ATS技術(shù)在微波網(wǎng)絡(luò)調(diào)試中的應(yīng)用

霍利英，楊利敏，陳 妍

(南京電子技術(shù)研究所， 南京 210039)

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·測試技術(shù)·

ATS技術(shù)在微波網(wǎng)絡(luò)調(diào)試中的應(yīng)用

霍利英，楊利敏，陳 妍

(南京電子技術(shù)研究所， 南京 210039)

介紹了ATS技術(shù)在微波網(wǎng)絡(luò)調(diào)試工作中的實際應(yīng)用，給出了硬件組成及軟件實現(xiàn)方式。復(fù)雜形式的微波網(wǎng)絡(luò)需要通過大量的調(diào)試工作才能使各項指標滿足使用要求。調(diào)試人員需要反復(fù)的更換端口進行指標調(diào)試和測試。文中將一種ATS技術(shù)引入微波網(wǎng)絡(luò)調(diào)試系統(tǒng)中，基于GPIB總線、端口擴展中樞、控制軟件，實現(xiàn)微波網(wǎng)絡(luò)調(diào)試工作中測試自動化和輔助調(diào)試。引入ATS技術(shù)后的調(diào)試系統(tǒng)的精度可以達到：幅度誤差≤0.05 dB，相位誤差≤1°，調(diào)試效率提高約40%。

自動測試系統(tǒng); GPIB總線; 微波網(wǎng)絡(luò); 誤差模型; 輔助調(diào)試

0 引 言

自動測試系統(tǒng)技術(shù)在軍事方面的應(yīng)用已有40多年的歷史。 隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷進步，與測試技術(shù)相關(guān)的理論研究工作也取得了較大的進展，從而加速了軍用領(lǐng)域“自動測試系統(tǒng)(automatic test system，ATS)”的 發(fā)展[1]。以微型計算機和獨立操作系統(tǒng)為軟硬件平臺的ATS開始獲得廣泛地使用，從初期的專用接口，最為成功的GPIB接口總線，伴隨著VXI，PXI和新近推出的LXI技術(shù)的發(fā)展，ATS進入研制多功能、易組合、可擴展的成熟階段。隨著裝備復(fù)雜性的快速增長，自動化的多參數(shù)綜合測試和診斷系統(tǒng)的需求越來越旺盛。目前，幾乎每一種重要武器裝備都有相應(yīng)的測試系統(tǒng)研制計劃，這推動了ATS技術(shù)在應(yīng)用層面上、特別是在軍事應(yīng)用上的地位和作用快速提升[2]。

微波網(wǎng)絡(luò)歷來為雷達、通信等系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，微波網(wǎng)絡(luò)參數(shù)指標的好壞直接影響系統(tǒng)的性能。隨著雷達性能要求的不斷提高，微波網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度也越來越高，由于設(shè)計誤差、加工精度、電路原材料等綜合因素，導(dǎo)致微波網(wǎng)絡(luò)，尤其是由微帶電路實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)，很少能免調(diào)試。越是復(fù)雜的技術(shù)指標，調(diào)試工作越是復(fù)雜，往往是需要經(jīng)驗豐富的工程師手動開展調(diào)試工作，調(diào)試周期長，工作量大，且流程中夾雜許多重復(fù)操作動作。為了解決上述問題，本文將一種ATS技術(shù)引入微波網(wǎng)絡(luò)調(diào)試工作中，該技術(shù)的引入不僅降低了微波網(wǎng)絡(luò)調(diào)試工作中的調(diào)試復(fù)雜度，減少了純?nèi)斯な謩拥墓ぷ髁?，同時保證了測試系統(tǒng)的高精度。

1 常規(guī)微波網(wǎng)絡(luò)調(diào)試

常規(guī)的微波網(wǎng)絡(luò)調(diào)試通常由調(diào)試人員手動完成。調(diào)試前先是人工對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行校準，以確保調(diào)試系統(tǒng)的精度。對于復(fù)雜的微波網(wǎng)絡(luò)，往往是幅度和相位加權(quán)賦形，各端口駐波、幅度起伏、幅相誤差等指標都需要調(diào)試人員手動進行調(diào)試，最終將各項指標調(diào)整到規(guī)定的范圍內(nèi)，交付驗收。

