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(xué)院通信工程學(xué)院， 南京211167)

0 引言

利用現(xiàn)代電子測試技術(shù)對電量和非電量進(jìn)行定性或定量測量，產(chǎn)生自動測試系統(tǒng)(Automatic Test System，ATS)是電子測量儀器的重要門類，以主控計算機(jī)為核心，采用開放式、標(biāo)準(zhǔn)總線作為系統(tǒng)控制總線，控制不同類型標(biāo)準(zhǔn)接口儀器，實(shí)現(xiàn)控制、測量、數(shù)據(jù)分析和測試結(jié)果輸出全程自動化［1］?，F(xiàn)有的ATS應(yīng)用對象可覆蓋微波、數(shù)字、低頻、中頻及射頻等被測設(shè)備，能夠在最小程度的人工參與下，對被測件的研制、生產(chǎn)、使用與維護(hù)修理全壽命周期的各種定量、定性參數(shù)進(jìn)行分析評定、故障診斷和故障預(yù)測［2］。

在針對微波系統(tǒng)的ATS中，最常使用的儀器是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀?，F(xiàn)在的矢量網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)參數(shù)的一種高精度智能化儀器，既可測量網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性，又可測量網(wǎng)絡(luò)的相頻特性和時延特性。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的多跡線和多測試通道功能可分別實(shí)現(xiàn)多S參數(shù)測試與多通道測試技術(shù)。將多跡線和多測試通道概念相結(jié)合，即可實(shí)現(xiàn)多通道多S參數(shù)測試。

將多通道多S參數(shù)測試方法運(yùn)用到以PNA-X矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為基礎(chǔ)的微波系統(tǒng)的ATS中，可一次校準(zhǔn)完成多個參數(shù)的測試，減少ATS系統(tǒng)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(shù)測試方法的原理及使用該方法的條件，在ATS軟件系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)。

1 方法概述

1.1 多S參數(shù)自動測試方法

在微波系統(tǒng)中的S參數(shù)是建立在入射波、反射波關(guān)系基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，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(wǎng)絡(luò)，在這些反射和傳輸信號指標(biāo)中都包含幅度和相位信息［3］。

現(xiàn)代電子測試技術(shù)通常采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來測試微波系統(tǒng)的幅相信息。在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中，跡線是一系列測量數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合，通常表示為一個頻段內(nèi)所有頻點(diǎn)的測試數(shù)據(jù)的集合。理論上對跡線的數(shù)目沒有限制，但實(shí)際上受限于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的最大窗口(window)數(shù)，即每個窗口的最大跡線數(shù)目。測試通道包含跡線，PNA-X系列的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀最多可以有32個獨(dú)立的測試通道，測試通道的設(shè)置決定了它所包含的跡線的測量參數(shù)，所有在同一測試通道中的跡線共享當(dāng)前測試通道的所有設(shè)置［3］。

在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上進(jìn)行S參數(shù)測試時，跡線和S參數(shù)一一對應(yīng)，即一條跡線對應(yīng)一個S參數(shù)，則n個S參數(shù)對應(yīng)n條跡線，通過設(shè)置多條跡線可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)測試。這也是單通道ATS中通常采用的方法，無需頻繁設(shè)置儀器，只需在當(dāng)前測試通道上，按S參數(shù)設(shè)置跡線的開始頻率和終止頻率等信息，不同S參數(shù)設(shè)置不同的跡線，通過采集各條跡線的數(shù)據(jù)得到所對應(yīng)的S參數(shù)。

在多通道ATS中，基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試通道的概念，使ATS的測試通道與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試通道相對應(yīng)，即每個具有獨(dú)立儀器參數(shù)配置的ATS測試通道均包含多條跡線，實(shí)現(xiàn)了不同通道的多S參數(shù)共存，而ATS的各個測試通道可以按需切換，從而實(shí)現(xiàn)多通道多S參數(shù)測試［4］。

1.2 多通道ATS系統(tǒng)

