频谱分析仪一键式智能计量

2021-08-17陈效杰楼红英罗剑兵沈保龙

宇航计测技术 2021年3期

陈效杰楼红英罗剑兵沈保龙

(中国电子科技集团公司第十四研究所，江苏南京 210039)

1 引言

随着无线电技术的不断发展，频谱分析仪作为通用电子测量仪器之一，在计量测试领域不可或缺。依据《JJF 1396—2013频谱分析仪校准规范》或《GJB 8805—2015宽频带频谱分析仪检定规程》开展频谱分析仪计量工作。以校准规范为例，频谱分析仪校准项目包括参考频率、频率读数、扫频带宽、噪声边带、分辨率带宽及其选择性、输入衰减转换影响、输入频响、二次谐波失真、三阶交调等十多项[1]，涉及的计量标准器具(主标准器及配套设备)有：频率计、信号发生器(2台)、功率计、滤波器、功分器等。

自动计量测试是通过工控机与标准仪器、被检仪器之间的通讯，实现对仪器的操控及数据交互，减少人为操作，显著提升了计量效率[2]。计量测试的高准确度，要求计量过程减少不确定度分量或者降低不确定度，但现阶段都采用标准与被测仪器设备直连的方式[3]。由于各测试项对应标准仪器不同，因此，在实际计量测试过程中需要在被检仪器与标准仪器之间进行频繁的信号路径切换。

频谱分析仪自动计量测试项目流程及各测试项目对应标准设备如图1所示。因此在自动计量测试过程中，需经常暂停测试或在程序中设置断点提示，以完成被测仪器与标准仪器之间的切换，一台频谱分析仪的校准过程需要切换10多次连接对象，直接影响了计量效率。据统计，除去预热和自校准时间，平均一台频谱分析仪自动计量测试时间为60min，其中切换连接消耗的操作时间近15min。

图1 频谱分析仪自动计量校准项目流程及对应标准设备图

同时，对于精密的同轴电缆，可靠连接寿命仅千次级，而每年计量标准器具输入输出端与电缆、适配器之间连接次数就超过千次，加大了标准仪器及测试附件的损耗，耗材费用过高。计量级同轴电缆、同轴适配器价格昂贵，由于磨损缩短了使用寿命，提高了使用成本。

研制智能开关中枢系统，实现被测仪器单次连接一键式计量，对于计量标准器具及附件的维护、计量效率的提升具有重要意义。一键式智能计量技术将进一步提升计量工作效率，全面提升实验室计量测试能力，实现自动计量测试向智能计量测试进化，为科研生产提供高效的计量服务保障。

2 智能开关中枢研制

开展频谱分析仪的一键式智能计量技术研究，实现自动计量测试向智能计量测试的跨越式发展。研制智能开关中枢系统(图2的“Signal Center”)，将中枢系统嵌入到标准装置中，所有标准仪器通过同轴电缆与中枢系统连接，如图2所示；相对于被检仪器，中枢系统与标准装置各分立标准仪器或配套设备固化为一个新的整体(黑盒子)，被检仪器与“黑盒子”之间单次连接，即可完成被测仪器全项目的计量工作。根据频谱分析仪校准项目所需的标准设备及连接属性研制智能开关中枢，智能开关中枢原理如图3所示。

图2 频谱分析仪一键式智能计量连接图

图3 频谱分析仪智能开关中枢示意图

智能开关中枢是一键式智能计量的核心组成部分，其主要功能是实现被测仪器与标准设备的稳定可靠连接和智能自动切换。智能开关中枢主要由控制器、开关组以及通讯接口组成。控制器通过通讯接口与工控机建立通讯，进而实现工控机对整个中枢状态的控制。

智能开关中枢需要具备高稳定性、高隔离度、高通断比、低损耗等特点。开关通道间信号泄露产生的附加串扰会影响测试稳定性及动态，通道串扰的产生主要是开关隔离度和连接电缆信号泄露。在智能开关中枢研建时选用隔离度大的开关，选择射频泄露小的电缆，以提高智能开关中枢抗干扰性能，减小自身串扰和外界干扰对计量测试结果的影响。

