ATS技术在微波网络调试中的应用

霍利英，杨利敏，陈 妍

(南京电子技术研究所， 南京 210039)



·测试技术·

ATS技术在微波网络调试中的应用

霍利英，杨利敏，陈 妍

(南京电子技术研究所， 南京 210039)

介绍了ATS技术在微波网络调试工作中的实际应用，给出了硬件组成及软件实现方式。复杂形式的微波网络需要通过大量的调试工作才能使各项指标满足使用要求。调试人员需要反复的更换端口进行指标调试和测试。文中将一种ATS技术引入微波网络调试系统中，基于GPIB总线、端口扩展中枢、控制软件，实现微波网络调试工作中测试自动化和辅助调试。引入ATS技术后的调试系统的精度可以达到：幅度误差≤0.05 dB，相位误差≤1°，调试效率提高约40%。

自动测试系统; GPIB总线; 微波网络; 误差模型; 辅助调试

0 引 言

自动测试系统技术在军事方面的应用已有40多年的历史。 随着微电子技术和计算机技术的不断进步，与测试技术相关的理论研究工作也取得了较大的进展，从而加速了军用领域“自动测试系统(automatic test system，ATS)”的 发展[1]。以微型计算机和独立操作系统为软硬件平台的ATS开始获得广泛地使用，从初期的专用接口，最为成功的GPIB接口总线，伴随着VXI，PXI和新近推出的LXI技术的发展，ATS进入研制多功能、易组合、可扩展的成熟阶段。随着装备复杂性的快速增长，自动化的多参数综合测试和诊断系统的需求越来越旺盛。目前，几乎每一种重要武器装备都有相应的测试系统研制计划，这推动了ATS技术在应用层面上、特别是在军事应用上的地位和作用快速提升[2]。

微波网络历来为雷达、通信等系统的关键设备，微波网络参数指标的好坏直接影响系统的性能。随着雷达性能要求的不断提高，微波网络的复杂程度也越来越高，由于设计误差、加工精度、电路原材料等综合因素，导致微波网络，尤其是由微带电路实现的网络，很少能免调试。越是复杂的技术指标，调试工作越是复杂，往往是需要经验丰富的工程师手动开展调试工作，调试周期长，工作量大，且流程中夹杂许多重复操作动作。为了解决上述问题，本文将一种ATS技术引入微波网络调试工作中，该技术的引入不仅降低了微波网络调试工作中的调试复杂度，减少了纯人工手动的工作量，同时保证了测试系统的高精度。

1 常规微波网络调试

常规的微波网络调试通常由调试人员手动完成。调试前先是人工对矢量网络分析仪进行校准，以确保调试系统的精度。对于复杂的微波网络，往往是幅度和相位加权赋形，各端口驻波、幅度起伏、幅相误差等指标都需要调试人员手动进行调试，最终将各项指标调整到规定的范围内，交付验收。

以一个一分十二路的功率分配馈电网络调试为例，常规的调试流程如图1所示。

图1 常规馈电网络调试框图

由图1可以看出，其中最少有十几次的更换端口工作是需要人工重复操作的，对于大型的微波网络而言，每一个端口的调试对相邻端口会产生一定的影响，无论是进行指标的检查，或者是再次修订，都要反复进行测试端口的更换，这样一个一分十二路的功分器要完成所有指标的调试可能需要重复更换上百次的端口。其缺点是：连接端口反复人工换接耗时耗力，测试数据人工记录精确度低且差错率高，故障点人工核查效率低下，调试量越大越复杂的微波网络，缺陷越是明显。

2 引入ATS技术的微波网络调试

2.1 引入ATS技术的调试平台组成

ATS可以提高工作效率、保障产品可靠性，随着自动化测试技术越来越广泛的应用，很多射频组件系统的测试已经实现了自动化。由于微波网络的调试工作不同于单纯的测试工作，就工作流程上而言，需要先对微波网络进行指标的调试，使用满足调试精度的仪表搭建调试平台，运用相应的射频调试技术(非本文重点，在此不展开)将微波网络指标调整到合格范围内，再运用ATS进行指标测试，实现数据提取和计算的自动化。如果在微波组件的调试阶段引入ATS技术，就需要将相应的硬件设备添加到调试平台中，搭建出新的调试平台，此时平台的精度无法控制，故目前很少有人在微波网络调试阶段使用ATS技术。

