基于网络分析仪的多类型微波器件S 参数自动校准软件研究

张 萍,毛立勇,马艺薇,郑涵之

(中国人民解放军96963 部队,北京 100192)

1 引言

S 参数即散射参数是射频微波器件的基本表征参数。通过将微波器件或设备等效为一个输入-输出关系的网络,得到表征微波网络特性的参数,可以用来表示端口器件的射频小信号传输特性和散射特性,这些参数包含有模值和相位信息[1,2]。在无线电计量校准过程中,涉及到大量的射频微波参数,如功率、衰减、相位等,这些参数都和系统中各部分的阻抗匹配相关,其测量准确度受到微波阻抗或S 参数的测量准确度的直接影响。而且随着科学技术的快速发展,微波器件向着小型化、集成化、性能更加先进等方向发展,对微波S 参数测量的准确性提出了越来越高的要求[1,3,4]。

为了保证计量校准中量值的准确一致和可靠,测量S 参数时通常使用高性能的网络分析仪建立S参数测量系统。目前大多数计量机构仍沿用手动校准方式,在日渐信息化的计量工作中,手动方式已不能满足信息化、标准化的要求,并且被测器件的种类、端口、接口形式、技术参数复杂多样,测试时需要处理大量直接或间接数据[5]。

因此,为了提高S 参数的测量准确性和效率,本文设计开发了适用于S 参数测量系统的自动化校准软件,通过创建一个功能强大、方便快捷的计量管理数据库,应用其强大的数据存储与处理能力,实现对多种微波器件S 参数的高效快速自动测量。S 参数自动校准软件能够实现从测试到数据处理再到校准证书的自动化流程,提高测试效率,减小人为测量误差,提高测试数据的准确度,确保微波S 参数量值传递的准确可靠,使测试过程便捷。

2 S 参数测量系统

2.1 系统组成

S 参数测量系统主要用于测试微波器件和设备的反射参数S11,S22和传输参数S12,S21等。这些被测器件和设备,按照端口形式分类,可分为单端口、双端口、三端口及多端口,又根据常用的接口形式可分为N 型,3.5mm,2.92mm 和2.4mm 等[6,7]。

S 参数测量系统主要由矢量网络分析仪、配套校准件、测试线缆和转接件以及被测件等组成。一般情况下,在系统进行测试前,需要使用相应的校准件对矢量网络分析仪进行校准,然后再使用矢量网络分析仪对被测件开展校准和测试工作[8,9]。本文依据校准件和被测件的接口形式对微波器件的S参数进行自动化测量系统设计,分为反射参数测试和传输参数测试。

2.1.1 反射参数测试

测量单端口或多端口器件的反射参数(包括S11、S22等)时,若被测件为单端口形式,则被测件需要根据不同接口形式连接至已校准的对应接口的S 参数测量系统。若被测件为双端口或多端口,则将被测端口连接至该测量系统,其余端口接入相应匹配负载(减小传输反射的影响),以保证测试系统的准确性[10]。单端口和双端口形式的被测件反射参数的测试连接如图1 和图2所示。

图1 单端口器件的反射参数测试框图Fig.1 Block diagram of reflection parameter test of single-port device

图2 双端口器件的反射参数测试框图Fig.2 Block diagram of reflection parameter test of dual-port device

2.1.2 传输参数测试

测量双端口或多端口的器件的传输参数时,先将测量系统的输入和输出接口通过电缆进行直通校准,然后将被测端口按照接口形式连接至对应的S 参数测量系统内,并将其它端口匹配相应负载,以保证测试系统的准确性[10,11]。双端口器件的传输参数测试连接如图3 所示。

图3 双端口器件的传输参数测试框图Fig.3 Block diagram of transmission parameter test for dual-port device

2.2 S 参数自动校准测试必要性

对于掌握计量技术的专业人员按照规定操作,进行S 参数校准测试,通常可以获得精准的测量结果。但是,微波器件型号和类型非常多,包括微波连接器、电缆、滤波器、功分器、衰减器、耦合器、天线、功率探头等,由缺乏经验的人员进行计量测试操作,可能导致测量结果不满足要求。

因此,为了实现微波器件的S 参数准确高效测量,设计了S 参数自动校准测试软件,建立了S 参数自动化测量系统,其组成如图4 所示。对多种类的端口、接口、参数等微波器件进行分类,建立了计量数据库,能够实现S 参数的自动化校准、测量不确定度分析等功能,有效地提高了计量校准的自动化水平,减少测试人员的工作强度和人为操作失误,提高工作效率[12,13]。

图4 S 参数自动化测量系统组成示意图Fig.4 Composition diagram of S-parameter automatic measurement system

3 S 参数自动校准软件设计

3.1 软件总体设计思路

针对S 参数自动化测量系统,需要对选用的网络分析仪(选用E5080B 型号)进行程控操作,通过软件实现以下功能:

1)网络分析仪的自动校准和测试;

2)完成不同类型微波器件的S 参数测试;

3)测量不确定度分析;

4)生成证书报告;

5)人机交互界面友好。

根据以上S 参数自动化测量系统功能要求,本文选用C#语言并基于VS 软件平台进行开发,按照分层设计和模块化的设计思路,将自动校准软件整体分为4 个部分,分别为仪器管理、测试控制、画面显示、数据保存。

3.2 软件详细设计

3.2.1 界面设计

S 参数测量系统的自动校准软件界面设计包含软件主界面、仪器设备配置信息界面、测试项目配置界面、自动校准测试界面以及证书报告生成界面5 部分。

仪器设备配置界面包含标准仪器信息和被测设备信息,将多种微波器件和设备根据其厂家、型号、序列号等进行区分,建立仪器设备信息库。并能够对证书报告中所有客户信息、被检仪器信息、标准仪器信息、标准设备仪器指令信息、不确定度分析、依据规程文件等配置,以及对报告类型(测试、校准)的选择、环境条件进行配置,为后续的证书报告生成提供信息依据。