以一個一分十二路的功率分配饋電網(wǎng)絡(luò)調(diào)試為例，常規(guī)的調(diào)試流程如圖1所示。

圖1 常規(guī)饋電網(wǎng)絡(luò)調(diào)試框圖

由圖1可以看出，其中最少有十幾次的更換端口工作是需要人工重復(fù)操作的，對于大型的微波網(wǎng)絡(luò)而言，每一個端口的調(diào)試對相鄰端口會產(chǎn)生一定的影響，無論是進行指標的檢查，或者是再次修訂，都要反復(fù)進行測試端口的更換，這樣一個一分十二路的功分器要完成所有指標的調(diào)試可能需要重復(fù)更換上百次的端口。其缺點是：連接端口反復(fù)人工換接耗時耗力，測試數(shù)據(jù)人工記錄精確度低且差錯率高，故障點人工核查效率低下，調(diào)試量越大越復(fù)雜的微波網(wǎng)絡(luò)，缺陷越是明顯。

2 引入ATS技術(shù)的微波網(wǎng)絡(luò)調(diào)試

2.1 引入ATS技術(shù)的調(diào)試平臺組成

ATS可以提高工作效率、保障產(chǎn)品可靠性，隨著自動化測試技術(shù)越來越廣泛的應(yīng)用，很多射頻組件系統(tǒng)的測試已經(jīng)實現(xiàn)了自動化。由于微波網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試工作不同于單純的測試工作，就工作流程上而言，需要先對微波網(wǎng)絡(luò)進行指標的調(diào)試，使用滿足調(diào)試精度的儀表搭建調(diào)試平臺，運用相應(yīng)的射頻調(diào)試技術(shù)(非本文重點，在此不展開)將微波網(wǎng)絡(luò)指標調(diào)整到合格范圍內(nèi)，再運用ATS進行指標測試，實現(xiàn)數(shù)據(jù)提取和計算的自動化。如果在微波組件的調(diào)試階段引入ATS技術(shù)，就需要將相應(yīng)的硬件設(shè)備添加到調(diào)試平臺中，搭建出新的調(diào)試平臺，此時平臺的精度無法控制，故目前很少有人在微波網(wǎng)絡(luò)調(diào)試階段使用ATS技術(shù)。

本文在微波網(wǎng)絡(luò)調(diào)試階段引入了ATS技術(shù)的調(diào)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用具有高穩(wěn)定性的端口擴展中樞設(shè)備，通過GPIB總線及相應(yīng)的控制軟件，實現(xiàn)調(diào)試端口自動切換，自動數(shù)據(jù)測試和輔助故障判斷。采用雙端口12項誤差模型進行系統(tǒng)誤差的校準，確保調(diào)試系統(tǒng)的精度。調(diào)試平臺如圖2所示。

圖2 引入ATS技術(shù)的測試平臺框圖

圖2的調(diào)試平臺中引入了ATS技術(shù)，通過GPIB總線實現(xiàn)計算機與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀之間的數(shù)據(jù)通信，從而進行儀表的控制和數(shù)據(jù)提取[3]。端口擴展中樞將測試儀表的輸出端口擴展，調(diào)試前與被調(diào)試件一一對接，實現(xiàn)微波網(wǎng)絡(luò)被調(diào)試端口切換的自動化。在進行實際的調(diào)試過程中，上百次的人工手動切換端口將通過控制開關(guān)實現(xiàn)自動切換，在大大提高效率的同時，減少了微波網(wǎng)絡(luò)射頻端口與測試電纜間的反復(fù)連接。

端口拓展免除了人工換接，校準數(shù)據(jù)計算機保存避免了頻繁校準，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)自動采集準確快捷降低了差錯率，故障輔助判斷功能減少了人員計算時間。幾大優(yōu)點的融合在引入ATS技術(shù)后的調(diào)試系統(tǒng)中得到了體現(xiàn)，對微波網(wǎng)絡(luò)調(diào)試效率提升(尤其是大型多端口的微波網(wǎng)絡(luò))提供了平臺。

2.2 調(diào)試流程中具體操作的優(yōu)化

如圖1所示，即使引入了ATS技術(shù)，針對于同一組件而言，調(diào)試流程并沒有大的改變，除了調(diào)試平臺按圖2進行連接外，流程中的幾大步驟不能省略，但是具體操作卻被優(yōu)化了。

初始指標測試由ATS中的控制軟件一鍵實現(xiàn)，不再需要手動一一切換；XS2端口到XS13端口的調(diào)試帶來的上百次的端口切換由ATS中端口擴展中樞實現(xiàn)自動切換；調(diào)試后指標復(fù)測也一鍵實現(xiàn)。引入ATS技術(shù)后一條一分十二路的微波網(wǎng)絡(luò)調(diào)試在操作上就可縮短約1 h，約占整個調(diào)試時間的25%。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 調(diào)試平臺的精度保障

