一種用于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的電子校準(zhǔn)系統(tǒng)

文常保， 張 城， 馬 瓊， 鄭懷倉(cāng)， 李 陽(yáng)

(長(zhǎng)安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院 微納電子研究所， 西安 710064)

一種用于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的電子校準(zhǔn)系統(tǒng)

文常保， 張 城， 馬 瓊， 鄭懷倉(cāng)， 李 陽(yáng)

(長(zhǎng)安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院 微納電子研究所， 西安 710064)

為了提高矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)效率，提出了一種用于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的電子校準(zhǔn)系統(tǒng)。該電子校準(zhǔn)系統(tǒng)由端口連接組件模塊、電子開關(guān)模塊、校準(zhǔn)接口模塊和測(cè)試適配座組成。端口連接組件將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與電子校準(zhǔn)系統(tǒng)相連，利用微處理器控制電子開關(guān)的通斷實(shí)現(xiàn)對(duì)校準(zhǔn)端口、校準(zhǔn)類型及測(cè)試器件的選擇。最后，以85032F校準(zhǔn)套件對(duì)Agilent E5062A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的開路、短路、負(fù)載和傳輸校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)為例，驗(yàn)證了該電子校準(zhǔn)系統(tǒng)校準(zhǔn)功能的可行性。效率測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明,使用該電子校準(zhǔn)系統(tǒng)比常規(guī)校準(zhǔn)方法校準(zhǔn)效率提高了約70%，比機(jī)械式校準(zhǔn)方法提高了約50%。此外，該電子校準(zhǔn)系統(tǒng)提高了矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)效率，降低了人為操作帶來的誤差概率。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀; 校準(zhǔn)系統(tǒng); 電子校準(zhǔn)； 聲表面波器件

0 引 言

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是一種能夠在寬頻帶內(nèi)對(duì)微波器件或者系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描測(cè)量，并確定其網(wǎng)絡(luò)參量的綜合性微波測(cè)量?jī)x器[1-3]。它可以對(duì)測(cè)量結(jié)果逐點(diǎn)進(jìn)行誤差修正，并計(jì)算出反射系數(shù)、傳輸系數(shù)、隔離度和定向度等眾多參數(shù)，因此，在實(shí)驗(yàn)測(cè)量領(lǐng)域有“儀器之王”的美譽(yù)[4-5]。

為了減小測(cè)試誤差，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在使用前必須對(duì)各個(gè)端口進(jìn)行開路、短路、負(fù)載、傳輸參數(shù)校準(zhǔn)[6-8]。目前網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)是將開路、短路、負(fù)載、傳輸套件逐次連接到各個(gè)輸入端口，依次進(jìn)行校準(zhǔn)，過程繁瑣，而且容易對(duì)套件造成磨損，進(jìn)而產(chǎn)生校準(zhǔn)與測(cè)試誤差[9-10]。針對(duì)這一問題，文獻(xiàn)[11]中提出了一種利用機(jī)械開關(guān)選擇各個(gè)校準(zhǔn)套件通道的機(jī)械校準(zhǔn)裝置，避免了校準(zhǔn)套件的重復(fù)拆卸問題，并將校準(zhǔn)時(shí)間減少了50%，大大提高了校準(zhǔn)效率。然而，這種機(jī)械式校準(zhǔn)裝置，仍然存在著一些問題，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：① 機(jī)械式校準(zhǔn)裝置的通道選擇是通過機(jī)械開關(guān)的開閉來完成的，而這個(gè)過程的實(shí)現(xiàn)需要由人工操作完成，所以速度和效率受到一定的局限；② 在機(jī)械式校準(zhǔn)過程中，存在由于操作人員因素造成誤操作的概率，會(huì)對(duì)校準(zhǔn)過程和測(cè)試結(jié)果造成影響[12]。另外，機(jī)械式開關(guān)的壽命問題，也是影響該校準(zhǔn)裝置壽命和穩(wěn)定性的一個(gè)因素。

本文針對(duì)目前矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)中存在的不足，將微處理器控制的電子開關(guān)應(yīng)用于校準(zhǔn)類型的選擇，提出了一種用于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的電子校準(zhǔn)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案及工作原理