在多通道ATS系統(tǒng)中，系統(tǒng)的硬件部分利用開關(guān)矩陣構(gòu)建多個測試通道，每個測試通道均和PNA-X矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等測試儀器連接，在系統(tǒng)的軟件部分，把矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試通道與ATS系統(tǒng)的測試通道一一對應(yīng)，即可構(gòu)建軟硬件結(jié)合的多通道ATS系統(tǒng)［5］。多通道ATS系統(tǒng)的每個測試通道均采用多參數(shù)測試方法，利用ATS系統(tǒng)的多個測試通道連接微波系統(tǒng)的多個通道，可實(shí)現(xiàn)微波系統(tǒng)的多通道ATS的多S參數(shù)測試。

2 方法的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

在微波系統(tǒng)的多通道ATS中，硬件部分較容易實(shí)現(xiàn)，主要難點(diǎn)在于軟件部分。在軟件部分，先把ATS的測試通道和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試通道相關(guān)聯(lián)，其基于多通道的多S參數(shù)測試方法的實(shí)現(xiàn)可描述為:在多通道ATS中，每個通道的多參數(shù)校準(zhǔn)可單次完成，一次完成多個通道的校準(zhǔn)后，存儲所有通道的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，每次調(diào)用時可供多個通道測試使用。測試時按通道獲取相應(yīng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，然后按照當(dāng)前通道的多條跡線來測試微波系統(tǒng)通道的S參數(shù)，如圖1所示。

圖1 多通道ATS系統(tǒng)中的校準(zhǔn)與測試實(shí)現(xiàn)方式

任何測試系統(tǒng)在進(jìn)行測試之前必須對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，微波系統(tǒng)的多通道ATS系統(tǒng)也不例外。首先，實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)，其次，調(diào)用校準(zhǔn)，模擬微波系統(tǒng)的工作狀態(tài)，然后，用電子儀器自動測量出各參數(shù)。整個過程的重點(diǎn)在于多通道多參數(shù)校準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的全二端口校準(zhǔn)功能可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)校準(zhǔn)，結(jié)合多通道ATS的切換功能來切換通道，進(jìn)行各個通道的校準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)多通道ATS的校準(zhǔn)。整個測試步驟如圖2所示。

圖2 多通道多參數(shù)ATS的測試步驟

下面以具有4個通道的微波系統(tǒng)多通道ATS系統(tǒng)為例，系統(tǒng)中的測量儀器為兩端口的PNA-X矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和包含4個通道的信號中樞，多S參數(shù)為:S12、S11和S22參數(shù)。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(shù)，則每個測試通道需測試3個S參數(shù)，整個ATS系統(tǒng)需測試12個S參數(shù)才能完成上述4個測試指標(biāo)。根據(jù)多通道多參數(shù)ATS的實(shí)現(xiàn)方法，在整個ATS系統(tǒng)中需要配置4個通道和12條跡線，因此，在系統(tǒng)校準(zhǔn)時應(yīng)把這4個通道和12條跡線的信息全部包含在校準(zhǔn)文件中。

2.1 單通道的多參數(shù)測試

對當(dāng)前通道做全二端口校準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)當(dāng)前通道的多參數(shù)校準(zhǔn)。在全二端口校準(zhǔn)時設(shè)定三條多跡線，分別起名為:CH1_S12，CH1_S11，CH1_S22。使用手動校準(zhǔn)件做全二端口校準(zhǔn)的步驟是:(1)把整個ATS的通道和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試通道設(shè)置在同一個通道上;(2)設(shè)置該通道的信息，包括校準(zhǔn)的開始頻率、終止頻率、頻率點(diǎn)數(shù)、中頻帶寬、校準(zhǔn)激勵等基本信息，設(shè)置需要的S參數(shù)，設(shè)置校準(zhǔn)方法、選擇校準(zhǔn)件、選擇標(biāo)準(zhǔn)套數(shù)、設(shè)置校準(zhǔn)時隔離標(biāo)準(zhǔn)打開與否;(3)做前向校準(zhǔn)和后向校準(zhǔn);(4)做直通校準(zhǔn)，完成整個全二端口校準(zhǔn)。整個實(shí)現(xiàn)過程如圖3所示。