本文在微波网络调试阶段引入了ATS技术的调试系统，该系统采用具有高稳定性的端口扩展中枢设备，通过GPIB总线及相应的控制软件，实现调试端口自动切换，自动数据测试和辅助故障判断。采用双端口12项误差模型进行系统误差的校准，确保调试系统的精度。调试平台如图2所示。

图2 引入ATS技术的测试平台框图

图2的调试平台中引入了ATS技术，通过GPIB总线实现计算机与矢量网络分析仪之间的数据通信，从而进行仪表的控制和数据提取[3]。端口扩展中枢将测试仪表的输出端口扩展，调试前与被调试件一一对接，实现微波网络被调试端口切换的自动化。在进行实际的调试过程中，上百次的人工手动切换端口将通过控制开关实现自动切换，在大大提高效率的同时，减少了微波网络射频端口与测试电缆间的反复连接。

端口拓展免除了人工换接，校准数据计算机保存避免了频繁校准，网络数据自动采集准确快捷降低了差错率，故障辅助判断功能减少了人员计算时间。几大优点的融合在引入ATS技术后的调试系统中得到了体现，对微波网络调试效率提升(尤其是大型多端口的微波网络)提供了平台。

2.2 调试流程中具体操作的优化

如图1所示，即使引入了ATS技术，针对于同一组件而言，调试流程并没有大的改变，除了调试平台按图2进行连接外，流程中的几大步骤不能省略，但是具体操作却被优化了。

初始指标测试由ATS中的控制软件一键实现，不再需要手动一一切换；XS2端口到XS13端口的调试带来的上百次的端口切换由ATS中端口扩展中枢实现自动切换；调试后指标复测也一键实现。引入ATS技术后一条一分十二路的微波网络调试在操作上就可缩短约1 h，约占整个调试时间的25%。

3 关键技术

3.1 调试平台的精度保障

调试平台的误差校准是保障测试精度的重要手段[4]，对于引入ATS技术后的调试系统，因为引入了端口扩展中枢和相应的连接电缆，要保障系统精度有两个难点：(1)引入的硬件设备必须具备高度稳定性，以确保校准后的系统能保持其精度误差在允许的范围内浮动；(2)待校准的端口数量增加，工作量增大，且容易出错。

矢网的系统误差是由仪器的硬件电路性能指标不理想所引起的，这些误差与矢网的信号泄漏、信号反射和频率响应有关，概括起来有六种类型，即：与信号泄漏有关的方向误差和串扰误差、与反射有关的源失配和负载阻抗失配误差、由测试接收机内部的反射与传输跟踪引起的频率响应误差。

图3给出了基于矢网搭建的调试平台系统精度误差计算模型，是应用最多的双端口12项误差模型[5]。双端口网络有4 个S参数，需要用反射和传输测量系统将它们同时测出。图3中虚线之间部分为待测的双端口网络，其S参数为S11、S21、S12、S22，12 项误差为:有效方向性误差ED1、ED2，隔离度误差EX1、EX2，等效源失配误差ES1、ES2，等效匹配负载失配误差EL1、EL2，传输跟踪误差ET1、ET2，反射跟踪误差ER1、ER2。

图3 调试平台精度误差计算模型

对于硬件指标不完善的系统，可以等效为一个理想的矢网和测量参考面直接按插入一个两端口的误差适配器，这个误差适配器的参数即表征矢网所有的系统误差。因二端口网络有两个参考面，故需要对被测网络的正向S参数和反向S参数，各配备一个误差适配器[6]。

通过选择合适的校准模式、高可靠性的外围电路，实现测试系统误差校准水平，保障系统的测试精度。本系统在设计时首先考虑所需硬件的性能指标，选用驻波小、插损小、重复性好、可靠性高的进口开关器件及连接电缆，开关次数可达1 000 000次，通道间隔离度60 dB以上。

