多S參數(shù)測(cè)試在多通道ATS中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(cè)試技術(shù)對(duì)電量和非電量進(jìn)行定性或定量測(cè)量，產(chǎn)生自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)(Automatic Test System，ATS)是電子測(cè)量?jī)x器的重要門類，以主控計(jì)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(cè)量、數(shù)據(jù)分析和測(cè)試結(jié)果輸出全程自動(dòng)化［1］?，F(xiàn)有的ATS應(yīng)用對(duì)象可覆蓋微波、數(shù)字、低頻、中頻及射頻等被測(cè)設(shè)備，能夠在最小程度的人工參與下，對(duì)被測(cè)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(píng)定、故障診斷和故障預(yù)測(cè)［2］。

在針對(duì)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(cè)試通道(channel)功能是全面測(cè)量網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的一種高精度智能化儀器，既可測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性，又可測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的相頻特性和時(shí)延特性。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的多跡線和多測(cè)試通道功能可分別實(shí)現(xiàn)多S參數(shù)測(cè)試與多通道測(cè)試技術(shù)。將多跡線和多測(cè)試通道概念相結(jié)合，即可實(shí)現(xiàn)多通道多S參數(shù)測(cè)試。

將多通道多S參數(shù)測(cè)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(gè)參數(shù)的測(cè)試，減少ATS系統(tǒng)資源的開銷，加快了測(cè)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(cè)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(dòng)測(cè)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(cè)件端口的反射信號(hào)以及從該端口傳向另一端口的信號(hào)來描述電路網(wǎng)絡(luò)，在這些反射和傳輸信號(hào)指標(biāo)中都包含幅度和相位信息［3］。

現(xiàn)代電子測(cè)試技術(shù)通常采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來測(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合，通常表示為一個(gè)頻段內(nèi)所有頻點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)的集合。理論上對(duì)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(gè)窗口的最大跡線數(shù)目。測(cè)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(gè)獨(dú)立的測(cè)試通道，測(cè)試通道的設(shè)置決定了它所包含的跡線的測(cè)量參數(shù)，所有在同一測(cè)試通道中的跡線共享當(dāng)前測(cè)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(cè)試時(shí)，跡線和S參數(shù)一一對(duì)應(yīng)，即一條跡線對(duì)應(yīng)一個(gè)S參數(shù)，則n個(gè)S參數(shù)對(duì)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(cè)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(cè)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(duì)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(cè)試通道的概念，使ATS的測(cè)試通道與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試通道相對(duì)應(yīng)，即每個(gè)具有獨(dú)立儀器參數(shù)配置的ATS測(cè)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(gè)測(cè)試通道可以按需切換，從而實(shí)現(xiàn)多通道多S參數(shù)測(cè)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(gè)測(cè)試通道，每個(gè)測(cè)試通道均和PNA-X矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等測(cè)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(cè)試通道與ATS系統(tǒng)的測(cè)試通道一一對(duì)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(gè)測(cè)試通道均采用多參數(shù)測(cè)試方法，利用ATS系統(tǒng)的多個(gè)測(cè)試通道連接微波系統(tǒng)的多個(gè)通道，可實(shí)現(xiàn)微波系統(tǒng)的多通道ATS的多S參數(shù)測(cè)試。

2 方法的設(shè)計(jì)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(cè)試通道和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試通道相關(guān)聯(lián)，其基于多通道的多S參數(shù)測(cè)試方法的實(shí)現(xiàn)可描述為:在多通道ATS中，每個(gè)通道的多參數(shù)校準(zhǔn)可單次完成，一次完成多個(gè)通道的校準(zhǔn)后，存儲(chǔ)所有通道的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，每次調(diào)用時(shí)可供多個(gè)通道測(cè)試使用。測(cè)試時(shí)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(cè)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(cè)試實(shí)現(xiàn)方式

任何測(cè)試系統(tǒng)在進(jìn)行測(cè)試之前必須對(duì)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(dòng)測(cè)量出各參數(shù)。整個(gè)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(gè)通道的校準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)多通道ATS的校準(zhǔn)。整個(gè)測(cè)試步驟如圖2所示。

圖2 多通道多參數(shù)ATS的測(cè)試步驟

下面以具有4個(gè)通道的微波系統(tǒng)多通道ATS系統(tǒng)為例，系統(tǒng)中的測(cè)量?jī)x器為兩端口的PNA-X矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和包含4個(gè)通道的信號(hào)中樞，多S參數(shù)為:S12、S11和S22參數(shù)。以測(cè)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(gè)S參數(shù)，則每個(gè)測(cè)試通道需測(cè)試3個(gè)S參數(shù)，整個(gè)ATS系統(tǒng)需測(cè)試12個(gè)S參數(shù)才能完成上述4個(gè)測(cè)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(gè)ATS系統(tǒng)中需要配置4個(gè)通道和12條跡線，因此，在系統(tǒng)校準(zhǔn)時(shí)應(yīng)把這4個(gè)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(cè)試

對(duì)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(shí)設(shè)定三條多跡線，分別起名為:CH1_S12，CH1_S11，CH1_S22。使用手動(dòng)校準(zhǔn)件做全二端口校準(zhǔn)的步驟是:(1)把整個(gè)ATS的通道和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試通道設(shè)置在同一個(gè)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(lì)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(shí)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(gè)全二端口校準(zhǔn)。整個(gè)實(shí)現(xiàn)過程如圖3所示。

圖3 使用手動(dòng)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(jiǎn)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(gè)校準(zhǔn)。對(duì)于多參數(shù)，只需在該測(cè)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(cè)試通道間的復(fù)制功能，把第一個(gè)測(cè)試通道的設(shè)置信息復(fù)制到其他通道，而后對(duì)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(cè)試

和所有測(cè)試系統(tǒng)一樣，在測(cè)試之前調(diào)用校準(zhǔn)文件，使測(cè)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(lì)，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(cè)試結(jié)果。單通道的多S參數(shù)測(cè)試流程，如圖5所示。

2.4 多通道的多參數(shù)測(cè)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(cè)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(cè)試，最終執(zhí)行完成后即可得到多通道多S參數(shù)的測(cè)試結(jié)果，如圖6所示。

圖5 單通道的多S參數(shù)測(cè)試過程

圖6 多通道的多S參數(shù)測(cè)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(jì)與實(shí)現(xiàn)方法把多通道多S參數(shù)測(cè)試運(yùn)用到T/R組件的多通道ATS系統(tǒng)中，在保證被測(cè)指標(biāo)的正確條件下，測(cè)試一個(gè)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(shí)，單個(gè)T/R組件的測(cè)試時(shí)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(cè)試速度。

測(cè)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(cè)試一個(gè)通道，切換T/R組件通道時(shí)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(cè)試通道時(shí)，再重新設(shè)置整個(gè)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(cè)試;而多通道ATS系統(tǒng)在測(cè)試時(shí)，只需一次性把T/R組件的所有通道和多通道ATS的測(cè)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(gè)通道跡線的測(cè)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(cè)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(gè)T/R組件的全參數(shù)測(cè)試時(shí)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(cè)試算法，該算法在實(shí)現(xiàn)T/R組件的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中能大大提高組件測(cè)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(cè)件靈活構(gòu)建測(cè)試通道，優(yōu)化各個(gè)通道的跡線設(shè)置，從而更進(jìn)一步提高測(cè)試速度。

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