矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周新國(guó) 張娟

摘? 要：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是無(wú)線通信領(lǐng)域常用的一種設(shè)備，現(xiàn)對(duì)該儀器的校準(zhǔn)方法進(jìn)行了歸納總結(jié)，提出了能對(duì)該儀器進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案并加以實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)述了系統(tǒng)的主要組成、自動(dòng)校準(zhǔn)軟件的架構(gòu)、軟件流程圖及各模塊的功能，為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的自動(dòng)校準(zhǔn)提供了一個(gè)可行的參考方案。

關(guān)鍵詞：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀;C#語(yǔ)言;自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)

0? ? 引言

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是用于微波器件網(wǎng)絡(luò)參數(shù)測(cè)量的一種儀器，可直接以掃頻方式測(cè)量單端口和多端口器件的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。它是測(cè)量高頻元器件性能最重要的設(shè)備之一，可以測(cè)量微波元器件的幅度特性、相位特性和群時(shí)延特性，還可利用時(shí)域功能來(lái)判斷阻抗失配（電路故障）的具體位置[1-2]。此外，它也可作為大型綜合參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)用于各種射頻元器件、部件整機(jī)的測(cè)試。隨著通信技術(shù)和軍事裝備的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)分析儀已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各測(cè)試系統(tǒng)中，是通信產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、調(diào)試的必備儀器之一。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)保障產(chǎn)品質(zhì)量有著重要作用，而對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的計(jì)量則成為保證其能夠達(dá)到預(yù)期使用要求的重要手段。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通常由信號(hào)源單元、信號(hào)分離單元、接收機(jī)單元、數(shù)字控制及顯示單元組成[3]。其頻帶范圍寬（從射頻到幾十吉赫茲）、校準(zhǔn)指標(biāo)多（僅規(guī)范規(guī)定就達(dá)十項(xiàng)），采用手動(dòng)方式計(jì)量一臺(tái)兩端口的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通常需要2 h以上的時(shí)間，若矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是多端口（四端口或更多），則花費(fèi)的時(shí)間更長(zhǎng)，校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)量更大，計(jì)量人員的工作任務(wù)更繁重。因此，從實(shí)際計(jì)量工作需求出發(fā)，開(kāi)發(fā)一套自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，以滿(mǎn)足日常計(jì)量工作要求，提高計(jì)量效率，降低計(jì)量人員的工作強(qiáng)度，避免由于計(jì)量人員人為失誤造成的計(jì)量數(shù)據(jù)不可靠。

1? ? 校準(zhǔn)系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1? ? 硬件系統(tǒng)配置

依據(jù)《矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)規(guī)范》（JJF 1495—2014）主要用到的標(biāo)準(zhǔn)器有頻率計(jì)、功率計(jì)、校準(zhǔn)件、步進(jìn)衰減器（動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確度測(cè)量裝置）等，據(jù)此構(gòu)建的測(cè)量系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

1.2? ? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，使用面向?qū)ο蟮腃#語(yǔ)言編制，主要由如圖2所示模塊組成。

各模塊的功能簡(jiǎn)介如下：

（1）用戶(hù)管理模塊。用戶(hù)管理模塊對(duì)系統(tǒng)用戶(hù)賬號(hào)進(jìn)行權(quán)限管理，可依據(jù)登錄名進(jìn)行權(quán)限設(shè)置，包括賬號(hào)的增加、刪除、修改密碼等功能，對(duì)賬號(hào)實(shí)施分級(jí)管理，使不同權(quán)限的用戶(hù)具有不同的權(quán)限，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的安全性。

（2）執(zhí)行校準(zhǔn)模塊。系統(tǒng)中的主要模塊，涵蓋了整個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程，包括系統(tǒng)中儀器的自動(dòng)搜索、自動(dòng)識(shí)別、被校矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀儀器信息的登記、校準(zhǔn)模板的選擇、校準(zhǔn)過(guò)程的控制、校準(zhǔn)參數(shù)的設(shè)置、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的采集/存儲(chǔ)、校準(zhǔn)結(jié)果的判別等功能。

