从射频到比特：下一代有源电子扫描阵列的测试需求演进

本文中，探讨有源电子扫描阵列（AESA）及其收发模块（TRM）的开发与测试。分析了从模拟TRM向数字TRM（DTRM）的技术演进，并重点阐述了测试这些组件时面临的挑战与取得的突破。这不仅揭示了现代雷达技术实现高性能的路径，更突显了确保系统可靠性和运行效率所需的精密测试体系。

图1 - 可见TRM天线单元的AESA阵列

AESA与TRM技术演进
早期扫描相控阵采用单一发射器和接收器，通过移相器连接所有天线单元。而现代有源电子扫描阵列（AESA）则使用大量固态收发模块（TRM），每个TRM直接连接一个天线单元。图1展示了一种已部署的AESA阵列实例，其表面可见排列的TRM天线单元。

技术突破驱动架构革新
采用TRM重新架构AESA的可行性源于20世纪80年代半导体技术的进步，包括用于发射功率放大的MESFET（金属半导体场效应晶体管）和JFET（结型场效应晶体管），以及用于低噪声接收放大的砷化镓（GaAs）技术。随着时间推移，TRM的尺寸、成本与功耗持续降低，为未来商业化应用奠定了基础。

雷达波束宽度与阵列尺寸及TRM数量的关系
雷达系统性能的核心指标之一是天线波束宽度。假设TRM驱动的天线单元为半波偶极子，其发射能量将分散在78度的波束宽度范围内，接收性能类似。虽然这种宽波束足以粗略检测飞机等目标，但其宽覆盖范围会导致雷达回波同时包含目标信号与杂波干扰（如其他飞机、植被等）。更高性能系统需更窄的波束宽度。

通过增加TRM数量扩展AESA阵列尺寸，既可缩小波束宽度，又能提升增益。具体而言：

波束宽度与阵列尺寸成反比
增益与阵列尺寸成正比
因此，TRM数量越多的大型阵列性能越优，能够在更远距离精确锁定单一目标并抑制杂波干扰。然而，实际应用中需权衡雷达性能提升与物理空间限制（如安装平台尺寸）及TRM规模化成本（含测试成本）之间的矛盾。

TRM的功能定义与类型
TRM在雷达系统中承担多项关键功能：

发射端高功率放大（HPA）
接收端低噪声放大（LNA）
数字控制移相（实现AESA波束指向调节）
数字控制衰减（设定TRM功率等级）
图2展示了模拟TRM的高层模块框图。

图2 - 模拟TRM模块框图

数字TRM（DTRM）的技术革新
新型数字收发模块（DTRM）从雷达系统接收数字信号，并在接收端将信号重新转换为数字形式。此类模块通常采用先进的“直接采样”技术，将接收的射频（RF）信号尽可能靠近天线端进行数字化转换，从而直接在DTRM内部完成雷达信号处理。

图3展示了两个集成天线的DTRM高层模块框图。

图3 - AESA系统中两个DTRM的模块框图

DTRM配置AESA的技术优势与挑战
采用数字TRM（DTRM）的AESA系统具备模块轻量化与小型化的优势，这得益于数字电路对模拟电路的替代。然而，DTRM的演进也带来了新的挑战，其中最核心的是如何在研发、验证及生产测试阶段实现从“射频到比特”（RF to Bits）的全面测试。

TRM测试的核心需求是什么？
自模拟TRM问世以来，其测试通常依赖矢量网络分析仪（VNA）、信号发生器（VSG）和信号分析仪（VSA）组成的系统。根据DTRM所处的开发/验证/生产阶段，这些仪器可提取不同层级的测量数据以支持测试目标：

