用于矢量網絡分析儀的校準與測試系統

文常保, 馬　瓊, 姚世朋, 楊　窕, 李演明, 閆茂德, 巨永鋒

(長安大學 電子與控制工程學院 微納電子研究所, 陜西 西安　710064)

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用于矢量網絡分析儀的校準與測試系統

文常保, 馬瓊, 姚世朋, 楊窕, 李演明, 閆茂德, 巨永鋒

(長安大學 電子與控制工程學院 微納電子研究所, 陜西 西安710064)

為了提高矢量網絡分析儀的校準效率和解決多器件測量問題,設計了一種用于矢量網絡分析儀的校準與測試系統。該校準和測量系統由校準開關模塊、校準接口模塊、測量適配座模塊、測量開關模塊和BNC連接組件模塊構成。通過使用85032F校準套件對AgilentE5062A矢量網絡分析儀的短路、開路、負載和傳輸進行校準實驗,證明了所設計系統校準功能的可行性。一組15人的校準對比實驗,顯示使用該校準系統比沒有使用該系統平均減少約50%的時間。另外,通過兩個中心頻率為101.764MHz的聲表面波器件的測試,驗證了該系統多器件測量的可行性。

矢量網絡分析儀; 校準與測試系統;BNC連接組件; 聲表面波器件

作為一種電磁波能量測試設備,矢量網絡分析儀不僅可測量單端口、雙端口網絡器件或系統的各種幅頻參數,又能測量相位、群延遲等特性,并且可以用史密斯圓圖顯示測試數據[1-3]。因此,被稱為“儀器之王”,也是射頻、微波等領域的萬用表。

然而,像大多數測試儀器一樣,矢量網絡分析儀在使用前,為了減小測試誤差,必須對儀器各個端口進行校準[4]。當選擇全雙端口校準時,要分別對2個端口都進行短路、開路、負載和傳輸校準。并且校準時,需要卸下在線測試設備,然后把相應的校準套件依次與信號線進行連接校準[5-6]。這樣,完成一次校準就需要多次拆卸套件,不僅容易對套件造成磨損進而產生測試誤差,而且費時費力。另外,目前網絡分析儀使用中存在一個很大的問題就是一臺儀器每次只能對一個器件進行測量,這樣對多個器件進行測量時就需要多次更換被測器件進行測量[6-10]。因此,網絡分析儀的測試精度、測量效率和應用范圍都受到一定的限制和影響。

本文針對目前矢量網絡分析儀在校準、測試中存在的不足,提出了一種用于矢量網絡分析儀的校準與測試系統。

1　校準與測試系統的設計方案

在使用矢量網絡分析儀對待測對象進行測量之前,為了減少測量誤差,通常需要對矢量網絡分析儀的端口1、端口2分別進行短路、開路、負載校準,以及端口1和端口2之間的直通校準。因此,在校準過程中需要將相應的短路、開路、負載和直通校準套件依次接入矢量網絡分析儀進行校準[11-12]。校準完成后對器件進行測試,所采用的是通過信號線將在線測試器件與網絡分析儀連接進行測試,如圖1所示。因此,完成一次校準就需要連接8次套件,校準耗時最少5～7min,這樣不僅容易對套件造成磨損產生測量誤差,而且費時費力,測量效率也大大降低。另外,目前所有的矢量網絡分析儀都不能同時對2個以上的器件或系統進行測試,每次只能對一個對象進行測量。這不僅導致測量效率降低,而且不利于測試數據之間的對比和分析。

圖1　網絡分析儀的校準與測試示意圖

針對網絡矢量分析儀在校準和測試中存在的上述不足,本文設計了一種用于矢量網絡分析儀的校準與測試系統,其系統結構如圖2所示。該系統包括校準開關模塊、校準接口模塊、測量開關模塊、測量適配座模塊和BNC連接組件模塊。

圖2　校準與測試系統結構圖

系統中校準開關模塊由4個開關Sc1、Sc2、Sc3、Sc4組成,分別對開路、短路、負載和傳輸校準通道進行控制；測量開關模塊由多個開關Sm1、Sm2…Smn組成對被測試器件進行選擇；測量適配座模塊由多個24腳的適配座P1、P2…Pn組成；校準接口模塊由兩根同軸信號線、6個BNC轉接頭組成,2根同軸信號線與電路板相連構成傳輸校準接口,6個BNC轉接頭中母頭(外螺內孔)轉公頭(內螺內針)的轉接頭J8、J9、J10與90°彎插BNC轉接頭J3、J4、J5連接組成開路、短路、負載校準接口,連接方式如圖3所示。

