一种用于矢量网络分析仪的电子校准系统

文常保， 张 城， 马 琼， 郑怀仓， 李 阳

(长安大学 电子与控制工程学院 微纳电子研究所， 西安 710064)

一种用于矢量网络分析仪的电子校准系统

文常保， 张 城， 马 琼， 郑怀仓， 李 阳

(长安大学 电子与控制工程学院 微纳电子研究所， 西安 710064)

为了提高矢量网络分析仪的校准效率，提出了一种用于矢量网络分析仪的电子校准系统。该电子校准系统由端口连接组件模块、电子开关模块、校准接口模块和测试适配座组成。端口连接组件将矢量网络分析仪与电子校准系统相连，利用微处理器控制电子开关的通断实现对校准端口、校准类型及测试器件的选择。最后，以85032F校准套件对Agilent E5062A矢量网络分析仪的开路、短路、负载和传输校准实验为例，验证了该电子校准系统校准功能的可行性。效率测试实验表明,使用该电子校准系统比常规校准方法校准效率提高了约70%，比机械式校准方法提高了约50%。此外，该电子校准系统提高了矢量网络分析仪的校准效率，降低了人为操作带来的误差概率。

矢量网络分析仪; 校准系统; 电子校准； 声表面波器件

0 引 言

矢量网络分析仪是一种能够在宽频带内对微波器件或者系统进行动态扫描测量，并确定其网络参量的综合性微波测量仪器[1-3]。它可以对测量结果逐点进行误差修正，并计算出反射系数、传输系数、隔离度和定向度等众多参数，因此，在实验测量领域有“仪器之王”的美誉[4-5]。

为了减小测试误差，矢量网络分析仪在使用前必须对各个端口进行开路、短路、负载、传输参数校准[6-8]。目前网络分析仪的校准是将开路、短路、负载、传输套件逐次连接到各个输入端口，依次进行校准，过程繁琐，而且容易对套件造成磨损，进而产生校准与测试误差[9-10]。针对这一问题，文献[11]中提出了一种利用机械开关选择各个校准套件通道的机械校准装置，避免了校准套件的重复拆卸问题，并将校准时间减少了50%，大大提高了校准效率。然而，这种机械式校准装置，仍然存在着一些问题，主要体现在以下两个方面：① 机械式校准装置的通道选择是通过机械开关的开闭来完成的，而这个过程的实现需要由人工操作完成，所以速度和效率受到一定的局限；② 在机械式校准过程中，存在由于操作人员因素造成误操作的概率，会对校准过程和测试结果造成影响[12]。另外，机械式开关的寿命问题，也是影响该校准装置寿命和稳定性的一个因素。

本文针对目前矢量网络分析仪校准中存在的不足，将微处理器控制的电子开关应用于校准类型的选择，提出了一种用于矢量网络分析仪的电子校准系统。

1 系统方案及工作原理

用于矢量网络分析仪的电子校准系统由端口连接组件模块、电子开关模块、校准接口模块和测试适配座组成，系统的原理结构如图1所示。

图1 电子校准系统的原理结构

电子校准系统中端口连接组件模块的作用是将电子校准系统与矢量网络分析仪的端口连接；校准接口模块主要是用来安装校准套件，并将各校准套件接入电子校准系统。测试适配座用来接入被测试器件，类型由器件的封装种类决定。

电子开关模块为电子校准系统的核心模块，由微处理器、电子开关和LED通道接入指示灯组成。根据功能的不同，电子开关又分为端口选择开关、校准类型选择开关、适配座选择开关3种。端口选择开关用来选择对矢量网络分析仪的端口1、端口2进行校准，校准类型选择开关用来选择接通开路、短路、负载以及传输校准4种校准套件中的一种，适配座选择开关用来选择待测试器件进行测试。

进行校准工作时，端口选择开关确定矢量网络分析仪的校准端口，同时校准类型选择开关依次接通开路、短路和负载校准器件进行相应的校准，对于传输校准，需要将传输校准器件通过传输校准开关连接到两端口连接组件之间。校准过程由微处理器按预先设置好的流程逐项执行。

端口选择开关Sc1导通，同时开路校准开关Sm1导通，其他开关断开，则对矢量网络分析仪的端口1进行开路校准；Sc1和Sm2导通，对端口1进行短路校准；Sc1和Sm3导通对端口1进行负载校准。

同理，对端口2进行校准时，微处理器发出控制命令接通端口选择开关Sc2及各校准类型选择开关Sm1、Sm2、Sm3，分别对端口2进行开路、短路、负载校准。当两个端口都校准完成后，传输校准开关Sm4会将传输校准套件接通，此时相当于将传输校准件连接至矢量网络分析仪的两个端口之间，进行传输校准。校准过程中通过LED通道接入指示灯指示各电子开关的通断情况，开关接通时点亮。

