基于網絡分析儀的多類型微波器件S 參數自動校準軟件研究

張 萍,毛立勇,馬藝薇,鄭涵之

(中國人民解放軍96963 部隊,北京 100192)

1 引言

S 參數即散射參數是射頻微波器件的基本表征參數。通過將微波器件或設備等效為一個輸入-輸出關系的網絡,得到表征微波網絡特性的參數,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,這些參數包含有模值和相位信息[1,2]。在無線電計量校準過程中,涉及到大量的射頻微波參數,如功率、衰減、相位等,這些參數都和系統中各部分的阻抗匹配相關,其測量準確度受到微波阻抗或S 參數的測量準確度的直接影響。而且隨著科學技術的快速發展,微波器件向著小型化、集成化、性能更加先進等方向發展,對微波S 參數測量的準確性提出了越來越高的要求[1,3,4]。

為了保證計量校準中量值的準確一致和可靠,測量S 參數時通常使用高性能的網絡分析儀建立S參數測量系統。目前大多數計量機構仍沿用手動校準方式,在日漸信息化的計量工作中,手動方式已不能滿足信息化、標準化的要求,并且被測器件的種類、端口、接口形式、技術參數復雜多樣,測試時需要處理大量直接或間接數據[5]。

因此,為了提高S 參數的測量準確性和效率,本文設計開發了適用于S 參數測量系統的自動化校準軟件,通過創建一個功能強大、方便快捷的計量管理數據庫,應用其強大的數據存儲與處理能力,實現對多種微波器件S 參數的高效快速自動測量。S 參數自動校準軟件能夠實現從測試到數據處理再到校準證書的自動化流程,提高測試效率,減小人為測量誤差,提高測試數據的準確度,確保微波S 參數量值傳遞的準確可靠,使測試過程便捷。

2 S 參數測量系統

2.1 系統組成

S 參數測量系統主要用于測試微波器件和設備的反射參數S11,S22和傳輸參數S12,S21等。這些被測器件和設備,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 參數測量系統主要由矢量網絡分析儀、配套校準件、測試線纜和轉接件以及被測件等組成。一般情況下,在系統進行測試前,需要使用相應的校準件對矢量網絡分析儀進行校準,然后再使用矢量網絡分析儀對被測件開展校準和測試工作[8,9]。本文依據校準件和被測件的接口形式對微波器件的S參數進行自動化測量系統設計,分為反射參數測試和傳輸參數測試。

2.1.1 反射參數測試

測量單端口或多端口器件的反射參數(包括S11、S22等)時,若被測件為單端口形式,則被測件需要根據不同接口形式連接至已校準的對應接口的S 參數測量系統。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,其余端口接入相應匹配負載(減小傳輸反射的影響),以保證測試系統的準確性[10]。單端口和雙端口形式的被測件反射參數的測試連接如圖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測試框圖Fig.2 Block diagram of reflection parameter test of dual-port device

2.1.2 傳輸參數測試

測量雙端口或多端口的器件的傳輸參數時,先將測量系統的輸入和輸出接口通過電纜進行直通校準,然后將被測端口按照接口形式連接至對應的S 參數測量系統內,并將其它端口匹配相應負載,以保證測試系統的準確性[10,11]。雙端口器件的傳輸參數測試連接如圖3 所示。

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

2.2 S 參數自動校準測試必要性

對于掌握計量技術的專業人員按照規定操作,進行S 參數校準測試,通常可以獲得精準的測量結果。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,由缺乏經驗的人員進行計量測試操作,可能導致測量結果不滿足要求。

因此,為了實現微波器件的S 參數準確高效測量,設計了S 參數自動校準測試軟件,建立了S 參數自動化測量系統,其組成如圖4 所示。對多種類的端口、接口、參數等微波器件進行分類,建立了計量數據庫,能夠實現S 參數的自動化校準、測量不確定度分析等功能,有效地提高了計量校準的自動化水平,減少測試人員的工作強度和人為操作失誤,提高工作效率[12,13]。

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

3 S 參數自動校準軟件設計

3.1 軟件總體設計思路

針對S 參數自動化測量系統,需要對選用的網絡分析儀(選用E5080B 型號)進行程控操作,通過軟件實現以下功能:

1)網絡分析儀的自動校準和測試;

2)完成不同類型微波器件的S 參數測試;

3)測量不確定度分析;

4)生成證書報告;

5)人機交互界面友好。

根據以上S 參數自動化測量系統功能要求,本文選用C#語言并基于VS 軟件平臺進行開發,按照分層設計和模塊化的設計思路,將自動校準軟件整體分為4 個部分,分別為儀器管理、測試控制、畫面顯示、數據保存。

3.2 軟件詳細設計

3.2.1 界面設計

S 參數測量系統的自動校準軟件界面設計包含軟件主界面、儀器設備配置信息界面、測試項目配置界面、自動校準測試界面以及證書報告生成界面5 部分。

儀器設備配置界面包含標準儀器信息和被測設備信息,將多種微波器件和設備根據其廠家、型號、序列號等進行區分,建立儀器設備信息庫。并能夠對證書報告中所有客戶信息、被檢儀器信息、標準儀器信息、標準設備儀器指令信息、不確定度分析、依據規程文件等配置,以及對報告類型(測試、校準)的選擇、環境條件進行配置,為后續的證書報告生成提供信息依據。