圖3　BNC轉接頭連接方式

由于矢量網絡分析儀信號端口是母頭端口,因此,選由母頭轉公頭的BNC轉接頭J6、J7連接矢量網絡分析儀,公頭直通的BNC轉接頭J11、J12通過90°彎插BNC轉接頭J1、J2與校準測試裝置電路連接,其連接方式如圖4所示。

圖4　BNC組件連接方式

2　實驗及其結果分析

2.1校準與測試系統連接

為了驗證上述校準與測試系統方案的可行性,設計了一種用于矢量網絡分析儀的校準與測試系統。測量器件的數量為2,測試器件對應適配座的封裝為24腳DIP。

該系統將校準套件連接接口與測試器件適配座設計在同一電路系統中,利用BNC轉接頭將適配座和矢量網絡分析儀連接,并且利用開關選擇相應的測試對象、校準端口以及校準類型,其連接圖見圖5。

圖5　校準與測試系統連接圖

開關Sm1、Sm2的一端接BNC轉接頭J1,另一端接適配座,J1接適配座,適配座與BNC轉接頭J2連接,這部分電路構成器件測試電路。開關Sc1的一端接開關S0,另一端接BNC轉接頭J3,J3與BNC轉接頭J8(公頭)、開關S0連接,這部分電路構成短路校準電路；開關Sc2的一端接開關S0,另一端接BNC轉接頭J4,J4與BNC轉接頭J9(公頭)、開關S0連接,這部分電路構成開路校準電路；開關Sc3的一端接開關S0,另一端接BNC轉接頭J5,J5與BNC轉接頭J10(公頭)、開關S0連接,這部分電路構成負載校準電路；開關Sc4的一端接BNC轉接頭J1,另一端接第一同軸信號線,第二同軸信號線與BNC轉接頭J2連接,這部分電路構成傳輸校準電路。

選擇開關S0為雙刀雙擲開關,開關Sm1、Sm2、Sc1、Sc2、Sc3、Sc4為單刀單擲開關,P1、P2為24腳的圓孔適配座,J1、J2、J3、J4、J5為90°彎插BNC轉接頭,J6、J7、J8、J9、J10為母頭轉公頭的BNC轉接頭,J11、J12為公頭直通的BNC轉接頭。由所選器件及原理制作PCB電路板,將接頭J6公頭(內螺內針)與矢量網絡分析儀端口1連接,轉接頭J7公頭與矢量網絡分析儀端口2連接；短路套件與轉接頭J8母頭連接,開路套件與轉接頭J9母頭(外螺內孔)連接,負載套件與轉接頭J10母頭連接,將第一同軸信號連接線的公頭和第二同軸信號連接線的公頭通過傳輸套件連接。將設計好的器件校準測試裝置硬件搭建起來,該裝置包括開路校準、短路校準、負載校準、傳輸校準、測試裝置以及BNC連接組件,如圖6所示。

圖6　所設計和制作的校準與測試裝置

2.2校準與測試

將矢量網絡分析儀的校準與測試系統接在AgilentE5062A矢量網絡分析儀上,選擇85032F校準套件進行校準,由2個中心頻率為101.76MHz聲表面波器件進行測試,校準與測試方法如下。

2.2.1對端口1進行校準

通過雙刀雙擲開關S0選擇要校準的端口,首先將開關S0斷開對端口1進行校準,通過開關Sc1、Sc2、Sc3、Sc4選擇校準類型。當開關S0斷開、Sc1閉合時,對端口1進行短路校準；當開關S0斷開、Sc2閉合時,對端口1進行開路校準；當開關S0斷開、Sc3閉合時,對端口1進行負載校準；當開關S0閉合、開關Sc4閉合時,進行傳輸校準。開路、短路、傳輸校準前后的結果如圖7中(a)所示,對負載進行校準前后的結果如圖7中(b)所示，圖中f為信號頻率，η為信號損耗。

圖7　端口1校準對比圖

2.2.2對端口2進行校準

再對矢量網絡分析儀的端口2進行校準。閉合開關S0,由開關Sc1、Sc2、Sc3選擇校準類型。當開關S0閉合、Sc1閉合時,對端口2進行短路校準；當開關S0閉合、Sc2閉合時,對端口2進行開路校準；當開關S0閉合、Sc3閉合時,對端口2進行負載校準。對端口2進行開路、短路校準前后的結果見圖8中(a),對端口2進行負載校準前后的結果見圖8中(b)。