調(diào)試平臺的誤差校準是保障測試精度的重要手段[4]，對于引入ATS技術(shù)后的調(diào)試系統(tǒng)，因為引入了端口擴展中樞和相應(yīng)的連接電纜，要保障系統(tǒng)精度有兩個難點：(1)引入的硬件設(shè)備必須具備高度穩(wěn)定性，以確保校準后的系統(tǒng)能保持其精度誤差在允許的范圍內(nèi)浮動；(2)待校準的端口數(shù)量增加，工作量增大，且容易出錯。

矢網(wǎng)的系統(tǒng)誤差是由儀器的硬件電路性能指標不理想所引起的，這些誤差與矢網(wǎng)的信號泄漏、信號反射和頻率響應(yīng)有關(guān)，概括起來有六種類型，即：與信號泄漏有關(guān)的方向誤差和串擾誤差、與反射有關(guān)的源失配和負載阻抗失配誤差、由測試接收機內(nèi)部的反射與傳輸跟蹤引起的頻率響應(yīng)誤差。

圖3給出了基于矢網(wǎng)搭建的調(diào)試平臺系統(tǒng)精度誤差計算模型，是應(yīng)用最多的雙端口12項誤差模型[5]。雙端口網(wǎng)絡(luò)有4 個S參數(shù)，需要用反射和傳輸測量系統(tǒng)將它們同時測出。圖3中虛線之間部分為待測的雙端口網(wǎng)絡(luò)，其S參數(shù)為S11、S21、S12、S22，12 項誤差為:有效方向性誤差ED1、ED2，隔離度誤差EX1、EX2，等效源失配誤差ES1、ES2，等效匹配負載失配誤差EL1、EL2，傳輸跟蹤誤差ET1、ET2，反射跟蹤誤差ER1、ER2。

圖3 調(diào)試平臺精度誤差計算模型

對于硬件指標不完善的系統(tǒng)，可以等效為一個理想的矢網(wǎng)和測量參考面直接按插入一個兩端口的誤差適配器，這個誤差適配器的參數(shù)即表征矢網(wǎng)所有的系統(tǒng)誤差。因二端口網(wǎng)絡(luò)有兩個參考面，故需要對被測網(wǎng)絡(luò)的正向S參數(shù)和反向S參數(shù)，各配備一個誤差適配器[6]。

通過選擇合適的校準模式、高可靠性的外圍電路，實現(xiàn)測試系統(tǒng)誤差校準水平，保障系統(tǒng)的測試精度。本系統(tǒng)在設(shè)計時首先考慮所需硬件的性能指標，選用駐波小、插損小、重復(fù)性好、可靠性高的進口開關(guān)器件及連接電纜，開關(guān)次數(shù)可達1 000 000次，通道間隔離度60 dB以上。

由于機械校準件校準過程費時費力，對操作者要求很高，因此在校準件的選擇方面，本系統(tǒng)選用了電子校準件。電子校準件(electronic calibration，Ecal) 模塊，其示意如圖4所示，只需一次連接就可以獲得誤差模型的所有誤差項，這個過程約1 min，使得矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(vector network analyzers，VNA) 校準實現(xiàn)自動化和實時化(Z1～Z4為內(nèi)部校準件對應(yīng)幾種阻抗狀態(tài))；其由具有已知值的若干個反射阻抗狀態(tài)和至少一個傳輸阻抗狀態(tài)組成，通過其他電子開關(guān)將校準標準自動連接到VNA的測試端口，其中反射阻抗為開路器、短路器、負載等，傳輸阻抗為直通傳輸線；它由微帶傳輸線來實現(xiàn)，通過同軸微帶轉(zhuǎn)換器輸出，其內(nèi)部包含控制電路、多狀態(tài)阻抗網(wǎng)絡(luò)以及含有表征電子校準模塊特征的非易失存儲器，從而形成校準時的自動測試網(wǎng)絡(luò)(automatic test network，ATTN )。

