霍利英，楊利敏，陳 妍

(南京電子技術(shù)研究所， 南京 210039)

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·測(cè)試技術(shù)·

ATS技術(shù)在微波網(wǎng)絡(luò)調(diào)試中的應(yīng)用

霍利英，楊利敏，陳 妍

(南京電子技術(shù)研究所， 南京 210039)

介紹了ATS技術(shù)在微波網(wǎng)絡(luò)調(diào)試工作中的實(shí)際應(yīng)用，給出了硬件組成及軟件實(shí)現(xiàn)方式。復(fù)雜形式的微波網(wǎng)絡(luò)需要通過(guò)大量的調(diào)試工作才能使各項(xiàng)指標(biāo)滿足使用要求。調(diào)試人員需要反復(fù)的更換端口進(jìn)行指標(biāo)調(diào)試和測(cè)試。文中將一種ATS技術(shù)引入微波網(wǎng)絡(luò)調(diào)試系統(tǒng)中，基于GPIB總線、端口擴(kuò)展中樞、控制軟件，實(shí)現(xiàn)微波網(wǎng)絡(luò)調(diào)試工作中測(cè)試自動(dòng)化和輔助調(diào)試。引入ATS技術(shù)后的調(diào)試系統(tǒng)的精度可以達(dá)到：幅度誤差≤0.05 dB，相位誤差≤1°，調(diào)試效率提高約40%。

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng); GPIB總線; 微波網(wǎng)絡(luò); 誤差模型; 輔助調(diào)試

0 引 言

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)在軍事方面的應(yīng)用已有40多年的歷史。 隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，與測(cè)試技術(shù)相關(guān)的理論研究工作也取得了較大的進(jìn)展，從而加速了軍用領(lǐng)域“自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)(automatic test system，ATS)”的 發(fā)展[1]。以微型計(jì)算機(jī)和獨(dú)立操作系統(tǒng)為軟硬件平臺(tái)的ATS開(kāi)始獲得廣泛地使用，從初期的專用接口，最為成功的GPIB接口總線，伴隨著VXI，PXI和新近推出的LXI技術(shù)的發(fā)展，ATS進(jìn)入研制多功能、易組合、可擴(kuò)展的成熟階段。隨著裝備復(fù)雜性的快速增長(zhǎng)，自動(dòng)化的多參數(shù)綜合測(cè)試和診斷系統(tǒng)的需求越來(lái)越旺盛。目前，幾乎每一種重要武器裝備都有相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)研制計(jì)劃，這推動(dòng)了ATS技術(shù)在應(yīng)用層面上、特別是在軍事應(yīng)用上的地位和作用快速提升[2]。

微波網(wǎng)絡(luò)歷來(lái)為雷達(dá)、通信等系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，微波網(wǎng)絡(luò)參數(shù)指標(biāo)的好壞直接影響系統(tǒng)的性能。隨著雷達(dá)性能要求的不斷提高，微波網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度也越來(lái)越高，由于設(shè)計(jì)誤差、加工精度、電路原材料等綜合因素，導(dǎo)致微波網(wǎng)絡(luò)，尤其是由微帶電路實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)，很少能免調(diào)試。越是復(fù)雜的技術(shù)指標(biāo)，調(diào)試工作越是復(fù)雜，往往是需要經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師手動(dòng)開(kāi)展調(diào)試工作，調(diào)試周期長(zhǎng)，工作量大，且流程中夾雜許多重復(fù)操作動(dòng)作。為了解決上述問(wèn)題，本文將一種ATS技術(shù)引入微波網(wǎng)絡(luò)調(diào)試工作中，該技術(shù)的引入不僅降低了微波網(wǎng)絡(luò)調(diào)試工作中的調(diào)試復(fù)雜度，減少了純?nèi)斯な謩?dòng)的工作量，同時(shí)保證了測(cè)試系統(tǒng)的高精度。