用于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的電子校準(zhǔn)系統(tǒng)由端口連接組件模塊、電子開關(guān)模塊、校準(zhǔn)接口模塊和測(cè)試適配座組成，系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電子校準(zhǔn)系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)

電子校準(zhǔn)系統(tǒng)中端口連接組件模塊的作用是將電子校準(zhǔn)系統(tǒng)與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口連接；校準(zhǔn)接口模塊主要是用來安裝校準(zhǔn)套件，并將各校準(zhǔn)套件接入電子校準(zhǔn)系統(tǒng)。測(cè)試適配座用來接入被測(cè)試器件，類型由器件的封裝種類決定。

電子開關(guān)模塊為電子校準(zhǔn)系統(tǒng)的核心模塊，由微處理器、電子開關(guān)和LED通道接入指示燈組成。根據(jù)功能的不同，電子開關(guān)又分為端口選擇開關(guān)、校準(zhǔn)類型選擇開關(guān)、適配座選擇開關(guān)3種。端口選擇開關(guān)用來選擇對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口1、端口2進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)類型選擇開關(guān)用來選擇接通開路、短路、負(fù)載以及傳輸校準(zhǔn)4種校準(zhǔn)套件中的一種，適配座選擇開關(guān)用來選擇待測(cè)試器件進(jìn)行測(cè)試。

進(jìn)行校準(zhǔn)工作時(shí)，端口選擇開關(guān)確定矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)端口，同時(shí)校準(zhǔn)類型選擇開關(guān)依次接通開路、短路和負(fù)載校準(zhǔn)器件進(jìn)行相應(yīng)的校準(zhǔn)，對(duì)于傳輸校準(zhǔn)，需要將傳輸校準(zhǔn)器件通過傳輸校準(zhǔn)開關(guān)連接到兩端口連接組件之間。校準(zhǔn)過程由微處理器按預(yù)先設(shè)置好的流程逐項(xiàng)執(zhí)行。

端口選擇開關(guān)Sc1導(dǎo)通，同時(shí)開路校準(zhǔn)開關(guān)Sm1導(dǎo)通，其他開關(guān)斷開，則對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口1進(jìn)行開路校準(zhǔn)；Sc1和Sm2導(dǎo)通，對(duì)端口1進(jìn)行短路校準(zhǔn)；Sc1和Sm3導(dǎo)通對(duì)端口1進(jìn)行負(fù)載校準(zhǔn)。

同理，對(duì)端口2進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，微處理器發(fā)出控制命令接通端口選擇開關(guān)Sc2及各校準(zhǔn)類型選擇開關(guān)Sm1、Sm2、Sm3，分別對(duì)端口2進(jìn)行開路、短路、負(fù)載校準(zhǔn)。當(dāng)兩個(gè)端口都校準(zhǔn)完成后，傳輸校準(zhǔn)開關(guān)Sm4會(huì)將傳輸校準(zhǔn)套件接通，此時(shí)相當(dāng)于將傳輸校準(zhǔn)件連接至矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩個(gè)端口之間，進(jìn)行傳輸校準(zhǔn)。校準(zhǔn)過程中通過LED通道接入指示燈指示各電子開關(guān)的通斷情況，開關(guān)接通時(shí)點(diǎn)亮。

在系統(tǒng)中，將測(cè)試適配座通過電子開關(guān)直接連接到網(wǎng)絡(luò)分析儀兩端口之間。校準(zhǔn)過程結(jié)束后微處理器發(fā)出指令，適配座選擇開關(guān)接通進(jìn)行器件測(cè)試，即Sk1接通時(shí)適配座1器件進(jìn)行測(cè)試，Sk2接通時(shí)適配座2器件進(jìn)行測(cè)試，理論上可以接入無限多個(gè)適配座進(jìn)行器件測(cè)試。

2 實(shí) 驗(yàn)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，以Agilent E5062A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀電子校準(zhǔn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)為例，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

