矢量網絡分析儀自動校準系統的設計與實現

周新國 張娟

摘? 要：矢量網絡分析儀是無線通信領域常用的一種設備，現對該儀器的校準方法進行了歸納總結，提出了能對該儀器進行自動校準的系統的設計方案并加以實現，簡述了系統的主要組成、自動校準軟件的架構、軟件流程圖及各模塊的功能，為矢量網絡分析儀的自動校準提供了一個可行的參考方案。

關鍵詞：矢量網絡分析儀;C#語言;自動校準系統

0? ? 引言

矢量網絡分析儀是用于微波器件網絡參數測量的一種儀器，可直接以掃頻方式測量單端口和多端口器件的網絡參數。它是測量高頻元器件性能最重要的設備之一，可以測量微波元器件的幅度特性、相位特性和群時延特性，還可利用時域功能來判斷阻抗失配（電路故障）的具體位置[1-2]。此外，它也可作為大型綜合參數測試系統用于各種射頻元器件、部件整機的測試。隨著通信技術和軍事裝備的發展，網絡分析儀已經廣泛應用于各測試系統中，是通信產品設計、生產、調試的必備儀器之一。

矢量網絡分析儀對保障產品質量有著重要作用，而對矢量網絡分析儀的計量則成為保證其能夠達到預期使用要求的重要手段。矢量網絡分析儀通常由信號源單元、信號分離單元、接收機單元、數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）、校準指標多（僅規范規定就達十項），采用手動方式計量一臺兩端口的矢量網絡分析儀通常需要2 h以上的時間，若矢量網絡分析儀是多端口（四端口或更多），則花費的時間更長，校準的數據量更大，計量人員的工作任務更繁重。因此，從實際計量工作需求出發，開發一套自動校準系統，以滿足日常計量工作要求，提高計量效率，降低計量人員的工作強度，避免由于計量人員人為失誤造成的計量數據不可靠。

1? ? 校準系統的構建

1.1? ? 硬件系統配置

依據《矢量網絡分析儀校準規范》（JJF 1495—2014）主要用到的標準器有頻率計、功率計、校準件、步進衰減器（動態準確度測量裝置）等，據此構建的測量系統硬件框圖如圖1所示。

1.2? ? 系統軟件設計

系統采用模塊化設計，使用面向對象的C#語言編制，主要由如圖2所示模塊組成。

各模塊的功能簡介如下：

（1）用戶管理模塊。用戶管理模塊對系統用戶賬號進行權限管理，可依據登錄名進行權限設置，包括賬號的增加、刪除、修改密碼等功能，對賬號實施分級管理，使不同權限的用戶具有不同的權限，使系統具有較強的安全性。

（2）執行校準模塊。系統中的主要模塊，涵蓋了整個校準過程，包括系統中儀器的自動搜索、自動識別、被校矢量網絡分析儀儀器信息的登記、校準模板的選擇、校準過程的控制、校準參數的設置、校準數據的采集/存儲、校準結果的判別等功能。

（3）不確定度模塊。參照《測量不確定度評定與表示》（JJF 1059.1—2012）及所使用的標準器具對矢量網絡分析儀校準的每項結果逐點計算測量不確定度[4]，作為校準數據的組成部分存儲在數據庫中，在出具的校準報告中列出每個校準點的不確定度。

