張 萍,毛立勇,馬藝薇,鄭涵之

(中國人民解放軍96963 部隊(duì),北京 100192)

1 引言

S 參數(shù)即散射參數(shù)是射頻微波器件的基本表征參數(shù)。通過將微波器件或設(shè)備等效為一個輸入-輸出關(guān)系的網(wǎng)絡(luò),得到表征微波網(wǎng)絡(luò)特性的參數(shù),可以用來表示端口器件的射頻小信號傳輸特性和散射特性,這些參數(shù)包含有模值和相位信息[1,2]。在無線電計(jì)量校準(zhǔn)過程中,涉及到大量的射頻微波參數(shù),如功率、衰減、相位等,這些參數(shù)都和系統(tǒng)中各部分的阻抗匹配相關(guān),其測量準(zhǔn)確度受到微波阻抗或S 參數(shù)的測量準(zhǔn)確度的直接影響。而且隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,微波器件向著小型化、集成化、性能更加先進(jìn)等方向發(fā)展,對微波S 參數(shù)測量的準(zhǔn)確性提出了越來越高的要求[1,3,4]。

為了保證計(jì)量校準(zhǔn)中量值的準(zhǔn)確一致和可靠,測量S 參數(shù)時通常使用高性能的網(wǎng)絡(luò)分析儀建立S參數(shù)測量系統(tǒng)。目前大多數(shù)計(jì)量機(jī)構(gòu)仍沿用手動校準(zhǔn)方式,在日漸信息化的計(jì)量工作中,手動方式已不能滿足信息化、標(biāo)準(zhǔn)化的要求,并且被測器件的種類、端口、接口形式、技術(shù)參數(shù)復(fù)雜多樣,測試時需要處理大量直接或間接數(shù)據(jù)[5]。

因此,為了提高S 參數(shù)的測量準(zhǔn)確性和效率,本文設(shè)計(jì)開發(fā)了適用于S 參數(shù)測量系統(tǒng)的自動化校準(zhǔn)軟件,通過創(chuàng)建一個功能強(qiáng)大、方便快捷的計(jì)量管理數(shù)據(jù)庫,應(yīng)用其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲與處理能力,實(shí)現(xiàn)對多種微波器件S 參數(shù)的高效快速自動測量。S 參數(shù)自動校準(zhǔn)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)從測試到數(shù)據(jù)處理再到校準(zhǔn)證書的自動化流程,提高測試效率,減小人為測量誤差,提高測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度,確保微波S 參數(shù)量值傳遞的準(zhǔn)確可靠,使測試過程便捷。

2 S 參數(shù)測量系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

S 參數(shù)測量系統(tǒng)主要用于測試微波器件和設(shè)備的反射參數(shù)S11,S22和傳輸參數(shù)S12,S21等。這些被測器件和設(shè)備,按照端口形式分類,可分為單端口、雙端口、三端口及多端口,又根據(jù)常用的接口形式可分為N 型,3.5mm,2.92mm 和2.4mm 等[6,7]。

S 參數(shù)測量系統(tǒng)主要由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、配套校準(zhǔn)件、測試線纜和轉(zhuǎn)接件以及被測件等組成。一般情況下,在系統(tǒng)進(jìn)行測試前,需要使用相應(yīng)的校準(zhǔn)件對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行校準(zhǔn),然后再使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對被測件開展校準(zhǔn)和測試工作[8,9]。本文依據(jù)校準(zhǔn)件和被測件的接口形式對微波器件的S參數(shù)進(jìn)行自動化測量系統(tǒng)設(shè)計(jì),分為反射參數(shù)測試和傳輸參數(shù)測試。

2.1.1 反射參數(shù)測試

測量單端口或多端口器件的反射參數(shù)(包括S11、S22等)時,若被測件為單端口形式,則被測件需要根據(jù)不同接口形式連接至已校準(zhǔn)的對應(yīng)接口的S 參數(shù)測量系統(tǒng)。若被測件為雙端口或多端口,則將被測端口連接至該測量系統(tǒng),其余端口接入相應(yīng)匹配負(fù)載(減小傳輸反射的影響),以保證測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性[10]。單端口和雙端口形式的被測件反射參數(shù)的測試連接如圖1 和圖2所示。