由Agilent E5062A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀端口類型，端口連接組件選擇傳送信號(hào)穩(wěn)定的RF端子同軸電纜終結(jié)器——BNC連接組件。根據(jù)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的匹配阻抗選用的BNC連接組件特征阻抗為50 Ω，接觸電阻小于0.2 mΩ，絕緣電阻大于5 GΩ，頻率在0～2 GHz范圍內(nèi)都可用。此外，傳輸校準(zhǔn)接口選擇了特性阻抗為50 Ω的同軸電纜進(jìn)行連接。

待測(cè)試器件為DIP封裝24腳的聲表面波器件[13]，因此，測(cè)試適配座選用24腳圓孔排母底座。系統(tǒng)需要端口選擇開關(guān)2對(duì)共4個(gè)，校準(zhǔn)類型選擇開關(guān)4個(gè)，適配座選擇開關(guān)2個(gè)，共10路電子開關(guān)。這里考慮到系統(tǒng)體積、穩(wěn)定性等因素，選用體積小、抗干擾能力好的CD4066雙向四路模擬開關(guān)作為電子開關(guān)，四路開關(guān)之間可以相互獨(dú)立的導(dǎo)通或關(guān)閉，每一個(gè)開關(guān)都由一個(gè)控制信號(hào)端(Control)控制，輸入端與輸出端在原則上可以互換[14]。系統(tǒng)微處理器選擇具有32 位I/O 口線，低功耗、高性能CMOS 8位微處理器STC89C52[15]。

用于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的電子校準(zhǔn)系統(tǒng)中微處理器，電子開關(guān)，LED燈組，BNC連接組件，同軸電纜以及測(cè)試適配座之間的連接原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)連接原理圖

微處理器U1與LED燈組和電子開關(guān)CD4066相連；P1、P2為24腳圓孔排母底座；P3、P4、P5為雙向四通道電子開關(guān)CD4066；J1、J2、J3、J4、J5為90°彎插的BNC連接組件；P11和P22為用于連接傳輸校準(zhǔn)套件的同軸電纜。

P4的4路開關(guān)作為兩組端口選擇開關(guān)，C3和C4接STC89C52的P1.3口，是選通端口1的電子開關(guān)控制端，IN3連接BNC連接組件J1的內(nèi)針引腳，OUT4接BNC連接組件的4個(gè)外針引腳；C1和C2接STC89C52的P1.2口，是選通端口2的電子開關(guān)控制端，IN1接BNC連接組件J2的內(nèi)針引腳，OUT2接BNC連接組件J2的4個(gè)外針引腳。

P5的4個(gè)控制端C1、C2、C3和C4分別連接STC89C52的I/O口P1.6、P1.4、P1.5和P1.7。4路開關(guān)分別控制選通開路、短路、負(fù)載和傳輸校準(zhǔn)的校準(zhǔn)通道，是系統(tǒng)的校準(zhǔn)類型選擇開關(guān)。其輸入接口IN1、IN2和IN3接端口選擇開關(guān)P4的OUT3和OUT1，輸出接口OUT1、OUT2和OUT3分別接3個(gè)用作開路、短路和負(fù)載校準(zhǔn)接口的BNC連接組件J3、J4和J5的內(nèi)針引腳上。J3、J4和J5的外針引腳又連接到端口選擇開關(guān)P4的IN4和IN2上，這樣就構(gòu)成了電子校準(zhǔn)系統(tǒng)兩端口的開路、短路和負(fù)載校準(zhǔn)電路。

與其余各項(xiàng)校準(zhǔn)不同，傳輸校準(zhǔn)設(shè)置了單獨(dú)的通道。BNC連接組件J1的內(nèi)針引腳連接開關(guān)P5的IN4，OUT4與接線端子P11的1腳相連，接線端子P11的2腳連接至J1外圍的4個(gè)引腳；接線端子P22無需連接電子開關(guān)，其1腳連接BNC連接組件J2的內(nèi)針引腳，2腳接BNC連接組件J2外圍的4個(gè)引腳。

