麻薩諸塞州Lowell是美國(guó)東北部一個(gè)小城，曾以制造紡織品而聞名?，F(xiàn)在，它是Tyco Electronics公司的總部所在地。該公司是一家國(guó)防和航天RF元件和子系統(tǒng)制造商?，F(xiàn)在，Tyco Electronics M/A-COM已不再是Tyco International的子公司，它以Adams-Russell、Phoenix Microwave和Anzac等品牌生產(chǎn)自己的產(chǎn)品，這些品牌都來(lái)自于被Tyco Electronics并購(gòu)的公司。

　　在Lowell總部，工程師設(shè)計(jì)各種形狀和尺寸的天線，最高頻率達(dá)60GHz，這些天線多數(shù)都安裝在飛機(jī)、導(dǎo)彈和武器上。該公司還生產(chǎn)電纜部件。它從原材料開始設(shè)計(jì)自己的電纜產(chǎn)品，并在其廠房?jī)?nèi)制造電纜連接器。

　　該公司的RF元件包括頻率轉(zhuǎn)換器、放大器、倍頻器、混頻器和交換器。其中許多元件用于如現(xiàn)場(chǎng)可更換單元（LRU）和電子戰(zhàn)（EW）系統(tǒng)這類的子系統(tǒng)。Tyco Electronics還生產(chǎn)一種用來(lái)干擾自制爆炸裝置（Improvisational Explosive Devices）無(wú)線電信號(hào)的設(shè)備，用來(lái)保護(hù)伊拉克人的生命。

　　測(cè)試航天和國(guó)防應(yīng)用中的RF元件和系統(tǒng)時(shí)，Tyco Electronics的工程師需要使用多種技術(shù)。他們不僅要檢驗(yàn)高頻信號(hào)的精確性，還必須考慮到預(yù)計(jì)工作環(huán)境下的惡劣條件。Tyco Electronics為航天和國(guó)防部門設(shè)計(jì)產(chǎn)品，這些產(chǎn)品批量不大。對(duì)這些產(chǎn)品而言，幾千件就可以被當(dāng)作是大批量。這些測(cè)試中既包括每項(xiàng)測(cè)試長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)的對(duì)所有單元100%特性的表征測(cè)試，也包括耗時(shí)僅數(shù)秒的簡(jiǎn)單合格/不合格的測(cè)試。

　　天線增益

　　Tyco Electronics的天線用于通信、電子戰(zhàn)和導(dǎo)航系統(tǒng)。它們還被用來(lái)發(fā)送遙測(cè)信號(hào)或接收GPS信號(hào)。對(duì)于新設(shè)計(jì)，需要對(duì)天線所有特性進(jìn)行完全的表征。天線工程經(jīng)理Mark Marden領(lǐng)導(dǎo)一批工程師測(cè)量天線的方向圖（pattern）、增益和電壓駐波比（VSWR）。圖1顯示了兩個(gè)安裝在運(yùn)載火箭上的螺旋天線。天線的直徑?jīng)Q定其頻率范圍。其它形狀的天線有平板形和錐形，但其具體形狀和尺寸差別很大。天線工程師使用六個(gè)室內(nèi)消聲室中的一個(gè)來(lái)表征各種天線。這些天線的尺寸從12立方英尺到60英尺×24英尺×24英尺不等。對(duì)飛機(jī)、航天飛船、導(dǎo)彈和武器上安裝的天線，需要進(jìn)行全球面測(cè)試，而地基天線則只需要進(jìn)行半球面測(cè)試。

　　工程師設(shè)計(jì)了一種方法，可以在消聲室內(nèi)測(cè)量天線360°輻射方向圖。他們將被測(cè)天線相對(duì)于一個(gè)固定天線做360°轉(zhuǎn)動(dòng)。圖2顯示了一個(gè)消聲室的設(shè)備布局，工程師用該消聲室改變被測(cè)天線的方位角和仰角。典型情況下，定位器以0.5°和更小的間隔移動(dòng)被測(cè)天線。雖然在測(cè)試中固定天線的位置不變，但其高度是可調(diào)的，因?yàn)樗惭b在一個(gè)可伸縮的桿上。“被測(cè)天線變成了‘宇宙的中心’”，Marden這樣描述。

　　圖3顯示了一個(gè)在消聲室內(nèi)測(cè)試的錐形天線。由一個(gè)激光瞄準(zhǔn)裝置將被測(cè)天線對(duì)準(zhǔn)固定天線，并在測(cè)試期間保持被測(cè)天線旋轉(zhuǎn)中心的位置不變。圖4顯示了一個(gè)在消聲室內(nèi)的固定喇叭天線。