在測試項目配置界面,測試人員根據需要選擇測試項目,并提供可修改與新建測試數據模板功能,以實現特殊測試項目或特定測試點的測試。

校準測試界面設計了測試項目的單點復測、單項復測和任意項復測功能。在測試過程中支持選擇開始、暫停和重新測試功能,非常直觀地顯示實時測試數據并自動生成數據圖形如圖5 所示。

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

證書報告生成界面支持測試的環境狀態和報告的基本信息配置,在軟件安裝根目錄里設計了模板庫,用戶根據需要可自行修改或添加WORD 格式的模板(原始記錄、校準證書、測試報告),一鍵點擊“生成報告”即可快速生成證書報告。

3.2.2 系統數據庫

針對S 參數測量系統中主標準器和被測器件類型多、參數多、校準數據多等特點,建立由SQL 數據庫+Excel 文件聯合組成的核心數據庫。SQL 數據庫選用Access 數據庫軟件,具有與C#聯調方便且兼容性好的優點[14,15]。

SQL 數據庫設立網絡分析儀信息庫和被測儀器信息庫,其中網絡分析儀信息庫用于存放網絡分析儀的儀器信息,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,同時在此數據庫中登記器件端口的類型和數量,開始測試時,將調用被測儀器的端口數量與端口類型來進行相應的提示。

考慮在測量系統中主標準器、校準件校準參數多元化、校準數據離散化的特點,還使用了Excel 表格文件存儲相關數據,相對于采用TXT 或其他格式的文件,Excel 文件將不同的參數放入不同的表中,能夠方便用戶閱讀,同時C#自帶的Office 文件處理接口函數可快速讀取表格文件,在測試時靈活導入校準數據,也方便校準數據在測量系統中的應用[16]。

3.3 軟件測試流程

S 參數自動化校準軟件通過對測量數據庫中的計量器具信息、被測對象信息、參數測量數據以及多次測量數據的讀取和調用,實現一鍵自動測試、測量不確定度自動計算等功能,具有友好的人機交互界面,配合顯示被測件的測試連接示意圖和測試數據自動生成圖,便于操作人員的使用并避免發生誤操作,也可實現歷史測量數據的調用。測試流程如圖6 所示。

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

選擇主標準器連接S 參數測量系統,然后配置所需要的測試項目,軟件判定儀器正確連接后即可開始測試,測試完成后根據用戶的需求選擇測量不確定度分析及報告生成。

4 測量數據采集及分析

4.1 S 參數測量不確定度模型

根據校準原理進行S 參數測量不確定度分析,測量不確定度來源主要包括校準件經上級量傳引入的不確定度分量、被測器件的連接重復性引入的不確定度分量[17,18]。

由于被測器件種類的多樣性,本文設計的軟件系統數據庫還包括了上級量傳的校準件測量不確定度數據和被測件S 參數測量不確定度歷史數據,滿足用戶直接調用或查看數據。

S 參數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

測量不確定度的計算包括合成標準不確定度和擴展不確定度。合成標準不確定度的計算考慮所有的不確定度來源[18,19],其計算公式如下:

取擴展因子k=2,則擴展不確定度的計算公式如下:

以40 dB 衰減器的傳輸衰減測試為例,在8 GHz頻率點重復測量的數據分別為40.31 dB,40.25 dB,40.23 dB,40.28 dB,40.32 dB 和40.22 dB,計算得到其標準偏差為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);經上級量傳校準件的擴展不確定度為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。因此根據上式計算得到合成標準不確定度uc=(0.11～0.13) dB,擴展不確定度為U=(0.22～0.26) dB(k=2)。

4.2 自動化校準數據驗證分析

使用矢量網絡分析儀E5080B、校準件等建立S參數測量系統,我們分別采用手動測試和自動化測試兩種方式在環境下對同一被測件進行測試,分別以N 型功分器1870A 在2 GHz 頻點、N 型衰減器8491B 在2 GHz 頻點的測試為例,將測試數據對比如表2 和表3 所示。

表2 電壓駐波比測試數據Tab.2 VSWR test data

表3 傳輸衰減測試數據Tab.3 Attenuated test data

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

5 結束語

在國防通信、航天軍工等領域中微波器件的應用需求日益增加,且頻率范圍越來越寬,相應的校準需求增加。通過在適配不同端口形式的S 參數測量系統中,使用S 參數自動化校準軟件,能夠實現對微波器件S 參數的快速測量,提高校準檢定效率,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 參數測量數據的數據庫,實現測量參數重復性和穩定性數據的自動分析,和測量不確定度的自動評定,簡化了校準流程,提高了校準效率和校準精度。另外,基于數據庫提供的歷史數據,能夠對被測微波器件的技術特性進行質量跟蹤,為其后續的定期校準檢定、使用、維護等提供了重要的數據支持。