本文中，探討有源電子掃描陣列（AESA）及其收發(fā)模塊（TRM）的開發(fā)與測試。分析了從模擬TRM向數(shù)字TRM（DTRM）的技術(shù)演進(jìn)，并重點闡述了測試這些組件時面臨的挑戰(zhàn)與取得的突破。這不僅揭示了現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)實現(xiàn)高性能的路徑，更突顯了確保系統(tǒng)可靠性和運行效率所需的精密測試體系。

圖1 - 可見TRM天線單元的AESA陣列

AESA與TRM技術(shù)演進(jìn)
早期掃描相控陣采用單一發(fā)射器和接收器，通過移相器連接所有天線單元。而現(xiàn)代有源電子掃描陣列（AESA）則使用大量固態(tài)收發(fā)模塊（TRM），每個TRM直接連接一個天線單元。圖1展示了一種已部署的AESA陣列實例，其表面可見排列的TRM天線單元。

技術(shù)突破驅(qū)動架構(gòu)革新
采用TRM重新架構(gòu)AESA的可行性源于20世紀(jì)80年代半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，包括用于發(fā)射功率放大的MESFET（金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）和JFET（結(jié)型場效應(yīng)晶體管），以及用于低噪聲接收放大的砷化鎵（GaAs）技術(shù)。隨著時間推移，TRM的尺寸、成本與功耗持續(xù)降低，為未來商業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

雷達(dá)波束寬度與陣列尺寸及TRM數(shù)量的關(guān)系
雷達(dá)系統(tǒng)性能的核心指標(biāo)之一是天線波束寬度。假設(shè)TRM驅(qū)動的天線單元為半波偶極子，其發(fā)射能量將分散在78度的波束寬度范圍內(nèi)，接收性能類似。雖然這種寬波束足以粗略檢測飛機等目標(biāo)，但其寬覆蓋范圍會導(dǎo)致雷達(dá)回波同時包含目標(biāo)信號與雜波干擾（如其他飛機、植被等）。更高性能系統(tǒng)需更窄的波束寬度。

通過增加TRM數(shù)量擴展AESA陣列尺寸，既可縮小波束寬度，又能提升增益。具體而言：

• 波束寬度與陣列尺寸成反比

• 增益與陣列尺寸成正比
  因此，TRM數(shù)量越多的大型陣列性能越優(yōu)，能夠在更遠(yuǎn)距離精確鎖定單一目標(biāo)并抑制雜波干擾。然而，實際應(yīng)用中需權(quán)衡雷達(dá)性能提升與物理空間限制（如安裝平臺尺寸）及TRM規(guī)?；杀荆ê瑴y試成本）之間的矛盾。

TRM的功能定義與類型
TRM在雷達(dá)系統(tǒng)中承擔(dān)多項關(guān)鍵功能：

• 發(fā)射端高功率放大（HPA）

• 接收端低噪聲放大（LNA）

• 數(shù)字控制移相（實現(xiàn)AESA波束指向調(diào)節(jié)）

• 數(shù)字控制衰減（設(shè)定TRM功率等級）
  圖2展示了模擬TRM的高層模塊框圖。

圖2 - 模擬TRM模塊框圖

數(shù)字TRM（DTRM）的技術(shù)革新
新型數(shù)字收發(fā)模塊（DTRM）從雷達(dá)系統(tǒng)接收數(shù)字信號，并在接收端將信號重新轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。此類模塊通常采用先進(jìn)的“直接采樣”技術(shù)，將接收的射頻（RF）信號盡可能靠近天線端進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，從而直接在DTRM內(nèi)部完成雷達(dá)信號處理。

圖3展示了兩個集成天線的DTRM高層模塊框圖。

圖3 - AESA系統(tǒng)中兩個DTRM的模塊框圖

DTRM配置AESA的技術(shù)優(yōu)勢與挑戰(zhàn)
采用數(shù)字TRM（DTRM）的AESA系統(tǒng)具備模塊輕量化與小型化的優(yōu)勢，這得益于數(shù)字電路對模擬電路的替代。然而，DTRM的演進(jìn)也帶來了新的挑戰(zhàn)，其中最核心的是如何在研發(fā)、驗證及生產(chǎn)測試階段實現(xiàn)從“射頻到比特”（RF to Bits）的全面測試。

TRM測試的核心需求是什么？
自模擬TRM問世以來，其測試通常依賴矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）、信號發(fā)生器（VSG）和信號分析儀（VSA）組成的系統(tǒng)。根據(jù)DTRM所處的開發(fā)/驗證/生產(chǎn)階段，這些儀器可提取不同層級的測量數(shù)據(jù)以支持測試目標(biāo)：

• VNA：提供小信號S參數(shù)測量（如增益、輸入/輸出匹配），并支持通過多種發(fā)射/接收增益與相位設(shè)置校準(zhǔn)TRM。部分VNA還可進(jìn)行脈沖測量，適用于無法100%占空比工作的功率放大器（PA）半導(dǎo)體器件測試。

