陳效杰 樓紅英 羅劍兵 沈保龍

(中國電子科技集團公司第十四研究所，江蘇南京 210039)

1 引 言

隨著無線電技術的不斷發(fā)展，頻譜分析儀作為通用電子測量儀器之一，在計量測試領域不可或缺。依據(jù)《JJF 1396—2013頻譜分析儀校準規(guī)范》或《GJB 8805—2015寬頻帶頻譜分析儀檢定規(guī)程》開展頻譜分析儀計量工作。以校準規(guī)范為例，頻譜分析儀校準項目包括參考頻率、頻率讀數(shù)、掃頻帶寬、噪聲邊帶、分辨率帶寬及其選擇性、輸入衰減轉換影響、輸入頻響、二次諧波失真、三階交調等十多項[1]，涉及的計量標準器具(主標準器及配套設備)有：頻率計、信號發(fā)生器(2臺)、功率計、濾波器、功分器等。

自動計量測試是通過工控機與標準儀器、被檢儀器之間的通訊，實現(xiàn)對儀器的操控及數(shù)據(jù)交互，減少人為操作，顯著提升了計量效率[2]。計量測試的高準確度，要求計量過程減少不確定度分量或者降低不確定度，但現(xiàn)階段都采用標準與被測儀器設備直連的方式[3]。由于各測試項對應標準儀器不同，因此，在實際計量測試過程中需要在被檢儀器與標準儀器之間進行頻繁的信號路徑切換。

頻譜分析儀自動計量測試項目流程及各測試項目對應標準設備如圖1所示。因此在自動計量測試過程中，需經常暫停測試或在程序中設置斷點提示，以完成被測儀器與標準儀器之間的切換，一臺頻譜分析儀的校準過程需要切換10多次連接對象，直接影響了計量效率。據(jù)統(tǒng)計，除去預熱和自校準時間，平均一臺頻譜分析儀自動計量測試時間為60min，其中切換連接消耗的操作時間近15min。

圖1 頻譜分析儀自動計量校準項目流程及對應標準設備圖

同時，對于精密的同軸電纜，可靠連接壽命僅千次級，而每年計量標準器具輸入輸出端與電纜、適配器之間連接次數(shù)就超過千次，加大了標準儀器及測試附件的損耗，耗材費用過高。計量級同軸電纜、同軸適配器價格昂貴，由于磨損縮短了使用壽命，提高了使用成本。

研制智能開關中樞系統(tǒng)，實現(xiàn)被測儀器單次連接一鍵式計量，對于計量標準器具及附件的維護、計量效率的提升具有重要意義。一鍵式智能計量技術將進一步提升計量工作效率，全面提升實驗室計量測試能力，實現(xiàn)自動計量測試向智能計量測試進化，為科研生產提供高效的計量服務保障。

2 智能開關中樞研制

開展頻譜分析儀的一鍵式智能計量技術研究，實現(xiàn)自動計量測試向智能計量測試的跨越式發(fā)展。研制智能開關中樞系統(tǒng)(圖2的“Signal Center”)，將中樞系統(tǒng)嵌入到標準裝置中，所有標準儀器通過同軸電纜與中樞系統(tǒng)連接，如圖2所示；相對于被檢儀器，中樞系統(tǒng)與標準裝置各分立標準儀器或配套設備固化為一個新的整體(黑盒子)，被檢儀器與“黑盒子”之間單次連接，即可完成被測儀器全項目的計量工作。根據(jù)頻譜分析儀校準項目所需的標準設備及連接屬性研制智能開關中樞，智能開關中樞原理如圖3所示。

圖2 頻譜分析儀一鍵式智能計量連接圖

圖3 頻譜分析儀智能開關中樞示意圖

智能開關中樞是一鍵式智能計量的核心組成部分，其主要功能是實現(xiàn)被測儀器與標準設備的穩(wěn)定可靠連接和智能自動切換。智能開關中樞主要由控制器、開關組以及通訊接口組成?？刂破魍ㄟ^通訊接口與工控機建立通訊，進而實現(xiàn)工控機對整個中樞狀態(tài)的控制。

智能開關中樞需要具備高穩(wěn)定性、高隔離度、高通斷比、低損耗等特點。開關通道間信號泄露產生的附加串擾會影響測試穩(wěn)定性及動態(tài)，通道串擾的產生主要是開關隔離度和連接電纜信號泄露。在智能開關中樞研建時選用隔離度大的開關，選擇射頻泄露小的電纜，以提高智能開關中樞抗干擾性能，減小自身串擾和外界干擾對計量測試結果的影響。

