多S參數測試在多通道ATS中的設計與實現

華琴娣，田麗鴻

(1.南京國睿安泰信科技股份有限公司， 南京210013； 2.南京工程學院通信工程學院， 南京211167)

0 引言

利用現代電子測試技術對電量和非電量進行定性或定量測量，產生自動測試系統(Automatic Test System，ATS)是電子測量儀器的重要門類，以主控計算機為核心，采用開放式、標準總線作為系統控制總線，控制不同類型標準接口儀器，實現控制、測量、數據分析和測試結果輸出全程自動化［1］。現有的ATS應用對象可覆蓋微波、數字、低頻、中頻及射頻等被測設備，能夠在最小程度的人工參與下，對被測件的研制、生產、使用與維護修理全壽命周期的各種定量、定性參數進行分析評定、故障診斷和故障預測［2］。

在針對微波系統的ATS中，最常使用的儀器是矢量網絡分析儀。現在的矢量網絡分析儀均具備多跡線(trace)和多測試通道(channel)功能是全面測量網絡參數的一種高精度智能化儀器，既可測量網絡的幅頻特性，又可測量網絡的相頻特性和時延特性。利用矢量網絡分析儀的多跡線和多測試通道功能可分別實現多S參數測試與多通道測試技術。將多跡線和多測試通道概念相結合，即可實現多通道多S參數測試。

將多通道多S參數測試方法運用到以PNA-X矢量網絡分析儀為基礎的微波系統的ATS中，可一次校準完成多個參數的測試，減少ATS系統資源的開銷，加快了測試速度，提高工作效率。本文旨在探討基于多通道多S參數測試方法的原理及使用該方法的條件，在ATS軟件系統中的實現。

1 方法概述

1.1 多S參數自動測試方法

在微波系統中的S參數是建立在入射波、反射波關系基礎上的網絡參數，適用于微波電路分析，以被測件端口的反射信號以及從該端口傳向另一端口的信號來描述電路網絡，在這些反射和傳輸信號指標中都包含幅度和相位信息［3］。

現代電子測試技術通常采用矢量網絡分析儀來測試微波系統的幅相信息。在矢量網絡分析儀中，跡線是一系列測量數據點的集合，通常表示為一個頻段內所有頻點的測試數據的集合。理論上對跡線的數目沒有限制，但實際上受限于矢量網絡分析儀的最大窗口(window)數，即每個窗口的最大跡線數目。測試通道包含跡線，PNA-X系列的矢量網絡分析儀最多可以有32個獨立的測試通道，測試通道的設置決定了它所包含的跡線的測量參數，所有在同一測試通道中的跡線共享當前測試通道的所有設置［3］。

在矢量網絡分析儀上進行S參數測試時，跡線和S參數一一對應，即一條跡線對應一個S參數，則n個S參數對應n條跡線，通過設置多條跡線可實現多參數測試。這也是單通道ATS中通常采用的方法，無需頻繁設置儀器，只需在當前測試通道上，按S參數設置跡線的開始頻率和終止頻率等信息，不同S參數設置不同的跡線，通過采集各條跡線的數據得到所對應的S參數。

在多通道ATS中，基于矢量網絡分析儀測試通道的概念，使ATS的測試通道與矢量網絡分析儀的測試通道相對應，即每個具有獨立儀器參數配置的ATS測試通道均包含多條跡線，實現了不同通道的多S參數共存，而ATS的各個測試通道可以按需切換，從而實現多通道多S參數測試［4］。

1.2 多通道ATS系統

在多通道ATS系統中，系統的硬件部分利用開關矩陣構建多個測試通道，每個測試通道均和PNA-X矢量網絡分析儀等測試儀器連接，在系統的軟件部分，把矢量網絡分析儀的測試通道與ATS系統的測試通道一一對應，即可構建軟硬件結合的多通道ATS系統［5］。多通道ATS系統的每個測試通道均采用多參數測試方法，利用ATS系統的多個測試通道連接微波系統的多個通道，可實現微波系統的多通道ATS的多S參數測試。

2 方法的設計與實現

在微波系統的多通道ATS中，硬件部分較容易實現，主要難點在于軟件部分。在軟件部分，先把ATS的測試通道和矢量網絡分析儀的測試通道相關聯，其基于多通道的多S參數測試方法的實現可描述為:在多通道ATS中，每個通道的多參數校準可單次完成，一次完成多個通道的校準后，存儲所有通道的校準數據，每次調用時可供多個通道測試使用。測試時按通道獲取相應校準數據，然后按照當前通道的多條跡線來測試微波系統通道的S參數，如圖1所示。

圖1 多通道ATS系統中的校準與測試實現方式

任何測試系統在進行測試之前必須對系統進行校準，微波系統的多通道ATS系統也不例外。首先，實現校準，其次，調用校準，模擬微波系統的工作狀態，然后，用電子儀器自動測量出各參數。整個過程的重點在于多通道多參數校準的實現。利用矢量網絡分析儀的全二端口校準功能可實現多參數校準，結合多通道ATS的切換功能來切換通道，進行各個通道的校準，從而實現多通道ATS的校準。整個測試步驟如圖2所示。