当前，频谱分析仪多为50GHz以下频段，在兼顾通用性及降低研制成本的条件下，对智能开关中枢进行优化设计。在具备50GHz(同轴2.4mm)频谱分析仪计量能力的同时，要兼顾26.5GHz(同轴3.5mm)、18GHz及更低频段(N型)的型号产品。通用性设计要求智能开关中枢与被测仪器射频连接端口应具备以上3种，但实际情况是，开关级联越多，信号的传输性能越差，因此智能开关中枢只保留一个同轴2.4mm接口，其他型式接口通过高精度适配器转接(适配器跟电缆同时修正)。开关、电缆及附件的选择，根据计量测试项所需要的最高频率选择对应的开关、电缆及附件。如信号发生器与频谱分析仪之间的参考晶振连接线只需要BNC型式即可，无需采用昂贵的同轴电缆；6GHz以下功率测试N型电缆即可，无需采用2.4mm同轴电缆。

3 误差修正及不确定度分析

智能开关中枢的引入，使得频谱分析仪计量时连接链路加长，射频信号传输过程中信号损耗增加，因此与直接计量测试相比，为得到精确的测试数据，需要消除智能开关中枢的对结果的影响。

误差修正分为三类：对于频率读数、扫频带宽、分辨力带宽及其选择性、噪声边带、垂直显示刻度、参考电平、输入衰减转换影响、分辨力带宽转换影响、显示平均噪声电平测试项，主要修正信号发生器与被测频谱分析仪之间的直连开关通路(以下称为频率读数通路)引入的误差；校准信号电平测试项，主要修正校准信号与功率计直连开关通路引入的误差；对于绝对幅度、输入频响测试项，主要修正信号源经功分器到标准功率计、被检频谱分析仪两路幅度一致性(以下称为频响测试通路一致性)引入的误差。

为得到修正误差值，采用50GHz四端口网络分析仪对智能开关中枢频率读数损耗及频响测试通路一致性进行计量测试[4]，如图4所示。

图4 智能开关中枢校准连接图

智能开关中枢及测试电缆损耗与频率之间关系见表1，其中损耗值为6次测试平均值。根据频率与损耗之间的关系，得到的散点图如图5所示，根据散点图对曲线进行多项式拟合，其中从5次多项式开始，拟合趋势基本复合，拟合公式为

图5 拟合曲线及拟合公式曲线图

L=-4×10-7×X5+6×10-5×X4-2.8×10-3

×X3+6.43×10-2×X2-0.8937×X-0.488

(1)

式中：L——损耗值；X——频率，单位GHz。

因为智能开关中枢和电缆导致信号衰减，频谱分析仪接收信号可能会出现的设置量程(参考电平及量程)之外，在直接测试信号发生器功率输出的基础上补偿相应频率对应的损耗值，此补偿无需与损耗值完全一致，故可用式(1)进行补偿[5]。如果直接测试时信号发生器在某频点的幅度为A，采用智能开关中枢后，信号发生器在该频点的输出幅度为(A-L)。

表1 频率读数通路损耗与频率对应表Tab.1 Frequency reading path loss and frequency correspondence table频率(GHz)损耗(dB)频率(GHz)损耗(dB)频率(GHz)损耗(dB)频率(GHz)损耗(dB)频率(GHz)损耗(dB)0.01-0.1380.5-1.07410-5.14225-8.26940-10.9140.05-0.2381-1.57015-6.36430-9.69245-11.7830.1-0.3645-3.58220-7.36335-10.25850-13.578

智能开关中枢开关、功分器和线缆引起的频谱分析仪通路损耗、功率计通路损耗以及两路一致性见表2和表3，与频率读数通路一样，对频谱分析仪通路损耗及两路一致性进行曲线拟合，如图6和图7所示，并得到拟合公式。

图6 频谱分析仪通路损耗拟合曲线图

图7 两路一致性拟合曲线图

L=10-9×X6-5×10-7×X5+6×10-5×X4-3×10-3×X3+7.11×10-2×X2-0.994×X-6.561

(2)