（3）不確定度模塊。參照《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》（JJF 1059.1—2012）及所使用的標(biāo)準(zhǔn)器具對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)的每項(xiàng)結(jié)果逐點(diǎn)計(jì)算測(cè)量不確定度[4]，作為校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的組成部分存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，在出具的校準(zhǔn)報(bào)告中列出每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的不確定度。

（4）報(bào)告生成模塊。根據(jù)執(zhí)行校準(zhǔn)模塊和不確定度模塊存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的測(cè)量結(jié)果生成Excel報(bào)告，報(bào)告字段可設(shè)置。

（5）系統(tǒng)維護(hù)模塊。包括委托方的管理、標(biāo)準(zhǔn)器信息管理、校準(zhǔn)人員管理、校準(zhǔn)模板的編輯等功能。

（6）數(shù)據(jù)庫(kù)模塊。包括與ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)的ADO連接，數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容的增加、刪除、查詢(xún)、修改及數(shù)據(jù)庫(kù)異常處理等功能。

1.3? ? 軟件運(yùn)行流程圖

用戶(hù)輸入用戶(hù)名和密碼登錄系統(tǒng)。成功登錄后系統(tǒng)初始化數(shù)據(jù)庫(kù)，檢查系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的狀態(tài)，自動(dòng)搜索系統(tǒng)中的各類(lèi)型接口的儀器（如GPIB、LXI、USBTMC等），與儀器建立會(huì)話，識(shí)別其型號(hào)、機(jī)器號(hào)等信息。用戶(hù)登記儀器的信息，如委托方、校準(zhǔn)地點(diǎn)、環(huán)境條件等。選擇校準(zhǔn)模板，系統(tǒng)自動(dòng)讀出模板中的校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)點(diǎn)，設(shè)置校準(zhǔn)參數(shù)，執(zhí)行校準(zhǔn)。系統(tǒng)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫(kù)。在此過(guò)程中若有異常情況出現(xiàn)，如儀器不響應(yīng)、校準(zhǔn)點(diǎn)超出系統(tǒng)范圍、數(shù)據(jù)庫(kù)存取錯(cuò)誤等，則交由異常處理程序進(jìn)行處理。校準(zhǔn)完成后數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，報(bào)告生成模塊可以導(dǎo)出數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)，完成校準(zhǔn)過(guò)程。校準(zhǔn)框圖如圖3所示。

2? ? 關(guān)鍵技術(shù)

2.1? ? 面向?qū)ο蠹夹g(shù)

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀種類(lèi)繁多，即使是同一制造商所生產(chǎn)，其校準(zhǔn)方法和所用儀器也不盡相同。儀器的可替代性一直是自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)存在的難題之一。C#語(yǔ)言是典型的面向?qū)ο笳Z(yǔ)言，支持面向?qū)ο蟮娜齻€(gè)特性，即封裝、繼承、多態(tài)[5]。將面向?qū)ο蟮募夹g(shù)應(yīng)用在設(shè)計(jì)中，可以大大降低系統(tǒng)與測(cè)量所用標(biāo)準(zhǔn)器的關(guān)聯(lián)程度，從而減少當(dāng)系統(tǒng)配置儀器發(fā)生變化時(shí)需要修改的源代碼數(shù)量。

將儀器的一些共有的屬性如名稱(chēng)、型號(hào)等和共有的方法如建立會(huì)話、關(guān)閉會(huì)話方法封裝到CInstrument，可以達(dá)到代碼共用的目的。圖4是CInstrument類(lèi)的典型封裝圖。

繼承是面向?qū)ο蟮牧硪粋€(gè)特性，使用繼承可以將系統(tǒng)中的各類(lèi)型儀器層次化，達(dá)到減少代碼修改的目的。系統(tǒng)軟件繼承圖如圖5所示。