圖3 使用手動校準(zhǔn)件的單通道的全二端口校準(zhǔn)過程

若使用電子校準(zhǔn)件，步驟簡化許多，S參數(shù)只需設(shè)置一條通道的參數(shù)，而后選擇校準(zhǔn)方法直接完成整個校準(zhǔn)。對于多參數(shù)，只需在該測試通道上增加相應(yīng)的S參數(shù)即可，實(shí)現(xiàn)過程如圖4所示。

圖4 使用電子校準(zhǔn)件的單通道的全二端口校準(zhǔn)過程

2.2 多通道的多參數(shù)校準(zhǔn)

使用矢網(wǎng)測試通道間的復(fù)制功能，把第一個測試通道的設(shè)置信息復(fù)制到其他通道，而后對其進(jìn)行校準(zhǔn)即可得到其他通道的校準(zhǔn)信息。根據(jù)ATS的通道數(shù)重復(fù)相應(yīng)通道的校準(zhǔn)，等所有通道的校準(zhǔn)都完成后，保存該狀態(tài)至文件，即為多通道ATS的多S參數(shù)校準(zhǔn)文件。

2.3 單通道的多參數(shù)測試

和所有測試系統(tǒng)一樣，在測試之前調(diào)用校準(zhǔn)文件，使測試系統(tǒng)進(jìn)入微波系統(tǒng)的工作狀態(tài)，然后，按照微波系統(tǒng)的工作方式進(jìn)行加電和加激勵，使微波系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，最后，采集電子儀器上的數(shù)據(jù)，得到測試結(jié)果。單通道的多S參數(shù)測試流程，如圖5所示。

2.4 多通道的多參數(shù)測試

調(diào)用2.2節(jié)中得到的校準(zhǔn)文件，把微波系統(tǒng)接入測試系統(tǒng)中，按通道依次獲取當(dāng)前的校準(zhǔn)信息，根據(jù)2.3節(jié)描述的流程進(jìn)行測試，最終執(zhí)行完成后即可得到多通道多S參數(shù)的測試結(jié)果，如圖6所示。

圖5 單通道的多S參數(shù)測試過程

圖6 多通道的多S參數(shù)測試過程

3 仿真及應(yīng)用

由于T/R組件也是一種微波系統(tǒng)，按照上文的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)方法把多通道多S參數(shù)測試運(yùn)用到T/R組件的多通道ATS系統(tǒng)中，在保證被測指標(biāo)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(shù)時，單個T/R組件的測試時間較單通道的ATS系統(tǒng)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(tǒng)雖然只做一次校準(zhǔn)，但每次只測試一個通道，切換T/R組件通道時必須結(jié)束其工作狀態(tài)，并關(guān)閉所有儀器的設(shè)置，連接T/R組件與ATS測試通道時，再重新設(shè)置整個ATS系統(tǒng)中的儀器狀態(tài)，使T/R組件重新進(jìn)入工作模式才能進(jìn)行測試;而多通道ATS系統(tǒng)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(shè)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(shù)。相較而言，多通道ATS減少了系統(tǒng)中儀器的設(shè)置次數(shù)和T/R組件工作狀態(tài)的切換，大大提高了測試速度，減輕雷達(dá)T/R組件生產(chǎn)周期的壓力。在現(xiàn)有的多通道ATS系統(tǒng)上，單個T/R組件的全參數(shù)測試時間已經(jīng)壓縮在10 min以內(nèi)。

4 結(jié)束語

本文提出了在多通道ATS上實(shí)現(xiàn)多S參數(shù)的測試算法，該算法在實(shí)現(xiàn)T/R組件的自動測試系統(tǒng)中能大大提高組件測試速度和生產(chǎn)效率。在未來工作中，還可根據(jù)實(shí)際被測件靈活構(gòu)建測試通道，優(yōu)化各個通道的跡線設(shè)置，從而更進(jìn)一步提高測試速度。

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