L=7×10-11×X6-10-7×X5+10-5×X4-6×10-4×X3+1.4×10-2×X2-0.211×X-0.124

(3)

与频率读数测量时一样，为了确保信号一直显示在频谱分析仪屏幕中(Ref和div配置)，需要补偿频谱分析仪连接通路的信号，无需精确补偿，所以采用式(2)进行补偿即可，补偿方法与频率读数测试中补偿一致。

补偿验证以功率计通路为例，采用同一台E4417A功率计主机、N8487A功率敏感器和负载对频谱分析仪通路和功率计通路进行功率测试，在不同功率下两路测试结果见表4。

由表4可看出，功率在(0～15)dBm时，基本处于功率计线性区，因此，通过信号源提升输出功率进行补偿的方法是有效的。

表3 两路一致性与频率对应表Tab.3 Two way consistency and frequency correspondence table频率(MHz)损耗(dB)频率(GHz)损耗(dB)频率(GHz)损耗(dB)频率(GHz)损耗(dB)频率(GHz)损耗(dB)10-0.0321-0.37214-1.57727-2.32340-2.73950-0.0582-0.55515-1.63228-2.36441-2.60264-0.0673-0.65916-1.74729-2.19742-3.075100-0.0904-0.76717-1.77930-2.17043-2.834128-0.1085-0.86318-1.76331-2.33644-2.988200-0.1546-0.96819-1.78932-2.47345-2.926300-0.2067-1.05620-1.87033-2.50446-2.931400-0.2398-1.12921-1.89034-2.54247-3.070500-0.2729-1.20022-1.92435-2.36648-3.119600-0.30010-1.32823-1.98436-2.52849-3.472700-0.32711-1.41624-1.98237-2.71150-3.559800-0.34812-1.43525-2.09338-2.482//900-0.36013-1.50626-2.21539-2.561//

表4 输入频响通路功率计验证Tab.4 Verification of input frequency response path power meter频率(GHz)0dBm10dBm15dBm频谱路(dBm)功率路(dBm)Delta(dB)频谱路(dBm)功率路(dBm)Delta(dB)频谱路(dBm)功率路(dBm)Delta(dB)0.05-6.33-6.370.043.733.700.038.778.740.030.5-7.27-6.98-0.292.813.10-0.297.848.12-0.285-10.14-9.29-0.85-0.120.72-0.844.845.69-0.8518-13.59-11.78-1.81-3.60-1.80-1.801.363.15-1.7926.5-15.77-13.51-2.26-5.85-3.57-2.28-0.921.35-2.2740-19.70-17.00-2.70-9.95-7.23-2.72-5.62-2.85-2.7750-22.86-19.65-3.21-13.33-10.08-3.25-8.52-5.28-3.24

输出参考频率测量不确定度，主要分量[5]包括频率计外时基不准引入的不确定度、频率计外时基的稳定度引入的不确定度、测量重复性引入的不确定度、频率计分辨率引入的不确定度，通过理论分析及实验测试，与自动计量测试相较而言，智能中枢系统引入的不确定度可不考虑。

功率测量不确定度，主要分量包括功率计引入的不确定度u1、测量重复性引入的不确定度u2、功分器输出不平衡引入的不确定度u3、失配引入的不确定度u4。与直接计量测试相较而言，功率计和测量重复性引入的不确定度一致；功分器输出的不确定度由于两路误差修正，可以降低该不确定分量；失配引入的不确定分量，智能中枢系统整体可比拟为直接计量测试的功分器，端口驻波比较自动计量增大，u4随之增大，最终在50GHz时，不确定度略有增加，不确定度分析见表5。

表5 直接计量与智能计量功率测量不确定度分析Tab.5 Uncertainty analysis of direct metering and smart metering power measurement分量u1u2u3u4ucU(k=2)直接计量0.09650.009890.110.1580.2155780.43智能计量0.09650.009890.050.200830.2285670.45

相对幅度测量不确定度，主要分量有衰减器引入的不确定度u4、测量重复性引入的不确定度u2，频谱分析仪读书分辨力引入的不确定度u3、失配引入的不确定度u4。经分析，较自动计量测试相比，由于衰减器的存在，失配变化较小，对整体不确定度的影响较小，见表6，衰减量为10dB时不确定比较。