　　工程師通過(guò)Agilent 網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量電磁場(chǎng)振幅和相位（不是所有用戶都要求進(jìn)行相位測(cè)量）。每個(gè)頻率進(jìn)行約3萬(wàn)次測(cè)量。每次測(cè)試在覆蓋天線頻率范圍的8個(gè)~10個(gè)頻率下進(jìn)行。一次測(cè)試需要進(jìn)行30分鐘~2小時(shí)。測(cè)試的安裝和校準(zhǔn)工作則需要約4個(gè)小時(shí)。

　　在將被測(cè)天線裝到消聲室內(nèi)之前，工程師使用一個(gè)已知增益的天線為基準(zhǔn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)。這樣可以提供一組參考測(cè)量值，工程師可以與此被測(cè)天線的響應(yīng)進(jìn)行比較。

　　天線環(huán)境

　　用于航天和國(guó)防領(lǐng)域的天線需要在很寬的溫度范圍下工作，還必須能耐受沖擊、振動(dòng)和壓力。在使天線經(jīng)受環(huán)境考驗(yàn)之前，工程師先進(jìn)行名為“驗(yàn)收測(cè)試”的基準(zhǔn)測(cè)量。通過(guò)該測(cè)試，可以向用戶證明天線符合規(guī)格要求。然后，將天線置于惡劣環(huán)境下重復(fù)性能測(cè)試，該測(cè)試被稱為“認(rèn)可測(cè)試”。

　　認(rèn)可測(cè)試包括溫度、振動(dòng)和壓力測(cè)試以及高加速壽命測(cè)試。工程師可能同時(shí)設(shè)置天線的多個(gè)環(huán)境條件。在環(huán)境實(shí)驗(yàn)室中，用一個(gè)帶加熱器和LN2（冷卻用）的溫控箱使天線處于±300°F的溫度下。該溫控箱可以放在一個(gè)振動(dòng)臺(tái)上，這樣工程師們就可以使天線同時(shí)經(jīng)受溫度和振動(dòng)了。

　　環(huán)境實(shí)驗(yàn)室還有幾個(gè)熱電偶溫控箱，其中包括一個(gè)溫度沖擊箱。一臺(tái)升降機(jī)可使部件通過(guò)高溫和低溫箱，以產(chǎn)生熱應(yīng)力。還有一個(gè)溫度/高度箱使部件經(jīng)受寬溫度范圍和10萬(wàn)英尺高度的考驗(yàn)。濕度箱則模擬干燥和潮濕的氣候。

　　Marden組的工程師還可以進(jìn)行生產(chǎn)測(cè)試。“用戶對(duì)生產(chǎn)測(cè)試的要求差別很大，” Marden稱。“關(guān)鍵任務(wù)用的天線，如運(yùn)載火箭用的天線，需要對(duì)每個(gè)單元都進(jìn)行100%的方向圖、增益及VSWR測(cè)量。”

　　該公司的許多軍用天線是美國(guó)政府的保密項(xiàng)目，為了保證測(cè)試數(shù)據(jù)的安全，工程師們通常將測(cè)量值保存在一個(gè)帶移動(dòng)硬盤的計(jì)算機(jī)上。該移動(dòng)硬盤保存在保險(xiǎn)箱內(nèi)。

　　電纜問(wèn)題

　　天線負(fù)責(zé)發(fā)送和接收RF信號(hào)，但需要由電纜和連接器將這些信號(hào)發(fā)送給電子設(shè)備。由于Tyco Electronics公司產(chǎn)品的專用性，該公司生產(chǎn)自己的電纜和連接器，然后將其組裝到電纜部件上。

　　“在Lowell我們生產(chǎn)超過(guò)300種電纜，”電纜工程經(jīng)理Herb Pflanz說(shuō)。“我們使用裸線、Teflon、 Kapton和Nomex制造軍用和商用客機(jī)的電纜。”電纜長(zhǎng)度從6英寸到數(shù)百英尺不等。多數(shù)在直流到18GHz頻率范圍內(nèi)工作，但也有些在26.5GHz~50GHz頻率范圍內(nèi)工作。

　　工程師通過(guò)測(cè)量發(fā)送功率、反射功率、VSWR和插入損耗對(duì)電纜進(jìn)行測(cè)試。用戶可能以dB/m或dB/100英尺的形式指定插入損耗值。“在電纜頻率和損耗間必須進(jìn)行折衷。電纜直徑越大，插入損耗就越小，但頻率范圍會(huì)變低，”Pflanz說(shuō)。“由用戶指定電纜損耗、長(zhǎng)度和頻率范圍，然后以此確定電纜直徑。”

