矢量网络分析仪自动校准系统的设计与实现

周新国 张娟

摘  要：矢量网络分析仪是无线通信领域常用的一种设备，现对该仪器的校准方法进行了归纳总结，提出了能对该仪器进行自动校准的系统的设计方案并加以实现，简述了系统的主要组成、自动校准软件的架构、软件流程图及各模块的功能，为矢量网络分析仪的自动校准提供了一个可行的参考方案。

关键词：矢量网络分析仪;C#语言;自动校准系统

0    引言

矢量网络分析仪是用于微波器件网络参数测量的一种仪器，可直接以扫频方式测量单端口和多端口器件的网络参数。它是测量高頻元器件性能最重要的设备之一，可以测量微波元器件的幅度特性、相位特性和群时延特性，还可利用时域功能来判断阻抗失配（电路故障）的具体位置[1-2]。此外，它也可作为大型综合参数测试系统用于各种射频元器件、部件整机的测试。随着通信技术和军事装备的发展，网络分析仪已经广泛应用于各测试系统中，是通信产品设计、生产、调试的必备仪器之一。

矢量网络分析仪对保障产品质量有着重要作用，而对矢量网络分析仪的计量则成为保证其能够达到预期使用要求的重要手段。矢量网络分析仪通常由信号源单元、信号分离单元、接收机单元、数字控制及显示单元组成[3]。其频带范围宽（从射频到几十吉赫兹）、校准指标多（仅规范规定就达十项），采用手动方式计量一台两端口的矢量网络分析仪通常需要2 h以上的时间，若矢量网络分析仪是多端口（四端口或更多），则花费的时间更长，校准的数据量更大，计量人员的工作任务更繁重。因此，从实际计量工作需求出发，开发一套自动校准系统，以满足日常计量工作要求，提高计量效率，降低计量人员的工作强度，避免由于计量人员人为失误造成的计量数据不可靠。

1    校准系统的构建

1.1    硬件系统配置

依据《矢量网络分析仪校准规范》（JJF 1495—2014）主要用到的标准器有频率计、功率计、校准件、步进衰减器（动态准确度测量装置）等，据此构建的测量系统硬件框图如图1所示。

1.2    系统软件设计

系统采用模块化设计，使用面向对象的C#语言编制，主要由如图2所示模块组成。

各模块的功能简介如下：

（1）用户管理模块。用户管理模块对系统用户账号进行权限管理，可依据登录名进行权限设置，包括账号的增加、删除、修改密码等功能，对账号实施分级管理，使不同权限的用户具有不同的权限，使系统具有较强的安全性。

（2）执行校准模块。系统中的主要模块，涵盖了整个校准过程，包括系统中仪器的自动搜索、自动识别、被校矢量网络分析仪仪器信息的登记、校准模板的选择、校准过程的控制、校准参数的设置、校准数据的采集/存储、校准结果的判别等功能。

（3）不确定度模块。参照《测量不确定度评定与表示》（JJF 1059.1—2012）及所使用的标准器具对矢量网络分析仪校准的每项结果逐点计算测量不确定度[4]，作为校准数据的组成部分存储在数据库中，在出具的校准报告中列出每个校准点的不确定度。

（4）报告生成模块。根据执行校准模块和不确定度模块存储在数据库中的测量结果生成Excel报告，报告字段可设置。

（5）系统维护模块。包括委托方的管理、标准器信息管理、校准人员管理、校准模板的编辑等功能。

（6）数据库模块。包括与ACCESS数据库的ADO连接，数据库内容的增加、删除、查询、修改及数据库异常处理等功能。

1.3    软件运行流程图

用户输入用户名和密码登录系统。成功登录后系统初始化数据库，检查系统数据库的状态，自动搜索系统中的各类型接口的仪器（如GPIB、LXI、USBTMC等），与仪器建立会话，识别其型号、机器号等信息。用户登记仪器的信息，如委托方、校准地点、环境条件等。选择校准模板，系统自动读出模板中的校准项目和校准点，设置校准参数，执行校准。系统自动采集数据并存入数据库。在此过程中若有异常情况出现，如仪器不响应、校准点超出系统范围、数据库存取错误等，则交由异常处理程序进行处理。校准完成后数据保存在数据库内，报告生成模块可以导出数据库的数据，完成校准过程。校准框图如图3所示。

2    关键技术

2.1    面向对象技术

矢量网络分析仪种类繁多，即使是同一制造商所生产，其校准方法和所用仪器也不尽相同。仪器的可替代性一直是自动校准系统开发存在的难题之一。C#语言是典型的面向对象语言，支持面向对象的三个特性，即封装、继承、多态[5]。将面向对象的技术应用在设计中，可以大大降低系统与测量所用标准器的关联程度，从而减少当系统配置仪器发生变化时需要修改的源代码数量。

将仪器的一些共有的属性如名称、型号等和共有的方法如建立会话、关闭会话方法封装到CInstrument，可以达到代码共用的目的。图4是CInstrument类的典型封装图。

继承是面向对象的另一个特性，使用继承可以将系统中的各类型仪器层次化，达到减少代码修改的目的。系统软件继承图如图5所示。

当不同类型的矢量网络分析仪的校准方法有变化时，可以使用多态的方法，将不同校准方法定义为接口，在执行校准时通过不同接口的调用实现多态。

2.2    报告生成

校准数据在采集完毕后存储于数据库中，将数据取出转换为用户所能看到的Excel报告是校准工作的重要组成部分。

C#语言对Excel提供了原生的支持，使用ADO读取数据库的内容，操作Excel的主要步骤如下：

（1）引用Excel的动态链接库文件;

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

Office.Core名字空间;

（3）在模块中定义Application App、WorkBooks、WorkSheets

对象;

（4）对Sheet进行操作;

（5）操作完毕关闭WorkSheets、WorkBooks对象，释放程序占用的资源。

3    自动校准结果的验证

自动校准系统开发完成后，为了验证其校准数据的可靠性，采用同一台矢量网络分析仪E5071C和同样的标准器（频率计、功率计、校准件）分别进行自动和手动校准，并对结果进行比较，比对结果采用归一化偏差En进行验证[6]。En用公式（1）计算：

En=                   （1）

式中：Y手动为手动测量值;Y自动为自动测量值;U手动为手动测量不确定度;U自动为自动测量不确定度。

当En≤1时，认为手动与自动测量结果的一致性满足要求，测量结果得到验证。

以输出频响测量为例，得到的数据如表1所示。

从表中测量结果可以看出，从低频到高频的测量点，其En值均远小于1，自动校准系统的测量结果与手动测量结果的一致性较好，校准数据可靠。

4    结语

本文提出了一种矢量网络分析仪自动校准系统的设计方案，该系统开发完成后进行了实际应用。实践证明，使用该校准系统能够减轻校准人员的劳动强度，提高校准工作效率，使得校准一台矢量网络分析仪所花费的平均时间减少了50%;同时，由于对设备的控制由软件自动完成，计量人员只需将仪器设备正确连接，从而降低了对计量人员熟练程度的要求。

[参考文献]

[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] 矢量网络分析仪校准规范：JJF 1495—2014[S].

[4] 测量不确定度评定与表示：JJF 1059.1—2012[S].

[5] NAGEL C，EVJEN B，GLYNN J.C#高级编程[M].7版.李铭，译.北京：清华大学出版社，2011.

[6] 计量比对规范：JJF 1117—2010[S].

收稿日期：2020-05-29

作者簡介：周新国（1978—），男，江苏南京人，高级工程师，研究方向：无线电计量。

张娟（1974—），女，江苏江阴人，高级工程师，研究方向：计量科研。