圖1 單端口器件的反射參數(shù)測試框圖Fig.1 Block diagram of reflection parameter test of single-port device

圖2 雙端口器件的反射參數(shù)測試框圖Fig.2 Block diagram of reflection parameter test of dual-port device

2.1.2 傳輸參數(shù)測試

測量雙端口或多端口的器件的傳輸參數(shù)時,先將測量系統(tǒng)的輸入和輸出接口通過電纜進(jìn)行直通校準(zhǔn),然后將被測端口按照接口形式連接至對應(yīng)的S 參數(shù)測量系統(tǒng)內(nèi),并將其它端口匹配相應(yīng)負(fù)載,以保證測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性[10,11]。雙端口器件的傳輸參數(shù)測試連接如圖3 所示。

圖3 雙端口器件的傳輸參數(shù)測試框圖Fig.3 Block diagram of transmission parameter test for dual-port device

2.2 S 參數(shù)自動校準(zhǔn)測試必要性

對于掌握計(jì)量技術(shù)的專業(yè)人員按照規(guī)定操作,進(jìn)行S 參數(shù)校準(zhǔn)測試,通?？梢垣@得精準(zhǔn)的測量結(jié)果。但是,微波器件型號和類型非常多,包括微波連接器、電纜、濾波器、功分器、衰減器、耦合器、天線、功率探頭等,由缺乏經(jīng)驗(yàn)的人員進(jìn)行計(jì)量測試操作,可能導(dǎo)致測量結(jié)果不滿足要求。

因此,為了實(shí)現(xiàn)微波器件的S 參數(shù)準(zhǔn)確高效測量,設(shè)計(jì)了S 參數(shù)自動校準(zhǔn)測試軟件,建立了S 參數(shù)自動化測量系統(tǒng),其組成如圖4 所示。對多種類的端口、接口、參數(shù)等微波器件進(jìn)行分類,建立了計(jì)量數(shù)據(jù)庫,能夠?qū)崿F(xiàn)S 參數(shù)的自動化校準(zhǔn)、測量不確定度分析等功能,有效地提高了計(jì)量校準(zhǔn)的自動化水平,減少測試人員的工作強(qiáng)度和人為操作失誤,提高工作效率[12,13]。

圖4 S 參數(shù)自動化測量系統(tǒng)組成示意圖Fig.4 Composition diagram of S-parameter automatic measurement system

3 S 參數(shù)自動校準(zhǔn)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體設(shè)計(jì)思路

針對S 參數(shù)自動化測量系統(tǒng),需要對選用的網(wǎng)絡(luò)分析儀(選用E5080B 型號)進(jìn)行程控操作,通過軟件實(shí)現(xiàn)以下功能:

1)網(wǎng)絡(luò)分析儀的自動校準(zhǔn)和測試;

2)完成不同類型微波器件的S 參數(shù)測試;

3)測量不確定度分析;

4)生成證書報(bào)告;

5)人機(jī)交互界面友好。

根據(jù)以上S 參數(shù)自動化測量系統(tǒng)功能要求,本文選用C#語言并基于VS 軟件平臺進(jìn)行開發(fā),按照分層設(shè)計(jì)和模塊化的設(shè)計(jì)思路,將自動校準(zhǔn)軟件整體分為4 個部分,分別為儀器管理、測試控制、畫面顯示、數(shù)據(jù)保存。

3.2 軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.2.1 界面設(shè)計(jì)

S 參數(shù)測量系統(tǒng)的自動校準(zhǔn)軟件界面設(shè)計(jì)包含軟件主界面、儀器設(shè)備配置信息界面、測試項(xiàng)目配置界面、自動校準(zhǔn)測試界面以及證書報(bào)告生成界面5 部分。

儀器設(shè)備配置界面包含標(biāo)準(zhǔn)儀器信息和被測設(shè)備信息,將多種微波器件和設(shè)備根據(jù)其廠家、型號、序列號等進(jìn)行區(qū)分,建立儀器設(shè)備信息庫。并能夠?qū)ψC書報(bào)告中所有客戶信息、被檢儀器信息、標(biāo)準(zhǔn)儀器信息、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備儀器指令信息、不確定度分析、依據(jù)規(guī)程文件等配置,以及對報(bào)告類型(測試、校準(zhǔn))的選擇、環(huán)境條件進(jìn)行配置,為后續(xù)的證書報(bào)告生成提供信息依據(jù)。