1 常規(guī)微波網(wǎng)絡(luò)調(diào)試

常規(guī)的微波網(wǎng)絡(luò)調(diào)試通常由調(diào)試人員手動(dòng)完成。調(diào)試前先是人工對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保調(diào)試系統(tǒng)的精度。對(duì)于復(fù)雜的微波網(wǎng)絡(luò)，往往是幅度和相位加權(quán)賦形，各端口駐波、幅度起伏、幅相誤差等指標(biāo)都需要調(diào)試人員手動(dòng)進(jìn)行調(diào)試，最終將各項(xiàng)指標(biāo)調(diào)整到規(guī)定的范圍內(nèi)，交付驗(yàn)收。

以一個(gè)一分十二路的功率分配饋電網(wǎng)絡(luò)調(diào)試為例，常規(guī)的調(diào)試流程如圖1所示。

圖1 常規(guī)饋電網(wǎng)絡(luò)調(diào)試框圖

由圖1可以看出，其中最少有十幾次的更換端口工作是需要人工重復(fù)操作的，對(duì)于大型的微波網(wǎng)絡(luò)而言，每一個(gè)端口的調(diào)試對(duì)相鄰端口會(huì)產(chǎn)生一定的影響，無(wú)論是進(jìn)行指標(biāo)的檢查，或者是再次修訂，都要反復(fù)進(jìn)行測(cè)試端口的更換，這樣一個(gè)一分十二路的功分器要完成所有指標(biāo)的調(diào)試可能需要重復(fù)更換上百次的端口。其缺點(diǎn)是：連接端口反復(fù)人工換接耗時(shí)耗力，測(cè)試數(shù)據(jù)人工記錄精確度低且差錯(cuò)率高，故障點(diǎn)人工核查效率低下，調(diào)試量越大越復(fù)雜的微波網(wǎng)絡(luò)，缺陷越是明顯。

2 引入ATS技術(shù)的微波網(wǎng)絡(luò)調(diào)試

2.1 引入ATS技術(shù)的調(diào)試平臺(tái)組成

ATS可以提高工作效率、保障產(chǎn)品可靠性，隨著自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，很多射頻組件系統(tǒng)的測(cè)試已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。由于微波網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試工作不同于單純的測(cè)試工作，就工作流程上而言，需要先對(duì)微波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行指標(biāo)的調(diào)試，使用滿足調(diào)試精度的儀表搭建調(diào)試平臺(tái)，運(yùn)用相應(yīng)的射頻調(diào)試技術(shù)(非本文重點(diǎn)，在此不展開(kāi))將微波網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)調(diào)整到合格范圍內(nèi)，再運(yùn)用ATS進(jìn)行指標(biāo)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)提取和計(jì)算的自動(dòng)化。如果在微波組件的調(diào)試階段引入ATS技術(shù)，就需要將相應(yīng)的硬件設(shè)備添加到調(diào)試平臺(tái)中，搭建出新的調(diào)試平臺(tái)，此時(shí)平臺(tái)的精度無(wú)法控制，故目前很少有人在微波網(wǎng)絡(luò)調(diào)試階段使用ATS技術(shù)。

本文在微波網(wǎng)絡(luò)調(diào)試階段引入了ATS技術(shù)的調(diào)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用具有高穩(wěn)定性的端口擴(kuò)展中樞設(shè)備，通過(guò)GPIB總線及相應(yīng)的控制軟件，實(shí)現(xiàn)調(diào)試端口自動(dòng)切換，自動(dòng)數(shù)據(jù)測(cè)試和輔助故障判斷。采用雙端口12項(xiàng)誤差模型進(jìn)行系統(tǒng)誤差的校準(zhǔn)，確保調(diào)試系統(tǒng)的精度。調(diào)試平臺(tái)如圖2所示。