• VSG與VSA協(xié)同：通過可定制波形激勵TRM并測量輸出信號，支持噪聲系數(shù)（NF）、鄰道功率（ACP）、誤差矢量幅度（EVM）、三階交調(diào)截點（TOI）、功率附加效率（PAE）等關(guān)鍵指標(biāo)測試。

DTRM測試的范式轉(zhuǎn)變
如前述，DTRM不再保留模擬輸入/輸出接口，傳統(tǒng)儀器效用有限。因此，需匹配DTRM混合信號特性的新測試方案，其能力需對標(biāo)傳統(tǒng)VNA、VSG和VSA的測量功能。

DTRM的新型測量方法
從模擬TRM到DTRM的核心變化在于：雷達(dá)系統(tǒng)與TRM間通過數(shù)字串行/并行端口替代傳統(tǒng)射頻端口。盡管仍需類似傳統(tǒng)參數(shù)的測量，但需新的數(shù)字信號仿真手段：

• 數(shù)字輸入/射頻輸出測量：向DTRM輸入數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)以激活特定射頻頻率/相位/幅度輸出，并通過狀態(tài)切換構(gòu)建類似VNA S21參數(shù)的掃描測量。

• 射頻輸入/數(shù)字輸出測量：向DTRM輸入特定射頻信號并切換狀態(tài)，實現(xiàn)類似VNA S12參數(shù)的掃描測量。輸出匹配（S22）仍可采用傳統(tǒng)射頻技術(shù)測量。

• 發(fā)射與接收性能仿真：

• 發(fā)射端：通過數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸入結(jié)合VSA射頻測量，構(gòu)建功率、ACP、EVM、TOI、PAE等傳統(tǒng)TX參數(shù)等效測試；

• 接收端：結(jié)合射頻信號輸入與數(shù)字端數(shù)據(jù)測量，實現(xiàn)誤碼率（BER/BLER）、噪聲系數(shù)（NF）等RX參數(shù)測試。

PXI平臺賦能DTRM測試的價值
模塊化測試方案允許在單一機箱內(nèi)配置多功能儀器，滿足DTRM數(shù)字+射頻混合信號的測試需求。通過串行/并行數(shù)據(jù)模塊與射頻模塊的組合，輔以連續(xù)波（CW）及脈沖電源模塊，可構(gòu)建緊湊型解決方案，精準(zhǔn)匹配DTRM測試場景。

PXI：模塊化測試的行業(yè)標(biāo)桿
儀器用PCI擴展（PXI）是市場領(lǐng)先的模塊化測試平臺，提供豐富的DTRM測試模塊。NI（現(xiàn)為艾默生旗下公司）于1997年推出PXI標(biāo)準(zhǔn)，并持續(xù)開發(fā)符合行業(yè)需求的模塊化儀器。針對DTRM測試的核心模塊包括：

• 矢量信號收發(fā)器（VST）模塊：集成VSG與VSA功能，支持高密度射頻測量；

• 新一代VNA模塊：單端口即可完成VST與VNA聯(lián)合測量；

• 源測量單元（SMU）模塊：為被測系統(tǒng)（SUT）提供連續(xù)波與脈沖電源；

• 基于PXI背板的精密時序同步：確保機箱內(nèi)所有模塊嚴(yán)格同步。

PXIe-5842 VST：高性能測試?yán)?/span>
新型PXIe-5842 VST儀器支持30 MHz至26.5/54 GHz的射頻測量，可選2 GHz或4 GHz瞬時帶寬（IBW），超越現(xiàn)代雷達(dá)典型帶寬需求。其內(nèi)置測量算法可快速實現(xiàn)NF、ACP、EVM、TOI、PAE等參數(shù)的自定義測試，顯著提升測試效率。

選配PXIe-5633模塊后，可按需測量DTRM的輸出匹配（S22）參數(shù)。

結(jié)合NI其他PXI模塊（如高速串行接口（HSS）、數(shù)字控制及電源模塊），可構(gòu)建獨特的單機箱解決方案，精準(zhǔn)適配混合信號數(shù)字/射頻DTRM的復(fù)雜測試需求。

現(xiàn)代基于AESA架構(gòu)的雷達(dá)系統(tǒng)通過部署大量TRM模塊，以窄波束寬度和高增益實現(xiàn)卓越性能。在AESA陣列中，每個TRM模塊均需經(jīng)過研發(fā)測試、設(shè)計驗證及生產(chǎn)測試，以確保其設(shè)計性能達(dá)標(biāo)，并在實戰(zhàn)中穩(wěn)定可靠。

測試方案的代際演進(jìn)
傳統(tǒng)模擬TRM的測試依賴于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）、信號發(fā)生器（VSG）和信號分析儀（VSA）的組合，而新型數(shù)字TRM（DTRM）需具備射頻測量與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)同步收發(fā)的進(jìn)階能力。

NI PXI平臺的綜合優(yōu)勢
NI的PXI儀器組合憑借獨特優(yōu)勢，能夠全面滿足DTRM的測試需求。用戶可通過靈活配置VST（矢量信號收發(fā)器）、HSS（高速串行）模塊化儀器，結(jié)合電源與VNA（矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀），構(gòu)建定制化混合信號測試系統(tǒng)，精準(zhǔn)匹配整體測試目標(biāo)。