　　有時(shí)，用戶要求有一組時(shí)延、插入損耗或相位匹配的電纜。用戶經(jīng)常要求相位匹配誤差在±10°范圍內(nèi)。為了滿足這一要求，Tyco Electronics的工程師設(shè)計(jì)了可達(dá)到最高可能傳播速度的電纜。據(jù)Pflanz稱，典型的電纜傳播速度通常在光速的76%~82%之間。

　　電纜傳播速度對(duì)電纜電氣長(zhǎng)度有影響。“由于傳播速度的不同，12英寸電纜的電氣長(zhǎng)度可能會(huì)跟14英寸電纜的一樣，”Pflanz說(shuō)。圖5展示了兩條長(zhǎng)度相同，但以不同速度傳輸信號(hào)的電纜。這樣就會(huì)使以同一相位進(jìn)入電纜的信號(hào)產(chǎn)生相位差。為了使輸出相位一致，兩條電纜所需的物理長(zhǎng)度會(huì)有所不同。

　　Tyco Electronics有一個(gè)電纜特性數(shù)據(jù)庫(kù)，工程師可利用它來(lái)選取匹配的電纜。在一定的物理長(zhǎng)度下，同批生產(chǎn)的電纜電氣長(zhǎng)度會(huì)基本相同。但是，即使采用相同的材料和工藝制造，不同批生產(chǎn)的電纜傳播速度會(huì)有差異，因此電氣長(zhǎng)度也有所不同。根據(jù)用戶對(duì)電纜的長(zhǎng)度要求，該公司可供應(yīng)長(zhǎng)度不同但電氣長(zhǎng)度匹配的電纜。

　　用戶還可能要求提供振幅平衡電纜。通常這些電纜的插入損耗誤差為±5%，但也可能有更嚴(yán)格的要求。

　　連接

　　Tyco Electronics的工程師還設(shè)計(jì)各種標(biāo)準(zhǔn)和定制的RF連接器。這些連接器在Lowell生產(chǎn)。一些連接器的設(shè)計(jì)很復(fù)雜，包括鍵環(huán)（keying ring）和自鎖機(jī)制，以防止不當(dāng)使用連接器。還有一些則彎曲45°~ 90°。一些連接器還帶有現(xiàn)場(chǎng)可更換端頭。

　　連接器的主要電氣測(cè)量包括峰值功率處理、平均功率和插入損耗。額定平均功率因頻率而異，多數(shù)在50W~500W范圍內(nèi)。不過(guò)某些連接器可用于數(shù)千瓦功率的場(chǎng)合。工程師使用功率測(cè)試儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量這些參數(shù)。

　　連接器和電纜在電子設(shè)備間傳輸各種信號(hào)。Tyco Electronics還制造各種放大器、濾波器、LRU及其它信號(hào)處理設(shè)備。LRU包括模擬元件，如微處理器控制的放大器和頻率轉(zhuǎn)換器。

　　很多RF部件都帶有可調(diào)增益和頻率響應(yīng)等參數(shù)的模擬輸入。LRU中基于微處理器的數(shù)字控制板帶有數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可產(chǎn)生所需電壓。工程師利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量和校準(zhǔn)控制電壓。高級(jí)總工程師Ravi Hans所領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)有八名工程師的小組負(fù)責(zé)開發(fā)用于測(cè)試和校準(zhǔn)RF部件的數(shù)字控制板和測(cè)試系統(tǒng)。

　　Hans小組中的工程師用Agilent 的示波器、邏輯分析儀、電源和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)試控制板。這些工程師開發(fā)了可同時(shí)進(jìn)行數(shù)字和RF測(cè)試的測(cè)試板。通過(guò)采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA），工程師可以針對(duì)每個(gè)數(shù)字控制器設(shè)置一個(gè)測(cè)試板。“我們連接板卡的接口很獨(dú)特，需要有可重新配置的測(cè)試板，”Hans說(shuō)。該測(cè)試板帶有RS-232和USB計(jì)算機(jī)接口，用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和配置。

　　為了使數(shù)字測(cè)試自動(dòng)化，工程師開發(fā)了一個(gè)可重新配置的測(cè)試執(zhí)行程序，該程序使用NI公司的LabWindows/CVI編寫。“我們可以復(fù)用工程評(píng)估代碼，將其轉(zhuǎn)用于生產(chǎn)階段，”Hans接著說(shuō)。