當(dāng)不同類(lèi)型的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)方法有變化時(shí)，可以使用多態(tài)的方法，將不同校準(zhǔn)方法定義為接口，在執(zhí)行校準(zhǔn)時(shí)通過(guò)不同接口的調(diào)用實(shí)現(xiàn)多態(tài)。

2.2? ? 報(bào)告生成

校準(zhǔn)數(shù)據(jù)在采集完畢后存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中，將數(shù)據(jù)取出轉(zhuǎn)換為用戶(hù)所能看到的Excel報(bào)告是校準(zhǔn)工作的重要組成部分。

C#語(yǔ)言對(duì)Excel提供了原生的支持，使用ADO讀取數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容，操作Excel的主要步驟如下：

（1）引用Excel的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件;

（2）在程序中引用Microsoft.Office.Interop.Excel和Microsoft.

Office.Core名字空間;

（3）在模塊中定義Application App、WorkBooks、WorkSheets

對(duì)象;

（4）對(duì)Sheet進(jìn)行操作;

（5）操作完畢關(guān)閉WorkSheets、WorkBooks對(duì)象，釋放程序占用的資源。

3? ? 自動(dòng)校準(zhǔn)結(jié)果的驗(yàn)證

自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成后，為了驗(yàn)證其校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的可靠性，采用同一臺(tái)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071C和同樣的標(biāo)準(zhǔn)器（頻率計(jì)、功率計(jì)、校準(zhǔn)件）分別進(jìn)行自動(dòng)和手動(dòng)校準(zhǔn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較，比對(duì)結(jié)果采用歸一化偏差En進(jìn)行驗(yàn)證[6]。En用公式（1）計(jì)算：

En=? ? ??? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：Y手動(dòng)為手動(dòng)測(cè)量值;Y自動(dòng)為自動(dòng)測(cè)量值;U手動(dòng)為手動(dòng)測(cè)量不確定度;U自動(dòng)為自動(dòng)測(cè)量不確定度。

當(dāng)En≤1時(shí)，認(rèn)為手動(dòng)與自動(dòng)測(cè)量結(jié)果的一致性滿(mǎn)足要求，測(cè)量結(jié)果得到驗(yàn)證。

以輸出頻響測(cè)量為例，得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

從表中測(cè)量結(jié)果可以看出，從低頻到高頻的測(cè)量點(diǎn)，其En值均遠(yuǎn)小于1，自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果與手動(dòng)測(cè)量結(jié)果的一致性較好，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)可靠。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成后進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。實(shí)踐證明，使用該校準(zhǔn)系統(tǒng)能夠減輕校準(zhǔn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高校準(zhǔn)工作效率，使得校準(zhǔn)一臺(tái)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀所花費(fèi)的平均時(shí)間減少了50%;同時(shí)，由于對(duì)設(shè)備的控制由軟件自動(dòng)完成，計(jì)量人員只需將儀器設(shè)備正確連接，從而降低了對(duì)計(jì)量人員熟練程度的要求。

[參考文獻(xiàn)]

[1] Keysight公司.Keysight E5070B/E5071B ENA Series RF Network Analyzers Service Manual[Z].

[2] Keysight公司.Keysight PNA Series Network Analyzers Help Manual[Z].

[3] 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)規(guī)范：JJF 1495—2014[S].

[4] 測(cè)量不確定度評(píng)定與表示：JJF 1059.1—2012[S].

[5] NAGEL C，EVJEN B，GLYNN J.C#高級(jí)編程[M].7版.李銘，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[6] 計(jì)量比對(duì)規(guī)范：JJF 1117—2010[S].

收稿日期：2020-05-29

作者簡(jiǎn)介：周新國(guó)（1978—），男，江蘇南京人，高級(jí)工程師，研究方向：無(wú)線電計(jì)量。

張娟（1974—），女，江蘇江陰人，高級(jí)工程師，研究方向：計(jì)量科研。