在測試項(xiàng)目配置界面,測試人員根據(jù)需要選擇測試項(xiàng)目,并提供可修改與新建測試數(shù)據(jù)模板功能,以實(shí)現(xiàn)特殊測試項(xiàng)目或特定測試點(diǎn)的測試。

校準(zhǔn)測試界面設(shè)計(jì)了測試項(xiàng)目的單點(diǎn)復(fù)測、單項(xiàng)復(fù)測和任意項(xiàng)復(fù)測功能。在測試過程中支持選擇開始、暫停和重新測試功能,非常直觀地顯示實(shí)時測試數(shù)據(jù)并自動生成數(shù)據(jù)圖形如圖5 所示。

圖5 S 參數(shù)自動化校準(zhǔn)軟件測試界面圖Fig.5 Test interface diagram of S-parameter automatic calibration software

證書報(bào)告生成界面支持測試的環(huán)境狀態(tài)和報(bào)告的基本信息配置,在軟件安裝根目錄里設(shè)計(jì)了模板庫,用戶根據(jù)需要可自行修改或添加WORD 格式的模板(原始記錄、校準(zhǔn)證書、測試報(bào)告),一鍵點(diǎn)擊“生成報(bào)告”即可快速生成證書報(bào)告。

3.2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

針對S 參數(shù)測量系統(tǒng)中主標(biāo)準(zhǔn)器和被測器件類型多、參數(shù)多、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)多等特點(diǎn),建立由SQL 數(shù)據(jù)庫+Excel 文件聯(lián)合組成的核心數(shù)據(jù)庫。SQL 數(shù)據(jù)庫選用Access 數(shù)據(jù)庫軟件,具有與C#聯(lián)調(diào)方便且兼容性好的優(yōu)點(diǎn)[14,15]。

SQL 數(shù)據(jù)庫設(shè)立網(wǎng)絡(luò)分析儀信息庫和被測儀器信息庫,其中網(wǎng)絡(luò)分析儀信息庫用于存放網(wǎng)絡(luò)分析儀的儀器信息,選定序列號為主鍵。被測儀器信息庫用于存放被測儀器的信息,選定序列號為主鍵,同時在此數(shù)據(jù)庫中登記器件端口的類型和數(shù)量,開始測試時,將調(diào)用被測儀器的端口數(shù)量與端口類型來進(jìn)行相應(yīng)的提示。

考慮在測量系統(tǒng)中主標(biāo)準(zhǔn)器、校準(zhǔn)件校準(zhǔn)參數(shù)多元化、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)離散化的特點(diǎn),還使用了Excel 表格文件存儲相關(guān)數(shù)據(jù),相對于采用TXT 或其他格式的文件,Excel 文件將不同的參數(shù)放入不同的表中,能夠方便用戶閱讀,同時C#自帶的Office 文件處理接口函數(shù)可快速讀取表格文件,在測試時靈活導(dǎo)入校準(zhǔn)數(shù)據(jù),也方便校準(zhǔn)數(shù)據(jù)在測量系統(tǒng)中的應(yīng)用[16]。

3.3 軟件測試流程

S 參數(shù)自動化校準(zhǔn)軟件通過對測量數(shù)據(jù)庫中的計(jì)量器具信息、被測對象信息、參數(shù)測量數(shù)據(jù)以及多次測量數(shù)據(jù)的讀取和調(diào)用,實(shí)現(xiàn)一鍵自動測試、測量不確定度自動計(jì)算等功能,具有友好的人機(jī)交互界面,配合顯示被測件的測試連接示意圖和測試數(shù)據(jù)自動生成圖,便于操作人員的使用并避免發(fā)生誤操作,也可實(shí)現(xiàn)歷史測量數(shù)據(jù)的調(diào)用。測試流程如圖6 所示。

圖6 S 參數(shù)自動化校準(zhǔn)軟件測試流程圖Fig.6 Test flow chart of S-parameter automatic calibration software

選擇主標(biāo)準(zhǔn)器連接S 參數(shù)測量系統(tǒng),然后配置所需要的測試項(xiàng)目,軟件判定儀器正確連接后即可開始測試,測試完成后根據(jù)用戶的需求選擇測量不確定度分析及報(bào)告生成。