圖8　端口2校準對比圖

圖7和圖8表明,本文提出的校準與測試系統利用85032F校準套件對AgilentE5062A矢量網絡分析儀的短路、開路、負載和傳輸校準是可行的。

2.2.3校準對比

通過選擇15個經過一定培訓的實驗者進行編號,讓他們使用常用校準方法與使用本系統進行校準的耗時進行了10次實驗,統計結果取平均值,對比實驗結果如圖9所示。

圖9表明,使用常用校準方法完成1次校準平均需要6min,使用本文提出的校準與測試系統完成1次校準平均需要3min,相比常用校準方法平均節約50%的時間,并且避免多次裝卸帶來的不便及磨損,大大提高了校準器件的效率，并減小了測試誤差。

2.2.4對聲表面波器件的測試

完成校準后,對聲表面波器件進行測試。 將2個22腳DIP封裝的聲表面波器件插入24腳底座中,確保其他開關斷開,由開關Sm1、Sm2選擇要測試的器件,按下開關Sm1對適配座P1上的聲表面波器件進行測試:而斷開開關Sm1、按下開關Sm2則對適配座P2上的聲表面波器件進行測試,激勵信號通過端口1傳送給器件,由端口2接入到矢量網絡分析儀。圖10中的(a)和(b)為2個中心頻率為101.76MHz的聲表面波器件(記為A和B)頻率響應特性測試結果圖。

圖9　校準對比實驗

圖10　頻率響應特性的測試結果圖

圖10表明，本文提出的校準與測試系統利用開關控制校準器件的選擇,可以對2個器件同時進行測試,減少了拆卸器件所帶來的不便和磨損,提高了器件測試的精度及效率,同理,根據該設計方案和需要,該校準與測試系統可以實現對多個器件的測試。

3　結論

本文提出一種用于矢量網絡分析儀的校準與測試系統,該系統利用BNC轉頭將器件與矢量網絡分析儀連接,將測試器件與校準套件設計為一體,利用開關設置了校準器件、校準端口和校準類型的選擇,可以對2個器件進行在線測量,不僅實現了以較高的自動化和效率對器件進行校準與測試,避免了磨損也方便了測試人員的操作,同時節省了器件的校準與測試時間。

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Acalibrationandmeasurementsystemforvectornetworkanalyzer

WenChangbao,MaQiong,YaoShipeng,YangTiao,LiYanming,YanMaode,JuYongfeng

(InstituteofMicro-nanoelectronics,SchoolofElectronicsandControlEngineering,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China)

Inordertoimprovethecalibrationefficientandsolvethemeasuringproblemofmultipledevicesforvectornetworkanalyzer,anoveldesignschemeofthecalibrationandmeasurementsystemforvectornetworkanalyzerisproposed.Thecalibrationandmeasurementsystemconsistsofthecalibrationswitchmodule,thecalibrationinterfacemodule,themeasurementadaptermodule,themeasurementswitchmodule.ThetestingdeviceandcalibrationkitsareconnectedtothevectornetworkanalyzerviatheBNCconnectioncomponent.Thecalibrationportsandtypes,andthetestingdevicecanbeselectedbytheswitchmodule.Thecalibrationexperimentsoftheshortcircuit,theopencircuit,theloadandthetransmissioncalibrationareprovedbytheAgilentE5062Avectornetworkanalyzerusingthe85032Fcalibrationkits.Basedonthecalibrationexperimentsof15people,theresultsshowthattheaveragecalibrationtimeusedforthecalibrationandmeasurementsystemis50%lessthanthatofwithoutusingthissystem.Inaddition,themultipledevicesmeasurementisverifiedbythetwosurfaceacousticwavedeviceswiththecenterfrequencyat101.764MHz.

vectornetworkanalyzer;calibrationandmeasurementsystem;BNCconnectivitycomponents;surfaceacousticwavedevice

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.07.021

2016-01-28修改日期：2016-03-02

國家自然科學基金資助項目(60806043)；陜西省自然科學基礎研究計劃資助項目(2015JM6271)；陜西高等教育教學改革研究項目(15BY23)

文常保(1976—)，男，山西運城，博士，博士后，教授，主要從事真空微納電子器件、信息處理器件及傳感器的研究.

E-mail：estlab@chd.edu.cn

TP23；TN98

A

1002-4956(2016)7-0087-05