圖2 引入ATS技術(shù)的測(cè)試平臺(tái)框圖

圖2的調(diào)試平臺(tái)中引入了ATS技術(shù)，通過(guò)GPIB總線實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀之間的數(shù)據(jù)通信，從而進(jìn)行儀表的控制和數(shù)據(jù)提取[3]。端口擴(kuò)展中樞將測(cè)試儀表的輸出端口擴(kuò)展，調(diào)試前與被調(diào)試件一一對(duì)接，實(shí)現(xiàn)微波網(wǎng)絡(luò)被調(diào)試端口切換的自動(dòng)化。在進(jìn)行實(shí)際的調(diào)試過(guò)程中，上百次的人工手動(dòng)切換端口將通過(guò)控制開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，在大大提高效率的同時(shí)，減少了微波網(wǎng)絡(luò)射頻端口與測(cè)試電纜間的反復(fù)連接。

端口拓展免除了人工換接，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)保存避免了頻繁校準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集準(zhǔn)確快捷降低了差錯(cuò)率，故障輔助判斷功能減少了人員計(jì)算時(shí)間。幾大優(yōu)點(diǎn)的融合在引入ATS技術(shù)后的調(diào)試系統(tǒng)中得到了體現(xiàn)，對(duì)微波網(wǎng)絡(luò)調(diào)試效率提升(尤其是大型多端口的微波網(wǎng)絡(luò))提供了平臺(tái)。

2.2 調(diào)試流程中具體操作的優(yōu)化

如圖1所示，即使引入了ATS技術(shù)，針對(duì)于同一組件而言，調(diào)試流程并沒(méi)有大的改變，除了調(diào)試平臺(tái)按圖2進(jìn)行連接外，流程中的幾大步驟不能省略，但是具體操作卻被優(yōu)化了。

初始指標(biāo)測(cè)試由ATS中的控制軟件一鍵實(shí)現(xiàn)，不再需要手動(dòng)一一切換；XS2端口到XS13端口的調(diào)試帶來(lái)的上百次的端口切換由ATS中端口擴(kuò)展中樞實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換；調(diào)試后指標(biāo)復(fù)測(cè)也一鍵實(shí)現(xiàn)。引入ATS技術(shù)后一條一分十二路的微波網(wǎng)絡(luò)調(diào)試在操作上就可縮短約1 h，約占整個(gè)調(diào)試時(shí)間的25%。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 調(diào)試平臺(tái)的精度保障

調(diào)試平臺(tái)的誤差校準(zhǔn)是保障測(cè)試精度的重要手段[4]，對(duì)于引入ATS技術(shù)后的調(diào)試系統(tǒng)，因?yàn)橐肓硕丝跀U(kuò)展中樞和相應(yīng)的連接電纜，要保障系統(tǒng)精度有兩個(gè)難點(diǎn)：(1)引入的硬件設(shè)備必須具備高度穩(wěn)定性，以確保校準(zhǔn)后的系統(tǒng)能保持其精度誤差在允許的范圍內(nèi)浮動(dòng)；(2)待校準(zhǔn)的端口數(shù)量增加，工作量增大，且容易出錯(cuò)。

矢網(wǎng)的系統(tǒng)誤差是由儀器的硬件電路性能指標(biāo)不理想所引起的，這些誤差與矢網(wǎng)的信號(hào)泄漏、信號(hào)反射和頻率響應(yīng)有關(guān)，概括起來(lái)有六種類型，即：與信號(hào)泄漏有關(guān)的方向誤差和串?dāng)_誤差、與反射有關(guān)的源失配和負(fù)載阻抗失配誤差、由測(cè)試接收機(jī)內(nèi)部的反射與傳輸跟蹤引起的頻率響應(yīng)誤差。

圖3給出了基于矢網(wǎng)搭建的調(diào)試平臺(tái)系統(tǒng)精度誤差計(jì)算模型，是應(yīng)用最多的雙端口12項(xiàng)誤差模型[5]。雙端口網(wǎng)絡(luò)有4 個(gè)S參數(shù)，需要用反射和傳輸測(cè)量系統(tǒng)將它們同時(shí)測(cè)出。圖3中虛線之間部分為待測(cè)的雙端口網(wǎng)絡(luò)，其S參數(shù)為S11、S21、S12、S22，12 項(xiàng)誤差為:有效方向性誤差ED1、ED2，隔離度誤差EX1、EX2，等效源失配誤差ES1、ES2，等效匹配負(fù)載失配誤差EL1、EL2，傳輸跟蹤誤差ET1、ET2，反射跟蹤誤差ER1、ER2。