圖2 多通道多參數ATS的測試步驟

下面以具有4個通道的微波系統多通道ATS系統為例，系統中的測量儀器為兩端口的PNA-X矢量網絡分析儀和包含4個通道的信號中樞，多S參數為:S12、S11和S22參數。以測試接收的增益、插入相移、輸入駐波、輸出駐波為例，其中增益和插入相移共用一個S參數，則每個測試通道需測試3個S參數，整個ATS系統需測試12個S參數才能完成上述4個測試指標。根據多通道多參數ATS的實現方法，在整個ATS系統中需要配置4個通道和12條跡線，因此，在系統校準時應把這4個通道和12條跡線的信息全部包含在校準文件中。

2.1 單通道的多參數測試

對當前通道做全二端口校準，可實現當前通道的多參數校準。在全二端口校準時設定三條多跡線，分別起名為:CH1_S12，CH1_S11，CH1_S22。使用手動校準件做全二端口校準的步驟是:(1)把整個ATS的通道和矢量網絡分析儀的測試通道設置在同一個通道上;(2)設置該通道的信息，包括校準的開始頻率、終止頻率、頻率點數、中頻帶寬、校準激勵等基本信息，設置需要的S參數，設置校準方法、選擇校準件、選擇標準套數、設置校準時隔離標準打開與否;(3)做前向校準和后向校準;(4)做直通校準，完成整個全二端口校準。整個實現過程如圖3所示。

圖3 使用手動校準件的單通道的全二端口校準過程

若使用電子校準件，步驟簡化許多，S參數只需設置一條通道的參數，而后選擇校準方法直接完成整個校準。對于多參數，只需在該測試通道上增加相應的S參數即可，實現過程如圖4所示。

圖4 使用電子校準件的單通道的全二端口校準過程

2.2 多通道的多參數校準

使用矢網測試通道間的復制功能，把第一個測試通道的設置信息復制到其他通道，而后對其進行校準即可得到其他通道的校準信息。根據ATS的通道數重復相應通道的校準，等所有通道的校準都完成后，保存該狀態至文件，即為多通道ATS的多S參數校準文件。

2.3 單通道的多參數測試

和所有測試系統一樣，在測試之前調用校準文件，使測試系統進入微波系統的工作狀態，然后，按照微波系統的工作方式進行加電和加激勵，使微波系統進入工作狀態，最后，采集電子儀器上的數據，得到測試結果。單通道的多S參數測試流程，如圖5所示。

2.4 多通道的多參數測試

調用2.2節中得到的校準文件，把微波系統接入測試系統中，按通道依次獲取當前的校準信息，根據2.3節描述的流程進行測試，最終執行完成后即可得到多通道多S參數的測試結果，如圖6所示。

圖5 單通道的多S參數測試過程

圖6 多通道的多S參數測試過程

3 仿真及應用

由于T/R組件也是一種微波系統，按照上文的設計與實現方法把多通道多S參數測試運用到T/R組件的多通道ATS系統中，在保證被測指標的正確條件下，測試一個4通道T/R組件的接收增益、插入相移、輸入駐波、輸出駐波參數時，單個T/R組件的測試時間較單通道的ATS系統減少了近3/4，大大提高了T/R組件的測試速度。

測試速度提高的主要原因在于:單通道ATS系統雖然只做一次校準，但每次只測試一個通道，切換T/R組件通道時必須結束其工作狀態，并關閉所有儀器的設置，連接T/R組件與ATS測試通道時，再重新設置整個ATS系統中的儀器狀態，使T/R組件重新進入工作模式才能進行測試;而多通道ATS系統在測試時，只需一次性把T/R組件的所有通道和多通道ATS的測試通道連接好，并設置儀器使T/R組件工作，然后，利用多通道ATS的通道切換來讀取各個通道跡線的測試值，一次得到T/R組件所有通道的S參數。相較而言，多通道ATS減少了系統中儀器的設置次數和T/R組件工作狀態的切換，大大提高了測試速度，減輕雷達T/R組件生產周期的壓力。在現有的多通道ATS系統上，單個T/R組件的全參數測試時間已經壓縮在10 min以內。

4 結束語

本文提出了在多通道ATS上實現多S參數的測試算法，該算法在實現T/R組件的自動測試系統中能大大提高組件測試速度和生產效率。在未來工作中，還可根據實際被測件靈活構建測試通道，優化各個通道的跡線設置，從而更進一步提高測試速度。

［1］ 李立功，年夫順，王厚軍，等.現代電子測試技術［M］.北京:國防工業出版社，2008.Li ligong，Nian Fushun，Wang houjun，et al.Mordern electronic testing technology［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2008.

［2］ 路 輝.自動測試系統測試描述語言［M］.北京:機械工業出版社，2011.Lu Hui.Abbreviated test language for automtic test system［M］.Beijing:China Machine Press，2011.

［3］ 秦紅磊，路 輝，郎榮玲.自動測試系統—硬件及軟件技術［M］.北京:高等教育出版社，2007.Qin Honglei，Lu Hui，Lang Rongling.Automatic test system:hardware and software technology［M］.Beijing:Higher Education Press，2007.

［4］ 姜本清，唐小明.機載雷達自動測試系統的設計［J］.現代雷達，2006，28(7):41-44，48.Jiang Benqing，Tang Xiaoming.Design of automatic test system for airborne radar［J］.Mordern Radar，2006，28(7):41-44，48.

［5］ 周 江，潘高峰，趙文華，等.基于Web實驗室自動測試系統的設計與實現［J］.現代雷達，2012，34(7):74-77.Zhou Jiang，Pan Gaofeng，Zhao Wenhua，et al.Design and implementation of the laboratory ATS based on web［J］.Mordern Radar，2012，34(7):74-77.