　　Hans小組的工程師還與天線工程師協(xié)作開發(fā)了一種用于干擾自制爆炸裝置（IED）引爆信號(hào)的設(shè)備。工程師設(shè)計(jì)好了軟件和固件，供士兵來(lái)編程設(shè)定該干擾裝置。他們還開發(fā)了RF信號(hào)功率、頻率、頻譜性能直流功耗測(cè)試系統(tǒng)。

　　生產(chǎn)階段

　　總數(shù)為數(shù)百到數(shù)千的RF元件和系統(tǒng)必須經(jīng)過(guò)生產(chǎn)測(cè)試。由測(cè)試工程經(jīng)理Bill Kane負(fù)責(zé)Lowell和San Jose的RF元件生產(chǎn)設(shè)施的生產(chǎn)測(cè)試的開發(fā)工作。

　　在這個(gè)組合設(shè)施中，生產(chǎn)測(cè)試團(tuán)隊(duì)維護(hù)著100多個(gè)測(cè)試系統(tǒng)。這些系統(tǒng)復(fù)雜程度不同，有些是實(shí)現(xiàn)測(cè)試臺(tái)上幾種儀表的自動(dòng)化，而有些則實(shí)現(xiàn)一、二甚至三個(gè)機(jī)柜測(cè)試設(shè)備的自動(dòng)化。這些測(cè)試系統(tǒng)不僅用于測(cè)試無(wú)源元件，還用于測(cè)試多功能部件（MFA），頻率范圍為直流到50GHz。

　　典型情況下，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)可節(jié)省90%的單位循環(huán)時(shí)間。例如，某個(gè)復(fù)雜的電子戰(zhàn)系統(tǒng)手工測(cè)試需要超過(guò)40小時(shí)的時(shí)間，而現(xiàn)在可在三個(gè)溫度下在三小時(shí)內(nèi)完成測(cè)試。此外，這些測(cè)試系統(tǒng)還具有“啟動(dòng)了就不用管”的能力，這樣，一個(gè)操作人員就可以同時(shí)運(yùn)行幾個(gè)測(cè)試，還可以不需要操作員在夜間進(jìn)行測(cè)試。 　　在Tyco Electronics，測(cè)試工程師開發(fā)的系統(tǒng)既有政府資助的也有公司出資的。政府資助的系統(tǒng)專用于測(cè)試特定范圍的一些產(chǎn)品，而公司出資的系統(tǒng)則可用于測(cè)試各種產(chǎn)品。測(cè)試工程師通常會(huì)對(duì)公司出資的系統(tǒng)進(jìn)行重新配置，用最新的設(shè)備和軟件滿足新項(xiàng)目的需求。

　　四個(gè)單機(jī)柜測(cè)試臺(tái)用于測(cè)試三種大功率放大器。由釘床部件將測(cè)試儀電源接到印刷電路板。網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜分析儀和數(shù)字萬(wàn)用表則測(cè)量大多數(shù)參數(shù)。

　　“我們開發(fā)了自動(dòng)測(cè)試站，設(shè)計(jì)工程師則可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試。” Kane說(shuō)。“在開發(fā)產(chǎn)品期間使用自動(dòng)測(cè)試儀。在進(jìn)行設(shè)計(jì)工程階段，我們經(jīng)常編寫他們需要的自動(dòng)化代碼。在隨后的生產(chǎn)中我們會(huì)重復(fù)使用此代碼。”

　　Kane小組的軟件工程師已使用Agilent Vee開發(fā)了一個(gè)測(cè)試功能庫(kù)，他們經(jīng)常使用該庫(kù)測(cè)試新產(chǎn)品。測(cè)試軟件將測(cè)量結(jié)果存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，可為每個(gè)部件生成多達(dá)90頁(yè)的數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)量隨測(cè)試長(zhǎng)度而異。非保密數(shù)據(jù)存在一個(gè)Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中，工程師可以對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出需要數(shù)天測(cè)試才能表現(xiàn)出的趨勢(shì)，以對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)。

　　Tyco Electronics的工程師對(duì)軍事和航天領(lǐng)域所用的天線、元件和系統(tǒng)進(jìn)行廣泛的測(cè)試。“為項(xiàng)目開發(fā)團(tuán)隊(duì)所提供的構(gòu)建室內(nèi)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的能力使開發(fā)周期和成本得到巨大的改善。”該部門質(zhì)量經(jīng)理和運(yùn)營(yíng)執(zhí)行官John說(shuō)。