圖3 調(diào)試平臺(tái)精度誤差計(jì)算模型

對(duì)于硬件指標(biāo)不完善的系統(tǒng)，可以等效為一個(gè)理想的矢網(wǎng)和測(cè)量參考面直接按插入一個(gè)兩端口的誤差適配器，這個(gè)誤差適配器的參數(shù)即表征矢網(wǎng)所有的系統(tǒng)誤差。因二端口網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)參考面，故需要對(duì)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的正向S參數(shù)和反向S參數(shù)，各配備一個(gè)誤差適配器[6]。

通過(guò)選擇合適的校準(zhǔn)模式、高可靠性的外圍電路，實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)水平，保障系統(tǒng)的測(cè)試精度。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)首先考慮所需硬件的性能指標(biāo)，選用駐波小、插損小、重復(fù)性好、可靠性高的進(jìn)口開(kāi)關(guān)器件及連接電纜，開(kāi)關(guān)次數(shù)可達(dá)1 000 000次，通道間隔離度60 dB以上。

由于機(jī)械校準(zhǔn)件校準(zhǔn)過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)操作者要求很高，因此在校準(zhǔn)件的選擇方面，本系統(tǒng)選用了電子校準(zhǔn)件。電子校準(zhǔn)件(electronic calibration，Ecal) 模塊，其示意如圖4所示，只需一次連接就可以獲得誤差模型的所有誤差項(xiàng)，這個(gè)過(guò)程約1 min，使得矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(vector network analyzers，VNA) 校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和實(shí)時(shí)化(Z1～Z4為內(nèi)部校準(zhǔn)件對(duì)應(yīng)幾種阻抗?fàn)顟B(tài))；其由具有已知值的若干個(gè)反射阻抗?fàn)顟B(tài)和至少一個(gè)傳輸阻抗?fàn)顟B(tài)組成，通過(guò)其他電子開(kāi)關(guān)將校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)連接到VNA的測(cè)試端口，其中反射阻抗為開(kāi)路器、短路器、負(fù)載等，傳輸阻抗為直通傳輸線；它由微帶傳輸線來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)同軸微帶轉(zhuǎn)換器輸出，其內(nèi)部包含控制電路、多狀態(tài)阻抗網(wǎng)絡(luò)以及含有表征電子校準(zhǔn)模塊特征的非易失存儲(chǔ)器，從而形成校準(zhǔn)時(shí)的自動(dòng)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)(automatic test network，ATTN )。

圖4 Ecal模塊原理示意框圖

軟件控制部分增加了校準(zhǔn)指示和校準(zhǔn)文件定點(diǎn)存放功能，保證校準(zhǔn)準(zhǔn)確無(wú)誤，且可適時(shí)調(diào)用。系統(tǒng)設(shè)置了校準(zhǔn)驗(yàn)證功能，用于每天開(kāi)機(jī)后檢驗(yàn)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)是否失效，同時(shí)還提供了支持電子校準(zhǔn)件的功能。在校準(zhǔn)模式上選擇“全二端口校準(zhǔn)”：即對(duì)雙端口器件的傳輸和反射測(cè)量，能夠修正正反兩向的方向性、源匹配、負(fù)載匹配、隔離和頻響誤差。給出最高的幅值和相位精度。該校準(zhǔn)模式是目前經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的保障最高測(cè)試精度的模式[7]。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)精度要求為，測(cè)試準(zhǔn)確度：±0.3 dB；測(cè)試重復(fù)性：±0.1dB；后經(jīng)測(cè)試本系統(tǒng)測(cè)試準(zhǔn)確度：±0.27 dB；測(cè)試重復(fù)性：±0.1 dB；本系統(tǒng)已應(yīng)用到實(shí)際的微波網(wǎng)絡(luò)調(diào)試驗(yàn)收工作中，與常規(guī)測(cè)試方法所得結(jié)果高度吻合。