由于机械校准件校准过程费时费力，对操作者要求很高，因此在校准件的选择方面，本系统选用了电子校准件。电子校准件(electronic calibration，Ecal) 模块，其示意如图4所示，只需一次连接就可以获得误差模型的所有误差项，这个过程约1 min，使得矢量网络分析仪(vector network analyzers，VNA) 校准实现自动化和实时化(Z1～Z4为内部校准件对应几种阻抗状态)；其由具有已知值的若干个反射阻抗状态和至少一个传输阻抗状态组成，通过其他电子开关将校准标准自动连接到VNA的测试端口，其中反射阻抗为开路器、短路器、负载等，传输阻抗为直通传输线；它由微带传输线来实现，通过同轴微带转换器输出，其内部包含控制电路、多状态阻抗网络以及含有表征电子校准模块特征的非易失存储器，从而形成校准时的自动测试网络(automatic test network，ATTN )。

图4 Ecal模块原理示意框图

软件控制部分增加了校准指示和校准文件定点存放功能，保证校准准确无误，且可适时调用。系统设置了校准验证功能，用于每天开机后检验校准数据是否失效，同时还提供了支持电子校准件的功能。在校准模式上选择“全二端口校准”：即对双端口器件的传输和反射测量，能够修正正反两向的方向性、源匹配、负载匹配、隔离和频响误差。给出最高的幅值和相位精度。该校准模式是目前经过验证的保障最高测试精度的模式[7]。

本系统设计精度要求为，测试准确度：±0.3 dB；测试重复性：±0.1dB；后经测试本系统测试准确度：±0.27 dB；测试重复性：±0.1 dB；本系统已应用到实际的微波网络调试验收工作中，与常规测试方法所得结果高度吻合。

3.2 辅助故障判断功能

纯粹的将手动更换调试通道转为自动切换并不是本系统最大的亮点，本系统在软件上增加了故障辅助判断功能。以幅度调试为例，当幅度起伏超过一定的界限时，通常视为有故障需要调试。这样的工作是需要调试人员借助仪表曲线进行人为判断，并换算调节量进行调试。在本系统中，借助于软件，通过设置上下限的功能，对于超出指标界限的端口报红，从而给出提示，并在下方给出调节量建议。

图5为本软件使用过程中的辅助故障判断界面，当指标有超标需要调整时，相应的端口做出报红提醒。此功能是将部分人为判断转换为电脑判断，借助成图软件适时进行数据分析，辅助故障判断功能大大提高了调试人员查找故障的速度，配合的调节量数据，减少了调试人员自行计算的时间，从而改善了调试的工作强度。

图5 辅助故障判断软件界面示意图

引入ATS技术后，使得智能化的调试工作逐步变为现实，在提高调试效率的同时大大降低了调试对微波网络的磨损，馈电网络的可靠性和使用寿命得到有效的保障。

4 结束语

智能化、自动化是未来微波网络调试工作的必然趋势，ATS技术在微波组件调试平台中的引入，大大提升了调试效率，已在实际的产品项目中得到应用。选择适当的端口扩展中枢，可以将相应的功能扩展推广到相似的各种馈电网络的调试工作中，为大型多端口网络智能化调试提供了很好发展平台。在测试自动化的基础上，将繁杂的调试工作逐步推向智能化、自动化，成为提升装备产能的倍增器。

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霍利英 女，1977年生，高级工程师。研究方向为微波网络设计、微波测量技术。

杨利敏 女，1976年生，高级工程师。研究方向为自动测试系统研发技术。

陈 妍 女，1983年生，助理工程师。研究方向为微波网络测试。

Application of ATS Technology in Microwave Network Debugging

HUO Liying，YANG Limin，CHEN Yan

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)

This paper introduces the actual application of ATS technology in the microwave network debugging, gives the hardware composition and software implementation. The microwave network complex form required by a large number of debugging work to make the indicators meet the requirements. The debugging personnel need to index the debugging and testing repeatedly replacing port. A kind of ATS technology is introduced to the microwave network debugging system. Based on GPIB bus, signal transmission center and the corresponding control software to realize the purpose of automation testing and auxiliary debugging. Introduced the system debugging of ATS technology of accuracy can be achieved: amplitude error is less than or equal to 0.05 dB, the phase error is less than 1 degrees, the debugging efficiency is increased by 40%.

automatic test system; GPIB bus; microwave network; error model; auxiliary debugging

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.10.018

霍利英 Email：2612408@qq.com

2015-06-28

2015-09-18

TP274.5; TN385

A

1004-7859(2015)10-0073-04