4 測量數(shù)據(jù)采集及分析

4.1 S 參數(shù)測量不確定度模型

根據(jù)校準(zhǔn)原理進(jìn)行S 參數(shù)測量不確定度分析,測量不確定度來源主要包括校準(zhǔn)件經(jīng)上級量傳引入的不確定度分量、被測器件的連接重復(fù)性引入的不確定度分量[17,18]。

由于被測器件種類的多樣性,本文設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫還包括了上級量傳的校準(zhǔn)件測量不確定度數(shù)據(jù)和被測件S 參數(shù)測量不確定度歷史數(shù)據(jù),滿足用戶直接調(diào)用或查看數(shù)據(jù)。

S 參數(shù)測量不確定度模型如表1 所示。

表1 測量不確定度來源與評定Tab.1 Source and evaluation of measurement uncertainty

測量不確定度的計(jì)算包括合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度。合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算考慮所有的不確定度來源[18,19],其計(jì)算公式如下:

取擴(kuò)展因子k=2,則擴(kuò)展不確定度的計(jì)算公式如下:

以40 dB 衰減器的傳輸衰減測試為例,在8 GHz頻率點(diǎn)重復(fù)測量的數(shù)據(jù)分別為40.31 dB,40.25 dB,40.23 dB,40.28 dB,40.32 dB 和40.22 dB,計(jì)算得到其標(biāo)準(zhǔn)偏差為sn=0.04 dB(n=6),則引入的A類測量不確定度分量為u1=0.02 dB(n=6);經(jīng)上級量傳校準(zhǔn)件的擴(kuò)展不確定度為U=(0.22～0.26)dB(k=2),則引入的測量不確定度分量為u2=(0.11～0.13) dB。因此根據(jù)上式計(jì)算得到合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc=(0.11～0.13) dB,擴(kuò)展不確定度為U=(0.22～0.26) dB(k=2)。

4.2 自動化校準(zhǔn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5080B、校準(zhǔn)件等建立S參數(shù)測量系統(tǒng),我們分別采用手動測試和自動化測試兩種方式在環(huán)境下對同一被測件進(jìn)行測試,分別以N 型功分器1870A 在2 GHz 頻點(diǎn)、N 型衰減器8491B 在2 GHz 頻點(diǎn)的測試為例,將測試數(shù)據(jù)對比如表2 和表3 所示。

表2 電壓駐波比測試數(shù)據(jù)Tab.2 VSWR test data

表3 傳輸衰減測試數(shù)據(jù)Tab.3 Attenuated test data

使用自動校準(zhǔn)軟件測試的結(jié)果應(yīng)與人工手動測試結(jié)果幾近相同。通過以上測試結(jié)果的比較,我們可以看到:測試同一被測件的反射參數(shù)和傳輸參數(shù),采用自動化校準(zhǔn)軟件的測試結(jié)果與手動測試結(jié)果具有較高的一致性。

5 結(jié)束語

在國防通信、航天軍工等領(lǐng)域中微波器件的應(yīng)用需求日益增加,且頻率范圍越來越寬,相應(yīng)的校準(zhǔn)需求增加。通過在適配不同端口形式的S 參數(shù)測量系統(tǒng)中,使用S 參數(shù)自動化校準(zhǔn)軟件,能夠?qū)崿F(xiàn)對微波器件S 參數(shù)的快速測量,提高校準(zhǔn)檢定效率,且滿足測量不確定度的要求。同時,通過建立涵蓋微波器件特征信息、S 參數(shù)測量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫,實(shí)現(xiàn)測量參數(shù)重復(fù)性和穩(wěn)定性數(shù)據(jù)的自動分析,和測量不確定度的自動評定,簡化了校準(zhǔn)流程,提高了校準(zhǔn)效率和校準(zhǔn)精度。另外,基于數(shù)據(jù)庫提供的歷史數(shù)據(jù),能夠?qū)Ρ粶y微波器件的技術(shù)特性進(jìn)行質(zhì)量跟蹤,為其后續(xù)的定期校準(zhǔn)檢定、使用、維護(hù)等提供了重要的數(shù)據(jù)支持。