當前，頻譜分析儀多為50GHz以下頻段，在兼顧通用性及降低研制成本的條件下，對智能開關中樞進行優(yōu)化設計。在具備50GHz(同軸2.4mm)頻譜分析儀計量能力的同時，要兼顧26.5GHz(同軸3.5mm)、18GHz及更低頻段(N型)的型號產品。通用性設計要求智能開關中樞與被測儀器射頻連接端口應具備以上3種，但實際情況是，開關級聯(lián)越多，信號的傳輸性能越差，因此智能開關中樞只保留一個同軸2.4mm接口，其他型式接口通過高精度適配器轉接(適配器跟電纜同時修正)。開關、電纜及附件的選擇，根據(jù)計量測試項所需要的最高頻率選擇對應的開關、電纜及附件。如信號發(fā)生器與頻譜分析儀之間的參考晶振連接線只需要BNC型式即可，無需采用昂貴的同軸電纜；6GHz以下功率測試N型電纜即可，無需采用2.4mm同軸電纜。

3 誤差修正及不確定度分析

智能開關中樞的引入，使得頻譜分析儀計量時連接鏈路加長，射頻信號傳輸過程中信號損耗增加，因此與直接計量測試相比，為得到精確的測試數(shù)據(jù)，需要消除智能開關中樞的對結果的影響。

誤差修正分為三類：對于頻率讀數(shù)、掃頻帶寬、分辨力帶寬及其選擇性、噪聲邊帶、垂直顯示刻度、參考電平、輸入衰減轉換影響、分辨力帶寬轉換影響、顯示平均噪聲電平測試項，主要修正信號發(fā)生器與被測頻譜分析儀之間的直連開關通路(以下稱為頻率讀數(shù)通路)引入的誤差；校準信號電平測試項，主要修正校準信號與功率計直連開關通路引入的誤差；對于絕對幅度、輸入頻響測試項，主要修正信號源經功分器到標準功率計、被檢頻譜分析儀兩路幅度一致性(以下稱為頻響測試通路一致性)引入的誤差。

為得到修正誤差值，采用50GHz四端口網絡分析儀對智能開關中樞頻率讀數(shù)損耗及頻響測試通路一致性進行計量測試[4]，如圖4所示。

圖4 智能開關中樞校準連接圖

智能開關中樞及測試電纜損耗與頻率之間關系見表1，其中損耗值為6次測試平均值。根據(jù)頻率與損耗之間的關系，得到的散點圖如圖5所示，根據(jù)散點圖對曲線進行多項式擬合，其中從5次多項式開始，擬合趨勢基本復合，擬合公式為

圖5 擬合曲線及擬合公式曲線圖

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——損耗值；X——頻率，單位GHz。

因為智能開關中樞和電纜導致信號衰減，頻譜分析儀接收信號可能會出現(xiàn)的設置量程(參考電平及量程)之外，在直接測試信號發(fā)生器功率輸出的基礎上補償相應頻率對應的損耗值，此補償無需與損耗值完全一致，故可用式(1)進行補償[5]。如果直接測試時信號發(fā)生器在某頻點的幅度為A，采用智能開關中樞后，信號發(fā)生器在該頻點的輸出幅度為(A-L)。

表1 頻率讀數(shù)通路損耗與頻率對應表Tab.1 Frequency reading path loss and frequency correspondence table頻率(GHz)損耗(dB)頻率(GHz)損耗(dB)頻率(GHz)損耗(dB)頻率(GHz)損耗(dB)頻率(GHz)損耗(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

智能開關中樞開關、功分器和線纜引起的頻譜分析儀通路損耗、功率計通路損耗以及兩路一致性見表2和表3，與頻率讀數(shù)通路一樣，對頻譜分析儀通路損耗及兩路一致性進行曲線擬合，如圖6和圖7所示，并得到擬合公式。

圖6 頻譜分析儀通路損耗擬合曲線圖

圖7 兩路一致性擬合曲線圖

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)

與頻率讀數(shù)測量時一樣，為了確保信號一直顯示在頻譜分析儀屏幕中(Ref和div配置)，需要補償頻譜分析儀連接通路的信號，無需精確補償，所以采用式(2)進行補償即可，補償方法與頻率讀數(shù)測試中補償一致。

補償驗證以功率計通路為例，采用同一臺E4417A功率計主機、N8487A功率敏感器和負載對頻譜分析儀通路和功率計通路進行功率測試，在不同功率下兩路測試結果見表4。

由表4可看出，功率在(0～15)dBm時，基本處于功率計線性區(qū)，因此，通過信號源提升輸出功率進行補償?shù)姆椒ㄊ怯行У摹?/p>

表3 兩路一致性與頻率對應表Tab.3 Two way consistency and frequency correspondence table頻率(MHz)損耗(dB)頻率(GHz)損耗(dB)頻率(GHz)損耗(dB)頻率(GHz)損耗(dB)頻率(GHz)損耗(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 輸入頻響通路功率計驗證Tab.4 Verification of input frequency response path power meter頻率(GHz)0dBm10dBm15dBm頻譜路(dBm)功率路(dBm)Delta(dB)頻譜路(dBm)功率路(dBm)Delta(dB)頻譜路(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

輸出參考頻率測量不確定度，主要分量[5]包括頻率計外時基不準引入的不確定度、頻率計外時基的穩(wěn)定度引入的不確定度、測量重復性引入的不確定度、頻率計分辨率引入的不確定度，通過理論分析及實驗測試，與自動計量測試相較而言，智能中樞系統(tǒng)引入的不確定度可不考慮。

