矢量網(wǎng)絡分析儀自動校準系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

周新國 張娟

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

關(guān)鍵詞：矢量網(wǎng)絡分析儀;C#語言;自動校準系統(tǒng)

0? ? 引言

矢量網(wǎng)絡分析儀是用于微波器件網(wǎng)絡參數(shù)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(wǎng)絡參數(shù)。它是測量高頻元器件性能最重要的設(shè)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(shù)測試系統(tǒng)用于各種射頻元器件、部件整機的測試。隨著通信技術(shù)和軍事裝備的發(fā)展，網(wǎng)絡分析儀已經(jīng)廣泛應用于各測試系統(tǒng)中，是通信產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、調(diào)試的必備儀器之一。

矢量網(wǎng)絡分析儀對保障產(chǎn)品質(zhì)量有著重要作用，而對矢量網(wǎng)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(wǎng)絡分析儀通常由信號源單元、信號分離單元、接收機單元、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）、校準指標多（僅規(guī)范規(guī)定就達十項），采用手動方式計量一臺兩端口的矢量網(wǎng)絡分析儀通常需要2 h以上的時間，若矢量網(wǎng)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(shù)據(jù)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(fā)，開發(fā)一套自動校準系統(tǒng)，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(shù)據(jù)不可靠。

1? ? 校準系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1? ? 硬件系統(tǒng)配置

依據(jù)《矢量網(wǎng)絡分析儀校準規(guī)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(tài)準確度測量裝置）等，據(jù)此構(gòu)建的測量系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

1.2? ? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，使用面向?qū)ο蟮腃#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(tǒng)用戶賬號進行權(quán)限管理，可依據(jù)登錄名進行權(quán)限設(shè)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(quán)限的用戶具有不同的權(quán)限，使系統(tǒng)具有較強的安全性。

（2）執(zhí)行校準模塊。系統(tǒng)中的主要模塊，涵蓋了整個校準過程，包括系統(tǒng)中儀器的自動搜索、自動識別、被校矢量網(wǎng)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(shù)的設(shè)置、校準數(shù)據(jù)的采集/存儲、校準結(jié)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(wǎng)絡分析儀校準的每項結(jié)果逐點計算測量不確定度[4]，作為校準數(shù)據(jù)的組成部分存儲在數(shù)據(jù)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(jù)執(zhí)行校準模塊和不確定度模塊存儲在數(shù)據(jù)庫中的測量結(jié)果生成Excel報告，報告字段可設(shè)置。

（5）系統(tǒng)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(shù)據(jù)庫模塊。包括與ACCESS數(shù)據(jù)庫的ADO連接，數(shù)據(jù)庫內(nèi)容的增加、刪除、查詢、修改及數(shù)據(jù)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(tǒng)。成功登錄后系統(tǒng)初始化數(shù)據(jù)庫，檢查系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的狀態(tài)，自動搜索系統(tǒng)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(huán)境條件等。選擇校準模板，系統(tǒng)自動讀出模板中的校準項目和校準點，設(shè)置校準參數(shù)，執(zhí)行校準。系統(tǒng)自動采集數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫。在此過程中若有異常情況出現(xiàn)，如儀器不響應、校準點超出系統(tǒng)范圍、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫內(nèi)，報告生成模塊可以導出數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，完成校準過程。校準框圖如圖3所示。

2? ? 關(guān)鍵技術(shù)

2.1? ? 面向?qū)ο蠹夹g(shù)

矢量網(wǎng)絡分析儀種類繁多，即使是同一制造商所生產(chǎn)，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(tǒng)開發(fā)存在的難題之一。C#語言是典型的面向?qū)ο笳Z言，支持面向?qū)ο蟮娜齻€特性，即封裝、繼承、多態(tài)[5]。將面向?qū)ο蟮募夹g(shù)應用在設(shè)計中，可以大大降低系統(tǒng)與測量所用標準器的關(guān)聯(lián)程度，從而減少當系統(tǒng)配置儀器發(fā)生變化時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、型號等和共有的方法如建立會話、關(guān)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?qū)ο蟮牧硪粋€特性，使用繼承可以將系統(tǒng)中的各類型儀器層次化，達到減少代碼修改的目的。系統(tǒng)軟件繼承圖如圖5所示。

當不同類型的矢量網(wǎng)絡分析儀的校準方法有變化時，可以使用多態(tài)的方法，將不同校準方法定義為接口，在執(zhí)行校準時通過不同接口的調(diào)用實現(xiàn)多態(tài)。

2.2? ? 報告生成

校準數(shù)據(jù)在采集完畢后存儲于數(shù)據(jù)庫中，將數(shù)據(jù)取出轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)庫的內(nèi)容，操作Excel的主要步驟如下：

（1）引用Excel的動態(tài)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(guān)閉WorkSheets、WorkBooks對象，釋放程序占用的資源。

3? ? 自動校準結(jié)果的驗證

自動校準系統(tǒng)開發(fā)完成后，為了驗證其校準數(shù)據(jù)的可靠性，采用同一臺矢量網(wǎng)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(jié)果進行比較，比對結(jié)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(jié)果的一致性滿足要求，測量結(jié)果得到驗證。

以輸出頻響測量為例，得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

從表中測量結(jié)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(tǒng)的測量結(jié)果與手動測量結(jié)果的一致性較好，校準數(shù)據(jù)可靠。

4? ? 結(jié)語

本文提出了一種矢量網(wǎng)絡分析儀自動校準系統(tǒng)的設(shè)計方案，該系統(tǒng)開發(fā)完成后進行了實際應用。實踐證明，使用該校準系統(tǒng)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(wǎng)絡分析儀所花費的平均時間減少了50%;同時，由于對設(shè)備的控制由軟件自動完成，計量人員只需將儀器設(shè)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(wǎng)絡分析儀校準規(guī)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(guī)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。