VNA：提供小信号S参数测量（如增益、输入/输出匹配），并支持通过多种发射/接收增益与相位设置校准TRM。部分VNA还可进行脉冲测量，适用于无法100%占空比工作的功率放大器（PA）半导体器件测试。
VSG与VSA协同：通过可定制波形激励TRM并测量输出信号，支持噪声系数（NF）、邻道功率（ACP）、误差矢量幅度（EVM）、三阶交调截点（TOI）、功率附加效率（PAE）等关键指标测试。

DTRM测试的范式转变
如前述，DTRM不再保留模拟输入/输出接口，传统仪器效用有限。因此，需匹配DTRM混合信号特性的新测试方案，其能力需对标传统VNA、VSG和VSA的测量功能。

DTRM的新型测量方法
从模拟TRM到DTRM的核心变化在于：雷达系统与TRM间通过数字串行/并行端口替代传统射频端口。尽管仍需类似传统参数的测量，但需新的数字信号仿真手段：

数字输入/射频输出测量：向DTRM输入数字数据以激活特定射频频率/相位/幅度输出，并通过状态切换构建类似VNA S21参数的扫描测量。
射频输入/数字输出测量：向DTRM输入特定射频信号并切换状态，实现类似VNA S12参数的扫描测量。输出匹配（S22）仍可采用传统射频技术测量。
发射与接收性能仿真：

发射端：通过数字数据输入结合VSA射频测量，构建功率、ACP、EVM、TOI、PAE等传统TX参数等效测试；
接收端：结合射频信号输入与数字端数据测量，实现误码率（BER/BLER）、噪声系数（NF）等RX参数测试。

PXI平台赋能DTRM测试的价值
模块化测试方案允许在单一机箱内配置多功能仪器，满足DTRM数字+射频混合信号的测试需求。通过串行/并行数据模块与射频模块的组合，辅以连续波（CW）及脉冲电源模块，可构建紧凑型解决方案，精准匹配DTRM测试场景。

PXI：模块化测试的行业标杆
仪器用PCI扩展（PXI）是市场领先的模块化测试平台，提供丰富的DTRM测试模块。NI（现为艾默生旗下公司）于1997年推出PXI标准，并持续开发符合行业需求的模块化仪器。针对DTRM测试的核心模块包括：

矢量信号收发器（VST）模块：集成VSG与VSA功能，支持高密度射频测量；
新一代VNA模块：单端口即可完成VST与VNA联合测量；
源测量单元（SMU）模块：为被测系统（SUT）提供连续波与脉冲电源；
基于PXI背板的精密时序同步：确保机箱内所有模块严格同步。

PXIe-5842 VST：高性能测试利器
新型PXIe-5842 VST仪器支持30 MHz至26.5/54 GHz的射频测量，可选2 GHz或4 GHz瞬时带宽（IBW），超越现代雷达典型带宽需求。其内置测量算法可快速实现NF、ACP、EVM、TOI、PAE等参数的自定义测试，显著提升测试效率。

选配PXIe-5633模块后，可按需测量DTRM的输出匹配（S22）参数。

结合NI其他PXI模块（如高速串行接口（HSS）、数字控制及电源模块），可构建独特的单机箱解决方案，精准适配混合信号数字/射频DTRM的复杂测试需求。

现代基于AESA架构的雷达系统通过部署大量TRM模块，以窄波束宽度和高增益实现卓越性能。在AESA阵列中，每个TRM模块均需经过研发测试、设计验证及生产测试，以确保其设计性能达标，并在实战中稳定可靠。

测试方案的代际演进
传统模拟TRM的测试依赖于矢量网络分析仪（VNA）、信号发生器（VSG）和信号分析仪（VSA）的组合，而新型数字TRM（DTRM）需具备射频测量与数字数据同步收发的进阶能力。

NI PXI平台的综合优势
NI的PXI仪器组合凭借独特优势，能够全面满足DTRM的测试需求。用户可通过灵活配置VST（矢量信号收发器）、HSS（高速串行）模块化仪器，结合电源与VNA（矢量网络分析仪），构建定制化混合信号测试系统，精准匹配整体测试目标。