功率測量不確定度，主要分量包括功率計引入的不確定度u1、測量重復性引入的不確定度u2、功分器輸出不平衡引入的不確定度u3、失配引入的不確定度u4。與直接計量測試相較而言，功率計和測量重復性引入的不確定度一致；功分器輸出的不確定度由于兩路誤差修正，可以降低該不確定分量；失配引入的不確定分量，智能中樞系統(tǒng)整體可比擬為直接計量測試的功分器，端口駐波比較自動計量增大，u4隨之增大，最終在50GHz時，不確定度略有增加，不確定度分析見表5。

表5 直接計量與智能計量功率測量不確定度分析Tab.5 Uncertainty analysis of direct metering and smart metering power measurement分量u1u2u3u4ucU(k=2)直接計量0.09650.009890.110.1580.2155780.43智能計量0.09650.009890.050.200830.2285670.45

相對幅度測量不確定度，主要分量有衰減器引入的不確定度u4、測量重復性引入的不確定度u2，頻譜分析儀讀書分辨力引入的不確定度u3、失配引入的不確定度u4。經分析，較自動計量測試相比，由于衰減器的存在，失配變化較小，對整體不確定度的影響較小，見表6，衰減量為10dB時不確定比較。

表6 直接計量與智能計量相對幅度測量不確定度分析Tab.6 Uncertainty analysis of relative amplitude measurement between direct measurement and smart measurement分量u1u2u3u4ucU(k=2)直接計量0.010.002140.002890.01970.0223840.05智能計量0.010.002140.002890.02030.0229130.05

4 一鍵式智能計量程序設計

與自動計量測試相比，智能開關中樞在被測儀器與標準裝置之間增加了電纜、開關、適配器等無源器件，消除了各類器件的損耗、開關的串擾等對測試結果產生的影響。自動測試與一鍵式智能計量流程對比如圖8所示。

圖8 自動測試與一鍵式智能計量流程對比圖

一鍵式智能計量測試程序設計中，需增加對整個測試系統(tǒng)進行校準功能模塊，目的是對中樞系統(tǒng)的性能進行校準，校準數(shù)據(jù)作為修正參量以備在被測儀器在相應的計量測試項目中調用。校準完畢后，即可對頻譜分析儀開展計量工作。

在自動計量流程中[6]，消耗時間最長的是儀器程控命令執(zhí)行時間(儀器響應時間)，其次是切換標準所用的時間，數(shù)據(jù)寫入、數(shù)據(jù)運算時間在計算機內高速運行，相比前兩者而言可忽略不計。所以一鍵式智能計量在智能開關中樞系統(tǒng)穩(wěn)定可靠即無需校準的情況下，從計量到檢定證書或校準證書的生成[7]無需暫停，可節(jié)省切換標準所用的時間，大幅提高計量效率。

5 實驗對比

手動計量、自動測試、一鍵式智能計量三種方式對同一臺頻譜分析儀E4447A進行計量測試。參考頻率、頻率讀數(shù)、掃頻帶寬、噪聲邊帶、分辨率帶寬及其選擇性、輸入衰減轉換影響、輸入頻響、二次諧波失真、三階交調等，其中參考頻率、頻率讀書、掃頻寬度、噪聲邊帶、分辨率帶寬及選擇性、輸入衰減轉換影響、二次諧波失真、三階交調三種方式結果基本一致，輸入頻響一鍵式智能計量與手動計量、自動測試存在略微差異，結果見表7至表9。

表7 掃頻寬度(選取部分掃頻寬度)Tab.7 Sweep width(select part of the sweep width)中心頻率(GHz)掃頻寬度(MHz)最小值(MHz)手動80%掃頻寬度實測值(MHz)自動80%掃頻寬度實測值(MHz)一鍵式80%掃頻寬度實測值(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帶寬(選取部分帶寬)Tab.8 3dB bandwidth(select part of the bandwidth)分辨力帶寬(kHz)最小值(kHz)手動實測值(kHz)自動實測值(kHz)一鍵式實測值(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 輸入頻響轉換影響(取部分頻點)Tab.9 Input frequency response conversion effect(take some frequency points)中心頻率(MHz)最小值(dB)手動實測誤差值(dB)自動實測誤差值(dB)一鍵式實測誤差值(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

根據(jù)手動計量、自動測試計量以及一鍵式計量數(shù)據(jù)，采用自動測試/一鍵式計量測量值和手動測試測量值比對的方法，得到測量結果y與y0，依據(jù)重復性小于合成不確定度的三分之二，可得

(4)

式中：y——自動測試/一鍵式計量測量值；y0——手動測試測量值；uc——校準裝置合成不確定度。

6 結束語

基于頻譜分析儀校準規(guī)范和檢定規(guī)程，研制智能開關中樞，通過智能開關中樞完成被測頻譜分析儀和標準器具的互聯(lián)互通，實現(xiàn)頻譜分析儀單次連接的一鍵式智能計量。一鍵式智能計量不僅進一步提升計量測試的自動化水平，而且降低電纜及儀器接頭的損耗，提高了使用壽命。