在测试项目配置界面,测试人员根据需要选择测试项目,并提供可修改与新建测试数据模板功能,以实现特殊测试项目或特定测试点的测试。

校准测试界面设计了测试项目的单点复测、单项复测和任意项复测功能。在测试过程中支持选择开始、暂停和重新测试功能,非常直观地显示实时测试数据并自动生成数据图形如图5 所示。

图5 S 参数自动化校准软件测试界面图Fig.5 Test interface diagram of S-parameter automatic calibration software

证书报告生成界面支持测试的环境状态和报告的基本信息配置,在软件安装根目录里设计了模板库,用户根据需要可自行修改或添加WORD 格式的模板(原始记录、校准证书、测试报告),一键点击“生成报告”即可快速生成证书报告。

3.2.2 系统数据库

针对S 参数测量系统中主标准器和被测器件类型多、参数多、校准数据多等特点,建立由SQL 数据库+Excel 文件联合组成的核心数据库。SQL 数据库选用Access 数据库软件,具有与C#联调方便且兼容性好的优点[14,15]。

SQL 数据库设立网络分析仪信息库和被测仪器信息库,其中网络分析仪信息库用于存放网络分析仪的仪器信息,选定序列号为主键。被测仪器信息库用于存放被测仪器的信息,选定序列号为主键,同时在此数据库中登记器件端口的类型和数量,开始测试时,将调用被测仪器的端口数量与端口类型来进行相应的提示。

考虑在测量系统中主标准器、校准件校准参数多元化、校准数据离散化的特点,还使用了Excel 表格文件存储相关数据,相对于采用TXT 或其他格式的文件,Excel 文件将不同的参数放入不同的表中,能够方便用户阅读,同时C#自带的Office 文件处理接口函数可快速读取表格文件,在测试时灵活导入校准数据,也方便校准数据在测量系统中的应用[16]。

3.3 软件测试流程

S 参数自动化校准软件通过对测量数据库中的计量器具信息、被测对象信息、参数测量数据以及多次测量数据的读取和调用,实现一键自动测试、测量不确定度自动计算等功能,具有友好的人机交互界面,配合显示被测件的测试连接示意图和测试数据自动生成图,便于操作人员的使用并避免发生误操作,也可实现历史测量数据的调用。测试流程如图6 所示。

图6 S 参数自动化校准软件测试流程图Fig.6 Test flow chart of S-parameter automatic calibration software

选择主标准器连接S 参数测量系统,然后配置所需要的测试项目,软件判定仪器正确连接后即可开始测试,测试完成后根据用户的需求选择测量不确定度分析及报告生成。

4 测量数据采集及分析

4.1 S 参数测量不确定度模型

根据校准原理进行S 参数测量不确定度分析,测量不确定度来源主要包括校准件经上级量传引入的不确定度分量、被测器件的连接重复性引入的不确定度分量[17,18]。

由于被测器件种类的多样性,本文设计的软件系统数据库还包括了上级量传的校准件测量不确定度数据和被测件S 参数测量不确定度历史数据,满足用户直接调用或查看数据。

S 参数测量不确定度模型如表1 所示。

表1 测量不确定度来源与评定Tab.1 Source and evaluation of measurement uncertainty

测量不确定度的计算包括合成标准不确定度和扩展不确定度。合成标准不确定度的计算考虑所有的不确定度来源[18,19],其计算公式如下:

取扩展因子k=2,则扩展不确定度的计算公式如下:

以40 dB 衰减器的传输衰减测试为例,在8 GHz频率点重复测量的数据分别为40.31 dB,40.25 dB,40.23 dB,40.28 dB,40.32 dB 和40.22 dB,计算得到其标准偏差为sn=0.04 dB(n=6),则引入的A类测量不确定度分量为u1=0.02 dB(n=6);经上级量传校准件的扩展不确定度为U=(0.22～0.26)dB(k=2),则引入的测量不确定度分量为u2=(0.11～0.13) dB。因此根据上式计算得到合成标准不确定度uc=(0.11～0.13) dB,扩展不确定度为U=(0.22～0.26) dB(k=2)。

4.2 自动化校准数据验证分析

使用矢量网络分析仪E5080B、校准件等建立S参数测量系统,我们分别采用手动测试和自动化测试两种方式在环境下对同一被测件进行测试,分别以N 型功分器1870A 在2 GHz 频点、N 型衰减器8491B 在2 GHz 频点的测试为例,将测试数据对比如表2 和表3 所示。

表2 电压驻波比测试数据Tab.2 VSWR test data

表3 传输衰减测试数据Tab.3 Attenuated test data

使用自动校准软件测试的结果应与人工手动测试结果几近相同。通过以上测试结果的比较,我们可以看到:测试同一被测件的反射参数和传输参数,采用自动化校准软件的测试结果与手动测试结果具有较高的一致性。

5 结束语

在国防通信、航天军工等领域中微波器件的应用需求日益增加,且频率范围越来越宽,相应的校准需求增加。通过在适配不同端口形式的S 参数测量系统中,使用S 参数自动化校准软件,能够实现对微波器件S 参数的快速测量,提高校准检定效率,且满足测量不确定度的要求。同时,通过建立涵盖微波器件特征信息、S 参数测量数据的数据库,实现测量参数重复性和稳定性数据的自动分析,和测量不确定度的自动评定,简化了校准流程,提高了校准效率和校准精度。另外,基于数据库提供的历史数据,能够对被测微波器件的技术特性进行质量跟踪,为其后续的定期校准检定、使用、维护等提供了重要的数据支持。