（4）報告生成模塊。根據執行校準模塊和不確定度模塊存儲在數據庫中的測量結果生成Excel報告，報告字段可設置。

（5）系統維護模塊。包括委托方的管理、標準器信息管理、校準人員管理、校準模板的編輯等功能。

（6）數據庫模塊。包括與ACCESS數據庫的ADO連接，數據庫內容的增加、刪除、查詢、修改及數據庫異常處理等功能。

1.3? ? 軟件運行流程圖

用戶輸入用戶名和密碼登錄系統。成功登錄后系統初始化數據庫，檢查系統數據庫的狀態，自動搜索系統中的各類型接口的儀器（如GPIB、LXI、USBTMC等），與儀器建立會話，識別其型號、機器號等信息。用戶登記儀器的信息，如委托方、校準地點、環境條件等。選擇校準模板，系統自動讀出模板中的校準項目和校準點，設置校準參數，執行校準。系統自動采集數據并存入數據庫。在此過程中若有異常情況出現，如儀器不響應、校準點超出系統范圍、數據庫存取錯誤等，則交由異常處理程序進行處理。校準完成后數據保存在數據庫內，報告生成模塊可以導出數據庫的數據，完成校準過程。校準框圖如圖3所示。

2? ? 關鍵技術

2.1? ? 面向對象技術

矢量網絡分析儀種類繁多，即使是同一制造商所生產，其校準方法和所用儀器也不盡相同。儀器的可替代性一直是自動校準系統開發存在的難題之一。C#語言是典型的面向對象語言，支持面向對象的三個特性，即封裝、繼承、多態[5]。將面向對象的技術應用在設計中，可以大大降低系統與測量所用標準器的關聯程度，從而減少當系統配置儀器發生變化時需要修改的源代碼數量。

將儀器的一些共有的屬性如名稱、型號等和共有的方法如建立會話、關閉會話方法封裝到CInstrument，可以達到代碼共用的目的。圖4是CInstrument類的典型封裝圖。

繼承是面向對象的另一個特性，使用繼承可以將系統中的各類型儀器層次化，達到減少代碼修改的目的。系統軟件繼承圖如圖5所示。

當不同類型的矢量網絡分析儀的校準方法有變化時，可以使用多態的方法，將不同校準方法定義為接口，在執行校準時通過不同接口的調用實現多態。

2.2? ? 報告生成

校準數據在采集完畢后存儲于數據庫中，將數據取出轉換為用戶所能看到的Excel報告是校準工作的重要組成部分。

C#語言對Excel提供了原生的支持，使用ADO讀取數據庫的內容，操作Excel的主要步驟如下：

（1）引用Excel的動態鏈接庫文件;

（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

對象;

（4）對Sheet進行操作;

（5）操作完畢關閉WorkSheets、WorkBooks對象，釋放程序占用的資源。

3? ? 自動校準結果的驗證

自動校準系統開發完成后，為了驗證其校準數據的可靠性，采用同一臺矢量網絡分析儀E5071C和同樣的標準器（頻率計、功率計、校準件）分別進行自動和手動校準，并對結果進行比較，比對結果采用歸一化偏差En進行驗證[6]。En用公式（1）計算：

En=? ? ??? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：Y手動為手動測量值;Y自動為自動測量值;U手動為手動測量不確定度;U自動為自動測量不確定度。

當En≤1時，認為手動與自動測量結果的一致性滿足要求，測量結果得到驗證。

以輸出頻響測量為例，得到的數據如表1所示。

從表中測量結果可以看出，從低頻到高頻的測量點，其En值均遠小于1，自動校準系統的測量結果與手動測量結果的一致性較好，校準數據可靠。

4? ? 結語

本文提出了一種矢量網絡分析儀自動校準系統的設計方案，該系統開發完成后進行了實際應用。實踐證明，使用該校準系統能夠減輕校準人員的勞動強度，提高校準工作效率，使得校準一臺矢量網絡分析儀所花費的平均時間減少了50%;同時，由于對設備的控制由軟件自動完成，計量人員只需將儀器設備正確連接，從而降低了對計量人員熟練程度的要求。

[參考文獻]

[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] 矢量網絡分析儀校準規范：JJF 1495—2014[S].

[4] 測量不確定度評定與表示：JJF 1059.1—2012[S].

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

[6] 計量比對規范：JJF 1117—2010[S].

收稿日期：2020-05-29

作者簡介：周新國（1978—），男，江蘇南京人，高級工程師，研究方向：無線電計量。

張娟（1974—），女，江蘇江陰人，高級工程師，研究方向：計量科研。