P3是系統(tǒng)的適配座選擇開關(guān)，BNC連接組件J1的內(nèi)針引腳接電子開關(guān)P3的IN3和IN4，BNC連接組件J1外圍的4個(gè)引腳與24腳底座P1和P2的3腳、5腳及21腳相連，電子開關(guān)P3的OUT3和OUT4分別與24腳底座P1和P2的6腳相連，電子開關(guān)P3的控制端口C3和C4分別與STC89C52的P1.0和P1.1口相連，BNC連接組件J2的內(nèi)針引腳與24腳底座P1和P2的19腳連接，外圍的四個(gè)引腳與P1和P2的4腳、20腳及22腳相連，進(jìn)行器件測(cè)試時(shí)這部分電路單獨(dú)工作。

系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了LED燈組用以顯示校準(zhǔn)通道的接通狀況，將8個(gè)LED燈編號(hào)為D0～D7分別對(duì)應(yīng)STC89C52的I/O口P1.0～P1.7。最終制作的用于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的電子校準(zhǔn)系統(tǒng)實(shí)物如圖3所示。

圖3 電子校準(zhǔn)系統(tǒng)實(shí)物圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的每項(xiàng)校準(zhǔn)默認(rèn)的時(shí)間是10 s，如果10 s內(nèi)未完成校準(zhǔn)，則按下開關(guān)S2鍵進(jìn)行暫停，校準(zhǔn)完成后再按下開關(guān)S2鍵繼續(xù)下一項(xiàng)校準(zhǔn)。由于校準(zhǔn)過程本身耗時(shí)很少，在理論上可以將校準(zhǔn)時(shí)間設(shè)置為一個(gè)很小的值。電子校準(zhǔn)系統(tǒng)校準(zhǔn)流程如圖4所示。

圖4 校準(zhǔn)流程圖

系統(tǒng)按照校準(zhǔn)程序運(yùn)行進(jìn)行端口1的校準(zhǔn)。微處理器STC89C52發(fā)出指令，開關(guān)P4的控制端C3、C4與開關(guān)P5的控制端C1選通，LED燈D3、D6亮，其余燈滅，對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口1進(jìn)行開路校準(zhǔn)；開關(guān)P4的控制端C3、C4與開關(guān)P5的控制端C2選通，LED燈D3、D4亮，其余燈滅，對(duì)端口1進(jìn)行短路校準(zhǔn)；當(dāng)開關(guān)P4的控制端C3、C4與開關(guān)P5的控制端C3選通時(shí)，LED燈D3、D5亮，其余燈滅，對(duì)端口1進(jìn)行負(fù)載校準(zhǔn)。

端口1開路和短路校準(zhǔn)前后對(duì)比如圖5(a)所示，端口1負(fù)載校準(zhǔn)前后對(duì)比見圖5(b)。

(a)開路和短路校準(zhǔn)前后對(duì)比(b)負(fù)載校準(zhǔn)前后對(duì)比

圖5 端口1校準(zhǔn)前后對(duì)比

端口2的校準(zhǔn)流程。微控制器STC89C52發(fā)出指令，開關(guān)P4的控制端C1、C2與開關(guān)P5的控制端C1選通，LED燈D2、D6亮，其余燈滅，對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口2進(jìn)行開路校準(zhǔn)；開關(guān)P4的控制端C1、C2與開關(guān)P5的控制端C2選通，LED燈D2、D4亮，其余燈滅，對(duì)端口2進(jìn)行短路校準(zhǔn)；開關(guān)P4的控制端C1、C2與開關(guān)P5的控制端C3選通，LED燈D2、D5亮，其余燈滅，對(duì)端口2進(jìn)行負(fù)載校準(zhǔn)。

當(dāng)開關(guān)P5的控制端C4選通時(shí)，LED燈D7亮，其余燈滅，對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行傳輸校準(zhǔn)。端口2開路、短路校準(zhǔn)及系統(tǒng)傳輸校準(zhǔn)前后對(duì)比如圖6(a)，負(fù)載校準(zhǔn)前后對(duì)比如圖6(b)。