表6 直接计量与智能计量相对幅度测量不确定度分析Tab.6 Uncertainty analysis of relative amplitude measurement between direct measurement and smart measurement分量u1u2u3u4ucU(k=2)直接计量0.010.002140.002890.01970.0223840.05智能计量0.010.002140.002890.02030.0229130.05

4 一键式智能计量程序设计

与自动计量测试相比，智能开关中枢在被测仪器与标准装置之间增加了电缆、开关、适配器等无源器件，消除了各类器件的损耗、开关的串扰等对测试结果产生的影响。自动测试与一键式智能计量流程对比如图8所示。

图8 自动测试与一键式智能计量流程对比图

一键式智能计量测试程序设计中，需增加对整个测试系统进行校准功能模块，目的是对中枢系统的性能进行校准，校准数据作为修正参量以备在被测仪器在相应的计量测试项目中调用。校准完毕后，即可对频谱分析仪开展计量工作。

在自动计量流程中[6]，消耗时间最长的是仪器程控命令执行时间(仪器响应时间)，其次是切换标准所用的时间，数据写入、数据运算时间在计算机内高速运行，相比前两者而言可忽略不计。所以一键式智能计量在智能开关中枢系统稳定可靠即无需校准的情况下，从计量到检定证书或校准证书的生成[7]无需暂停，可节省切换标准所用的时间，大幅提高计量效率。

5 实验对比

手动计量、自动测试、一键式智能计量三种方式对同一台频谱分析仪E4447A进行计量测试。参考频率、频率读数、扫频带宽、噪声边带、分辨率带宽及其选择性、输入衰减转换影响、输入频响、二次谐波失真、三阶交调等，其中参考频率、频率读书、扫频宽度、噪声边带、分辨率带宽及选择性、输入衰减转换影响、二次谐波失真、三阶交调三种方式结果基本一致，输入频响一键式智能计量与手动计量、自动测试存在略微差异，结果见表7至表9。

表7 扫频宽度(选取部分扫频宽度)Tab.7 Sweep width(select part of the sweep width)中心频率(GHz)扫频宽度(MHz)最小值(MHz)手动80%扫频宽度实测值(MHz)自动80%扫频宽度实测值(MHz)一键式80%扫频宽度实测值(MHz)最大值(MHz)U(k=2)(MHz)210.0010.0007980.0008000.0008000.0008000.0008021×10-610.7980.8010.8010.8010.8020.00110079.880.080.080.080.20.14200033516336003360033600336841

表8 3dB带宽(选取部分带宽)Tab.8 3dB bandwidth(select part of the bandwidth)分辨力带宽(kHz)最小值(kHz)手动实测值(kHz)自动实测值(kHz)一键式实测值(kHz)最大值(kHz)U(k=2)(kHz)0.10.0980.1000.1000.1000.1020.00110.981.001.001.001.020.01109.810.010.010.010.20.11000980992992992102018000680070967096709692001

表9 输入频响转换影响(取部分频点)Tab.9 Input frequency response conversion effect(take some frequency points)中心频率(MHz)最小值(dB)手动实测误差值(dB)自动实测误差值(dB)一键式实测误差值(dB)最大值(dB)U(k=2)(dB)500(Ref)0(Ref)0(Ref)0(Ref)0(Ref)/0.1-0.380.040.040.040.380.2410-0.380.100.100.100.380.24100-0.380.150.140.130.380.241000-0.38-0.19-0.19-0.200.380.2410000-2.00-0.06-0.06-0.082.000.3020000-2.00-0.49-0.50-0.522.000.3630000-1.750.550.550.571.750.5440000-2.501.891.891.962.500.54

根据手动计量、自动测试计量以及一键式计量数据，采用自动测试/一键式计量测量值和手动测试测量值比对的方法，得到测量结果y与y0，依据重复性小于合成不确定度的三分之二，可得

(4)

式中：y——自动测试/一键式计量测量值；y0——手动测试测量值；uc——校准装置合成不确定度。