较，辐射对比法测试结果与T/R组件电路直接测试结果有较好的一致性，误差在0.69 dB以内。产生误差的原因是天线与T/R组件的匹配与天线直接接50 Ω传输线的匹配效果不同。

4 结论

本文针对集成天线的多通道瓦片式T/R组件，由于天线的直接集成，传统传导测试方法不能对T/R组件电路性能指标进行测试的问题，提出了一种辐射对比测试法，并且在微波暗室中对该种测试方法进行了测试验证。验证结果表明，测试结果与T/R组件电路直接测试结果有较好的一致性，幅度误差 < 0.69 dB，相位误差 < 10.5°，能满足在一定工程条件下的应用需求，为研究该种T/R组件的测试问题提供了一种参考。