圖4 Ecal模塊原理示意框圖

軟件控制部分增加了校準指示和校準文件定點存放功能，保證校準準確無誤，且可適時調(diào)用。系統(tǒng)設(shè)置了校準驗證功能，用于每天開機后檢驗校準數(shù)據(jù)是否失效，同時還提供了支持電子校準件的功能。在校準模式上選擇“全二端口校準”：即對雙端口器件的傳輸和反射測量，能夠修正正反兩向的方向性、源匹配、負載匹配、隔離和頻響誤差。給出最高的幅值和相位精度。該校準模式是目前經(jīng)過驗證的保障最高測試精度的模式[7]。

本系統(tǒng)設(shè)計精度要求為，測試準確度：±0.3 dB；測試重復(fù)性：±0.1dB；后經(jīng)測試本系統(tǒng)測試準確度：±0.27 dB；測試重復(fù)性：±0.1 dB；本系統(tǒng)已應(yīng)用到實際的微波網(wǎng)絡(luò)調(diào)試驗收工作中，與常規(guī)測試方法所得結(jié)果高度吻合。

3.2 輔助故障判斷功能

純粹的將手動更換調(diào)試通道轉(zhuǎn)為自動切換并不是本系統(tǒng)最大的亮點，本系統(tǒng)在軟件上增加了故障輔助判斷功能。以幅度調(diào)試為例，當幅度起伏超過一定的界限時，通常視為有故障需要調(diào)試。這樣的工作是需要調(diào)試人員借助儀表曲線進行人為判斷，并換算調(diào)節(jié)量進行調(diào)試。在本系統(tǒng)中，借助于軟件，通過設(shè)置上下限的功能，對于超出指標界限的端口報紅，從而給出提示，并在下方給出調(diào)節(jié)量建議。

圖5為本軟件使用過程中的輔助故障判斷界面，當指標有超標需要調(diào)整時，相應(yīng)的端口做出報紅提醒。此功能是將部分人為判斷轉(zhuǎn)換為電腦判斷，借助成圖軟件適時進行數(shù)據(jù)分析，輔助故障判斷功能大大提高了調(diào)試人員查找故障的速度，配合的調(diào)節(jié)量數(shù)據(jù)，減少了調(diào)試人員自行計算的時間，從而改善了調(diào)試的工作強度。

圖5 輔助故障判斷軟件界面示意圖

引入ATS技術(shù)后，使得智能化的調(diào)試工作逐步變?yōu)楝F(xiàn)實，在提高調(diào)試效率的同時大大降低了調(diào)試對微波網(wǎng)絡(luò)的磨損，饋電網(wǎng)絡(luò)的可靠性和使用壽命得到有效的保障。

4 結(jié)束語

智能化、自動化是未來微波網(wǎng)絡(luò)調(diào)試工作的必然趨勢，ATS技術(shù)在微波組件調(diào)試平臺中的引入，大大提升了調(diào)試效率，已在實際的產(chǎn)品項目中得到應(yīng)用。選擇適當?shù)亩丝跀U展中樞，可以將相應(yīng)的功能擴展推廣到相似的各種饋電網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試工作中，為大型多端口網(wǎng)絡(luò)智能化調(diào)試提供了很好發(fā)展平臺。在測試自動化的基礎(chǔ)上，將繁雜的調(diào)試工作逐步推向智能化、自動化，成為提升裝備產(chǎn)能的倍增器。

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霍利英 女，1977年生，高級工程師。研究方向為微波網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、微波測量技術(shù)。

楊利敏 女，1976年生，高級工程師。研究方向為自動測試系統(tǒng)研發(fā)技術(shù)。

陳 妍 女，1983年生，助理工程師。研究方向為微波網(wǎng)絡(luò)測試。

Application of ATS Technology in Microwave Network Debugging

HUO Liying，YANG Limin，CHEN Yan

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)

This paper introduces the actual application of ATS technology in the microwave network debugging, gives the hardware composition and software implementation. The microwave network complex form required by a large number of debugging work to make the indicators meet the requirements. The debugging personnel need to index the debugging and testing repeatedly replacing port. A kind of ATS technology is introduced to the microwave network debugging system. Based on GPIB bus, signal transmission center and the corresponding control software to realize the purpose of automation testing and auxiliary debugging. Introduced the system debugging of ATS technology of accuracy can be achieved: amplitude error is less than or equal to 0.05 dB, the phase error is less than 1 degrees, the debugging efficiency is increased by 40%.

automatic test system; GPIB bus; microwave network; error model; auxiliary debugging

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.10.018

霍利英 Email：2612408@qq.com

2015-06-28

2015-09-18

TP274.5; TN385

A

1004-7859(2015)10-0073-04