在系统中，将测试适配座通过电子开关直接连接到网络分析仪两端口之间。校准过程结束后微处理器发出指令，适配座选择开关接通进行器件测试，即Sk1接通时适配座1器件进行测试，Sk2接通时适配座2器件进行测试，理论上可以接入无限多个适配座进行器件测试。

2 实 验

为了验证设计方案的可行性，以Agilent E5062A矢量网络分析仪电子校准系统的实现为例，进行实验分析。

由Agilent E5062A矢量网络分析仪端口类型，端口连接组件选择传送信号稳定的RF端子同轴电缆终结器——BNC连接组件。根据矢量网络分析仪的匹配阻抗选用的BNC连接组件特征阻抗为50 Ω，接触电阻小于0.2 mΩ，绝缘电阻大于5 GΩ，频率在0～2 GHz范围内都可用。此外，传输校准接口选择了特性阻抗为50 Ω的同轴电缆进行连接。

待测试器件为DIP封装24脚的声表面波器件[13]，因此，测试适配座选用24脚圆孔排母底座。系统需要端口选择开关2对共4个，校准类型选择开关4个，适配座选择开关2个，共10路电子开关。这里考虑到系统体积、稳定性等因素，选用体积小、抗干扰能力好的CD4066双向四路模拟开关作为电子开关，四路开关之间可以相互独立的导通或关闭，每一个开关都由一个控制信号端(Control)控制，输入端与输出端在原则上可以互换[14]。系统微处理器选择具有32 位I/O 口线，低功耗、高性能CMOS 8位微处理器STC89C52[15]。

用于矢量网络分析仪的电子校准系统中微处理器，电子开关，LED灯组，BNC连接组件，同轴电缆以及测试适配座之间的连接原理如图2所示。

图2 系统连接原理图

微处理器U1与LED灯组和电子开关CD4066相连；P1、P2为24脚圆孔排母底座；P3、P4、P5为双向四通道电子开关CD4066；J1、J2、J3、J4、J5为90°弯插的BNC连接组件；P11和P22为用于连接传输校准套件的同轴电缆。

P4的4路开关作为两组端口选择开关，C3和C4接STC89C52的P1.3口，是选通端口1的电子开关控制端，IN3连接BNC连接组件J1的内针引脚，OUT4接BNC连接组件的4个外针引脚；C1和C2接STC89C52的P1.2口，是选通端口2的电子开关控制端，IN1接BNC连接组件J2的内针引脚，OUT2接BNC连接组件J2的4个外针引脚。

P5的4个控制端C1、C2、C3和C4分别连接STC89C52的I/O口P1.6、P1.4、P1.5和P1.7。4路开关分别控制选通开路、短路、负载和传输校准的校准通道，是系统的校准类型选择开关。其输入接口IN1、IN2和IN3接端口选择开关P4的OUT3和OUT1，输出接口OUT1、OUT2和OUT3分别接3个用作开路、短路和负载校准接口的BNC连接组件J3、J4和J5的内针引脚上。J3、J4和J5的外针引脚又连接到端口选择开关P4的IN4和IN2上，这样就构成了电子校准系统两端口的开路、短路和负载校准电路。

与其余各项校准不同，传输校准设置了单独的通道。BNC连接组件J1的内针引脚连接开关P5的IN4，OUT4与接线端子P11的1脚相连，接线端子P11的2脚连接至J1外围的4个引脚；接线端子P22无需连接电子开关，其1脚连接BNC连接组件J2的内针引脚，2脚接BNC连接组件J2外围的4个引脚。

P3是系统的适配座选择开关，BNC连接组件J1的内针引脚接电子开关P3的IN3和IN4，BNC连接组件J1外围的4个引脚与24脚底座P1和P2的3脚、5脚及21脚相连，电子开关P3的OUT3和OUT4分别与24脚底座P1和P2的6脚相连，电子开关P3的控制端口C3和C4分别与STC89C52的P1.0和P1.1口相连，BNC连接组件J2的内针引脚与24脚底座P1和P2的19脚连接，外围的四个引脚与P1和P2的4脚、20脚及22脚相连，进行器件测试时这部分电路单独工作。

系统中设计了LED灯组用以显示校准通道的接通状况，将8个LED灯编号为D0～D7分别对应STC89C52的I/O口P1.0～P1.7。最终制作的用于矢量网络分析仪的电子校准系统实物如图3所示。

图3 电子校准系统实物图

3 实验结果分析

本系统设计的每项校准默认的时间是10 s，如果10 s内未完成校准，则按下开关S2键进行暂停，校准完成后再按下开关S2键继续下一项校准。由于校准过程本身耗时很少，在理论上可以将校准时间设置为一个很小的值。电子校准系统校准流程如图4所示。