(a)開路、短路及傳輸校準(zhǔn)前后對(duì)比(b)負(fù)載校準(zhǔn)前后對(duì)比

圖6 端口2及傳輸校準(zhǔn)前后對(duì)比

圖5和圖6的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明該電子校準(zhǔn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)端口1、2的開路、短路和負(fù)載校準(zhǔn)，以及端口1和2之間的傳輸校準(zhǔn)功能。

在效率測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，對(duì)12個(gè)實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行培訓(xùn)后，分別進(jìn)行了測(cè)試，并取10次校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將本電子校準(zhǔn)系統(tǒng)校準(zhǔn)與機(jī)械試校準(zhǔn)、常規(guī)校準(zhǔn)的效率進(jìn)行了對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 效率測(cè)試實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,使用常規(guī)校準(zhǔn)方法完成一次校準(zhǔn)平均需要300 s以上，使用機(jī)械式校準(zhǔn)方法平均需要180 s以上，并且操作者不同操作時(shí)間差異大，而本文提出的電子校準(zhǔn)系統(tǒng)完成一次校準(zhǔn)平均需要90 s，相比常規(guī)校準(zhǔn)方法校準(zhǔn)效率提高約70%，相比機(jī)械式校準(zhǔn)方法校準(zhǔn)效率提高約50%。不同實(shí)驗(yàn)人員校準(zhǔn)效率差異小并且避免多次裝卸帶來的不便及磨損，減少了誤操作的概率，大大提高了校準(zhǔn)的效率。

校準(zhǔn)完成后進(jìn)行器件的測(cè)試，根據(jù)微處理器程序先對(duì)適配座P1上的器件進(jìn)行測(cè)試，完成后對(duì)適配座P2上的器件進(jìn)行測(cè)試。所測(cè)得中心頻率為50.882 MHz的聲表面波器件頻率響應(yīng)特性測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 頻率響應(yīng)特性的測(cè)試結(jié)果圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種用于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的電子校準(zhǔn)系統(tǒng)，采用微處理器控制整個(gè)校準(zhǔn)過程，利用電子開關(guān)設(shè)置了校準(zhǔn)端口、校準(zhǔn)類型及測(cè)試器件的選擇。該電子校準(zhǔn)系統(tǒng)壽命長(zhǎng)穩(wěn)定性好，以高度自動(dòng)化的方式進(jìn)行校準(zhǔn)工作，大大提高了矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)效率，同時(shí)減輕了校準(zhǔn)過程對(duì)人為操作的依賴性，降低了誤操作的概率。

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Electronic Calibration System for Vector Network Analyzer

WEN Changbao, ZHANG Cheng, MA Qiong, ZHENG Huaicang, LI Yang

(Institute of Micro-nanoelectronics, School of Electronics and Control Engineering, Chang’an University， Xi’an 710064， China)

In order to improve the calibration efficient, an electronic calibration system for vector network analyzer is proposed. The electronic calibration system consists of the connection port module, the electronic switch module, the calibration interface module and the measurement adapter. The vector network analyzer and the electronic calibration system are connected with the connection port adapter. The selection of the calibration port, the calibration type and the measurement device are controlled by the MCU. Finally, the calibration experiments of short-open-load-reciprocal (SOLR) calibration based on the Agilent E5062A vector network analyzer using the 85032F calibration kits show that the calibration function of the electronic calibration system is feasible. The efficiency test experiment results confirm that the efficiency of the electronic calibration system is improved by about 70% compared with the conventional calibration, and is about 50% compared with the mechanical calibration. Furthermore, the electronic calibration system can improve the calibration efficiency of vector network analyzer, and reduce the error probability of manual operation.

vector network analyzer; calibration system; electronic calibration; surface acoustic wave device

2016-11-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60806043)；陜西高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(15BY23)；全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(201510710038,201510710035)；中央高校教育教學(xué)改革專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助(jgy16076和jgy16096)

文常保(1976-)，男，山西運(yùn)城人，教授，主要從事真空微納電子器件、信息處理器件及傳感器的研究。

Tel.：15902962067； E-mail：estlab@chd.edu.cn

TM 931

A

1006-7167(2017)08-0067-04