3.2 輔助故障判斷功能

純粹的將手動(dòng)更換調(diào)試通道轉(zhuǎn)為自動(dòng)切換并不是本系統(tǒng)最大的亮點(diǎn)，本系統(tǒng)在軟件上增加了故障輔助判斷功能。以幅度調(diào)試為例，當(dāng)幅度起伏超過(guò)一定的界限時(shí)，通常視為有故障需要調(diào)試。這樣的工作是需要調(diào)試人員借助儀表曲線進(jìn)行人為判斷，并換算調(diào)節(jié)量進(jìn)行調(diào)試。在本系統(tǒng)中，借助于軟件，通過(guò)設(shè)置上下限的功能，對(duì)于超出指標(biāo)界限的端口報(bào)紅，從而給出提示，并在下方給出調(diào)節(jié)量建議。

圖5為本軟件使用過(guò)程中的輔助故障判斷界面，當(dāng)指標(biāo)有超標(biāo)需要調(diào)整時(shí)，相應(yīng)的端口做出報(bào)紅提醒。此功能是將部分人為判斷轉(zhuǎn)換為電腦判斷，借助成圖軟件適時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，輔助故障判斷功能大大提高了調(diào)試人員查找故障的速度，配合的調(diào)節(jié)量數(shù)據(jù)，減少了調(diào)試人員自行計(jì)算的時(shí)間，從而改善了調(diào)試的工作強(qiáng)度。

圖5 輔助故障判斷軟件界面示意圖

引入ATS技術(shù)后，使得智能化的調(diào)試工作逐步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，在提高調(diào)試效率的同時(shí)大大降低了調(diào)試對(duì)微波網(wǎng)絡(luò)的磨損，饋電網(wǎng)絡(luò)的可靠性和使用壽命得到有效的保障。

4 結(jié)束語(yǔ)

智能化、自動(dòng)化是未來(lái)微波網(wǎng)絡(luò)調(diào)試工作的必然趨勢(shì)，ATS技術(shù)在微波組件調(diào)試平臺(tái)中的引入，大大提升了調(diào)試效率，已在實(shí)際的產(chǎn)品項(xiàng)目中得到應(yīng)用。選擇適當(dāng)?shù)亩丝跀U(kuò)展中樞，可以將相應(yīng)的功能擴(kuò)展推廣到相似的各種饋電網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試工作中，為大型多端口網(wǎng)絡(luò)智能化調(diào)試提供了很好發(fā)展平臺(tái)。在測(cè)試自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，將繁雜的調(diào)試工作逐步推向智能化、自動(dòng)化，成為提升裝備產(chǎn)能的倍增器。

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霍利英 女，1977年生，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槲⒉ňW(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、微波測(cè)量技術(shù)。

楊利敏 女，1976年生，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)樽詣?dòng)測(cè)試系統(tǒng)研發(fā)技術(shù)。

陳 妍 女，1983年生，助理工程師。研究方向?yàn)槲⒉ňW(wǎng)絡(luò)測(cè)試。

Application of ATS Technology in Microwave Network Debugging

HUO Liying，YANG Limin，CHEN Yan

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)

This paper introduces the actual application of ATS technology in the microwave network debugging, gives the hardware composition and software implementation. The microwave network complex form required by a large number of debugging work to make the indicators meet the requirements. The debugging personnel need to index the debugging and testing repeatedly replacing port. A kind of ATS technology is introduced to the microwave network debugging system. Based on GPIB bus, signal transmission center and the corresponding control software to realize the purpose of automation testing and auxiliary debugging. Introduced the system debugging of ATS technology of accuracy can be achieved: amplitude error is less than or equal to 0.05 dB, the phase error is less than 1 degrees, the debugging efficiency is increased by 40%.

automatic test system; GPIB bus; microwave network; error model; auxiliary debugging

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.10.018

霍利英 Email：2612408@qq.com

2015-06-28

2015-09-18

TP274.5; TN385

A

1004-7859(2015)10-0073-04