图4 校准流程图

系统按照校准程序运行进行端口1的校准。微处理器STC89C52发出指令，开关P4的控制端C3、C4与开关P5的控制端C1选通，LED灯D3、D6亮，其余灯灭，对矢量网络分析仪的端口1进行开路校准；开关P4的控制端C3、C4与开关P5的控制端C2选通，LED灯D3、D4亮，其余灯灭，对端口1进行短路校准；当开关P4的控制端C3、C4与开关P5的控制端C3选通时，LED灯D3、D5亮，其余灯灭，对端口1进行负载校准。

端口1开路和短路校准前后对比如图5(a)所示，端口1负载校准前后对比见图5(b)。

(a)开路和短路校准前后对比(b)负载校准前后对比

图5 端口1校准前后对比

端口2的校准流程。微控制器STC89C52发出指令，开关P4的控制端C1、C2与开关P5的控制端C1选通，LED灯D2、D6亮，其余灯灭，对矢量网络分析仪的端口2进行开路校准；开关P4的控制端C1、C2与开关P5的控制端C2选通，LED灯D2、D4亮，其余灯灭，对端口2进行短路校准；开关P4的控制端C1、C2与开关P5的控制端C3选通，LED灯D2、D5亮，其余灯灭，对端口2进行负载校准。

当开关P5的控制端C4选通时，LED灯D7亮，其余灯灭，对矢量网络分析仪进行传输校准。端口2开路、短路校准及系统传输校准前后对比如图6(a)，负载校准前后对比如图6(b)。

(a)开路、短路及传输校准前后对比(b)负载校准前后对比

图6 端口2及传输校准前后对比

图5和图6的校准实验结果说明该电子校准系统可以实现端口1、2的开路、短路和负载校准，以及端口1和2之间的传输校准功能。

在效率测试实验中，对12个实验人员进行培训后，分别进行了测试，并取10次校准实验的平均值作为实验结果，将本电子校准系统校准与机械试校准、常规校准的效率进行了对比，实验结果如图7所示。

图7 效率测试实验

实验结果表明,使用常规校准方法完成一次校准平均需要300 s以上，使用机械式校准方法平均需要180 s以上，并且操作者不同操作时间差异大，而本文提出的电子校准系统完成一次校准平均需要90 s，相比常规校准方法校准效率提高约70%，相比机械式校准方法校准效率提高约50%。不同实验人员校准效率差异小并且避免多次装卸带来的不便及磨损，减少了误操作的概率，大大提高了校准的效率。

校准完成后进行器件的测试，根据微处理器程序先对适配座P1上的器件进行测试，完成后对适配座P2上的器件进行测试。所测得中心频率为50.882 MHz的声表面波器件频率响应特性测试结果如图8所示。

图8 频率响应特性的测试结果图

4 结 语

本文提出了一种用于矢量网络分析仪的电子校准系统，采用微处理器控制整个校准过程，利用电子开关设置了校准端口、校准类型及测试器件的选择。该电子校准系统寿命长稳定性好，以高度自动化的方式进行校准工作，大大提高了矢量网络分析仪的校准效率，同时减轻了校准过程对人为操作的依赖性，降低了误操作的概率。

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Electronic Calibration System for Vector Network Analyzer

WEN Changbao, ZHANG Cheng, MA Qiong, ZHENG Huaicang, LI Yang

(Institute of Micro-nanoelectronics, School of Electronics and Control Engineering, Chang’an University， Xi’an 710064， China)

In order to improve the calibration efficient, an electronic calibration system for vector network analyzer is proposed. The electronic calibration system consists of the connection port module, the electronic switch module, the calibration interface module and the measurement adapter. The vector network analyzer and the electronic calibration system are connected with the connection port adapter. The selection of the calibration port, the calibration type and the measurement device are controlled by the MCU. Finally, the calibration experiments of short-open-load-reciprocal (SOLR) calibration based on the Agilent E5062A vector network analyzer using the 85032F calibration kits show that the calibration function of the electronic calibration system is feasible. The efficiency test experiment results confirm that the efficiency of the electronic calibration system is improved by about 70% compared with the conventional calibration, and is about 50% compared with the mechanical calibration. Furthermore, the electronic calibration system can improve the calibration efficiency of vector network analyzer, and reduce the error probability of manual operation.

vector network analyzer; calibration system; electronic calibration; surface acoustic wave device

2016-11-15

国家自然科学基金资助项目(60806043)；陕西高等教育教学改革研究项目(15BY23)；全国大学生创新创业训练项目(201510710038,201510710035)；中央高校教育教学改革专项经费资助(jgy16076和jgy16096)

文常保(1976-)，男，山西运城人，教授，主要从事真空微纳电子器件、信息处理器件及传感器的研究。

Tel.：15902962067； E-mail：estlab@chd.edu.cn

TM 931

A

1006-7167(2017)08-0067-04